Polimēru ķīmija

Polimēru ķīmija (saukta arī par makromolekulāro ķīmiju) ir zinātne par polimēru jeb makromolekulu ķīmisko sintēzi un ķīmiskajām īpašībām. Saskaņā ar IUPAC ieteikumiem makromolekulas attiecas uz atsevišķām molekulu ķēdēm un ir ķīmijas joma. Polimēri apraksta polimēru materiālu masveida īpašības un pieder polimēru fizikas jomai (fizikas daļa).

Dažāda veida makromolekulas ir:

Biopolimēri, ko ražo dzīvi organismi:

strukturālās olbaltumvielas: kolagēns, keratīns, elastīns un citas.
ķīmiski funkcionālas olbaltumvielas: fermenti, hormoni, transporta olbaltumvielas un citas.
strukturālie polisaharīdi: celuloze, hitīns un citi.
uzglabāšanas polisaharīdi: ciete, glikogēns un citi.
nukleīnskābes: DNS, RNS

Sintētiskie polimēri, ko izmanto plastmasas šķiedru, krāsu, celtniecības materiālu, mēbeļu, mehānisko detaļu, līmju ražošanā:

termoplasti: polietilēns, teflons, polistirols, polipropilēns, poliesteris, poliuretāns, polimetilmetakrilāts, polivinilhlorīds, neilons, viskoze, celuloīds, silikons un citi.
termoreaktīvie plastmasas materiāli: vulkanizēta gumija, bakelīts, kevlārs, epoksīdsveķi un citi.

Polimēri veidojas, polimerizējot monomērus. Ķīmiķi apraksta polimēru pēc tā polimerizācijas pakāpes, molārās masas sadalījuma, taktilitātes, kopolimēru sadalījuma, sazarojuma pakāpes, pēc gala grupām, šķērssavienojumiem un kristāliskuma. Ķīmiķi pēta arī polimēra termiskās īpašības, piemēram, tā stiklošanās temperatūru un kušanas temperatūru. Polimēriem šķīdumā ir īpašas īpašības attiecībā uz šķīdību, viskozitāti un želeju.

Vēsture

Polimēru ķīmija aizsākās, pētot garās augu šķiedras. Anrī Braconno 1777. gadā un Kristiana Šēnbeina 1846. gadā atklāja nitrocelulozi. No nitrocelulozes, kas apstrādāta ar kamparu, izveidoja celuloīdu. Ķīmiķi izšķīdina celuloīdu ēterī vai acetonā, lai iegūtu kolodiju. Ārsti izmantoja kolodiju kā brūču pārsēju kopš ASV pilsoņu kara. Celulozes acetātu pirmo reizi pagatavoja 1865. gadā. Frīdrihs Ludersdorfs (Friedrich Ludersdorf) un Nataniels Heivards (Nathaniel Hayward) 1834. gadā neatkarīgi atklāja, ka sēra pievienošana neapstrādātam dabīgajam kaučukam (poliizoprēnam) palīdz novērst materiāla lipīgumu. Čārlzs Gudjērs 1844. gadā saņēma ASV patentu par gumijas vulkanizāciju ar sēru un karstumu. Gadu iepriekš Tomass Hančoks (Thomas Hancock) bija saņēmis patentu par to pašu procesu Apvienotajā Karalistē.

1884. gadā Hilairs de Šardone (Hilaire de Chardonnet) sāka ražot pirmo mākslīgo šķiedru rūpnīcu, kuras pamatā bija reģenerēta celuloze jeb viskoze kā zīda aizstājējs, taču tā bija ļoti viegli uzliesmojoša. 1907. gadā Leo Bekelands izgudroja pirmo sintētisko polimēru - termoreaktīvo fenola-formaldehīda sveķus, ko nosauca par bakelītu. Aptuveni tajā pašā laikā Hermanis Leukss (Hermann Leuchs) ziņoja par N-karboksianhidrīdu un to lielmolekulāro produktu sintēzi pēc reakcijas ar nukleofīliem. Taču Leihs tos nesauca par polimēriem, iespējams, viņa tiešā vadītāja Emīla Fišera stingro uzskatu dēļ, kas noliedza jebkādu kovalentu molekulu, kas pārsniedz 6 000 daltonu, iespējamību. Celofānu 1908. gadā izgudroja Žokšs Brandenbergers, kurš skābes vannā iepildīja viskozes viskozes loksnes.

1922. gadā vācu ķīmiķis Hermanis Štaudingers (Hermann Staudinger) ierosināja, ka polimēri ir garas atomu ķēdes, ko vieno kovalentas saites. Viņš arī ierosināja šos savienojumus nosaukt par "makromolekulām". Pirms tam zinātnieki uzskatīja, ka polimēri ir mazu molekulu kopas (ko sauc par koloīdiem) bez noteiktas molekulmasas, ko kopā satur nezināms spēks. Staudingers 1953. gadā saņēma Nobela prēmiju ķīmijā.

1931. gadā Wallace Carothers izgudroja pirmo sintētisko gumiju, ko sauca par neoprēnu. Neoprēns bija pirmais poliesteris. Karoterss 1935. gadā izgudroja neilonu - īstu zīda aizstājēju. Pols Florijs (Paul Flory) 1974. gadā saņēma Nobela prēmiju ķīmijā par darbu pie polimēru nejaušas spirāles konfigurācijas šķīdumā pagājušā gadsimta 50. gados. Stefānija Kvoleka (Stephanie Kwolek) izstrādāja aramīdu jeb aromātisko neilonu Kevlar, kas tika patentēts 1966. gadā.

Pašlaik ir pieejams liels skaits komerciālu polimēru. To vidū ir tādi kompozītmateriāli kā oglekļa šķiedras epoksīdsveķu šķiedra, polistirols-polibutadiēns (HIPS), akrilnitrilbutadiēnstirols (ABS). Ķīmiķi izstrādā komerciālos polimērus tā, lai apvienotu to dažādo komponentu labākās īpašības. Piemēram, īpaši polimēri, ko izmanto automobiļu dzinējos, ir paredzēti darbam augstā temperatūrā.

Pagāja ilgs laiks, līdz universitātes ieviesa mācību un pētniecības programmas polimēru ķīmijā. 1940. gadā Freiburgā, Vācijā, Hermaņa Štaudingera vadībā tika dibināts "Institut fur Makromolekulare Chemie". Amerikā 1941. gadā Hermans Marks Bruklinas Politehniskajā institūtā (tagad Ņujorkas Universitātes Politehniskais institūts) nodibināja "Polimēru pētniecības institūtu" (PRI). Vairākiem simtiem PRI absolventu bija nozīmīga loma ASV polimēru rūpniecībā un akadēmiskajā vidē. Citus PRI 1961. gadā Masačūsetsas Universitātē Amherstā nodibināja Ričards S. Steins (Richard S. Stein), 1967. gadā - Ēriks Bērs (Eric Baer) Case Western Reserve Universitātē un 1988. gadā - Akronas Universitātē.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir polimēru ķīmija?

A: Polimēru ķīmija (saukta arī par makromolekulāro ķīmiju) ir zinātne par polimēru jeb makromolekulu ķīmisko sintēzi un ķīmiskajām īpašībām.

J: Kādi ir daži biopolimēru piemēri, ko ražo dzīvi organismi?

A: Dzīvo organismu producēto biopolimēru piemēri ir strukturālie proteīni, piemēram, kolagēns, keratīns, elastīns; ķīmiski funkcionālie proteīni, piemēram, fermenti, hormoni, transporta proteīni; strukturālie polisaharīdi, piemēram, celuloze un hitīns; uzglabāšanas polisaharīdi, piemēram, ciete un glikogēns; un nukleīnskābes, piemēram, DNS un RNS.

J: Kādi ir daži sintētisko polimēru piemēri, ko izmanto plastmasu ražošanā?

A: Sintētisko polimēru piemēri, ko izmanto plastmasu ražošanā, ir termoplasti, piemēram, polietilēns, teflons, polistirols, polipropilēns, poliesteris, poliuretāns, polimetilmetakrilāts, neilons, neilons, neilons, celuloīds, silikons; termoreaktīvās plastmasas, piemēram, vulkanizēta gumija, bakelīts, kevlārs, epoksīdsveķi.

J: Kā veidojas polimēru molekulas?

A: Polimēru molekulas veidojas polimerizācijas procesā, kas ietver monomēru savienošanu, veidojot lielāku molekulu.

J: Kā ķīmiķi apraksta polimēru?

A: Ķīmiķi apraksta polimēru, pamatojoties uz tā polimerizācijas pakāpi (monomēru vienību skaits ķēdē), molārās masas sadalījumu (relatīvais katra monomēra vienības veida īpatsvars kopējā masā), taktilitāti (cik regulāri vai neregulāri monomēri ir izvietoti ķēdē), kopolimēru sadalījums (cik procentuāli to veido dažādu tipu/monomēri), sazarojuma pakāpe (cik atzarojumu ir no galvenās ķēdes), gala grupas (tips/tipi abos galos), šķērsšūnas (savienojumi starp divām vai vairākām ķēdēm) un kristāliskums (cik sakārtota ir ķēde).

Kādas termiskās īpašības ķīmiķi pēta, aplūkojot polimērus?

A: Aplūkojot polimēru, ķīmiķi pēta tā stiklošanās temperatūru un kušanas temperatūru, kas ir saistītas ar tā termiskajām īpašībām.

J: Kādas īpašas īpašības piemīt polimēriem, kad tie ir šķīdumā?

A:Šķīdumā polimēram ir īpašas īpašības, kas saistītas ar šķīdību viskozitāti un želejveidību.