Органические полимеры. Органические и неорганические полимеры

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 - термин, который приобрел известность благодаря широкому применению в литье по выплавляемым моделям . А все благодаря свойствам, которые присущи этим материалам. Но значение неорганических полимеров для человека намного шире, и сфера применения далеко выходит за рамки этой технологии.

Что такое неорганические полимеры

Более распространены неорганические полимеры природного происхождения, содержащиеся в земной коре

Чаще всего это продукт синтеза элементов III-VI группы периодической системы Менделеева. Неорганическими они называются потому, что в основе лежат неорганические главные цепи и не имеют органические боковые радикалы. Связи появляются в результате одного из двух процессов - поликонденсация или полимеризация.

Говоря обобщенно, неорганические полимеры - это искусственно синтезированные материалы, которые пришли на смену природным. При этом создатели преследовали цель сделать их дешевле. Современные полимеры превосходят имеющиеся природные аналоги по своим характеристикам. Были созданы материалы, которыми природа не обладает вовсе. Это обеспечивает их популярность и разнообразие.

Классификация

Пока еще не сформирован четкий перечень видов, но есть несколько основных групп неорганических полимеров, которые разнятся по своей структуре. Такие материалы бывают:

• линейными;
• плоскими;
• разветвленными;
• трехмерные и т.д.

Также различают по происхождению:

• природные;
• искусственные.

По образованию цепей:

• гетероцепные;
• гомоцепные.

Виды неорганических полимеров

Асбест - один из самых распространенных полимеров. По своей структуре это тонковолоконный материал - силикат. В своем составе он включает молекулы железа, магния, кальция и натрия. Производство этого полимера относится к числу вредных для человека, но изделия из него абсолютно безопасны.

Силикон также нашел свое применение благодаря тому, что по многим характеристикам превосходит природный каучук. Прочность и эластичность обеспечивает соединение кислорода и кремния. Полисиликонсан выдерживает механические, температурные, деформационные воздействие. При этом форма и структура остается неизменной.

Карбин пришел на смену алмазу. Он также прочен, что необходимо во многих отраслях промышленности. Для этого полимера характерна способность выдерживать температуру до 5 000 ºC. Особенность - увеличение электропроводности под воздействием световых волн.

Графит известен всем, кто когда-либо брал в руки карандаш. Особенность углеводородистых полимеров - плоскостная структура. Они проводят электрические разряды, тепло, но полностью поглощают световую волну.

Также производятся полимеры, в основе которых применен селен, бор и другие элементы, что обеспечивает разнообразие характеристик.

Характеристики неорганических полимеров

При создании полимерных материалов за основу качеств конечного продукта берут:

• гибкость и эластичность;
• прочность на сжатие, кручение, разрыв;
• агрегатное состояние; температурная стойкость;
• электропроводность;
• способность пропускать свет и т.д.

при изготовлении берут чистое вещество, подвергают его специфическим процессам полимеризации, и на выходе получают синтетические (неорганические) полимеры, которые:

1. Выдерживают запредельные температуры.
2. Способны принимать изначальную форму после деформации под действием внешних механических сил.
3. Становятся стеклообразными при нагревании до критической температуры.
4. Способны менять структуру при переходе от объемной к плоскостной, чем обеспечивается вязкость.

Способность преобразовываться используется при формовом литье. После остывания неорганические полимеры твердеют, и приобретают также различные качества от прочного твердого до гибкого, эластичного. При этом обеспечивается экологическая безопасность, чем не может похвастаться обычный пластик. Полимерные материалы не вступают в реакцию с кислородом, а прочные связи исключают высвобождение молекул.

Сфера применения

Полимеры отличаются огромным разнообразием. С каждым годом ученые разрабатывают новые технологии, которые позволяют производить материалы с различными качественными показателями. И сейчас полимеры встречаются как в промышленности, так и в быту. Ни одно строительство не обходится без асбеста. Он присутствует в составе шифера, специальных труб и т.д. В качестве вяжущего элемента применяется цемент.

Силикон - отличный герметик, используемый строителями. Автостроение, производство промышленного оборудования, товаров народного потребления основано на полимерах, которые позволяют добиться высокой прочности, долговечности, герметичности.

А возвращаясь к асбесту, нельзя не упомянуть, что способность удерживать тепло позволило создать костюмы для пожарных.

Говоря об алмазах, принято отождествлять их с бриллиантами (обработанными алмазами). Некоторые неорганические полимеры не уступают этому природному кристаллу, что необходимо в различных промышленных сферах, и при производстве бриллиантов, в том числе. В виде крошки этот материал наносится на режущие кромки. В итоге получаются резцы, способные разрезать что угодно. Это отличный абразив, применяемый при шлифовании. Эльбор, боразон, киборит, кингсонгит, кубонит относятся к сверхпрочным соединениям.

Если требуется обработать металл или камень, применяются неорганические полимеры, изготовленные методом синтеза бора. Любой шлифовальный круг, продаваемый в строительных супермаркетах, имеет в своем составе этот материал. Для производства декоративных элементов используется, например, карбид селена. Из него получается аналог горного хрусталя. Но и этим перечень достоинств и список сфер применения не ограничен.

Фосфорнитридхлориды образуются при соединении фосфора, азота и хлора. Свойства могут меняться, и зависят от массы. Когда она велика, образуется аналог природного каучука. Только теперь он выдерживает температуру до 350 градусов. Под действием органических соединений реакций не наблюдается. А в допустимом температурном диапазоне свойства изделий не меняются.

Особые свойства, применяемые человеком

Суть в том, что в результате синтеза образуются макромолекулы объемного (трехмерного) типа. Прочность обеспечивается сильными связями и структурой. Как химический элемент неорганические полимеры ведут себя аморфно, и не вступают в реакцию с другими элементами и соединениями. Это особенность позволяет использовать их в химической промышленности, медицине, при производстве продуктов питания.

Термическая стойкость превышает все показатели, которыми обладают природные материалы. Если волокна используются для формирования армированного каркаса, то такая конструкция выдерживает на воздухе температуру до 220 градусов. А ели речь идет о борном материале, то предел температурной прочности поднимается до 650 градусов. Именно поэтому полеты в космос без полимерсан были бы невозможными.

Но это если говорить о качествах, превосходящих природные. Те же изделия, которые изготовлены из этих соединений, которые похожи по качеству к натуральным, имеют особое значение для человека. Это дает возможность снизить стоимость одежды, заменив, например, кожу. При этом внешних отличий практически нет.

В медицине на неорганические полимеры возлагаются особые надежды. Их этих материалов планируется изготавливать искусственные ткани и органы, протезы и т.д. Химическая устойчивость позволяет обрабатывать изделия активными веществами, что обеспечивает стерильность. Инструмент становится долговечным, полезным и безопасным для человека.

Органические полимеры играют значительную роль в природе. К тому же их широко используют в промышленности. Далее рассмотрен состав, свойства, применение органических полимеров.

Особенности

Рассматриваемые материалы состоят из мономеров, представленных повторяющимися фрагментами структуры из нескольких атомов. Они соединяются в трехмерные структуры либо цепи разветвленной или линейной формы вследствие поликонденсации либо полимеризации. Нередко в строении они четко проявлены.

Следует сказать, что термин «полимеры» относится в основном к органическим вариантам, хотя существуют и неорганические соединения.

Принцип наименования рассматриваемых материалов состоит в присоединении приставки поли- к названию мономера.

Свойства полимеров определяются строением и размерами макромолекул.

Помимо макромолекул, большинство полимеров включает прочие вещества, служащие для улучшения функциональных характеристик путем модификации свойств. Они представлены:

• стабилизаторами (предотвращают реакции старения);
• наполнителями (включения различного фазового состояния, служащие для придания специфических свойств);
• пластификаторами (повышают морозостойкость, снижают температуру переработки и улучшают эластичность);
• смазками (позволяют избежать прилипания металлических элементов используемого в переработке оборудования);
• красителями (служат в декоративных целях и для создания маркировок);
• антипиренами (уменьшают горючесть некоторых полимеров);
• фунгицидами, антисептиками, инсектицидами (придают антисептические свойства и устойчивость к воздействию насекомых и грибковой плесени).

В природной среде рассматриваемые материалы формируются в организмах.

Кроме того, существуют близкие к полимерам по строению соединения, называемые олигомерами. Их отличия состоят в меньшем количестве звеньев и изменении исходных свойств при удалении или добавлении одного либо нескольких из них, в то время как параметры полимеров при этом сохраняются. К тому же нет однозначного мнения относительно отношений между данными соединениями. Одни считают олигомеры низкомолекулярными вариантами полимеров, другие - отдельным типом соединений, не относящимся к высокомолекулярным.

Классификация

Полимеры дифференцируют по составу звеньев на:

• органические;
• элементоорганические;
• неорганические.

Первые служат основой большинства пластмасс.

Вещества второго типа включают в звеньях углеводородные (органические) и неорганические фрагменты.

По строению их дифференцируют на:

• варианты, в которых атомы разных элементов находятся в обрамлении органических групп;
• вещества, где углеродные атомы чередуются с прочими;
• материалы с углеродными цепями в обрамлении элементоорганических групп.

Все представленные типы имеют основные цепи.

Наиболее часто встречающимися среди неорганических полимеров являются алюмосиликаты и силикаты. Это основные минеральные вещества коры планеты.

На основе происхождения полимеры классифицируют на:

• природные;
• синтетические (синтезируемые);
• модифицированные (измененные варианты первой группы).

Последние подразделяют по способу получения на:

• поликонденсационные;
• полимеризационные.

Поликонденсацией называют процесс формирования макромолекул из содержащих более одной функциональной группы молекул мономера с выделением NH 3 , воды и прочих веществ.

Под полимеризацией понимают процесс формирования из мономера макромолекул с кратными связями.

Классификация по макромолекулярному строению включает:

• разветвленные;
• линейные;
• трехмерные сшитые;
• лестничные.

По реакции на термическое воздействие полимеры дифференцируют на:

• термореактивные;
• термопластичные.

Вещества первого типа представлены пространственными вариантами с жестким каркасом. При нагреве с ними происходит деструкция, некоторые загораются. Это обусловлено равной прочностью внутренних связей и связей цепей. Вследствие этого термическое воздействие ведет к разрыву как цепей, так и структуры, следовательно, происходит необратимое разрушение.

Термопластичные варианты представлены линейными полимерами, обратимо размягчаемыми при нагреве и отверждаемыми при охлаждении. Их свойства после этого сохраняются. Пластичность данных веществ обусловлена разрывом при умеренном нагреве межмолекулярных и водородных связей цепей.

Наконец, по особенностям строения органические полимеры подразделяют на несколько классов.

1. Слабо- и неполярные термопласты. Представлены вариантами с симметричной молекулярной структурой или со слабополярными связями.
2. Полярные термопласты. К данному типу относят вещества с несимметричной молекулярной структурой и собственными дипольными моментами. Иногда их называют низкочастотными диэлектриками. Ввиду полярности они хорошо притягивают влагу. Также большинство из них способны смачиваться. Данные вещества отличаются от предыдущего класса также меньшим электросопротивлением. При этом многие из полярных термопластов характеризуются высокими показателями эластичности, химической стойкости, механической прочности. Дополнительная обработка позволяет превратить данные соединения в гибкие резинообразные материалы.
3. Термореактивные полимеры. Как упоминалось выше, это вещества с пространственной системой ковалентных связей. Они отличаются от термопластичных вариантов твердостью, нагревоустойчивостью и хрупкостью, большим модулем упругости и меньшим коэффициентом линейного расширения. К тому же такие полимеры не подвержены воздействию обычных растворителей. Они служат основой для многих веществ.
4. Слоистые пластмассы. Представлены слоистыми материалами из пропитанных смолой листов бумаги, стеклоткани, древесного шпона, ткани и др. Такие полимеры характеризуются наибольшей анизотропией характеристик и прочностью. Но они малопригодны для создания предметов сложной конфигурации. Применяются в радио-, электротехнике, приборостроении.
5. Металлопласты. Это полимеры, включающие металлические наполнители в виде волокон, порошков, тканей. Данные добавки служат для придания специфических свойств: магнитных, улучшения демпфирования, электро- и теплопроводности, поглощения и отражения радиоволн.

Свойства

Многие органические полимеры отличаются хорошими электроизоляционными параметрами в обширном интервале напряжений, частот и температур, при большой влажности. К тому же они имеют хорошие звуко- и теплоизоляционные характеристики. Также обычно органические полимеры характеризуются высокой стойкостью к химическому воздействию, не подвержены гниению и коррозии. Наконец, данные материалы обладают большой прочностью при малой плотности.

Приведенные выше примеры демонстрируют общие для органических полимеров характеристики. Помимо этого, некоторые из них отличаются специфическими особенностями: прозрачностью и малой хрупкостью (органическое стекло, пластмассы), макромолекулярным ориентированием при направленном механическом влиянии (волокна, пленки), большой эластичностью (каучук), быстрым изменением физико-механических параметров под воздействием реагента в малом количестве (каучук, кожа и т. д.), а также большой вязкостью при малой концентрации, радиопрозрачностью, антифрикционными характеристиками, диамагнетизмом, и т. д.

Применение

Благодаря названным выше параметрам, органические полимеры имеют обширную сферу применения. Так, сочетание большой прочности с небольшой плотностью позволяет получить материалы большой удельной прочности (ткани: кожа, шерсть, мех, хлопок и т. д.; пластмассы).

Помимо названных, из органических полимеров выпускают прочие материалы: резины, лакокрасочные материалы, клеи, электроизоляционные лаки, волокнистые и пленочные вещества, компаунды, связующие материалы (известь, цемент, глина). Их применяют для промышленных и бытовых нужд.

Однако органические полимеры обладают существенным практическим недостатком - старением. Под этим термином понимают изменение их характеристик и размеров в результате физико-химических преобразований, происходящих под воздействием различных факторов: истирания, нагрева, облучения и т. д. Старение происходит путем протекания определенных реакций в зависимости от вида материала и воздействующих факторов. Наиболее распространенной среди них является деструкция, подразумевающая формирование более низкомолекулярных веществ вследствие разрыва химической связи главной цепи. На основе причин деструкцию подразделяют на термическую, химическую, механическую, фотохимическую.

История

Исследование полимеров начало развиваться к 40 гг. XX в. и сформировалось в качестве самостоятельной научной области в середине столетия. Это было связано с развитием знаний о роли данных веществ в органическом мире и выяснением возможностей их применения в промышленности.

При этом цепные полимеры производили еще в начале XX столетия.

К середине века освоили выпуск электроизолирующих полимеров (поливинилхлорида и полистирола), плексигласа.

В начале второй половины столетия расширилось производство полимерных тканей за счет возврата выпускавшихся прежде материалов и появления новых вариантов. Среди них - хлопок, шерсть, шелк, лавсан. В тот же период, благодаря применению катализаторов, начали выпуск полиэтилена и полипропилена при малом давлении и кристаллизующихся стереорегулярных вариантов. Немного позже освоили массовый выпуск самых известных герметиков, пористых и адгезивных материалов, представленных полиуретанами, а также элементоорганических полимеров, отличающихся от органических аналогов большей эластичностью и термостойкостью (полисилоксаны).

В 60 - 70 гг. были созданы уникальные органические полимеры с ароматическими компонентами, характеризующиеся высокой термостойкостью и прочностью.

Производство органических полимеров интенсивно развивается и сейчас. Это обусловлено возможностью использования дешевых материалов, таких как уголь, попутные газы нефтепереработки и добычи и природные газы, в совокупности с водой и воздухом в виде исходного сырья для большинства из них.

В 1833 году Й. Берцелиус ввел в обиход термин «полимерия», которым он назвал один из видов изомерии. Такие вещества (полимеры) должны были обладать одинаковым составом, но разной молекулярной массой, как например этилен и бутилен. К современному пониманию термина «полимер» умозаключение Й. Берцелиуса не соответствует, потому что истинные (синтетические) полимеры в то время еще не были известны. Первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол) годам.

Химия полимеров возникла только после создания А. М. Бутлеровым теории химического строения органических соединений и получила дальнейшее развитие благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука (Г. Бушарда, У. Тилден, К Гарриес, И. Л. Кондаков, С. В. Лебедев). С начала 20-х годов 20 века стали развиваться теоретические представления о строении полимеров.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Полимеры — химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов) , молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев).

Классификация полимеров

Классификация полимеров основана на трех признаках: их происхождении, химической природе и различиях в главной цепочке.

С точки зрения происхождения все полимеры подразделяют на природные (натуральные), к которым относят нуклеиновые кислоты, белки, целлюлозу, натуральный каучук, янтарь; синтетические (полученные в лаборатории путем синтеза и не имеющие природных аналогов), к которым относят полиуретан, поливинилиденфторид, фенолформальдегидные смоли и др; искусственные (полученные в лаборатории путем синтеза, но на основе природных полимеров) – нитроцеллюлоза и др.

Исходя из химической природы, полимеры делят на полимеры органической (в основе мономер – органическое вещество – все синтетические полимеры), неорганической (в основе Si, Ge, S и др. неорганические элементы – полисиланы, поликремниевые кислоты) и элементоорганической (смесь органических и неорганических полимеров – полислоксаны) природы.

Выделяют гомоцепные и гетероцепные полимеры. В первом случае главная цепь состоит из атомов углерода или кремния (полисиланы, полистирол), во втором – скелет из различных атомов (полиамиды, белки).

Физические свойства полимеров

Для полимеров характерны два агрегатных состояния – кристаллическое и аморфное и особые свойства – эластичность (обратимые деформации при небольшой нагрузке — каучук), малая хрупкость (пластмассы), ориентация при действии направленного механического поля, высокая вязкость, а также растворение полимера происходит посредством его набухания.

Получение полимеров

Реакции полимеризации – цепные реакции, представляющие собой последовательное присоединение молекул ненасыщенных соединений друг к другу с образованием высокомолекулярного продукта – полимера (рис. 1).

Рис. 1. Общая схема получения полимера

Так, например, полиэтилен получают полимеризацией этилена. Молекулярная масса молекулы достигает 1миллиона.

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

Химические свойства полимеров

В первую очередь для полимеров будут характерны реакции, характерные для функциональной группы, присутствующей в составе полимера. Например, если в состав полимера входит гидроксо-группа, характерная для класса спиртов, следовательно, полимер будет участвовать в реакциях подобно спиртам.

Во-вторых, взаимодействие с низкомолекулярными соединениями, взаимодействие полимеров друг с другом с образованием сетчатых или разветвленных полимеров, реакции между функциональными группами, входящими в состав одного и того же полимера, а также распад полимера на мономеры (деструкция цепи).

Применение полимеров

Производство полимеров нашло широкое применение в различных областях жизни человечества — химической промышленности (производство пластмасс), машино – и авиастроении, на предприятиях нефтепереработки, в медицине и фармакологии, в сельском хозяйстве (производство гербицидов, инсектицидов, пестицидов), строительной промышленности (звуко- и теплоизоляция), производство игрушек, окон, труб, предметов быта.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 1

В современном мире практически нет человека, который бы не имел хоть какого то представления о полимерах. Полимеры идут по жизни вместе с человеком, делая его жизнь все более удобной и комфортной. При упоминании о полимерах первые ассоциации будут связаны с синтетическими органическими веществами, так как они больше находятся на виду. Полимеры природные - натуральные органические вещества - хоть их и больше в окружающем нас мире, в ассоциативном восприятии человека отходят на второй план. Они окружают нас всегда, однако никто не задумывается о природе происхождения флоры и фауны. Целлюлоза, крахмал, лигнин, каучук, белки и нуклеиновые кислоты - основной материал, используемый природой для сотворения окружающего нас животного и растительного мира. И уж совсем никто не будет воспринимать как полимеры драгоценные камни, графит, слюду, песок и глину, стекло и цемент. Тем не менее, наукой установлен факт полимерного строения многих неорганических соединений, в том числе и перечисленных выше. Полимерные вещества состоят из макромолекул. При образовании полимеров большое число атомов или групп атомов связываются между собой химическими связями - ковалентными или координационными. Полимерные макромолекулы содержат десятки, сотни, тысячи или десятки тысяч атомов или повторяющихся элементарных звеньев. Сведения о полимерном строении были получены при исследовании свойств растворов, строения кристаллов, механических и физико-химических свойств неорганических веществ. В подтверждение вышесказанному следует отметить, что имеется достаточное количество научной литературы, подтверждающей факт полимерного строения некоторых неорганических веществ.

Логичным будет замечание: почему так много есть информации о синтетических органических полимерах и так мало о неорганических. Если есть неорганические полимерные вещества, то что конкретно они из себя представляют и где они используются? Выше были приведены несколько примеров неорганических полимеров. Это известные вещества, которые знают все, вот только мало кто знает, что эти вещества можно причислить к отряду полимеров. По большому счету обывателю все равно можно ли отнести графит к полимерам или нет, что касается драгоценных камней, то для кого-то это может быть даже оскорбительно, равнять дорогие украшения с дешевой пластмассовой бижутерией. Тем не менее, если есть основания называть некоторые неорганические вещества полимерами, то почему бы об этом не поговорить. Рассмотрим некоторых представителей таких материалов, остановимся более подробно на самых интересных.
Для синтеза неорганических полимеров чаще всего требуются очень чистые исходные вещества, а также высокие температура и давление. Основными способами их получения, как и органических полимеров, являются полимеризация, поликонденсация и поликоординация. К простейшим неорганическим полимерами относятся гомоцепные соединения, состоящие из цепей или каркасов, построенных из одинаковых атомов. Кроме известного всем углерода, являющегося основным элементом, участвующим в построении практически всех органических полимеров другие элементы тоже могут участвовать в построении макромолекул. К таким элементам относятся бор из третьей группы, кремний, германий и олово из четвертой группы, куда как раз входит и углерод, фосфор, мышьяк, сурьма и висмут из пятой группы, сера, селен теллур из шестой. В основном гомоцепные полимеры, полученные на основе этих элементов, используются в электронике и оптике. Электронная промышленность развивается очень высокими темпами и спрос на синтетические кристаллы давно уже превышает предложение. Особо, все же, следует отметить углерод и неорганические полимеры которые получают на его основе: алмаз и графит. Графит, известный материал, который нашел применение в различных сферах промышленности. Из графита получают карандаши, электроды, тигли, краски, смазки. Тысячи тонн графита идут на нужды атомной промышленности благодаря его свойствам замедлять нейтроны. В статье мы остановимся подробнее на самих интересных представителях неорганических полимеров - драгоценных камнях.
Самым интересным, пафосным, любимым женщинами представителем неорганических полимеров являются алмазы. Алмазы - весьма дорогостоящие минералы, которые также можно отнести к неорганическим полимерам, в природе их добывают пять крупных компаний: «DeBeers», «Alrosa», «Leviev», «BHPBilliton», «RioTinto». Именно компания «DeBeers» создала репутацию этих камней. Искусный маркетинг сводится к слогану, « - это навсегда». «DeBeers» превратила этот камень в символ любви, благополучия, власти, успеха. Интересен тот факт, что алмазы в природе встречаются достаточно часто, например сапфиры и рубины, более редкие минералы, однако ценятся они ниже алмазов. Самое интересное это ситуация, которая сложилась на рынке природных алмазов. Дело в том, что существуют технологии, позволяющие получить синтетические алмазы. В 1954 году исследователь компании «General Electric» Трейси Холл изобрел аппарат, который позволял при давлении 100000 атмосфер и температуре свыше 2500ºС из сульфида железа получать кристаллы алмаза. Качество этих камней было с ювелирной точки зрения невысоко, однако твердость была такая же, как у природного камня. Изобретение Холла было усовершенствовано и в 1960 году «General Electric» создал установку, в которой можно было получать алмазы ювелирного качества. Негативным моментом было то, что цена синтетических камней была выше природных.
На данный момент существуют две технологии синтеза алмазов. Технология HPHT (high pressure/high temperature) - синтез алмазов в сочетании высокого давления и высокой температуры. Технология CVD (chemical vapor deposition) - технология химического осаждения пара, считается более прогрессивной и позволяет выращивать алмаз, как бы моделируя природные условия его роста. Обе технологии имеют достоинства и недостатки. Кампании их использующие решают недостатки технологий, применяя свои собственные изобретения и разработки. Например, еще в 1989 году группе советских ученых из Новосибирска удалось снизить давление синтеза до 60000 атмосфер. После распада Советского Союза разработки в области синтеза алмазов не были прекращены благодаря многим заграничным инвесторам, заинтересованным в получении технологии дешевого синтеза качественных драгоценных камней. Например, «DeBeers», дабы не потерять возможность контролировать рынок финансировала работы некоторых ученых. Некоторые частные предприниматели купили в России оборудование по синтезу алмазов, например процветающая сейчас американская компания «Gemesis» начала с того, что приобрела в России в 1996 году за 60000 долларов установку для выращивания алмазов. Сейчас «Gemesis» производит и продает алмазы редких цветов: желтые и синие, причем разница в цене между этими и точно такими же природными камнями достигает 75%.

Другая крупная компания, синтезирующая алмазы - «Apollo Diamond», совершенствует технологию HPHT, проводя синтез камней в газовой атмосфере определенного состава (технология-симбиоз HPHT и CVD). Такой метод выводит «Apollo Diamond» на рынок ювелирных камней при этом, качество синтетических алмазов, выращиваемых по такой технологии очень высоко. Геммотологам все труднее отличить синтетические камни от природных. Для этого требуется комплекс анализов, на достаточно сложном и дорогостоящем оборудовании. Синтетические ювелирные алмазы «Apollo Diamond» практически невозможно отличить от природных минералов стандартными методами анализа.

Мировая добыча алмазов составляет сейчас 115 миллионов карат или 23 тонны в год. Теоретически этот гигантский рынок может упасть при этом репутация алмазов как драгоценных камней будет потеряна навсегда. Фирмы-монополисты вкладывают средства в стабилизацию ситуации и контроль рынка. Например, проводятся дорогостоящие маркетинговые компании, скупаются патенты на технологии искусственного изготовления алмазов для того чтобы эти технологии никогда не были внедрены, на фирменные бриллианты выдаются сертификаты и паспорта качества, подтверждающие их природное происхождение. Но удержит ли это прогресс технологии синтеза?

Заговорив об алмазах, мы отвлеклись на блеск драгоценных камней ювелирной промышленности, но следует указать и на промышленные камни. В данном случае большинство предприятий, занимающихся выращиванием алмазов, работает в основном для нужд электронной и оптической промышленности. Рынок промышленных камней, возможно, не так интригует как рынок ювелирных, но, тем не менее, он огромен. Например, основной доход «Apollo Diamond» - синтез тонких алмазных дисков для полупроводников. Кстати, сейчас установку для синтеза алмазов производительностью порядка 200 кг алмазов в месяц можно приобрести за 30 тысяч долларов.

Другим представителем драгоценных камней является рубин. Первый синтетический рубин появился на свет в 1902 году. Его синтезировал французский инженер Вернейль, расплавив порошок окиси алюминия и хрома, который потом кристаллизовался в шестиграммовый рубин. Такая простота синтеза позволила относительно быстро развить промышленное производство рубинов по всему миру. Камень этот очень востребован. Ежегодно в мире добывают порядка 5 тонн рубинов, а потребности рынка исчисляются сотнями тонн. Рубины нужны часовой промышленности, нужны при производстве лазеров. Предложенная Вернейлем технология впоследствии дала предпосылки для синтеза сапфиров и гранатов. Наиболее крупные производства искусственных рубинов находятся во Франции, Швейцарии, Германии, Великобритании, США. Экономика производства такова. Львиную долю себестоимости съедают энергетические расходы. При этом себестоимость синтеза килограмма рубинов 60 долларов, себестоимость килограмма сапфиров - 200 долларов. Рентабельность такого бизнеса очень высока, так как закупочная цена на кристаллы минимум в два раза выше. Здесь следует учитывать ряд факторов, таких как тот, что чем больше выращиваемый монокристалл, тем себестоимость его ниже, также при производстве из кристаллов изделий, цена их будет намного выше, нежели цена продаваемых кристаллов (например, производство и реализация стекол). Что касается оборудования, то российские установки для выращивания кристаллов стоят около 50 тысяч долларов, западные на порядок дороже, при этом срок окупаемости организуемого производства в среднем составляет два года. Как уже говорилось потребности рынка в синтетических кристаллах коллосальны. Например, очень востребованы сапфировые стекла. В мире синтезируется порядка тысячи тонн сапфиров в год. Годовые потребности производства доходят до миллиона тонн!
Изумруды синтезируют исключительно для нужд ювелирной промышленности. В отличие от остальных кристаллов получают изумруд не из расплава, а из раствора борного агидрида при температуре 400оС и давлении 500 атмосфер в гидротермальной камере. Любопытно то, что добыча природного камня составляет всего 500 килограмм в год. Синтетические изумруды в мире производят также в не таком большом количестве, как остальные кристаллы, порядка тонны в год. Дело в том, что технология синтеза изумрудов малопроизводительна, однако рентабельность такого производства на высоте. Производя около 5 килограмм кристаллов в месяц при себестоимости 200 долларов за килограмм, цена продажи изумрудов синтетических практически равна цене природных. Стоимость установки для синтеза изумрудов составляет порядка 10 тысяч долларов.
Но самым востребованным синтетическим кристаллом является кремний. Пожалуй, он даст фору любому драгоценному камню. На данный момент кремний занимает 80% всего рынка синтетических кристаллов. Рынок испытывает дефицит кремния ввиду стремительного развития высоких технологий. На данный момент рентабельность производства кремния превышает 100%. Цена килограмма кремния составляет порядка 100 долларов за килограмм, при этом себестоимость синтеза достигает 25 долларов.

Сверхчистый кремний используется в качестве полупроводника. Из его кристаллов делают солнечные фотоэлементы, имеющие высокий коэффициент полезного действия. Кремний, как и углерод, может создавать длинные молекулярные цепи из своих атомов. Таким образом получают силан и каучук, обладающий удивительными свойствами. Несколько лет назад весь мир взбудоражило сообщение об опытах американского инженера Вальтера Роббса, которому удалось изготовить пленку из силиконовой резины толщиной 0,0025 сантиметра. Этой резиной он обтянул клетку, в которой жил хомяк, и опустил хомяка в аквариум. В течение нескольких часов первый в мире хомяк-подводник дышал кислородом, растворенным в воде, и был при этом бодр, не проявлял признаков беспокойства. Оказывается, пленка играет роль мембраны, выполняя те же функции, что и жабры у рыб. Пленка пропускает внутрь молекулы газа жизни, а углекислый газ при этом через пленку вытесняется наружу. Такое открытие делает возможным организацию жизни человека под водой отодвигая в сторону баллоны с дыхательной смесью и кислородные генераторы.

Кремний выпускается трех видов: кремний металлургический (MG), кремний для электронной промышленности (EG) и кремний для производства солнечных батарей (SG). Ввиду череды энергетических кризисов усиленно внедряются альтернативные технологии получения энергии. К таковым относится преобразование солнечной энергии в электрическую, то есть, использование солярных установок, работающих на солнечных батареях. Важной составляющей солнечных батарей является кремний. В Украине на Запорожском титаномагниевом комбинате производился кремний для солнечных батарей. При советском Союзе это предприятие давало 200 тонн кремния, при общесоюзном объеме производства 300 тонн. О том, как обстоит дело с производством кремния в Запорожье сейчас автору ничего неизвестно. Стоимость организации современного производства поликристаллического кремния для нужд энергетической промышленности мощностью 1000 тон в год составляет около 56 миллионов долларов. Синтез кремния для различных нужд во всем мире по востребованности занимает первое место и еще долго будет удерживать эти позиции.

В статье мы рассмотрели только некоторых представителей неорганических полимеров. Быть может многие вещи, рассказанные выше, для кого-то были восприняты с удивлением и неподдельным интересом. Кто-то по-новому взглянул на понятие философского камня, пусть не золото, но драгоценные камни из невзрачных оксидов металлов и других непримечательных веществ получать все-таки можно. Надеемся, что статья дала повод к размышлениям и как минимум развлекла читателя интересными фактами.