Природные неорганические полимеры. Кристаллы - гексагональные, атомы в них образуют спиральные цепи и связаны ковалентными связями с ближайшими соседями. Поэтому элементарный теллур можно считать неорганическим полимером. Кристаллическому теллуру свойстве

Полимеры - это высокомолекулярные соединения, состоящие из множества повторяющихся различных или одинаковых по строению атомных групп - звеньев. Эти звенья соединяются между собой координационными или химическими связями в разветвленные или длинные линейные цепи и в пространственные трехмерные структуры.

Полимеры бывают:

• синтетическими,
• искусственными,
• органическими.

Органические полимеры в природе образуются в животных и растительных организмах. Самые важные из них - это белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, каучук и другие природные соединения.

Человек давно и широко применяет органические полимеры в своей повседневной жизни. Кожа, шерсть, хлопок, шелк, меха - все это используется для производства одежды. Известь, цемент, глина, органическое стекло (плексиглас) - в строительстве.

Органические полимеры присутствуют и в самом человеке. Например, нуклеиновые кислоты (их называют еще ДНК), а также рибонуклеиновые кислоты (РНК).

Свойства органических полимеров

У всех органических полимеров есть особые механические свойства:

• малая хрупкость кристаллических и стеклообразных полимеров (органическое стекло, пластмассы);
• эластичность, то есть высокая обратимая деформация при небольших нагрузках (каучук);
• ориентирование макромолекул под действием механического направленного поля (производство пленок и волокон);
• при малой концентрации большая вязкость растворов (полимеры вначале набухают, а потом растворяются);
• под действием небольшого количества реагента способны быстро изменить свои физико-механические характеристики (например, дубление кожи, вулканизация каучука).

Таблица 1. Характеристики горения некоторых полимеров.

Таблица 2. Растворимость полимерных материалов.

Таблица 3. Окраска полимеров по реакции Либермана - Шторха - Моравского.

Статьи по теме

Среди большинства материалов наиболее популярными и широко известными являются полимерные композиционные материалы (ПКМ). Они активно применяются практически в каждой сфере человеческой деятельности. Именно данные материалы являются основным компонентом для изготовления различных изделий, применяемых с абсолютно разными целями, начиная от удочек и корпусов лодок, и заканчивая баллонами для хранения и транспортировки горючих веществ, а также лопастей винтов вертолетов. Такая широкая популярность ПКМ связана с возможностью решения технологических задач любой сложности, связанных с получением композитов, имеющих определенные свойства, благодаря развитию полимерной химии и методов изучения структуры и морфологии полимерных матриц, которые используются при производстве ПКМ.

В природе существуют элементоорганические, органические и неорганические полимеры. К неорганическим относят материалы, главная цепь которых неорганическая, а боковые ответвления не являются углеводородными радикалами. К формированию полимеров неорганического происхождения наиболее склонны элементы III-VI групп периодической системы химических элементов.

Классификация

Органические и неорганические полимеры активно исследуются, определяются их новые характеристики, поэтому четкой классификации этих материалов еще не выработано. Впрочем, можно выделить определенные группы полимеров.

В зависимости от структуры:

• линейные;
• плоские;
• разветвленные;
• полимерные сетки;
• трехмерные и другие.

В зависимости от атомов главной цепи, образующих полимер:

• гомоцепные типа (-M-)n - состоят из одного вида атомов;
• гетероцепные типа (-M-L-)n - состоят из различных видов атомов.

В зависимости от происхождения:

• природные;
• искусственные.

Для отнесения к неорганическим полимерам веществ, которые в твердом состоянии представляют собой макромолекулы, необходимо также наличие в них определенной анизотропии пространственного строения и соответствующих свойств.

Основные характеристики

Более распространенными являются гетероцепные полимеры, в которых происходит чередование электроположительных и электроотрицательных атомов, например B и N, P и N, Si и O. Получить гетероцепные неорганические полимеры (НП) можно с помощью реакций поликонденсации. Поликонденсация оксоанионов ускоряется в кислой среде, а поликонденсация гидратированных катионов - в щелочной. Поликонденсация может быть проведена как в растворе, так и в при наличии высокой температуры.

Многие из гетероцепных неорганических полимеров можно получить только в условиях высокотемпературного синтеза, например, непосредственно из простых веществ. Образование карбидов, которые являются полимерными телами, происходит при взаимодействии некоторых оксидов с углеродом, а также при наличии высокой температуры.

Длинные гомоцепные цепи (со степенью полимеризации n>100) образуют карбон и p-элементы VI группы: сера, селен, теллур.

Неорганические полимеры: примеры и применение

Специфика НП заключается в образовании полимерных с регулярной трехмерной структурой макромолекул. Наличие жесткого каркаса химических связей предоставляет таким соединениям значительную твердость.

Указанное свойство позволяет использовать в качестве неорганические полимеры. Применение этих материалов нашло широчайшее применение в промышленности.

Исключительная химическая и термическая стойкость НП является также ценным свойством. Например, армирующие волокна, изготовленные из органических полимеров, устойчивы на воздухе до температуры 150-220 ˚С. Между тем борное волокно и его производные остаются устойчивыми до температуры 650 ˚С. Именно поэтому неорганические полимеры являются перспективными для создания новых химически и термостойких материалов.

Практическое значение также имеют НП, которые одновременно являются и приближающимися по свойствам к органическим, и сохраняющими свои специфические свойства. К таким относят фосфаты, полифосфазены, силикаты, полимерные с различными боковыми группами.

Полимеры углерода

Задание: «Приведите примеры неорганических полимеров», - часто встречается в учебниках по химии. Целесообразно его выполнять с упоминанием самых выдающихся НП - производных углерода. Ведь сюда входят материалы с уникальными характеристиками: алмазы, графит и карбин.

Карбин - искусственно созданный, малоизученный линейный полимер с непревзойденными показателями прочности, не уступающими, а согласно ряду исследований и превосходящими графен. Впрочем, карбин - вещество таинственное. Ведь не все ученые признают его существование как самостоятельного материала.

Внешне выглядит как металло-кристаллический черный порошок. Имеет полупроводниковые свойства. Электропроводность карбина значительно увеличивается под действием света. Он не теряет этих свойств даже при температуре до 5000 ˚С, что намного выше, чем для других материалов подобного назначения. Получен материал в 60-х В.В. Коршаком, А.М. Сладковым, В.И. Касаточкиным и Ю.П. Кудрявцевым путем каталитического окисления ацетилена. Самое сложное было определить вид связей между атомами углерода. Впоследствии было получено вещество только с двойными связями между атомами углерода в Институте элементоорганических соединений АН СССР. Новое соединение назвали поликумулен.

Графит - в этом упорядоченность распространяется только в плоскости. Его слои соединены не химическими связями, а слабыми межмолекулярными взаимодействиями, поэтому он проводит тепло и ток и не пропускает свет. Графит и его производные - достаточно распространенные неорганические полимеры. Примеры их использования: от карандашей до атомной промышленности. Окисляя графит, можно получить промежуточные продукты окисления.

Алмаз - его свойства принципиально другие. Алмаз является пространственным (трехмерным) полимером. Все атомы углерода скрепляются между собой прочными ковалентными связями. Потому этот полимер является чрезвычайно прочным. Алмаз не проводит ток и тепло, имеет прозрачную структуру.

Полимеры бора

Если вас спросят о том, какие неорганические полимеры вам известны, смело отвечайте - полимеры бора (-BR-). Это достаточно обширный класс НП, широко применяемый в промышленности и науке.

Карбид бора - его формула правильнее выглядит так (B12C3)n. Его элементарная ячейка - ромбоэдрическая. Каркас образуют двенадцать ковалентно связанных атомов бора. А в середине его - линейная группа из трех ковалентно связанных атомов углерода. В результате образуется очень прочная конструкция.

Бориды - их кристаллы образованы подобно вышеописанному карбиду. Наиболее стойкий из них HfB2, который плавится только при температуре 3250 °C. Наибольшей химической стойкостью отмечается TaB2 - на него не действуют ни кислоты, ни их смеси.

Нитрид бора - его часто называют белым тальком за сходство. Это сходство действительно лишь внешнее. Структурно он аналогичен графиту. Получают его, нагревая бор или его оксид в атмосфере аммиака.

Боразон

Эльбор, боразон, киборит, кингсонгит, кубонит - сверхтвердые неорганические полимеры. Примеры их применения: изготовление абразивных материалов, обработка металлов. Это химически инертные вещества на основе бора. По твердости ближе прочих материалов к алмазам. В частности, боразон оставляет царапины на алмазе, последний тоже оставляет царапины на кристаллах боразона.

Впрочем, эти НП имеют несколько преимуществ перед натуральными алмазами: у них большая термостойкость (выдерживают температуру до 2000 °C, алмаз же разрушается при показателях в пределах 700-800 °C) и высокая устойчивость к механическим нагрузкам (они не такие хрупкие). Боразон был получен при температуре 1350 °C и давлении 62000 атмосфер Робертом Венторфом в 1957 году. Аналогичные материалы ленинградскими учеными были получены в 1963 году.

Неорганические полимеры серы

Гомополимер - эта модификация серы имеет линейную молекулу. Вещество не является устойчивым, при колебаниях температуры распадается на октаэдрические циклы. Образуется в случае резкого охлаждения расплава серы.

Полимерная модификация сернистого ангидрида. Очень похожа на асбест, имеет волокнистую структуру.

Полимеры селена

Серый селен - полимер со спиралевидными линейными макромолекулами, вложенными параллельно. В цепях атомы селена связаны ковалентно, а макромолекулы связаны молекулярными связями. Даже расплавленный или растворенный селен не распадается на отдельные атомы.

Красный или аморфный селен тоже полимер цепной, но малоупорядоченной структуры. В температурном промежутке 70-90 ˚С он приобретает каучукоподобные свойства, переходя в высокоэластичное состояние, чем напоминает органические полимеры.

Карбид селена, или горный хрусталь. Термически и химически устойчивый, достаточно прочный пространственный кристалл. Пьезоэлектрик и полупроводник. В искусственных условиях его получили при реакции и угля в электропечи при температуре около 2000 °C.

Прочие полимеры селена:

• Моноклинный селен - более упорядоченный, чем аморфный красный, но уступает серому.
• Диоксид селена, или (SiO2)n - представляет собой трехмерный сетчатый полимер.
• Асбест - полимер оксида селена волокнистой структуры.

Полимеры фосфора

Существует много модификаций фосфора: белый, красный, черный, коричневый, фиолетовый. Красный - НП мелкокристаллического строения. Получается нагревом белого фосфора без доступа воздуха при температуре 2500 ˚С. Черный фосфор получен П. Бриджменом при следующих условиях: давление 200000 атмосфер при температуре 200 °C.

Фосфорнитридхлориды - соединения фосфора с азотом и хлором. Свойства этих веществ меняются с ростом массы. А именно уменьшается их растворимость в органических веществах. Когда молекулярная масса полимера достигает нескольких тысяч единиц, образуется каучукоподобное вещество. Это единственный достаточно термостойкий безуглеродный каучук. Он разрушается только при температуре свыше 350 °C.

Вывод

Неорганические полимеры в большинстве своем - вещества с уникальными характеристиками. Их применяют на производстве, в строительстве, для разработки инновационных и даже революционных материалов. По мере изучения свойств известных НП и создания новых, сфера их применения расширяется.

Неорганические полимеры

• Неорганические полимеры - полимеры, не содержащие в повторяющемся звене связей C-C, но способные содержать органический радикал как боковые заместители.

Классификация полимеров

1. Гомоцепные полимеры

Углерод и халькогены (пластическая модификация серы).

Минеральное волокно асбест

Характеристика асбеста

• Асбест (греч. ἄσβεστος, - неразрушимый) - собирательное название группы тонковолокнистых минералов из класса силикатов. Состоят из тончайших гибких волокон.

• Ca2Mg5Si8O22(OH)2 -формула

• Два основных типа асбестов - серпентин-асбест (хризотил-асбест, или белый асбест) и амфибол-асбесты

Химический состав

• По химическому составу асбесты представляют собой водные силикаты магния, железа, отчасти кальция и натрия. К классу хризотил-асбестов относятся следующие вещества:

• Mg6(OH)8

• 2Na2O*6(Fe,Mg)O*2Fe2O3*17SiO2*3Н2О

Безопасность

• Асбест практически инертен и не растворяется в жидких средах организма, но обладает заметным канцерогенным эффектом. У людей, занятых на добыче и переработке асбеста, вероятность возникновения опухолей в несколько раз больше, чем у основного населения. Чаще всего вызывает рак лёгких, опухоли брюшины, желудка и матки.

• На основе результатов всесторонних научных исследований канцерогенных веществ, Международное агентство по изучению рака отнесло асбест к первой, наиболее опасной категории списка канцерогенов.

Применение асбеста

• Производства огнеупорных тканей (в том числе для пошива костюмов для пожарных).

• В строительстве (в составе асбесто-цементных смесей для производства труб и шифера).

• В местах, где требуется снизить влияние кислот.

Роль неорганических полимеров в формировании литосферы

Литосфера

• Литосфера - твёрдая оболочка Земли. Состоит из земной коры и верхней части мантии, до астеносферы.

Литосфера под океанами и континентами значительно различается. Литосфера под континентами состоит из осадочного, гранитного и базальтового слоев общей мощностью до 80 км. Литосфера под океанами претерпела множество этапов частичного плавления в результате образования океанической коры, она сильно обеднена легкоплавкими редкими элементами, в основном состоит из дунитов и гарцбургитов, её толщина составляет 5-10 км, а гранитный слой полностью отсутствует.

Химический состав

Основными компонентами земной коры и поверхностного грунта Луны являются оксиды Si и Al и их производные. Такой вывод можно сделать исходя из существующих представлений о распространенности базальтовых пород. Первичным веществом земной коры является магма - текучая форма горной породы, содержащая наряду с расплавленными минералами значительное количество газов. При выходе на поверхность магма образует лаву, последняя застывая образует базальтовые породы. Основной химический компонент лавы - кремнезем, или диоксид кремния, SiO2 . Однако при высокой температуре атомы кремния могут легко замещаться на другие атомы, например алюминия, образуя различного рода алюмосиликаты. В целом литосфера представляет собой силикатную матрицу с включением других веществ, образовавшихся в результате физических и химических процессов, протекавших в прошлом в условиях высокой температуры и давления. Как сама силикатная матрица, так и включения в нее содержат по преимуществу вещества в полимерной форме, то есть гетероцепные неорганические полимеры.

Гранит

• Гранит - кислая магматическая интрузивная горная порода. Состоит из кварца, плагиоклаза, калиевого полевого шпата и слюд - биотита и мусковита. Граниты очень широко распространены в континентальной земной коре.

Наибольшие объёмы гранитов образуются в зонах коллизии, где сталкиваются две континентальные плиты и происходит утолщение континентальной коры. По мнению некоторых исследователей, в утолщённой коллизионной коре образуется целый слой гранитного расплава на уровне средней коры (глубина 10-20 км). Кроме того, гранитный магматизм характерен для активных континентальных окраин,и в меньшей степени, для островных дуг.

• Минеральный состав гранита:

• полевые шпаты - 60-65 %;

• кварц - 25-30 %;

• темноцветные минералы (биотит, редко роговая обманка) - 5-10 %.

Базальт

• Минеральный состав . Основная масса сложена микролитами плагиоклазов, клинопироксена, магнетита или титаномагнетита, а также вулканическим стеклом. Наиболее распространенным акцессорным минералом является апатит.

• Химический состав . Содержание кремнезёма (SiO2) колеблется от 45 до 52-53 %, сумма щелочных оксидов Na2O+K2O до 5 %,в щелочных базальтах до 7 %. Прочие оксиды могут распределяться так: TiO2=1.8-2.3 %; Al2O3=14.5-17.9 %; Fe2O3=2.8-5.1 %; FeO=7.3-8.1 %; MnO=0.1-0.2 %; MgO=7.1-9.3 %; CaO=9.1-10.1 %; P2O5=0.2-0.5 %;

Кварц (Оксид кремния(IV), кремнезем)

Формула: SiO2

• Формула: SiO2

• Цвет: бесцветный, белый, фиолетовый, серый, жёлтый, коричневый

• Цвет черты: белая

• Блеск: стеклянный, в сплошных массах иногда жирный

• Плотность: 2,6-2,65 г/см³

• Твердость: 7

Химические свойства

Корунд (Al2O3 , глинозем)

Формула: Al2O3

• Формула: Al2O3

• Цвет: голубой, красный, жёлтый, коричневый, серый

• Цвет черты: белая

• Блеск: стеклянный

• Плотность: 3,9-4,1 г/см³

• Твердость: 9

Теллур

Теллур цепочечного строения

• Кристаллы - гексагональные, атомы в них образуют спиральные цепи и связаны ковалентными связями с ближайшими соседями. Поэтому элементарный теллур можно считать неорганическим полимером. Кристаллическому теллуру свойствен металлический блеск, хотя по комплексу химических свойств его скорее можно отнести к неметаллам.

Применение теллура

• Производстве полупроводниковых материалов

• Производство резины

• Высокотемпературная сверхпроводимость

Селен

Селен цепочечного строения

Черный Серый Красный

Серый селен

Серый селен (иногда его называют металлическим) имеет кристаллы гексагональной системы. Его элементарную решетку можно представить как несколько деформированный куб. Все его атомы как бы нанизаны на спиралевидные цепочки, и расстояния между соседними атомами в одной цепи примерно в полтора раза меньше расстояния между цепями. Поэтому элементарные кубики искажены.

Применение серого селена

• Обычный серый селен обладает полупроводниковыми свойствами, это полупроводник p-типа, т.е. проводимость в нем создается главным образом не электронами, а «дырками».

• Другое практически очень важное свойство селена-полупроводника – его способность резко увеличивать электропроводность под действием света. На этом свойстве основано действие селеновых фотоэлементов и многих других приборов.

Красный селен

• Красный селен представляет собой менее устойчивую аморфную модификацию.

• Полимер цепного строения, но малоупорядоченной структуры. В температурном интервале 70-90°С он приобретает каучукоподобные свойства, переходя в высокоэластичное состояние.

• Не имеет определенной температуры плавления.

• Красный аморфный селен при повышении температуры (- 55) начинает переходить в серый гексагональный селен

Сера

Особенности строения

• Пластическая модификация серы образована спиральными цепями из атомов серы с левой и правой осями вращения. Эти цепочки скручены и вытянуты в одном направлении.

• Пластическая сера неустойчива и самопроизвольно превращаются в ромбическую.

Получение пластической серы

Применение серы

• Получение серной кислоты;

• В бумажной промышленности;

• в сельском хозяйстве (для борьбы с болезнями растений, главным образом винограда и хлопчатника);

• в производстве красителей и светящихся составов;

• для получения черного (охотничьего) пороха;

• в производстве спичек;

• мази и присыпки для лечения некоторых кожных заболеваний.

Аллотропные модификации углерода

Сравнительная характеристика

Применение аллотропных модификаций углерода

• Алмаз – в промышленности: его используют для изготовления ножей, свёрл, резцов; в ювелирном деле. Перспектива – развитие микроэлектроники на алмазных подложках.

• Графит – для изготовления плавильных тиглей, электродов; наполнитель пластмасс; замедлитель нейтронов в ядерных реакторах; компонент состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей (в смеси с каолином)

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ

Имеют неорг. главные цепи и не содержат орг. боковых радикалов. Главные цепи построены из ковалентных или ионно-ковалентных связей; в нек-рых Н. п. цепочка ионно-ковалентных связей может прерываться единичными сочленениями координац. характера. Структурная Н. п. осуществляется по тем же признакам, что и орг. или элементоорг. полиме-ров (см. Высокомолекулярные соединения). Среди природных Н. п. наиб. распространены сетчатые, входящие в состав большинства минералов земной коры. Многие из них образуют типа алмаза или кварца. К образованию линейных Н. п. способны элементы верх. рядов III-VI гр. периодич. системы. Внутри групп с увеличением номера ряда способность элементов к образованию гомо- или гете-роатомных цепей резко убывает. Галогены, как и в орг. полимерах, играют роль агентов обрыва цепи, хотя всевозможные их комбинации с др. элементами могут составлять боковые группы. Элементы VIII гр. могут входить в главную цепь, образуя координац. Н. п. Последние, в принципе, отличны от орг. координационных полимеров, где система координац. связей образует лишь вторичную структуру. Мн. или соли металлов переменной валентности по макроскопич. св-вам похожи на сетчатые Н. п.

Длинные гомоатомные цепи (со степенью полимеризации п >= 100) образуют лишь и элементы VI гр.-S, Se и Те. Эти цепи состоят только из основных атомов и не содержат боковых групп, но электронные структуры углеродных цепей и цепей S, Se и Те различны. Линейные углерода - кумулены =С=С=С=С= ... и кар-бин ЧС = СЧС = СЧ... (см. Углерод); кроме того, углерод образует двухмерные и трехмерные ковалентные кристаллы-соотв. графит и алмаз. Сера, и теллур образуют атомные цепочки с простыми связями и очень высокими п. Их имеет характер фазового перехода, причем температурная область стабильности полимера имеет размазанную нижнюю и хорошо выраженную верхнюю границы. Ниже и выше этих границ устойчивы соотв. циклич. октамеры и двухатомные молекулы.

Др. элементы, даже ближайшие соседи углерода по псриодич. системе-В и Si, уже неспособны к образованию гомоатомных цепей или циклич. олигомеров с п >= 20 (безотносительно к наличию или отсутствию боковых групп). Это обусловлено тем, что лишь атомы углерода способны образовывать друг с другом чисто ковалентные связи. По этой причине более распространены бинарные гетероцепные Н. п. типа [ЧМЧLЧ] n (см. табл.), где атомы М и L образуют между собой ионно-ковалентные связи. В принципе, гетероцепные линейные Н. п. не обязательно должны быть бинарными: регулярно повторяющийся участок цепи м. б. образован и более сложными комбинациями атомов. Включение в главную цепь атомов металлов дестабилизирует линейную структуру и резко снижает и.

КОМБИНАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ, ОБРАЗУЮЩИЕ БИНАРНЫЕ ГЕТЕРОЦЕПНЫЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ ТИПА [ЧМЧLЧ] n (ОБОЗНАЧЕНЫ ЗНАКОМ +)

* Образует также неорг. полимеры состава [ЧВЧРЧ] n .

Особенности электронной структуры главных цепей гомо-цепных Н. п. делают их весьма уязвимыми при атаке нуклеоф. или электроф. агентами. Уже по одной этой причине относительно стабильнее цепи, содержащие в качестве компонента L или др. , соседний с ним по периодич. системе. Но и эти цепи нуждаются обычно в стабилизации, к-рая в прир. Н. п. связана с образованием сетчатых структур и с очень сильным межмол. взаимод. боковых групп (включая образование солевых мостиков), в результате к-рого большинство даже линейных Н. п. не-растворимы и по макроскопич. св-вам сходны с сетчатыми Н. п.

Практич. интерес представляют линейные Н. п., к-рые в наиб. степени подобны органическим - могут существовать в тех же фазовых, агрегатных или релаксационных состояниях, образовывать аналогичные надмол. структуры и т. п. Такие Н. п. могут быть термостойкими каучуками, стеклами, волокнообразующими и т. п., а также проявлять ряд св-в, уже не присущих орг. полимерам. К ним относятся полифосфазены, полимерные оксиды серы (с разными боковыми группами), фосфаты, . Нек-рые комбинации М и L образуют цепи, не имеющие аналогов среди орг. полимеров, напр. с широкой зоной проводимости и . Широкой зоной проводимости обладает , имеющий хорошо развитую плоскую или пространств. структуру. Обычным сверхпроводником при т-ре вблизи 0 К является полимер [ЧSNЧ] х ; при повышенных т-рах он утрачивает сверхпроводимость, но сохраняет полупроводниковые св-ва. Высокотемпературные сверхпроводящие Н. п. должны обладать структурой керамик, т. е. обязательно содержать в своем составе (в боковых группах) и кислород.

Переработка Н. п. в стекла, волокна, керамику и т. п. требует плавления, а оно, как правило, сопровождается обратимой деполимеризацией. Поэтому используют обычно модифицирующие , позволяющие стабилизировать в расплавах умеренно разветвленные структуры.

Лит.: Энциклопедия полимеров, т. 2, М., 1974, с. 363-71; Бартенев Г. М., Сверхпрочные и высокопрочные неорганические стекла, М., 1974; Кор-шак В. В., Козырева Н. М., "Успехи химии", 1979, т. 48, в. 1, с. 5-29; Inorganic polymers, в кн.: Encyclopedia of polymer science and technology, v. 7, N. Y.-L.-Sydney, 1967, p. 664-91. С. Я. Френкель.

Химическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . Под ред. И. Л. Кнунянца . 1988 .

Смотреть что такое "НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ" в других словарях:

Полимеры, молекулы которых имеют неорганические главные цепи и не содержат органических боковых радикалов (обрамляющих групп). В природе широко распространены трехмерные сетчатые неорганические полимеры, которые в виде минералов входят в состав… …

Полимеры, не содержащие в повторяющемся звене связей C C, но способные содержать органический радикал как боковые заместители. Содержание 1 Классификация 1.1 Гомоцепные полимеры … Википедия

Полимеры, молекулы которых имеют неорганические главные цепи и не содержат органических боковых радикалов (обрамляющих групп). В природе широко распространены трёхмерные сетчатые неорганические полимеры, которые в виде минералов входят в состав… … Энциклопедический словарь

Полимеры с неорганической (не содержащей атомов углерода) главной цепью макромолекулы (См. Макромолекула). Боковые (обрамляющие) группы обычно тоже неорганические; однако полимеры с органическими боковыми группами часто также относят к Н …

Полимеры, макромолекулы к рых имеют неорганич. гл. цепи и не содержат боковых органич. радикалов (обрамляющих групп). Практич. значение имеет синтетич. полимер полифосфонитрилхлорид (полидихлорфссфазен) [ P(C1)2=N ]n. Из него получают др.… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Полимеры, молекулы к рых имеют неорганич. гл. цепи и не содержат органич. боковых радикалов (обрамляющих групп). В природе широко распространены трёхмерные сетчатые Н.п., к рые в виде минералов входят в состав земной коры (напр., кварц). В… … Естествознание. Энциклопедический словарь

- (от поли... и греч. meros доля часть), вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся звеньев; молекулярная масса полимеров может изменяться от нескольких тысяч до многих миллионов. По происхождению полимеры… … Большой Энциклопедический словарь

Ов; мн. (ед. полимер, а; м.). [от греч. polys многочисленный и meros доля, часть] Высокомолекулярные химические соединения, состоящие из однородных повторяющихся групп атомов, широко применяемые в современной технике. Природные, синтетические п.… … Энциклопедический словарь

- (от греч. polymeres состоящий из многих частей, многообразный) химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы (См. Макромолекула)) состоят из большого числа… … Большая советская энциклопедия

Неорганические полимеры

Практический интерес представляют линейные неорганические полимеры, которые в наиб. степени подобны органическим - могут существовать в тех же фазовых, агрегатных или релаксационных состояниях, образовывать аналогичные надмол. структуры и т.п. Такие неорганические полимеры могут быть термостойкими каучуками, стеклами, волокнообразующими и т.п., а также проявлять ряд св-в, уже не присущих орг. полимерам. К ним относятся полифосфазены, полимерные оксиды серы (с разными боковыми группами), фосфаты, силикаты.

Переработка неорганических полимеров в стекла, волокна, ситаллы, керамику и т. п. требует плавления, а оно, как правило, сопровождается обратимойдеполимеризацией. Поэтому используют обычно модифицирующие добавки, позволяющие стабилизировать в расплавах умеренно разветвленные структуры.

Силиконы

Вы уже раньше встречали неорганические полимеры; если не на этих страницах, то по крайней мере, в повседневной жизни вы, вероятно, уже видели где-нибудь силиконовыйполимер. Силиконы являются одним из наиболее часто встречающихся неорганических полимеров. Они выглядят вот так:

На самом деле их следует называть полисилоксанами. Связь между атомами кремния и кислорода очень прочная, но очень гибкая. Поэтому силиконы могут выдерживать высокие температуры, не разлагаясь при этом, но у них очень низкие температуры стеклования. Вам, наверное, прежде где-нибудь уже приходилось встречатьрезинуили замазку, сделанную из силиконов.

Полисиланы

Было потрачено немало времени для того, чтобы это произошло, но атомы кремния все-таки были выстроены в длинные полимерные цепочки. Уже где-то в 20-е или 30-е годы двадцатого века химики начали догадываться, что органические полимеры сделаны из длинных углеродных цепочек, но серьезные исследования полисиланов не были проведены вплоть до конца семидесятых годов.

Ранее, в 1949 году, в то самое время, когда писатель Курт Воннегут работал в отделе компании Дженерал Электрик по связям с общественностью, К. А. Буркхард (C.A. Burkhard) работал в отделе исследования и развития той же фирмы. Он изобрел полисилан под названием полидиметилсилан, но это вещество ни на что не годилось. Оно выглядело вот так:

Оно образовывало кристаллы, которые были столь прочными, что ничто не могло растворить их. Буркхард пытался нагреть их, но они не плавились при температурах ниже 250 o C, При более высокой температуре они разлагались, так и не расплавивишись. Это делало полидиметилсилан довольно бесполезным. Получено это вещество было при реакции металлического натрия с дихлордиметилсиланом вот так:

Это важно, поскольку в семидесятых годах двадцатого века некоторые ученые начали понимать, как делать маленькие молекулы из атомов кремния. Так, сами того не ожидая, они сделали нечто очень похожее на то, что ранее сделал Буркхард. Они заставили металлический натрий взаимодействовать с дихлордиметилсиланом, но они также добавили к этой смеси некоторое количество дихлорметилфенилсилана. И угадайте, что произошло? Я дам вам подсказку: они не получили нужные им структуры. То, что у них вышло, было вот таким сополимером:

Возможно, более понятно станет, если нарисовать этот сополимер вот таким образом:

Видите ли, эти фенильные группы начинают мешаться, когда полимер пытается кристаллизоваться, поэтому такому веществу в меньшей степени присущи кристаллические свойства, чем полидиметилсилану. Это значит, что оно растворимо и его можно обрабатывать, преобразовывать и изучать.

Ну, и на что же эти вещества годятся? Полисиланы интересны, поскольку они могут проводить электрический ток. Разумеется, не так хорошо, как медь, но гораздо лучше, чем вы могли бы ожидать от полимера, и это достойно исследования. Они также весьма термостойки, их можно нагревать почти до 300 oC. Но если вы нагреете их до гораздо более высоких температур, то вы можете получить из них карбид кремния, который является полезным абразивным материалом.

Полимеры германия и олова

Хорошо, если кремний может образовывать длинные полимерные цепочки, то что можно сказать о других химических элементах из четвертой группы таблицы Менделеева? Можно ли сделать полимеры из германия? Вы можете мне поверить, они существуют! Вы можете сделать полимерные цепочки не только из германия, но даже и из атомов олова! Такие полимеры называются, соответственно, германий-содержащие и олово-содержащие полимеры.

Полимеры олова уникальны, интересны, замечательны, просто необыкновенны, поскольку они являются единственными известными полимерами, основная цепь которых сделана целиком из атомов металлов. Как и полисиланы, полимеры германия и олова (полигерманы и полистанилены) изучаются на предмет их использования в качестве проводников электричества.

Полифосфазены

Мне очень жаль вам об этом сообщать, но элементы четвертой группы таблицы Менделеева у нас кончились. Так что последний неорганический полимер, который мы сегодня рассмотрим, дожен быть сделан из чего-нибудь другого. И это нечто - фосфор и азот. Как и полисилоксаны, полифосфазены сделаны из чередующихся атомов. В данном случае в основной цепочке у нас чередуются атомы фосфора и кремния, вот так:

Такая основная цепочка очень гибкая, как и основная цепочка полисилоксанов, поэтому полифосфазены являются хорошими эластомерами. Они также являются очень хорошими электрическими изоляторами.

Полифосфазены получают в две стадии:

Сначала мы берем пятихлористый фосфор и действуем на него хлоридом аммония для получения хлорированного полимера. Затем мы обрабатываем его спиртовой солью натрия, что дает нам эфирзамещенный полифосфазен.

На сегодняшний день существует огромное множество неорганических полимеров. Основная их часть представляет собой природные соединения, однако современные технологии позволяют искусственно получать неорганические полимеры. Как правило, их производство требует высокого давления и температуры, при этом, основой является чистое вещество, а способы остаются те же, что и при получении органических полимеров (например, полимеризация). Характерными свойствами неорганических полимеров является их устойчивость к химическим воздействиям и термическая стойкость. Кроме того, многие из этих полимеров представляют собой твердый, но достаточно хрупкий материал. Объяснением этому является пространственная кристаллическая структура или чрезмерное наличие ионов в химической связи. Среди самых известных неорганических полимерных материалов находится графит, минеральное стекло, керамика, алмазы, асбест, кварц, слюда.

Элементы химической таблицы могут образовывать различные полимерные цепи. Например, сера, селен и теллур образуют линейные цепи, которые в соответствии с ковалентностью атомов, сворачиваются в спирали. Те химические элементы, которые относятся к главной подгруппе III – V групп, могут формировать, как линейные цепи, так и плоские или пространственные структуры неорганических полимеров. Основу полимерных цепочек чаще всего составляют оксиды кремния, алюминия и ряда других металлов. Они формируют самую широкую группу неорганических полимерных материалов – силикаты и алюмосиликаты. Кроме того, они являются существенной частью земной коры. Структура молекулярной цепи силикатов может быть цепочечной, лестничной, слоистой и трехмерной. Каждая из этих структур придает неорганическим материалам определенные, характерные лишь для них, свойства. Например, лестничная структура предполагает наличие двух параллельных молекулярных цепочек, соединенных атомами кислорода. Именно эти связи обеспечивают наличие новых свойств, которые позволяют отнести полученные материалы к волокнистым (асбест). Еще одной чертой, характеризующей неорганические полимеры, является слоистая структура. Большие расстояния, находящиеся между слоями, обеспечивают соответствующим веществам (тальк, слюда) легкое расщепление. Если цепь содержит металлы, которые могут взаимодействовать с водой, то при этом процессе происходит еще большее увеличение имеющегося расстояния между слоями. Это может привести к разбуханию неорганического материала. Силикаты, обладающие трехмерной структурой, характеризуются хорошей водонепроницаемостью, твердостью и жесткостью. Как правило, отвечают таким характеристикам разновидности кварца: топаз, яшма, агат, горный хрусталь и другие.

Неорганические стекла и техническая керамика

Неорганические стекла.Ситаллы.Техническая керамика.Элементы технологиииприменение конструкционной керамики.

Химический состав стекол и их свойства.Классификация неорганических стекол.

В современном материаловедении все более видное место начинают занимать различные неорганические вещества. Многие из них используют в виде кристаллов: кварц (SiO2), корунд (a-AI2O3) и окрашенные кристаллы этого оксида - сапфир, рубин и др., а также рутил (ТiO2) , нитриды, сульфиды и т.д. Однако в гораздо больших масштабах эти же неорганические вещества используют ваморфном состоянии в виде стекол.

Наиболее распространены стекла на основе диоксида кремния - силикатные стекла. Широко используют также алюмо-силикатные, боро-силикатные стекла.

Неорганическое стекло - это химически сложный, аморфный, макроскопически изотропный материал, обладающий механическими свойствами хрупкого твердого тела. Стекло получается после охлаждения расплава смеси неорганических соединений (в основном оксидов). Их свойства одинаковы по всем направлениям, т.е. они изотропны. При нагреве они не плавятся при постоянной температуре, как кристаллы, а постепенно размягчаются в значительном диапазоне температур, переходя в жидкое состояние. Расплавление их при повышении температуры и отверждение при понижении температуры происходит обратимо. По структуре - это твердые растворы.

Среди причин аморфного состояниянеорганических стекол можно выделить две.

Первая причина заключается в том, что в области затвердевания расплав стекла имеет очень высокую вязкость (табл.6.3).

Таблица 6.3 - Вязкость некоторых веществ при температурах плавления

Вторая причина вытекает из особенностей ковалентной связи, определяющей взаимодействие атомов в оксиде. Ковалентная связь обладает двумя важными свойствами: насыщенностью и направленностью. Согласно насыщенности химической связи каждый атом стекла в пространстве имеет в соответствии со своей валентностью строго определенное количество "партнеров" по взаимодействию. Например, кремний 4-х валентен. И его атом должен иметь в непосредственном окружении четыре атома кислорода (в кварцевом стекле) с которыми он связан полярной ковалентной связью. Причем эти связи могут образовываться не произвольно, а под определенным углом друг к другу (принцип направленности). Все это очень затрудняет формирование регулярной, кристаллической структуры. В высоковязкой среде в структуре стекла при охлаждении может образоваться только ближний порядок в расположении атомов.

Химический состав стекол и их свойства

Стекла, используемые в технике, в большинстве состоят из нескольких компонентов. По функциональному назначению все компоненты стекол можно разделить на три группы:стеклообразователи, модификаторы и компенсаторы.

Стеклообразователи являются основной составной частью стекла. Стеклообразователи - неорганические полимеры, имеющие сетчатую структуру. Поэтому стекла обладают некоторыми чертами полимерных структур и соответствующими физическими свойствами, характерными для полимерных материалов.

Чаще всего в качестве стеклообразователей используют SiO2 (силикатное стекло), Аl2О3 и SiO2 (алюмосиликатное), В2О3 и SiO2 (боросиликатное), В2О3, Аl2О3 и SiO2 (бороалюмосиликатное).

Модификаторы вводят в стекло для придания стеклам нужных свойств: для упрощения технологии, удешевления материала и т.д.

Например, при введении в кварц оксидов щелочных и щелочноземельных металлов уменьшается температура размягчения стекла, упрощается технология. Добавки оксидов хрома, железа, кобальта и др. придают нужный цвет стеклу. Оксиды тяжелых металлов, например, свинца, повышают коэффициент преломления.

Часто введение какой-то добавки улучшает одни свойства и ухудшает другие показатели материала. Тогда вводят добавки - компенсаторы, назначение которых подавить негативное проявление основных модификаторов.

Одним из важных свойств стекол является термостойкость. У большинства стекол термостойкость колеблется от 90 до 200оС, а у кварцевого стекла, самого прочного, термостойкого и не расширяющегося, достигает 800-1000оС.

Температурная зависимость прочности стекол имеет минимум при 200°С. Максимальная рабочая температура обычно не превышает 400-500оС, что примерно соответствует температуре стеклования. Кварцевое стекло допускает длительную эксплуатацию при 1100-1200°С (прочность повышена на 50 %) и кратковременное использование при нагреве до 1400-1500оС.

Термическое упрочнение (закалка) стекла осуществляется быстрым и равномерным его охлаждением, нагретого выше температуры стеклования в потоке воздуха или в маслах. Упрочнение стекла закалкой связано с появлением в стекле достаточно равномерно распределенных напряжений, которые в наружных слоях стекла вызывают напряжения сжатия, а во внутренних слоях - напряжения растяжения. Предел прочности стекла при сжатии примерно в 10-15 раз больше, чем предел прочности при растяжении.

Термохимическое упрочнение основано на закалке стекла и, кроме того, на изменении самой структуры и свойств его поверхностного слоя. Такое упрочнение производится быстрым охлаждением стекла, нагретого выше температуры стеклования, в подогретых полимерных кремнийорганических жидкостях. Дополнительное упрочнение объясняется образованием на поверхности стекла полимерных пленок.

Классификация неорганических стекол, их свойства, применение

Одним из самых распространенных высококачественных стекол, применяемых в авиационных конструкциях, является алюмоборосиликатное малощелочное стекло.

По назначению техническое стекла подразделяются на оптическое, лабораторное, электротехническое, транспортное, приборное, защитное, теплозвукоизоляционное, светотехническое, стекловолокно и др. Плотность неорганических стекол колеблется от 2200 кг/м3 у легких щелочных силикатных стекол (показатель преломления n= 1,44) до 5200…8000 кг/м3 у тяжелых, содержащих до 65% оксидов свинца, бария, висмута (n=1,9); светопрозрачность неокрашенных стекол составляет в видимой части спектра до 92%.

Химическая и гидролитическая стойкость стекол в кислых средах (кроме фосфорной кислоты Н2РО3 и плавиковой HF, полностью растворяющей стекло) довольно высока. В щелочных средах стойкость снижается. Силикатные стекла с содержанием 20-30%Na2O или LiO растворимы в горячей воде и образуют «жидкое стекло».

Недостатком закаленного стекла является чувствительность к ударам в края (у самой кромки) и в углах. При разрушении закаленное стекло покрывается густой сеткой трещин, сильно затрудняющих видимость.

Если два листа стекла склеить прозрачной гибкой и упругой полимерной пленкой, то получается так называемый триплекс. При разрушении его образовавшиеся осколки удерживаются на полимерной пленке, к которой они прикреплены, и не высыпаются.

Ситаллы, их свойства, применение

Выдающимися свойствами обладают новые конструкционные материалы - ситаллы (термин образован из слов стекло и кристалл), получаемые путем кристаллизации неорганических стекол на основе некоторых оксидов.

Ситаллы - это частично закристаллизованные стекла. Они получаются регулируемой кристаллизациейстекла при повышенных температурах. В ходе этого процесса в объеме материала формируются микрообласти кристаллического строения размером до 1 мкм. Концентрация таких областей в ситаллах может превышать 50% по объему.

По химическому составу ситаллы отличаются от стекол тем, что в них добавляют катализаторы (затравки) кристаллизации. В качестве катализаторов кристаллизации используют микрочастицы золота, серебра, платины, меди (сотые доли процента) или оксиды титана, циркония, цинка, хрома, ванадия и др.

По структуре ситаллы занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой.В связи с этим ситаллы иногда называют стеклокерамикой. Ситаллы - многокомпонентные, гетерогенные, многофазные системы, обладают очень высоким уровнем свойств: высокой механической прочностью, твердостью, химической и термической устойчивостью, малым термическим расширением и другими полезными свойствами. Например, ситалл, известный под названием "пирокерам", прочнее прокатанного стекла, высокоуглеродистой стали, легче алюминия, а по коэффициенту термического расширения и термостойкости не отличается от кварца.

При превращении стекла в ситалл начале стекло проходит стадию варки (температура Тm) , затем стекло формируется в изделие и охлаждается до температуры Тn - температуры образования центров кристаллизации. При этой температуре cтекло выдерживают около 1 ч. В результате в объеме материала образуются мелкие кристаллы и становится возможным повысить температуру до Tg. При температуре Tg происходит рост кристаллов, материал теряет прозрачность. Время выдержки стеклоизделия при Тg составляет 4-6 ч.

Микрокристаллические сплавы, полученные из стекол

Высокопрочные кристаллические сплавы из металлических стекол получают способом, похожим на процесс образования пирокерамик. Это сплавы на основе Fe, Ni, Cr, Mo, Co, W в различных комбинациях с металлоидами (преимущественно бором), содержание которых не превышает 12%, в аморфном состоянии хрупкие. Ленты из аморфного сплава, полученные струйным методом из расплава, могут легко превратиться в порошок, который затем подвергается горячей экструзии или газовому изостатическому прессованию и одновременно кристаллизуются с образованием микрокристалической структуры, стабилизированной мельчайшими частицами бора. Если в сплаве имеется углерод, можно провести упрочняющую термообработку. Такие сплавы очень тверды и износостойки и могут использоваться в качестве быстрорежущих сталей.

Техническая керамика

Керамика - это многокомпонентный, гетерогенный материал, получаемый спеканием высокодисперсных минеральных частиц, (глин, оксидов, карбидов, нитридов и др.). Если в состав керамики входят металлы, то этот вид керамики называют керметами.

Технологический процесс изготовления изделий из керамики складывается из нескольких стадий. Основные технологические операции при получении керамических материалов следующие: подготовка исходных компонентов в виде порошков, перемешивание компонентов, формование изделий, обжиг заготовки, концевые операции (механическая обработка, металлизация и др.).

Структура керамики

Множество видов структур керамических материалов можно разделить на две группы: макроизотропные и анизотропные.

Макроизотропные материалы. На атомарном или молекулярном уровнях - это анизотропные материалы, но размер надмолекулярных образований, зерен, невелик по сравнению с размерами керамического изделия. Можно обозначить четыре вида макроизотропных материалов.

1. Микрокристаллическая керамика. Примерами этой керамики могут служить различные сорта фарфора. Ситаллы имеют ту же структуру. На рис. 6.3 а точками обозначены микрокристаллические области, окруженные аморфной средой. Содержание кристаллической и аморфной фазы в материале могут быть различными, различно и размещение этих фаз в объеме материала. Материал же в целом изотропен. Эти материалы обладают высокой плотностью, хрупки.

Виды керамики:

а - микрокристаллическая, б - зернистая, в -пористая (TiС), г - армированная (ВТСП керамика системы Y-Ba-Cu-O).

2. Зернистая структура . Этот вид структуры является наиболее типичным для керамических материалов. Зерна в структуре керамики могут отличаться размерами, формой и свойствами. Распределение зерен разной природы в объеме материала, прочность сцепления частиц в материале также различны. Все эти факторы сложным образом влияют на свойства керамики. На практике в ограниченных рамках используют эмпирические уравнения вида:

,

где s - прочность; sо - константа, близкая к прочности монокристалла; k - константа; d - размер зерна.

3. Пористая структура . Вообще многие керамики пористы. Однако иногда поры создают специально: для снижения массы керамического изделия, для того, чтобы сделать его проницаемым для газа или жидкости и т.д.

Обычно прочность пористой керамики ниже прочности зернистой керамики. Форма пор также влияет на прочность материала. Пора может также обрывать развитие трещины при разрушении и распределять нагрузку в объеме материала.

4. Армированная структура. Этот вид керамики содержит вытянутые зерна высокой прочности. В объеме материалов эти зерна не ориентированы в каком-либо определенном направлении. Поэтому в макрообьеме материал ведет себя как изотропный. Прочность такой керамики, благодаря армированию, бывает очень высокой.

Анизотропная керамика. В этих материалах структурные элементы намеренно ориентированы в нужном направлении. К анизотропной керамике относятся слоистая керамика, волокнистая керамика, либо керамика с ориентированной структурой.

Элементы технологии керамических материалов

1 - Получение порошков. Существуют механические и физико-химические методы получения порошков. Первые из них связаны с дроблением материала. Вторые заключаются в процессах агломерации продуктов химического синтеза. Обычно используют порошки с частицами микронных размеров. Если необходима плотная упаковка частиц в материале, то применяют смесь частиц, имеющих разные размеры - полидисперсные порошки.

2 - Смешение компонентов и формование изделий.

3 - Спекание частиц происходит при обжиге отформованного изделия при высокой температуре (обычно от 900 до 2000оС). При спекании происходят такие процессы, как дегидратация компонентов, деструкция органических технологических примесей (полимеры, поверхностно активные вещества), диссоциация нестойких неорганических соединений, процессы окисления и восстановления, плавление некоторых компонентов, полиморфные превращения и т.д. В итоге, после охлаждения стекловидный, может быть, частично закристаллизованный расплав, связывает зерна более огнеупорного материала, образуя прочный монолит.

В процессе спекания происходит срастание частиц и уменьшение пористости материала вплоть до теоретической плотности. При повышении температуры поры меняют свою форму, становясь сферически­ми, и уменьшаются в размерах. На практике в керамике сохраняется некоторая остаточная пористость.

Степень и скорость спекания зависят от многих факторов: температуры, длительности процесса, дисперсности частиц, коэффициентов диффузии, вязкости и др. Очень сильное влияние на развитие процесса спекания и на структуру керамики оказывает расплав (жидкость) наиболее легкоплавкого компонента.

Применение конструкционной керамики

К основным областям применения керамических материалов относятся режущий инструмент, детали ДВС, ГТД и др.

Режущая кромка характеризуется высокой твердостью, износостойкостью, химической инертностью. По комплексу свойств керамический режущий инструмент превосходит традиционные режущие материалы, такие как быстрорежущие стали (БРС), твердые сплавы (ТС)