Глава I. Общая характеристика синтетических высокомолекулярных веществ (полимеров)

1. Молекулярный вес и структура полимеров

Высокомолекулярные вещества, как показывает само название, характеризуются прежде всего большим молекулярным весом. Всего из нескольких атомов или десятков атомов состоят молекулы таких веществ, как вода, щелочи, кислоты, соли, спирты, сахар и т. д.; молекулярный вес их измеряется десятками, реже сотнями кислородных единиц. Молекулы же высокомолекулярных веществ содержат тысячи атомов, и вес их составляет десятки и сотни тысяч, а иногда миллионы кислородных единиц.

Такие молекулы по сравнению с обычными это уже "молекулы-гиганты", их называют иногда макромолекулами (макро - большой).

Несмотря на наличие огромного числа атомов в молекулах, химическое строение высокомолекулярных веществ (порядок соединения атомов в них) является сравнительно несложным.

Вспомним, например, известное нам строение полихлорвинила:

Нетрудно видеть, что строение его характеризуется повторением довольно простых по своему строению групп атомов

Подобным повторением одних и тех же групп атомов, так называемых элементарных звеньев, характеризуется строение и многих других высокомолекулярных веществ.

Высокомолекулярные вещества,молекулы которых состоят из многократно повторяющихся одних и тех же элементарных звеньев, часто называют еще полимерами (поли - много, мерос - часть).

Структурные формулы полимеров, как и формулы низкомолекулярных веществ, изображают только порядок соединения атомов, но не передают пространственного расположения их в молекулах. Например, атомы углерода, составляющие скелет многих полимеров, в действительности образуют не прямую цепочку, как принято изображать в формулах, а изогнутую, зигзагообразную; атомы водорода, хлора и т. д. не отделены от атомов углерода промежутками, как мы их отделяем в формулах черточками, а соприкасаются с ними непосредственно, образуя общие электронные пары (рис.1).

Рис. 1. Схемы строения молекул полимеров: А - зигзагообразное строение углеродной цепи; Б - строение части молекулы полиэтилена; В - строение части молекулы полихлорвинила (без атомов водорода). А - ангстрем - единица длины, равная одной десятимиллионной доле миллиметра

Число соединяющихся в макромолекулу элементарных звеньев при образовании того или иного высокомолекулярного вещества не является строго постоянным; в одних случаях таких звеньев соединяется больше, в других меньше; получаются макромолекулы различной величины и, следовательно, разного веса. Поэтому обычно указываемый для такого вещества молекулярный вес - это не вес каждой его молекулы, а лишь средний молекулярный вес, от которого отдельные молекулы существенно отклоняются по весу в ту или иную сторону. Например, в образце полихлорвинила, имеющего средний молекулярный вес 100 000, могут содержаться молекулы, вес которых колеблется от 20 000 до 150 000 и более.

Высокомолекулярные вещества характеризуются не только величиной молекул и строением их из повторяющихся элементарных звеньев, но и внешней формой молекул, или, как говорят, геометрической структурой.

Различают следующие основные структуры полимеров.

Линейная структура. Молекулы линейной структуры представляют собой длинные нитевидные цепи элементарных звеньев. Если отдельные звенья в молекулах такого полимера обозначить условно буквой А, то линейную структуру можно изобразить следующей схемой:

Линейную структуру имеют, например, макромолекулы полиэтилена, полихлорвинила, каучука. Длина линейной молекулы в тысячу и более раз превышает ее поперечник. В увеличенном виде такую молекулу можно было бы представить, например, как нить с диаметром 1 мм и длиной в 1 м. Надо иметь только в виду, что молекулы линейной структуры не представляют собой прямых линий: мы уже знаем, что углеродный "скелет" молекулы имеет зигзагообразное строение, кроме того, они обычно сильно изогнуты в различных направлениях, иногда даже свернуты в клубки.

Пространственная, или трехмерная, структура. Полимеры пространственной структуры образуются в результате соединения друг с другом линейных молекул поперечными химическими связями. Изобразить на бумаге строение таких молекул, имеющих три измерения в пространстве - как бы длину, ширину и толщину, довольно трудно. Соединение линейных молекул, лежащих' в одной плоскости, можно выразить такой схемой:

Чтобы представить пространственную структуру, необходимо иметь в виду, что подобным же образом линейные молекулы связаны с молекулами, расположенными над плоскостью и за плоскостью бумаги.

Пространственную структуру имеет, например, резина, где молекулы каучука в результате вулканизации оказываются "сшитыми" между собой атомами серы (см. учебник для 8-10 кл. и здесь, стр. 55). С другими высокомолекулярными веществами пространственной структуры мы познакомимся позднее.

Вопросы и упражнения

1. Какие вещества называются полимерами?

2. В чем особенности молекулярного веса полимеров в сравнении с низкомолекулярными веществами?.

3. Пользуясь данными рисунка 1, вычислите, какую примерно длину (в долях миллиметра) будет иметь молекула полиэтилена, содержащая 2000 атомов углерода.

4. Зная строение бутадиенового каучука (см. учебник), изобразите строение его элементарного звена.

5. Изобразите схематически линейную и пространственную структуру полимеров и дайте необходимые пояснения.