Polimēri — definīcija, veidi un piemēri (plastmasas, proteīni)

Uzziniet, kas ir polimēri: definīcija, veidi un piemēri — no plastmasām līdz proteīniem. Skatiet struktūras, īpašības un polimerizācijas procesu saprotami.

Polimērs ir molekula, kas veidota, savienojot daudzas mazas molekulas, ko sauc par monomēriem. Vārdu "polimērs" var sadalīt vārdos "poli" (grieķu valodā nozīmē "daudz") un "mer" (nozīmē "vienība"). Tas parāda, ka polimēra ķīmiskais sastāvs sastāv no daudzām mazākām vienībām (monomēriem), kas savienotas lielākā molekulā. Ķīmisko reakciju, kurā monomēri savienojas kopā, lai veidotu polimēru, sauc par polimerizāciju. Polimēri var būt ļoti lieli — to molekulmasas ir ievērojami lielākas nekā parasto mazu molekulu — un to īpašības atšķiras atkarībā no monomēru veida, savienojumu secības un ķēžu struktūras.

Veidi pēc izcelsmes

Daži polimēri ir dabiski un tos veido organismi. Olbaltumvielām ir polipeptīdu molekulas, kas ir dabiski polimēri, kas veidoti no dažādām aminoskābju monomēru vienībām. Nukleīnskābes ir milzīgi dabiski polimēri, kas sastāv no miljoniem nukleotīdu vienību. Celuloze un ciete (divi ogļhidrātu veidi) arī ir dabiski polimēri, kas sastāv no dažādos veidos savienotiem glikopiranozes monomēriem. Gumija ir polimēru maisījums. Plastmasas ir cilvēka radīti polimēri. Daudzas šķiedras ir izgatavotas no polimēriem.

Klasifikācija pēc sastāva

Ja visas polimēra "vienības", ko sauc par monomēriem, ir vienādas, tad polimēru sauc par homopolimēru. Homopolimērus nosauc, pirms monomēra nosaukuma pievienojot priedēkli poli-, no kura polimērs ir izgatavots. Piemēram, polimērs, kas izgatavots, savienojot kopā stirola monomēra molekulas, tiek saukts par polistirolu.

Ja visi monomēri nav vienādi, polimēru sauc par kopolimēru vai heteropolimēru. Kopolimēri var būt dažādos izkārtojumos: pēc kārtas (blokveida), nejauši (random) vai ar alterējošu struktūru, un tas ietekmē to fizikālās un ķīmiskās īpašības.

Polimēru uzbūve un arhitektūra

Daudzas polimēru molekulas ir kā ķēdes, kurās monomēru vienības ir savienojumi. Polimēru molekulas var būt ar taisnu ķēdi, sazaroties no galvenās ķēdes vai šķērsšūtām saitēm starp ķēdēm. Šķērssaišu savienošanas piemērs ir sulfhidrila (-S-H) grupas divās polipeptīdu ķēžu aminoskābju cisteīna vienībās, kas var savienoties, veidojot disulfīda tiltiņu (-S-S-), kas savieno ķēdes kopā.

Arhitektūra var būt:

• lineāra — garas nesaistītas ķēdes, kas viegli slīd viena gar otru;
• sazarojušā — ķēdēm ir sānu atzari, kas palielina daudzpusību un bieži kompaktāku struktūru;
• tīkla (cross-linked) — ķēdes savienotas ar šķērssaitēm, radot stingru trīsdimensiju tīklu (piemēram, daži termoreaktīvie materiāli);
• zvaigžņveida vai cilindra — īpašas arhitektūras, kuras piešķir unikālas īpašības.

Molekulmasa un fizikālās īpašības

Polimēru īpašības lielā mērā nosaka to molekulmasa (molekulārā masa) un molekulmasu sadalījums. Lielāka molekulmasa parasti palielina mehānisko izturību un viskozitāti, bet samazina šķīstošību un elastību. Atkarībā no ķēžu mijiedarbībām un kristalizācijas pakāpes polimēri var būt elastīgi, cieti, stiklainā stāvoklī vai gumijoti.

Polimerizācijas galvenie veidi

Polimērus ražo, izmantojot dažādas polimerizācijas reakcijas:

• adīcijas (kārlēšanas) polimerizācija — monomēri ar dubultsaitēm (piemēram, etilēns, stirols) savienojas bez blakusproduktiem;
• kondensācijas polimerizācija — monomēru savienošana ar blakusproduktu izdalīšanos (piemēram, ūdens); tā veido poliestus, poliamīdus u.c.;
• radikāļu, kationu un anionu iniciēta polimerizācija — dažādi iniciatori un mehānismi ietekmē reakcijas ātrumu un gala struktūru;
• kopolimēru sintēze — kontrolēta monomēru maiņa un izvietojums polimēra ķēdē, lai iegūtu vēlamas īpašības.

Termiskā un mehāniskā uzvedība

Daži polimēri ir termoplasti — tie mīkstina un šķērso zonas pie siltuma un tos var pārformēt. Citos gadījumos polimēri ir termoreaktīvi (termorezistentie) — pēc ķīmiskas šķērssaišu veidošanas tie vairs neizkūst un neplūst, piemēram, epoksīdi un daži poliestera sveķi. Šīs īpašības nosaka materiālu pielietojumu rūpniecībā, elektronikas komponentēs, automobiļu detaļās utt.

Bioloģiskā nozīme un pielietojums

Dabas polimēri atrodas visur dzīvē: olbaltumvielas veido audus un enzīmus; nukleīnskābes nes ģenētisko informāciju; celuloze veido augu šūnu sieniņas. Cilvēka radītie polimēri (piem., plastmasas) tiek izmantoti traukos, iepakojumos, būvniecībā, tekstilos, medicīnā (implantāti, šķidrumu pārnēsāšanas caurules) un daudzās citās jomās.

Vides aspekti un ilgtspēja

Plastmasu un citu sintētisko polimēru izmantošana radījusi vides problēmas — noturīgi atkritumi, mikroplastmasas piesārņojums un grūtības pārstrādē. Tomēr attīstās risinājumi, piemēram:

• biodegradējami polimēri (no atjaunojamiem resursiem vai ar vieglāku sadalīšanos);
• uzlabotas pārstrādes tehnoloģijas un mehāniski/ķīmiski reciklēšanas procesi;
• polimēru dizains ar mērķi samazināt toksicitāti un vieglāk separējamu materiālu veidošanu.

Secinājums

Polimēri ir plaša un daudzveidīga vielu grupa, kas ietver gan dzīvības molekulas, gan mūsu ikdienā plaši izmantotās plastmasas un šķiedras. To īpašības un pielietojums ir cieši saistīti ar monomēru struktūru, ķēžu arhitektūru, molekulmasu un savstarpējām saitēm. Zināšanas par polimēru uzvedību ļauj radīt jaunus materiālus ar precīzām īpašībām un strādāt pie ilgtspējīgākiem risinājumiem to ražošanā un izmantošanā.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir polimērs?

J: Ko nozīmē vārds "polimērs"?

J: Kā veidojas polimēri?

J: Vai ir dabīgi polimēri?

Vai ir cilvēka radīti polimēri?

J: Kāda ir atšķirība starp homopolimēru un kopolimēru?

J: Kā lielas ogļūdeņražu molekulas pārvēršas mazākās molekulās?

Meklēt pēc burta