Определение полимера и мономера

                   Московский Государственный Университет

                              Тонкой Химической Технологии

                                             Им. М.В.Ломоносова

 

 

 

КАФЕДРА ХИМИИ И  ФИЗИКИ ПОЛИМЕРОВ

И ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

 

 

                       Реферат по материаловедению

                                                        

                                                                

 

                                                                                                     

                                                                                                          Студент:

                                                                            Группа:

                                                                            Преподаватель: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                           Москва 2013

 

                                              Содержание:

 

1. Введение.
2. Что такое полимер (определение) ?
3. Что такое мономер?
4. Может ли полимер не иметь вязкотекучего состояния?
5. Список используемой литературы.

 

 

                                              Введение.

 

Материаловедением называют прикладную науку о связи  состава, строения и свойств материалов. Решение важнейших технических задач, связанных с повышением надежности и работоспособности машин и механизмов, во многом зависит от развития материаловедения.

Одной из сфер науки  является изучение строения и свойств  полимеров, поскольку они  получили широкое распространение в современной  жизни.  Широкий интерес к полимерам, многочисленные научные труды, посвященные  им, большой объем производства синтетических  полимеров обусловлены в первую очередь уникальным комплексом их физико-механических свойств. Поэтому в науке о  полимерах тесно переплетаются  законы химии, физики и механики.

Значение полимеров  в жизни общества огромно, и рост производства и потребления полимеров  – одно из генеральных направлений  развития народного хозяйства. Широкое  проникновение их в быт, в легкую и пищевую промышленность имеет  следствием накопление отходов, которые  зачастую просто выбрасывают, и тем  самым создается угроза засорения  окружающей среды. Потребитель не всегда знает свойства полимерных материалов, поэтому задача специалистов в области  физики, химии и технологии полимеров  параллельно с их созданием решать проблемы, связанные с рациональной утилизацией отработанных изделий.

 

                            Что такое полимер (определение)?

В последние десятилетия  высокомолекулярные соединения (полимеры) прочно вошли в нашу жизнь. Полимеры -  особый вид материалов, обладающих в зависимости от строения молекул  самыми разнообразными свойствами и  применяемыми в самых различных  сферах жизни и деятельности человечества: в промышленности и сельском хозяйстве, в науке и технике, во всех видах  транспорта, в медицине и повседневном быту.  [1, 3]

Само слово полимер  содержит два греческих значения: «поли» - много, «мерос» - часть, что можно перевести как «много частей». Действительно, следуя другому определению, полимер – особый класс химических соединений, специфика свойств которых определяется большой длиной, цепным строением и гибкостью составляющих их макромолекул.  [1, 4]

Молекула полимера состоит  из молекул его низкомолекулярных  аналогов, соединенных друг с другом n раз химическими связями, где n – так называемая степень полимеризации – может принимать очень большие значения (десятки и сотни тысяч).

Соединение большого числа  малых молекул в результате химической реакции в длинную цепную молекулу полимера приводит к возникновению  у последнего целого комплекса новых  физико-химических свойств -  упругости, эластичности, способности к пленко– и волокнообразованию.

Наличие длинных цепных молекул, имеющих химические, то есть прочные, связи вдоль цепи, и физические, то есть слабые, связи между цепями, является наиболее характерным признаком  полимеров. Большая молекула полимера обладает определенной гибкостью . [2, 7]

Любые атом или группа атомов, входящие в состав цепи полимера, называются составным звеном. Наименьшее составное звено, повторением которого может быть описано строение регулярного (в регулярных макромолекулах наблюдается определенная периодичность распределения звеньев) полимера, называется составным повторяющимся звеном. Составное звено, которое образуется из одной молекулы мономера при полимеризации, называется мономерным звеном (иногда называют элементарным звеном). Например, в полиэтилене [—СН₂СН₂—]_n повторяющееся составное звено - СН₂, мономерное - СН₂СН₂.]

Полимеры отличаются от низкомолекулярных  соединений тем, что:

- Большая длина и гибкость  макромолекул придают полимерам  свойство высокоэластичности, то есть способности к большим (порядка нескольких сотен процентов) обратимым деформациям.

- Твердые полимерные тела  – пластики сочетают высокие  модули упругости, сопоставимые  по величине с модулями упругости  обычных твердых тел (неорганическое  стекло, металлы, керамика), с высокими  разрывными удлинениями (на порядок  больше, чем у обычных твердых  тел). Поэтому полимерные тела  менее склонны к хрупкому разрушению.

- При растворении проходят  сначала через стадию набухания;  вязкость разбавленных (до 1 %) растворов  полимеров немного превышает  вязкость растворов низкомолекулярных  соединений той же концентрации.

Концентрированные растворы и расплавы полимеров, как и все жидкости, обладают упруго-эластичными свойствами. Высокие молекулярные массы полимеров расширяют спектр их времени релаксации по сравнению с низкомолекулярными жидкостями. Сочетание больших молекулярных масс с высокими межмолекулярными взаимодействиями обуславливают ряд аномальных вязко-упругих свойств полимерных жидкостей, не характерных для низкомолекулярных соединений. [1,4]

Молекулярную массу полимера, которая иногда составляет миллионы углеводных единиц,  определяет степень  полимеризации,  то есть число мономерных звеньев в одной макромолекуле. Масса такого высокомолекулярного соединения  равна  молекулярной массе исходного мономера,  умноженной на степень полимеризации [2, 7]:

                              nM                Mn

                                  мономер                         полимер

Совершенно ясно, что в  процессе синтеза полимера, когда  степень полимеризации n велика, практически невозможно получить совершенно одинаковые по размеру макромолекулы. Поэтому молекулярная масса полимеров является величиной усредненной по отношению к молекулярным массам отдельных макромолекул.

В этом еще одно принципиальное отличие полимера от низкомолекулярного вещества, так как последнее характеризуется  совершенно определенным значением  молекулярной массы. Это относится  и к природным, и к синтетическим  полимерам.

Тем не менее средняя величина молекулярной массы является характеристикой полимера, поскольку одинаковые по химической природе соединения различной средней молекулярной массы очень существенно различаются по физическим и механическим свойствам. [2,8]

Таким образом, полимер, имеющий всего лишь большую молекулярную массу и длинную цепь, применяется во всех сферах современной жизни. 

 

                                   Что такое мономер?

Мономеры –  низкомолекулярные соединения, способные  вступать в реакции полимеризации  и поликонденсации. [1, 4]

Следовательно, мономеры – это соединения, из которых  образуются полимеры.

Например, пропилен (пропен) СН₂=СH–CH₃ является мономером полипропилена:

                                           

Способность к полимеризации  в основном обусловлена наличием двойных связей в их молекулах. Мономеры, как правило, химически активны и способны вступать в реакции, характерные для своего класса, тогда как полимеры достаточно инертны.

Рассмотрим основные химические элементы и их способность образовывать полимеры. [1, 18]

 

Кислород	Атомы кислорода не способны к образованию  длинных линейных цепочек; они способны образовывать лишь перекиси в виде 2-4 атомов кислорода, соединенных в  единую цепь, но и эти соединения являются малоустойчивыми
Сера, селен, теллур	Атомы серы способны соединяться между  собой в протяженные линейные цепи, особенно при повышенных температурах, но эти цепи при охлаждении разрушаются. Полимеры, содержащие в главной  цепи только атомы серы, не устойчивы  и не имеют практического значения. Аналогичными свойствами облают Se и Te.
Азот, бор, алюминий	Эти элементы не образуют длинных линейных цепочек и не способны к образованию  собственных полимеров.  Азот способен образованию азосоединений с участием лишь двух атомов азота −N=N−.
Углерод	Обладает высокой склонностью  к образованию прочных ковалентных  связей, как между собственными атомами, так и с другими атомами. Гораздо большие возможности по построению линейных макромолекул из атомов углерода открываются, когда 1 или 2 валентности углерода насыщаются другими атомами или группами.
Кремний	Атомы кремния способны образовывать полимерные цепи:        Но они химически не очень устойчивы и при окислении кремний связывается с кислородом, образуя очень прочные связи.

 

Примерами органических мономеров  могут служить молекулы ненасыщенных углеводородов, таких как алкены и алкины.

 

 

 

 

              Может ли полимер не иметь  вязкотекучего состояния?

Полимер не может быть однозначно охарактеризован понятиями фазового и агрегатных состояний (например, полистирол при комнатной температуре находится в твердом агрегатном состоянии, а с другой стороны,  он является аморфным веществом). В связи с этим, было введено представление о физических состояниях, в которых могут находиться полимеры: вязкотекучее, высокоэластическое и стеклообразное. 

Вязкотекучее состояние полимеров характерно тем, что в нем возможно интенсивное тепловое движение отдельных звеньев и сегментов, а также 
перемещение макромолекул друг относительно друга как целого. Это состояние типично для жидкостей, в том числе, и низкомолекулярных. Наиболее важная особенность полимеров в этом состоянии – способность течь под действием приложенного напряжения. [3]

Полимеры находятся в  вязко-текучем состоянии при температурах выше их температуры текучести (на рисунке - заштрихованная область) [1, 125]:

Температура перехода в вязкотекучее состояние обусловлена интенсивностью внутри- и межмолекулярного взаимодействия в полимере. Макромолекулы поливинилового спирта агрегируются с образованием интенсивных (до 40 кДж/моль) водородных связей. Межмолекулярное взаимодействие в полиакрилонитриле определяется преимущественно диполь-дипольным взаимодействием между CN-группами, энергия которого значительно меньше (до 20-25 кДж/моль). Поэтому для перевода первого полимера в вязкотекучее состояние требуется нагрев до более высокой температуры.[4, 133]  

Но основная цель перевода полимера в вязкотекучее состояние – ослабив межмолекулярные межструктурные контакты, создать условия для целенаправленной перестройки структуры полимера.

К числу основных  признаков  вязкотекучего состояния относится его реакция на действие напряжения. Под влиянием механических сил у полимеров в вязкотекучем состоянии развивается деформация течения. Течение – это необратимое перемещение молекул относительно друг друга под влиянием приложенного извне усилия, при этом в веществе возникают силы трения, препятствующие течению.  Внутреннее трение полимеров имеет в основном энергетическую природу, так как связано с преодолением сил взаимодействия между плотно упакованными макромолекулами. Поэтому сетчатые полимеры с пространственной структурой, образованной химическими связями, в вязкотекучее состояние не переходят, так как эти связи препятствуют свободному перемещению макромолекул, необходимому для течения. Течение этих систем возможно лишь при разрушении поперечных связей (химическое течение). [5, 253]

 
 

 

 

 

 

 

 

 

            Список используемой литературы:

 

1. Зубов В.П., Прокопов Н.И. Конспект лекций по курсу «Основы химии и физики полимеров» - М.: МИТХТ имени М.В. Ломоносова, 2011. – 134 с.

2.  Кулезнев В.Н., Шершнев В.А. Химия и физика полимеров. – М.: Высшая школа, 1988. – 312 с.

3. Зуев В.В., Успенская  М.В., Олехнович А.О. Физика и химия полимеров. Учеб. пособие. − СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010.

4. Тадмор З.Н. Теоретические основы переработки полимеров, 1984, 632 с.

5. Тугов И.И. Химия и физика полимеров, 1989, 433 с.