IiI. В Ы С О К О М О Л Е К У Л Я Р Н Ы Е В Е Щ Е С Т В А

И И Х Р А С Т В О Р Ы

ГЛАВА 10

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Высокомолекулярные вещества (ВМВ) характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Хотя под это определение попадают многие неорганические соединения в кристаллическом состоянии и минералы, (например, NaCI, SiO₂, графит, алмаз и т. д.), обычно термином BMB обозначаются органические соединения. Неорганические ВМВ выделяются в особую группу, и в нашем курсе рассматриваться не будут.

Большинство органических высокомолекулярных соединений - полимеры,молекулы которых (макромолекулы)состоят из большого числа повторяющихся группировок, или мономерных звеньев, соединённых между собой химическими связями.

Классификация высокомолекулярных веществ

-По происхождению полимеры делят на природныеили биополимеры(например, белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, каучуки) и синтетические, получаемые полимеризацией или поликонденсацией. Кроме того, есть особая группа полусинтетических(«искусственных») ВМВ, получаемых химической обработкой природных (например, нитроцеллюлоза, ацетилцеллюлоза).

- По строению макромолекул ВМВ подразделяют на линейныеполимеры, макромолекулы которых представляют собой длинную нитевидную цепь (например, целлюлоза, полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен), разветвлённые, имеющие цепи с разветвлениями (например, крахмал, гликоген) и пространственные,макромолекулы которых, соединяясь, друг с другом, образуют трёхмерную пространственную структуру. Среди пространственных выделяют сетчатыеполимеры (например, полистирол), у которых фрагменты макромолекул, образующие пространственные ячейки, приблизительно равны, и сшитые, в структуре которых макромолекулы соединены друг с другом короткими мостиковыми связями. Такие мостики обычно состоят всего из нескольких атомов, зачастую из двух или трёх, причём эти атомы могут быть и не углеродными, а, например, атомами серы (как в резине) и др.

-По химическому составу различают гомополимеры, содержащие одинаковые мономерные звенья (например, полиэтилен, полипропилен, полиметилметакрилат) и сополимеры, макромолекулы которых получаются при соединении двух или более различных мономеров (например, фенолоформальдегидные смолы, белки, нуклеиновые кислоты). Полимеры, содержащие в главной цепи макромолекулы одинаковые атомы, называются гомоцепными(например, полиэтилен, полипропилен), а содержащие разные атомы - гетероцепными(например, белки, полисахариды, полиамиды, полиэфиры). Среди гомоцепных наиболее распространены карбоцепныеполимеры, главная цепь которых содержит только атомы углерода.

Полимеры, макромолекулы которых построены из звеньев одинаковой пространственной конфигурации, или из звеньев различной конфигурации, но чередующихся в цепи с определённой периодичностью, называются стереорегулярными.Полимеры с произвольным чередованием звеньев различной пространственной конфигурации, называются нестереорегулярнымиили атактическими.

- По взаимному расположению макромолекул выделяют аморфные и кристаллическиеВМВ. Большинство полимеров являются аморфными, что определяется хаотическим расположением макромолекул в твёрдом образце. В кристаллических полимерах отдельные макромолекулы или их сегменты могут быть расположены по отношению друг к другу упорядоченно. Такие участки с упорядоченной структурой носят название кристаллитов. Следует отметить, что кристаллиты никогда не занимают всего объёма образца ВМВ. Они более или менее густо вкраплены в общую аморфную массу, и поэтому правильнее говорить не о кристаллических полимерах, а о полимерах с большей или меньшей кристаллитной составляющей.

Возможны и другие подходы к классификации высокомолекулярных веществ, о которых подробнее говорится в курсе органической химии или химии полимеров.

Получение, применение и свойства высокомолекулярных

Веществ

Природные ВМВ выделяют из растительного или животного сырья соответствующими методами, после чего при необходимости подвергают очистке и фракционированию. Синтетические ВМВ получают с применением двух основных типов реакций – полимеризациии поликонденсации. При поликонденсациив результате отщепления от молекул мономеров концевых групп атомов в качестве побочного продукта образуется какое-либо низкомолекулярное вещество, чаще всего вода. При полимеризации образование мак­ро­молекул идёт за счёт раскрытия кратных (двойных или тройных) связей в мономерах и побочных продуктов не образуется. Более подробно о полимеризации и поликонденсации, а также о методах получения полусинтетических полимеров говорится в курсах органической химии или химии высокомолекулярных веществ.

Полимеры применяются практически в любых отраслях промышленности, в быту, а также в медицине и фармации. Это вызвано такими их свойствами, как механическая прочность в сочетании с лёгкостью, широкий спектр реологических характеристик – от эластичности до твёрдости или пластичности, тепло- и электроизоляционные, оптические и другие свойства, полимеров. Полимеры служат основой пластмасс, химических волокон, резин, используемых для производства конструкционных материалов и упаковочных материалов, мебели, посуды, одежды, обуви, декоративных изделий и т. п. Без них не обходится производство лакокрасочных материалов, герметиков, клеев, а также ионообменных смол. Такие биополимеры, как белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты составляют основу всех живых организмов, а природный («натуральный») каучук незаменим для получения наиболее высококачественных резин.

В медицине и фармации природные и синтетические полимеры используют для изготовления медицинской техники (инструменты, предметы ухода за больными, материалы и изделия для упаковки лекарств), для изготовления функциональных узлов аппаратов (например, аппаратов искусственного кровообращения, мембран диализаторов – «искусственных почек»), а также перевязочного материала (бинтов, ваты, асептических повязок, масок и т. п.). В хирургии ВМВ применяются для замены поражённых или утраченных органов (при протезировании, при косметической хирургии), в качестве шовного материала и клеев для бесшовного соединения рассечённых тканей.

Некоторые полимеры, чаще всего белковой природы, используются в качестве лекарств, стабилизаторов и пролонгаторов лекарственных веществ, кровезаменителей. Большое значение имеют полимеры и в качестве вспомогательных веществ для создания основ паст, мазей, пластырей (полиэтиленоксид, поливиниловый спирт, поливинилпирролидон, производные целлюлозы, циклодекстрин и др.). Используют ВМВ и для изготовления оболочек капсул и покрытий таблеток.

Линейные полимеры обладают специфическими свойствами, в частности, способностью к образованию волокон и мягких плёнок (ацетилцеллюлоза, капрон, нейлон), а также к необратимым (пластическим) или к большим обратимым (эластическим) деформациям (каучук, белки). По мере перехода от линейных полимеров к разветвлённым и пространственным эти свойства становятся менее выраженными. Так, из большинства разветвлённых синтетических полимеров невозможно изготовлять волокна, а полученные из них плёнки, как правило, жёстки и упруги. Хотя в случае сильно искривлённых макромолекул даже сшитые полимеры продолжают оставаться эластичными, например, резина. Но по мере увеличения числа мостиков, соединяющих две соседние макромолекулы, эластичность резин уменьшается и, в конце концов, они переходят в эбониты, не обладающие эластичностью. Пространственные ВМВ, как сшитые с большим числом межмолекулярных мостиков, так и сетчатые, тверды и часто хрупки (например, полистирол, полиметилметакрилат), и из них не удаётся изготовить волокон и тонких плёнок.