Organische und anorganische Polymere kurz. An Orten, an denen es notwendig ist, den Einfluss von Säuren zu reduzieren. Anwendung allotroper Modifikationen von Kohlenstoff

Klassifizierung nach Herstellungsverfahren (Herkunft)

Klassifizierung der Brennbarkeit

Klassifizierung nach Verhalten beim Erhitzen

Klassifizierung von Polymeren nach der Struktur von Makromolekülen

KLASSIFIZIERUNG VON POLYMERN

Synthese von Polymeren.

Ein Polymer ist eine chemische Substanz mit hohem Molekulargewicht, die aus einer großen Anzahl sich periodisch wiederholender Fragmente besteht, die durch chemische Bindungen verbunden sind. Diese Fragmente werden Elementareinheiten genannt.

Somit sind die Eigenschaften von Polymeren wie folgt: 1. sehr hohes Molekulargewicht (Zehntausende und Hunderttausende). 2. Kettenstruktur von Molekülen (meist einfache Bindungen).

Es ist anzumerken, dass Polymere heute erfolgreich mit allen anderen Materialien konkurrieren, die die Menschheit seit der Antike verwendet.

Anwendung von Polymeren:

Polymere für biologische und medizinische Zwecke

Ionen- und Elektronenaustauschmaterialien

Hitze- und hitzebeständige Kunststoffe

Isolatoren

Bau- und Strukturmaterialien

Tenside und Materialien, die gegen aggressive Umgebungen beständig sind.

Die rasante Ausweitung der Polymerproduktion hat dazu geführt, dass ihre Brandgefahr (und alle brennen besser als Holz) für viele Länder zu einer nationalen Katastrophe geworden ist. Bei der Verbrennung und Zersetzung entstehen verschiedene, für den Menschen meist giftige Stoffe. Um sie erfolgreich bekämpfen zu können, ist es notwendig, die gefährlichen Eigenschaften der entstehenden Stoffe zu kennen.

Klassifizierung von Polymeren nach der Zusammensetzung der Hauptkette der Makromoleküle (am häufigsten):

ICH. Kohlenstoffketten-IUPs – die Hauptpolymerketten bestehen nur aus Kohlenstoffatomen

II. Heteroketten-BMCs – die Hauptpolymerketten enthalten neben Kohlenstoffatomen auch Heteroatome (Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel usw.)

III. Elementorganische Polymerverbindungen – die Hauptketten von Makromolekülen enthalten Elemente, die nicht Teil natürlicher organischer Verbindungen sind (Si, Al, Ti, B, Pb, Sb, Sn usw.)

Jede Klasse wird abhängig von der Struktur der Kette, dem Vorhandensein von Bindungen, der Anzahl und Art der Substituenten und den Seitenketten in separate Gruppen unterteilt. Heterokettenverbindungen werden außerdem unter Berücksichtigung der Art und Anzahl der Heteroatome sowie Organoelementpolymere klassifiziert – abhängig von der Kombination von Kohlenwasserstoffeinheiten mit Atomen von Silizium, Titan, Aluminium usw.

a) Polymere mit gesättigten Ketten: Polypropylen – [-CH 2 -CH-] n,

Polyethylen – [-CH 2 -CH 2 -] n; CH 3

b) Polymere mit ungesättigten Ketten: Polybutadien – [-CH 2 -CH=CH-CH 2 -] n;

c) Halogen-substituierte Polymere: Teflon – [-CF 2 -CF 2 -] n, PVC – [-CH 2 -CHCl-] n;

d) Polymeralkohole: Polyvinylalkohol – [-CH 2 -CH-] n;

e) Polymere von Alkoholderivaten: Polyvinylacetat – [-CH 2 -CH-] n;

f) polymere Aldehyde und Ketone: Polyacrolein – [-CH 2 -CH-] n;

g) Polymere von Carbonsäuren: Polyacrylsäure – [-CH 2 -CH-] n;

h) Polymernitrile: PAN – [-CH 2 -CH-] n;

i) Polymere aromatischer Kohlenwasserstoffe: Polystyrol – [-CH 2 -CH-] n.

a) Polyether: Polyglykole – [-CH 2 -CH 2 -O-] n;

b) Polyester: Polyethylenglykolterephthalat –

[-O-CH 2 -CH 2 -O-C-C 6 H 4 -C-] n;

c) Polymerperoxide: Polymerstyrolperoxid – [-CH 2 -CH-O-O-] n;

2. Polymere mit Stickstoffatomen in der Hauptkette:

a) Polymeramine: Polyethylendiamin – [-CH 2 –CH 2 –NH-] n;

b) Polymeramide: Polycaprolactam – [-NН-(СH 2) 5 -С-] n;

3. Polymere, die sowohl Stickstoff- als auch Sauerstoffatome in der Hauptkette enthalten – Polyurethane: [-С-NН-R-NN-С-О-R-О-] n;

4.Polymere mit Schwefelatomen in der Hauptkette:

a) Polythioether [-(CH 2) 4 – S-] n;

b) Polytetrasulfide [-(CH 2) 4 -S - S-] n;

5.Polymere, die Phosphoratome in der Hauptkette enthalten

zum Beispiel: O

[- P – O-CH 2 -CH 2 -O-] n ;

1. Organosilicium-Polymerverbindungen

a) Polysilanverbindungen R R

b) Polysiloxanverbindungen

[-Si-O-Si-O-]n;

c) Polycarbosilanverbindungen

[-Si-(-C-) n -Si-(-C-) n -] n ;

d) Polycarbosiloxanverbindungen

[-O-Si-O-(-C-) n -] n ;

2. Organotitan-Polymerverbindungen, zum Beispiel:

OC 4 H 9 OC ​​​​4 H 9

[-O – Ti – O – Ti-] n ;

OC 4 H 9 OC ​​​​4 H 9

3. Organoaluminium-Polymerverbindungen, zum Beispiel:

[-O – Al – O – Al-] n ;

Makromoleküle können eine lineare, verzweigte und räumliche dreidimensionale Struktur haben.

Linear Polymere bestehen aus Makromolekülen mit linearer Struktur; Solche Makromoleküle sind eine Ansammlung von Monomereinheiten (-A-), die zu langen unverzweigten Ketten verbunden sind:

nA ® (…-A – A-…) m + (…- A – A –…) R + …., wobei (…- A – A –…) Polymermakromoleküle mit unterschiedlichen Molekulargewichten sind.

Verzweigt Polymere zeichnen sich durch das Vorhandensein von Seitenzweigen in den Hauptketten von Makromolekülen aus, die kürzer als die Hauptkette sind, aber auch aus sich wiederholenden Monomereinheiten bestehen:

…- A – A – A – A – A – A – A- …

Räumlich Polymere mit dreidimensionaler Struktur zeichnen sich durch das Vorhandensein von Ketten aus Makromolekülen aus, die durch Kräfte der Grundvalenzen unter Verwendung von Querbrücken verbunden sind, die durch Atome (-B-) oder Atomgruppen, beispielsweise Monomereinheiten (-A-), gebildet werden.

A – A – A – A – A – A – A –

A – A – A – A – A – A –

A – A – A – A – A – A -

Dreidimensionale Polymere mit häufigen Vernetzungen werden als Netzwerkpolymere bezeichnet. Bei dreidimensionalen Polymeren verliert der Molekülbegriff seine Bedeutung, da in ihnen einzelne Moleküle in alle Richtungen miteinander verbunden sind und riesige Makromoleküle bilden.

Thermoplast- Polymere mit linearer oder verzweigter Struktur, deren Eigenschaften bei wiederholtem Erhitzen und Abkühlen reversibel sind;

duroplastisch- einige lineare und verzweigte Polymere, deren Makromoleküle beim Erhitzen aufgrund chemischer Wechselwirkungen zwischen ihnen miteinander verbunden werden; in diesem Fall entstehen aufgrund starker chemischer Bindungen räumliche Netzwerkstrukturen. Nach dem Erhitzen werden duroplastische Polymere normalerweise unschmelzbar und unlöslich – es kommt zu einem Prozess der irreversiblen Aushärtung.

Diese Klassifizierung ist sehr ungefähr, da die Entzündung und Verbrennung von Materialien nicht nur von der Art des Materials abhängt, sondern auch von der Temperatur der Zündquelle, den Zündbedingungen, der Form des Produkts oder der Strukturen usw.

Nach dieser Klassifizierung werden Polymermaterialien in brennbare, schwer entflammbare und nicht brennbare unterteilt. Von den brennbaren Stoffen unterscheidet man schwer entzündliche und schwer brennbare selbstverlöschende Stoffe.

Beispiele für brennbare Polymere: Polyethylen, Polystyrol, Polymethylmethacrylat, Polyvinylacetat, Epoxidharze, Zellulose usw.

Beispiele für feuerbeständige Polymere: PVC, Teflon, Phenol-Formaldehyd-Harze, Harnstoff-Formaldehyd-Harze.

Natürlich (Proteine, Nukleinsäuren, Naturharze) (tierisch und

pflanzlichen Ursprungs);

Synthetisch (Polyethylen, Polypropylen usw.);

Künstlich (chemische Modifikation natürlicher Polymere – Ether

Zellulose).

Anorganisch: Quarz, Silikate, Diamant, Graphit, Korund, Karabiner, Borcarbid usw.

Organisch: Gummi, Zellulose, Stärke, organisches Glas und

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ANORGANISCHE Polymere sind Polymere, deren Moleküle über anorganische Hauptketten verfügen und keine organischen Nebenreste (Rahmengruppen) enthalten.

In der Natur sind dreidimensionale Netzwerke anorganischer Polymere weit verbreitet, die in Form von Mineralien Teil der Erdkruste sind (z. B. Quarz).

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Im Gegensatz zu organischen Polymeren können solche anorganischen Polymere nicht in einem hochelastischen Zustand vorliegen. Beispielsweise können Polymere aus Schwefel, Selen, Tellur und Germanium synthetisch gewonnen werden. Von besonderem Interesse ist anorganischer Synthesekautschuk – Polyphosphonitrilchlorid. Hat eine erhebliche hochelastische Verformung

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Die Hauptketten sind aus kovalenten oder ionisch-kovalenten Bindungen aufgebaut; In einigen anorganischen Polymeren kann die Kette ionisch-kovalenter Bindungen durch einzelne Verbindungen koordinativer Natur unterbrochen sein. Strukturelle Klassifizierung von anorganischen Stoffen
Die Entwicklung von Polymeren erfolgt nach den gleichen Eigenschaften wie organische oder Polymere.

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Unter den natürlichen anorganischen Polymeren am meisten. Retikuläre sind weit verbreitet und gehören zu den meisten Mineralien der Erdkruste. Viele von ihnen bilden diamantartige Kristalle oder
Quarz.

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Struktur anorganischer Polymere

Elemente der oberen Reihen von III-VI gr. sind in der Lage, lineare anorganische Polymere zu bilden. periodisch Systeme. Innerhalb von Gruppen nimmt mit zunehmender Reihenzahl die Fähigkeit der Elemente, homo- oder heteroatomare Ketten zu bilden, stark ab.

Halogene, wie in org. Polymere spielen die Rolle von Kettenabbruchmitteln, obwohl alle möglichen Kombinationen davon mit anderen Elementen Seitengruppen bilden können.

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Lange homoatomare Ketten (bilden nur Kohlenstoff und Elemente der Gruppe VI – S, Se und Te. Diese Ketten bestehen nur aus Hauptatomen und enthalten keine Seitengruppen, die elektronischen Strukturen der Kohlenstoffketten und der S-, Se- und Te-Ketten jedoch anders.

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Lineare Polymere aus Kohlenstoff - Cumulenen =C=C=C=C= ... und Carbin -C=C-C=C-...; Darüber hinaus bildet Kohlenstoff zweidimensionale und dreidimensionale kovalente Kristalle – Graphit bzw. Diamant

Allgemeine Formel von Cumulenen: RR¹CnR²R³

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Arten anorganischer Polymere

Schwefel, Selen und Tellur bilden Atomketten mit einfachen Bindungen.

Ihre Polymerisation hat den Charakter eines Phasenübergangs, und der Temperaturbereich der Stabilität des Polymers hat eine verschwommene untere und eine klar definierte obere Grenze. Unterhalb und oberhalb dieser Grenzen sind sie jeweils stabil. zyklisch Oktamere und zweiatomige Moleküle.

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Von praktischem Interesse sind vor allem lineare anorganische Polymere Grade ähneln organischen – sie können in den gleichen Phasen-, Aggregat- oder Relaxationszuständen existieren und ähnliche Supermole bilden. Strukturen usw.

Solche anorganischen Polymere können hitzebeständige Kautschuke, Gläser, faserbildende Polymere etc. sein und weisen zudem eine Reihe von Eigenschaften auf, die organischen Polymeren nicht mehr eigen sind. Polymere. Dazu gehören Polyphosphazene, polymere Schwefeloxide (mit unterschiedlichen Seitengruppen), Phosphate und Silikate.

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Anwendung anorganischer Polymere

Die Verarbeitung anorganischer Polymere zu Gläsern, Fasern, Glaskeramiken usw. erfordert ein Aufschmelzen, das meist mit einer reversiblen Depolymerisation einhergeht. Zur Stabilisierung mäßig verzweigter Strukturen in Schmelzen werden daher meist modifizierende Additive eingesetzt.

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Polymere sind hochmolekulare Verbindungen, die aus vielen Monomeren bestehen. Polymere sind von Oligomeren zu unterscheiden, bei denen sich die Eigenschaften des Polymers bei Hinzufügung einer weiteren Zahleneinheit nicht ändern.

Die Verbindung zwischen den Monomereinheiten kann durch chemische Bindungen erfolgen, dann spricht man von Duroplasten, oder durch die Kraft der intermolekularen Wirkung, die typisch für die sogenannten Thermoplaste ist.

Die Verbindung von Monomeren zu einem Polymer kann als Ergebnis einer Polykondensations- oder Polymerisationsreaktion erfolgen.

Es gibt viele ähnliche Verbindungen in der Natur, die bekanntesten davon sind Proteine, Gummi, Polysaccharide und Nukleinsäure. Solche Materialien werden als organisch bezeichnet.

Heutzutage werden viele Polymere synthetisch hergestellt. Solche Verbindungen werden anorganische Polymere genannt. Anorganische Polymere werden durch die Kombination natürlicher Elemente durch Polykondensationsreaktionen, Polymerisation und chemische Umwandlung hergestellt. Auf diese Weise können Sie teure oder seltene Naturmaterialien ersetzen oder neue Materialien schaffen, die in der Natur keine Analogien haben. Die Hauptbedingung ist, dass das Polymer keine Elemente organischen Ursprungs enthält.

Anorganische Polymere erfreuen sich aufgrund ihrer Eigenschaften großer Beliebtheit. Ihr Einsatzspektrum ist recht breit gefächert, es werden ständig neue Anwendungsgebiete gefunden und neuartige anorganische Materialien entwickelt.

Hauptmerkmale

Heutzutage gibt es viele Arten anorganischer Polymere, sowohl natürliche als auch synthetische, die unterschiedliche Zusammensetzungen, Eigenschaften, Anwendungsbereiche und Aggregatzustände aufweisen.

Der aktuelle Entwicklungsstand der chemischen Industrie ermöglicht die Herstellung anorganischer Polymere in großen Mengen. Um ein solches Material zu erhalten, müssen Bedingungen mit hohem Druck und hoher Temperatur geschaffen werden. Der Rohstoff für die Produktion ist eine reine Substanz, die dem Polymerisationsprozess zugänglich ist.

Anorganische Polymere zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine erhöhte Festigkeit und Flexibilität aufweisen, schwer von Chemikalien angreifbar sind und beständig gegen hohe Temperaturen sind. Einige Arten können jedoch zerbrechlich und mangelhaft an Elastizität sein, sind aber gleichzeitig recht stark. Die bekanntesten davon sind Graphit, Keramik, Asbest, Mineralglas, Glimmer, Quarz und Diamant.

Die gebräuchlichsten Polymere basieren auf Ketten von Elementen wie Silizium und Aluminium. Dies liegt an der Fülle dieser Elemente in der Natur, insbesondere an Silizium. Die bekanntesten davon sind anorganische Polymere wie Silikate und Alumosilikate.

Eigenschaften und Eigenschaften variieren nicht nur in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung des Polymers, sondern auch von Molekulargewicht, Polymerisationsgrad, Atomstruktur und Polydispersität.

Unter Polydispersität versteht man das Vorhandensein von Makromolekülen unterschiedlicher Masse in der Zusammensetzung.

Die meisten anorganischen Verbindungen zeichnen sich durch folgende Indikatoren aus:

1. Elastizität. Eine Eigenschaft wie Elastizität zeigt die Fähigkeit eines Materials an, sich unter dem Einfluss einer äußeren Kraft zu vergrößern und nach Wegnahme der Belastung in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Beispielsweise kann sich Gummi um das Sieben- bis Achtfache ausdehnen, ohne seine Struktur zu verändern oder Schäden zu verursachen. Die Wiederherstellung von Form und Größe ist möglich, indem die Position der Makromoleküle in der Zusammensetzung beibehalten wird; nur ihre einzelnen Segmente bewegen sich.
2. Kristallstruktur. Die Eigenschaften und Eigenschaften des Materials hängen von der räumlichen Anordnung der Bestandteile, der sogenannten Kristallstruktur, und ihren Wechselwirkungen ab. Basierend auf diesen Parametern werden Polymere in kristalline und amorphe Polymere unterteilt.

Kristalline haben eine stabile Struktur, in der eine bestimmte Anordnung von Makromolekülen beobachtet wird. Amorphe bestehen aus Makromolekülen mit Nahordnung, die nur in bestimmten Zonen eine stabile Struktur aufweisen.

Die Struktur und der Kristallisationsgrad hängen von mehreren Faktoren ab, wie der Kristallisationstemperatur, dem Molekulargewicht und der Konzentration der Polymerlösung.

1. Glasigkeit. Diese Eigenschaft ist charakteristisch für amorphe Polymere, die bei sinkender Temperatur oder steigendem Druck eine glasartige Struktur annehmen. In diesem Fall stoppt die thermische Bewegung von Makromolekülen. Die Temperaturbereiche, in denen der Glasbildungsprozess stattfindet, hängen von der Art des Polymers, seiner Struktur und den Eigenschaften der Strukturelemente ab.
2. Viskoser Fließzustand. Hierbei handelt es sich um eine Eigenschaft, bei der es unter dem Einfluss äußerer Kräfte zu irreversiblen Form- und Volumenänderungen eines Materials kommt. Im viskosen Fließzustand bewegen sich Strukturelemente in linearer Richtung, was zu einer Formänderung führt.

Struktur anorganischer Polymere

Diese Eigenschaft ist in einigen Branchen sehr wichtig. Es wird am häufigsten bei der Verarbeitung von Thermoplasten mit Methoden wie Spritzgießen, Extrudieren, Vakuumformen und anderen verwendet. Dabei schmilzt das Polymer bei erhöhter Temperatur und hohem Druck.

Arten anorganischer Polymere

Heutzutage gibt es bestimmte Kriterien, nach denen anorganische Polymere klassifiziert werden. Die wichtigsten:

• Art der Herkunft;
• Arten chemischer Elemente und ihre Vielfalt;
• Anzahl der Monomereinheiten;
• Polymerkettenstruktur;
• physikalische und chemische Eigenschaften.

Je nach Herkunft werden synthetische und natürliche Polymere unterschieden. Natürliche Stoffe werden unter natürlichen Bedingungen ohne menschliches Eingreifen gebildet, während synthetische Stoffe unter industriellen Bedingungen hergestellt und modifiziert werden, um die erforderlichen Eigenschaften zu erreichen.

Heutzutage gibt es viele Arten anorganischer Polymere, von denen die am weitesten verbreiteten sind. Dazu gehört auch Asbest.

Asbest ist ein feinfaseriges Mineral, das zur Gruppe der Silikate gehört. Die chemische Zusammensetzung von Asbest besteht aus Silikaten von Magnesium, Eisen, Natrium und Kalzium. Asbest hat krebserregende Eigenschaften und ist daher sehr gefährlich für die menschliche Gesundheit. Es ist sehr gefährlich für die Arbeiter, die an der Gewinnung beteiligt sind. In Form von Fertigprodukten ist es jedoch recht sicher, da es sich nicht in verschiedenen Flüssigkeiten auflöst und nicht mit diesen reagiert.

Silikon ist eines der am häufigsten vorkommenden synthetischen anorganischen Polymere. Es ist leicht, ihn im Alltag zu treffen. Der wissenschaftliche Name für Silikon ist Polysiloxan. Seine chemische Zusammensetzung ist eine Bindung von Sauerstoff und Silizium, die Silikon die Eigenschaften hoher Festigkeit und Flexibilität verleiht. Dadurch ist Silikon in der Lage, hohen Temperaturen und physikalischen Belastungen standzuhalten, ohne an Festigkeit zu verlieren und seine Form und Struktur beizubehalten.

Kohlenstoffpolymere kommen in der Natur sehr häufig vor. Es gibt auch viele Arten, die vom Menschen unter industriellen Bedingungen synthetisiert wurden. Unter den natürlichen Polymeren sticht Diamant hervor. Dieses Material ist unglaublich langlebig und hat eine kristallklare Struktur.

Carbyne ist ein synthetisches Kohlenstoffpolymer mit erhöhten Festigkeitseigenschaften, die denen von Diamant und Graphen in nichts nachstehen. Es wird in Form einer schwarzen Moltebeere mit feiner Kristallstruktur hergestellt. Es verfügt über elektrische Leitfähigkeitseigenschaften, die unter Lichteinfluss zunehmen. Kann Temperaturen von 5000 Grad standhalten, ohne seine Eigenschaften zu verlieren.

Graphit ist ein Kohlenstoffpolymer, dessen Struktur durch planare Ausrichtung gekennzeichnet ist. Aus diesem Grund ist die Struktur von Graphit schichtförmig. Dieses Material leitet Strom und Wärme, lässt jedoch kein Licht durch. Seine Art ist Graphen, das aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffmolekülen besteht.

Borpolymere zeichnen sich durch eine hohe Härte aus und stehen Diamanten in nichts nach. Hält Temperaturen von mehr als 2000 Grad stand, was viel höher ist als die Grenztemperatur von Diamant.

Selenpolymere sind eine ziemlich breite Palette anorganischer Materialien. Das bekannteste davon ist Selencarbid. Selenkarbid ist ein langlebiges Material, das in Form transparenter Kristalle vorliegt.

Polysilane verfügen über besondere Eigenschaften, die sie von anderen Materialien unterscheiden. Dieser Typ leitet Strom und hält Temperaturen bis zu 300 Grad stand.

Anwendung

Anorganische Polymere kommen in fast allen Bereichen unseres Lebens zum Einsatz. Je nach Typ haben sie unterschiedliche Eigenschaften. Ihr Hauptmerkmal ist, dass künstliche Materialien im Vergleich zu organischen Materialien verbesserte Eigenschaften haben.

Asbest wird in verschiedenen Bereichen eingesetzt, vor allem im Bauwesen. Zur Herstellung von Schiefer und verschiedenen Rohrtypen werden Mischungen aus Zement und Asbest verwendet. Asbest wird auch verwendet, um die Säurewirkung zu reduzieren. In der Leichtindustrie wird Asbest zum Nähen von Feuerwehranzügen verwendet.

Silikon wird in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Es wird zur Herstellung von Rohren für die chemische Industrie, Elementen für die Lebensmittelindustrie und auch im Bauwesen als Dichtungsmittel verwendet.

Im Allgemeinen ist Silikon eines der funktionellsten anorganischen Polymere.

Diamant ist vor allem als Schmuckmaterial bekannt. Aufgrund seiner Schönheit und der schwierigen Gewinnung ist es sehr teuer. Aber auch in der Industrie werden Diamanten eingesetzt. Dieses Material wird in Schneidgeräten zum Schneiden sehr haltbarer Materialien benötigt. Es kann in reiner Form als Fräser oder als Spray auf Schneidelementen verwendet werden.

Graphit wird in verschiedenen Bereichen häufig verwendet; daraus werden Bleistifte hergestellt, es wird im Maschinenbau, in der Nuklearindustrie und in Form von Graphitstäben verwendet.

Da Graphen und Carbin noch wenig erforscht sind, ist ihr Anwendungsbereich begrenzt.

Borpolymere werden zur Herstellung von Schleifmitteln, Schneidelementen usw. verwendet. Für die Metallbearbeitung sind Werkzeuge aus diesem Material notwendig.

Selenkarbid wird zur Herstellung von Bergkristall verwendet. Es wird durch Erhitzen von Quarzsand und Kohle auf 2000 Grad gewonnen. Aus Kristall werden hochwertige Tisch- und Einrichtungsgegenstände hergestellt.

§ 12. POLYMERE

Für jeden, der sich mit den Grundlagen der Naturwissenschaften auskennt, ist der Begriff „Polymere“ mit etwas ungewöhnlich Großem, Großem verbunden. Tatsächlich ist das wahr. Polymere sind Stoffe, deren Moleküle aus vielen sich wiederholenden Struktureinheiten bestehen, die durch chemische Bindungen verbunden sind.
Ein sich wiederholendes Strukturfragment in einem Polymermakromolekül wird als Elementareinheit bezeichnet und in der chemischen Formel in Klammern angegeben. Die Anzahl der Elementareinheiten wird als Polymerisationsgrad bezeichnet. Da der Polymerisationsgrad jedes einzelnen Polymermoleküls innerhalb erheblicher Grenzen variieren kann, wird er in der Formel des Stoffes nicht durch eine Zahl, sondern durch den Index n angegeben. Beispielsweise lautet die chemische Formel eines der häufigsten Polyethylenpolymere wie folgt: (–CH2–CH2–)n, wobei (–CH2–CH2–) eine Elementareinheit und n der Polymerisationsgrad ist.
Der Stoff, aus dem ein Polymer entsteht, wird Monomer genannt. Anhand der Art des Monomers werden anorganische und organische Polymere unterschieden. Die Umwandlung eines Monomers in ein Polymer kann im Rahmen einer Polymerisationsreaktion (in diesem Fall entstehen bei der Reaktion außer dem Polymer keine weiteren Stoffe) oder einer Polykondensationsreaktion (bei solchen Reaktionen zusätzlich) erfolgen Neben dem Polymer entstehen auch niedermolekulare Nebenprodukte wie Wasser).
Lassen Sie uns ein Beispiel für das Schreiben einer Polymerisationsreaktion zur Herstellung von Polyethylen geben: nCH2=CH2 → (–CH2–CH2–)n.
Ein Beispiel für eine Polykondensationsreaktion ist die Umwandlung des Monosaccharids Glucose in das Polysaccharid Stärke:
nС6H12O6 → (C6H10O5)n + nH2O.
Aufgrund ihrer Herkunft unterscheidet man zwischen natürlichen Polymeren bzw. Biopolymeren (die von der Natur selbst ohne menschliches Zutun erzeugt werden), künstlichen Polymeren (das sind chemisch veränderte natürliche Polymere) und synthetischen Polymeren (die auf chemischem Wege hergestellt werden).
„Überall ist Plastik, Nickel – alles stimmt nicht...“ (I. Brodsky). Im wahrsten Sinne des Wortes stoßen wir bei jedem Schritt im Alltag auf Stoffe mit Polymerstruktur: Dies sind Bau-, Veredelungs-, Verpackungs-, Struktur- und Isoliermaterialien; Teile von Maschinen und Mechanismen; Bekleidung, Stoffe und Schuhe; dekorative, korrosionsschützende und spezielle Beschichtungen; Gummiprodukte, Elastomere und vieles mehr.
Das Leben selbst ist ohne natürliche hochmolekulare Substanzen – Biopolymere, zu denen Proteine, Nukleinsäuren (DNA und RNA), Polysaccharide (Stärke, Cellulose, Glykogen, Chitin usw.) gehören – undenkbar. Lassen Sie uns kurz die wichtigsten Ihnen bekannten Gruppen von Polymeren beschreiben – Kunststoffe und Fasern.

Kunststoffe- Hierbei handelt es sich um Polymermaterialien, die beim Erhitzen eine bestimmte Form annehmen und diese nach dem Abkühlen beibehalten können.

In der Regel handelt es sich bei Kunststoff um eine Mischung aus mehreren Stoffen, wobei Polymer nur einer davon, aber der wichtigste, ist. Dadurch werden alle Bestandteile des Kunststoffs zu einem einzigen, mehr oder weniger homogenen Ganzen verbunden. Daher wird das Polymer im Kunststoff als Bindemittel bezeichnet. Es ist klar, dass es zweckmäßig ist, Kunststoffe, die reversibel härten und erweichen, in Fertigprodukte umzuwandeln. Solche Kunststoffe werden Thermoplaste oder thermoplastische Polymere genannt. Zu diesen Kunststoffen gehören Polyethylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid und Polyamide. Wenn beim Formen eines Produkts eine Vernetzung von Makromolekülen auftritt und das Polymer beim Aushärten eine räumliche Struktur annimmt, werden solche Kunststoffe als Duroplaste oder duroplastische Polymere bezeichnet. Dazu gehören Phenol-Formaldehyd-, Harnstoff- und Polyesterharze. Solche Polymere können nicht in einen viskosen Fließzustand zurückgeführt werden.

Neben dem Bindemittelpolymer werden Kunststoffen häufig verschiedene Zusatzstoffe zugesetzt: Füllstoffe, Farbstoffe sowie Stoffe, die die mechanischen Eigenschaften, die Hitzebeständigkeit und die Alterungsbeständigkeit erhöhen. Füllstoffe reduzieren nicht nur die Kosten von Kunststoffen deutlich, sondern verleihen ihnen auch viele spezifische Eigenschaften. Beispielsweise sind mit Diamant- und Karborundstaub gefüllte Kunststoffe abrasive Stoffe, d. h. Schleifmaterial. Die weit verbreitete Verwendung von Kunststoffen wird durch ihre geringen Kosten und die einfache Verarbeitung ermöglicht. Die Eigenschaften von Kunststoffen sind denen von Metallen und Legierungen oft nicht unterlegen, manchmal sogar überlegen.
Die Hauptabnehmer von Kunststoffen sind die Bauindustrie, der Maschinenbau, die Elektrotechnik, der Transport, die Herstellung von Verpackungsmaterialien und Konsumgüter (Abb. 1).

Reis. 1. Anwendungen von Kunststoffen
Der Begriff „Polymere“ wird oft als chemische Kategorie wahrgenommen, als etwas, das von chemischen Erfindern erfunden und synthetisiert wurde. Viele Polymere kommen jedoch in der Natur vor, und zwar nicht in Form von Abfallprodukten, die der Mensch zurücklässt und ihn verschmutzt, sondern als natürliche Substanzen, die von pflanzlichen und tierischen Organismen synthetisiert werden.
So sondert der in Kleinasien wachsende Liuamber orientalis-Baum ein duftendes Harz namens Styrax ab, das die alten Ägypter vor 3000 Jahren zur Einbalsamierung von Toten verwendeten. Styrax ist, wie das „Drachenblut“, das die malaysische Rattanpalme absondert, nichts anderes als Styropor. Bei Gefahr schießt der Abax-Attenkäfer eine Flüssigkeit auf den Angreifer, die hauptsächlich aus monomerem Methylmethacrylat besteht, die am Körper des Feindes polymerisiert und ihn bewegungslos macht.

Die wichtigsten Kunststoffe und ihre Einsatzgebiete sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Kunststoffe und ihre Anwendungen

Die zweite Gruppe von Polymermaterialien umfasst Fasern.

Wie alle Polymere kommen auch Fasern zum Einsatz natürlich(natürlich), künstlich Und Synthetik.

Naturfasern Je nach Herkunft werden sie unterteilt in Gemüse, Tiere Und Mineral.

Pflanzenfasern kann aufgeteilt werden in:

– Fasern, die sich auf der Oberfläche von Samen (Baumwolle) bilden;
– Pflanzenstammfasern – Bastfasern (Flachs, Jute, Hanf);
– Fruchtschalenfasern (Kopranüsse der Kokospalme).
Die wichtigste Faser pflanzlichen Ursprungs – Baumwolle – weist gute mechanische Eigenschaften, Verschleißfestigkeit, thermische Stabilität und mäßige Hygroskopizität auf. Es wird zur Herstellung verschiedener Stoffe und Strickwaren, Nähgarne und Watte verwendet. Flachs wird zur Herstellung von Leinen-, Kleider- und Dekorationsstoffen verwendet. Bastfasern werden zur Herstellung von Stoffen verwendet, aus denen Behälter (Taschen), Seile und Schnüre hergestellt werden.

Zu den Fasern tierischen Ursprungs Dazu gehören Wolle und Seide.
Naturwolle zeichnet sich durch geringe Festigkeit und hohe Elastizität aus. Es wird zur Herstellung von Stoffen für Haushalts- und technische Zwecke, Strickwaren und Filzprodukten verwendet.
Naturseide wird von zahlreichen Raupen und Spinnen produziert. Die bekannteste Seide wird von der Seidenraupe Bombyx mori produziert (Abb. 2).

Reis. 2. Seidenraupe. Auf der Postkarte:
Schmetterling, der Eier legt, Raupe, Kokon
und ein Kokon im Schnitt (Künstler L.V. Aristov)
Seide war den Chinesen bereits mehr als zweieinhalbtausend Jahre vor Christus bekannt. Das Geheimnis seiner Herstellung wurde bis 556 n. Chr. vom Staat geschützt. Mönche aus Europa schmuggelten Seidenraupeneier nicht aus China, indem sie sie in hohlen Stöcken versteckten. Naturseide ist eine sehr teure Faser.
In Japan kostet ein Seidenkimono beispielsweise etwa 30.000 US-Dollar. Früher wurde Seide mit natürlichen Farbstoffen wie Cochenille in verschiedenen Farben gefärbt: Lila, Scharlach, Flieder usw. Diese Seide wurde zum Nähen von Kleidung für Könige, Geistliche und weltliche Schönheiten verwendet.
...Und das Gesicht erscheint blasser
Aus fliederfarbener Seide...
A. Achmatowa
Die Maßeinheit für Seide ist die Mumie. Dieses Wort hat nichts mit ägyptischen Mumien zu tun. Es kommt vom japanischen „momme“. Mumie ist eine Einheit der Stoffmasse (3,75 g), die einem Quadratmeter fabrikproduziertem Stoff entspricht. Ein Quadratmeter der meisten Seidenarten wiegt 16–22 Mumi, einige chinesische Sorten wiegen jedoch nur 4–8 Mumi.

Chemiefasern gewonnen aus Lösungen oder Schmelzen faserbildender Polymere. Sie sind in folgende Gruppen unterteilt:
– künstlich(Viskose, Acetat usw.), die aus natürlichen Polymeren oder Produkten ihrer Verarbeitung, hauptsächlich aus Cellulose und ihren Ethern, gewonnen werden;
– Synthetik(Nylon, Lavsan, Enant, Nylon), die aus synthetischen Polymeren gewonnen werden.
Betrachten wir eine andere Gruppe von Polymeren, die im Alltagsbewusstsein selten mit diesem Konzept in Verbindung gebracht wird. Das anorganische Polymere .
Ein anorganisches Polymer wie plastischer Schwefel lässt sich leicht aus kristallinem Schwefel gewinnen, indem man seine Schmelze in kaltes Wasser gießt. Es entsteht ein gummiartiger Stoff, dessen Struktur sich wie folgt darstellen lässt:

Die elementaren Einheiten in diesem Polymer sind Schwefelatome.
Andere anorganische Polymere mit atomarer Struktur sind alle allotropen Modifikationen von Kohlenstoff (einschließlich Diamant und Graphit), Selen und Tellur mit Kettenstruktur, rotem Phosphor und kristallinem Silizium. Letzteres hat Halbleitereigenschaften und wird zur Herstellung von Solarzellen verwendet (Abb. 3).

Reis. 3. Solarbatterie auf dem Dach eines Wohngebäudes
Wir haben Beispiele für einfache Substanzen gegeben, die eine polymere Atomstruktur haben. Eine noch vielfältigere Gruppe anorganischer Polymere sind komplexe Stoffe. Dies ist beispielsweise Silizium(IV)-oxid:

Zu den Sorten dieses Polymers, das den Großteil der Lithosphäre ausmacht, gehören Quarz, Kieselsäure, Bergkristall und Achat (Abb. 4).

Abb.4. Achat

Nicht weniger verbreitet ist ein so wichtiges Polymer für die Lithosphäre wie Aluminiumoxid. Am häufigsten bilden diese beiden Polymere Mineralien, die zusammen als Alumosilikate bezeichnet werden. Hierzu zählen beispielsweise weißer Ton (Kaolin), Feldspäte und Glimmer (Abb. 5).

Reis. 5. Paragonit (Glimmer ist ein natürliches Schichtmineral)

Fast alle Mineralien und Gesteine ​​sind natürliche Polymere.
Fasern finden sich auch unter anorganischen Polymeren.
Zu den Mineralfasern gehört Asbest (Abb. 6), das in Russland seit langem unter dem Namen „Bergflachs“ bekannt ist. Daraus wurde im „Steingürtel“ (wie das Uralgebirge oft genannt wurde) in den Betrieben der Industriellen und Unternehmer Demidovs feuerfestes Leinen hergestellt, das sie als exotische Geschenke an Adlige, darunter Kaiserin Katharina die Große, verschenkten.

Heutzutage wird Asbest zur Herstellung hitze- und feuerfester, chemikalienbeständiger Produkte verwendet: technische Gewebe, Schiefer, Rohre usw.

1. Was ist ein Polymer, Monomer, Elementareinheit, Polymerisationsgrad?
2. Welche Biopolymere kennen Sie? Beschreiben Sie sie anhand der in der ersten Frage aufgeführten Konzepte.
3. Was sind Kunststoffe? In welche Gruppen werden sie nach Herkunft und in Bezug auf die Heizung eingeteilt? Nenne Beispiele.
4. Was ist Polymerisation und Polykondensation? Vergleichen Sie diese Prozesse. Nenne Beispiele. Nutzen Sie bei der Beantwortung dieser Frage unter anderem Kenntnisse der allgemeinen Biologie.
5. Was sind Fasern? In welche Gruppen werden sie eingeteilt? Nennen Sie Beispiele und sprechen Sie über die Bedeutung spezifischer Vertreter jeder Gruppe, indem Sie die Macht des Internets nutzen.
6. Bereiten Sie mithilfe von Internetressourcen eine Nachricht zum Thema „Synthetische Materialien und ihre Rolle in der modernen Technologie“ vor.
7. Welche anorganischen Polymere kennen Sie? Was haben ihre Strukturen gemeinsam? Welche Rolle spielen sie in der unbelebten Natur?
8. Bereiten Sie mithilfe von Internetressourcen eine Nachricht zum Thema „Polymere – natürliche Mineralien“ vor.
9. Notieren Sie die Struktureinheit von Quarz. Erzählen Sie uns von den Arten natürlicher Mineralien, die diesen strukturellen Zusammenhang aufweisen.
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Im Jahr 1833 prägte J. Berzelius den Begriff „Polymerismus“, mit dem er eine der Arten der Isomerie bezeichnete. Solche Stoffe (Polymere) mussten die gleiche Zusammensetzung, aber unterschiedliche Molekulargewichte haben, wie zum Beispiel Ethylen und Butylen. Die Schlussfolgerung von J. Berzelius entspricht nicht dem modernen Verständnis des Begriffs „Polymer“, da echte (synthetische) Polymere zu diesem Zeitpunkt noch nicht bekannt waren. Die ersten Erwähnungen synthetischer Polymere stammen aus den Jahren 1838 (Polyvinylidenchlorid) und 1839 (Polystyrol).

Die Polymerchemie entstand erst, nachdem A. M. Butlerov die Theorie der chemischen Struktur organischer Verbindungen entwickelt hatte, und wurde dank einer intensiven Suche nach Methoden zur Synthese von Kautschuk weiterentwickelt (G. Bushard, W. Tilden, K. Harries, I. L. Kondakov, S. V. Lebedev). . Seit Beginn der 20er Jahre des 20. Jahrhunderts begannen sich theoretische Vorstellungen über die Struktur von Polymeren zu entwickeln.

DEFINITION

Polymere- chemische Verbindungen mit hohem Molekulargewicht (von mehreren tausend bis vielen Millionen), deren Moleküle (Makromoleküle) aus einer Vielzahl sich wiederholender Gruppen (Monomereinheiten) bestehen.

Klassifizierung von Polymeren

Die Klassifizierung von Polymeren basiert auf drei Merkmalen: ihrer Herkunft, ihrer chemischen Beschaffenheit und Unterschieden in der Hauptkette.

Aus Sicht der Herkunft werden alle Polymere in natürliche (natürliche) Polymere unterteilt, zu denen Nukleinsäuren, Proteine, Cellulose, Naturkautschuk und Bernstein gehören; synthetisch (im Labor durch Synthese gewonnen und ohne natürliche Analoga), zu denen Polyurethan, Polyvinylidenfluorid, Phenol-Formaldehyd-Harze usw. gehören; künstlich (im Labor durch Synthese gewonnen, aber auf Basis natürlicher Polymere) - Nitrozellulose usw.

Aufgrund ihrer chemischen Natur werden Polymere in organische Polymere (basierend auf einem Monomer – einer organischen Substanz – alle synthetischen Polymere), anorganische (basierend auf Si, Ge, S und anderen anorganischen Elementen – Polysilane, Polykieselsäuren) und Organoelement (a Mischung aus organischen und anorganischen Polymeren – Polysoxane) der Natur.

Es gibt homokettige und heterokettige Polymere. Im ersten Fall besteht die Hauptkette aus Kohlenstoff- oder Siliziumatomen (Polysilane, Polystyrol), im zweiten Fall aus einem Gerüst aus verschiedenen Atomen (Polyamide, Proteine).

Physikalische Eigenschaften von Polymeren

Polymere zeichnen sich durch zwei Aggregatzustände – kristallin und amorph – und besondere Eigenschaften aus – Elastizität (reversible Verformungen bei geringer Belastung – Gummi), geringe Zerbrechlichkeit (Kunststoffe), Orientierung unter Einwirkung eines gerichteten mechanischen Feldes, hohe Viskosität und Auflösung des Polymers erfolgt durch dessen Quellung.

Herstellung von Polymeren

Polymerisationsreaktionen sind Kettenreaktionen, die die sequentielle Addition von Molekülen ungesättigter Verbindungen aneinander unter Bildung eines hochmolekularen Produkts – eines Polymers – darstellen (Abb. 1).

Reis. 1. Allgemeines Schema zur Polymerherstellung

Beispielsweise wird Polyethylen durch Polymerisation von Ethylen hergestellt. Das Molekulargewicht des Moleküls erreicht 1 Million.

n CH 2 =CH 2 = -(-CH 2 -CH 2 -)-

Chemische Eigenschaften von Polymeren

Zunächst werden Polymere durch Reaktionen charakterisiert, die für die im Polymer vorhandene funktionelle Gruppe charakteristisch sind. Wenn das Polymer beispielsweise eine für die Klasse der Alkohole charakteristische Hydroxogruppe enthält, nimmt das Polymer daher an Reaktionen wie Alkohole teil.

Zweitens die Wechselwirkung mit Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht, die Wechselwirkung von Polymeren untereinander mit der Bildung von Netzwerken oder verzweigten Polymeren, Reaktionen zwischen funktionellen Gruppen, die Teil desselben Polymers sind, sowie die Zersetzung des Polymers in Monomere (Zerstörung der Kette).

Anwendung von Polymeren

Die Herstellung von Polymeren hat in verschiedenen Bereichen des menschlichen Lebens breite Anwendung gefunden – in der chemischen Industrie (Kunststoffproduktion), im Maschinen- und Flugzeugbau, in Ölraffinerien, in der Medizin und Pharmakologie, in der Landwirtschaft (Herstellung von Herbiziden, Insektiziden, Pestiziden), in der Bauindustrie ( Schall- und Wärmedämmung), Herstellung von Spielzeug, Fenstern, Rohren, Haushaltsgegenständen.

Beispiele für Problemlösungen

BEISPIEL 1

BEISPIEL 1

Übung	Polystyrol ist in unpolaren organischen Lösungsmitteln gut löslich: Benzol, Toluol, Xylol, Tetrachlorkohlenstoff. Berechnen Sie den Massenanteil (%) von Polystyrol in einer Lösung, die durch Auflösen von 25 g Polystyrol in Benzol mit einem Gewicht von 85 g erhalten wird. (22,73 %).
Lösung	Wir schreiben die Formel zur Ermittlung des Massenanteils auf: Finden wir die Masse der Benzollösung: m Lösung (C 6 H 6) = m (C 6 H 6)/(/100%)