Представьте себе: пластиковые бутылки, которые вы используете ежедневно, одежда, которую вы носите, даже еда, которую вы потребляете, — все это тесно связано с невидимым «гигантом» под названием полимеры. Эти макромолекулы, образованные путем соединения бесчисленного количества маленьких молекул (мономеров), составляют основу нашей современной жизни. Эта статья четко объяснит четыре важных типа полимеров, расскажет об их широком применении в повседневной жизни и исследует химические принципы, лежащие в их основе.
Химия, в частности химия полимеров, неотделима от нашего повседневного существования. От лекарств, принимаемых во время болезни, до моющих средств, используемых для чистки, и даже одежды из синтетических волокон, которую мы носим, — все это демонстрирует применение химии. Даже наши собственные тела функционируют как огромные химические реакторы, в которых бесчисленное количество веществ контролирует метаболические процессы. Поэтому обладание базовыми химическими знаниями, особенно понимание основ химии полимеров, помогает нам лучше понимать окружающий мир.
Термин «полимер» происходит от греческого слова, означающего «много (поли) + частей (мер)», что точно описывает его характеристику — состоять из множества повторяющихся единиц, называемых мономерами. Полимерные структуры могут быть линейными, разветвленными или сложными трехмерными сетями. Большинство промышленных полимеров являются органическими соединениями, содержащими ковалентные связи углерод-углерод. Кроме того, такие элементы, как кислород, водород, хлор, фтор, фосфор и сера, часто встречаются в полимерах, образуя ковалентные связи с углеродом различной полярности.
Из-за свойств ковалентных соединений полимерные молекулы испытывают не только первичные ковалентные связи, но и вторичные межмолекулярные силы, такие как диполь-дипольные взаимодействия, силы дисперсии, вызванные распределением электронных облаков (силы Ван-дер-Ваальса), и водородные связи между атомами водорода и сильно полярными атомами. Эти межмолекулярные силы критически влияют на физические свойства полимеров, такие как температура плавления, прочность и растворимость.
Производство полимерных материалов требует реакций полимеризации, причем разные реакции демонстрируют разные скорости. На скорость реакции влияют факторы окружающей среды, включая температуру, давление, растворитель, инициаторы и катализаторы. Эти условия также существенно влияют на распределение молекулярной массы и физическую структуру конечного продукта. Количество атомов углерода в полимерных цепях напрямую влияет на молекулярную структуру и физическое поведение.
В зависимости от происхождения и свойств полимеры можно разделить на четыре основных типа:
- Биополимеры (природные полимеры)
- Синтетические полимеры
- Промышленные природные полимеры
- Биополимеры
Сейчас мы подробно рассмотрим каждый тип полимеров и его применение.
Биополимеры, или природные полимеры, получают из растений и минералов без вмешательства человека в их производство. Полимеры растительного происхождения включают полисахариды и их подкатегории: целлюлозу, крахмал и камеди, широко используемые в бумажной, деревообрабатывающей, очковой и текстильной промышленности. Минеральные полимеры включают алмаз, графит и большинство оксидов металлов.
-
Целлюлоза:
Один из самых распространенных природных полимеров на Земле, целлюлоза образует основной компонент клеточных стенок растений. Ее высокая кристалличность и прочность обеспечивают растениям жесткие структуры. Применение включает:
- Бумажная промышленность: Основной компонент бумаги
- Текстиль: Перерабатывается в волокна, такие как хлопок, лен и вискоза
- Строительство: Добавляется в цемент и штукатурку для повышения прочности
- Пищевая промышленность: Пищевая добавка, улучшающая текстуру
-
Крахмал:
Основная форма хранения энергии растений, содержится в зернах и клубнях. Применение включает:
- Производство продуктов питания: Хлеб, лапша и загуститель
- Проклейка бумаги: Повышает прочность бумаги
- Проклейка текстиля: Повышает прочность пряжи
- Фармацевтика: Вспомогательное вещество для лекарств
-
Камеди:
Секретируемые растениями смеси полисахаридов с адгезивными свойствами. Распространенные типы включают:
- Арабская камедь: Пищевой загуститель и стабилизатор
- Гуаровая камедь: Добавка для мороженого и соусов
- Ксантановая камедь: Стабилизатор для заправки салатов
- Алмаз: Аллотроп углерода с чрезвычайной твердостью для ювелирных изделий и режущих инструментов
- Графит: Проводящая форма углерода для карандашей и смазочных материалов
- Оксиды металлов: Жаропрочные соединения для керамики и электроники
Синтетические полимеры обычно получают из мономеров сырой нефти и каменноугольной смолы путем искусственного синтеза. Эти материалы играют незаменимую роль в современной жизни.
- Полиэтилен (ПЭ): Гибкий, химически стойкий пластик для упаковки и контейнеров
- Полипропилен (ПП): Более прочный пластик для автомобильных деталей и медицинских устройств
- Поливинилхлорид (ПВХ): Огнестойкий материал для строительства и медицинских трубок
- Полистирол (ПС): Прозрачный пластик для упаковки и одноразовой посуды
- Полиэтилентерефталат (ПЭТ): Прочный полиэстер для бутылок для напитков и текстиля
Эти полимеры получаются в результате модификации или переработки природных полимеров. Натуральный каучук, полимеризованный из изопрена с молекулярной массой около 300 000–500 000, является наиболее представительным.
Применение натурального каучука:
- Шины для транспортных средств
- Уплотнения для предотвращения утечек
- Шланги для перекачки жидкостей
- Виброгасители
- Медицинские перчатки
Биополимеры получают из возобновляемых ресурсов, таких как сельскохозяйственная продукция. Полигидроксибутират (ПГБ), производимый путем бактериальной ферментации, является примером биоразлагаемых полимеров, которые могут заменить обычные пластмассы.
Применение ПГБ:
- Экологичная упаковка для пищевых продуктов
- Биомедицинские швы и имплантаты
- Сельскохозяйственные мульчирующие пленки
От натуральной целлюлозы до синтетического полиэтилена — полимеры пронизывают нашу жизнь в бесчисленных формах. Понимание типов, свойств и применений полимеров расширяет наше понимание окружающего мира, способствуя при этом устойчивому развитию. По мере развития технологий полимеры, несомненно, будут играть все более важную роль в формировании будущего человечества.
