Sebatian makromolekul ialah Definisi, komposisi, ciri, sifat

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-02 17:53

Sebatian berat molekul tinggi ialah polimer yang mempunyai berat molekul yang besar. Mereka boleh menjadi sebatian organik dan bukan organik. Bezakan antara bahan amorf dan kristal, yang terdiri daripada cincin monomerik. Yang terakhir adalah makromolekul yang dihubungkan oleh ikatan kimia dan koordinasi. Secara ringkas, sebatian molekul tinggi ialah polimer, iaitu bahan monomerik yang tidak berubah jisimnya apabila bahan "berat" yang sama dilekatkan padanya. Jika tidak, kita akan bercakap tentang oligomer.

Apakah yang dipelajari oleh sains sebatian makromolekul?

Kimia polimer makromolekul ialah kajian rantai molekul yang terdiri daripada subunit monomer. Ini merangkumi bidang penyelidikan yang besar. Banyak polimer mempunyai kepentingan industri dan komersial yang penting. Di Amerika, bersama dengan penemuan gas asli, satu projek besar telah dilancarkan untuk membina loji untuk pengeluaran polietilena. Etana daripada gas asli ditukarmenjadi etilena, monomer dari mana polietilena boleh dibuat.

Polimer sebagai sebatian makromolekul ialah:

Mana-mana kelas bahan semula jadi atau sintetik yang terdiri daripada molekul yang sangat besar yang dipanggil makromolekul.
Banyak unit kimia yang lebih ringkas dipanggil monomer.
Polimer membentuk banyak bahan dalam organisma hidup, termasuk, contohnya, protein, selulosa dan asid nukleik.
Selain itu, ia membentuk asas mineral seperti berlian, kuarza dan feldspar, serta bahan buatan manusia seperti konkrit, kaca, kertas, plastik dan getah.

Perkataan "polimer" menunjukkan bilangan unit monomer yang tidak tentu. Apabila jumlah monomer sangat tinggi, sebatian itu kadang-kadang dirujuk sebagai polimer tinggi. Ia tidak terhad kepada monomer dengan komposisi kimia atau berat molekul dan struktur yang sama. Beberapa sebatian organik berat molekul tinggi semula jadi terdiri daripada satu jenis monomer.

Walau bagaimanapun, kebanyakan polimer semula jadi dan sintetik terbentuk daripada dua atau lebih jenis monomer yang berbeza; polimer tersebut dikenali sebagai kopolimer.

Bahan semulajadi: apakah peranannya dalam kehidupan kita?

Kompaun organik berat molekul tinggi organik memainkan peranan penting dalam kehidupan manusia, menyediakan bahan struktur asas dan mengambil bahagian dalam proses penting.

Sebagai contoh, bahagian pepejal semua tumbuhan terdiri daripada polimer. Ini termasuk selulosa, lignin dan pelbagai resin.
Pulp ialahpolisakarida, polimer yang terdiri daripada molekul gula.
Lignin terbentuk daripada rangkaian polimer tiga dimensi yang kompleks.
Resin pokok ialah polimer hidrokarbon ringkas, isoprena.
Satu lagi polimer isoprena yang dikenali ialah getah.

Polimer semula jadi penting lain termasuk protein, yang merupakan polimer asid amino, dan asid nukleik. Mereka adalah jenis nukleotida. Ini adalah molekul kompleks yang terdiri daripada bes, gula dan asid fosforik yang mengandungi nitrogen.

Asid nukleik membawa maklumat genetik dalam sel. Kanji, sumber tenaga pemakanan yang penting daripada tumbuhan, adalah polimer semula jadi yang terdiri daripada glukosa.

Kimia sebatian makromolekul membebaskan polimer tak organik. Mereka juga terdapat di alam semula jadi, termasuk berlian dan grafit. Kedua-duanya diperbuat daripada karbon. Perlu diketahui:

Dalam berlian, atom karbon disambungkan dalam rangkaian tiga dimensi yang memberikan bahan kekerasannya.
Dalam grafit, digunakan sebagai pelincir dan dalam pensel "plumbum", atom karbon terikat dalam satah yang boleh menggelongsor antara satu sama lain.

Banyak polimer penting mengandungi atom oksigen atau nitrogen serta atom karbon dalam tulang belakang. Bahan makromolekul dengan atom oksigen sedemikian termasuk poliasetal.

Polyasetal yang paling ringkas ialah poliformaldehid. Ia mempunyai takat lebur yang tinggi, adalah kristal, tahan lelasan dantindakan pelarut. Resin asetal lebih seperti logam daripada plastik lain dan digunakan dalam pembuatan bahagian mesin seperti gear dan galas.

Bahan yang diperoleh secara buatan

Sebatian makromolekul sintetik dihasilkan dalam pelbagai jenis tindak balas:

Banyak hidrokarbon ringkas seperti etilena dan propilena boleh ditukar menjadi polimer dengan menambahkan satu demi satu monomer pada rantai yang semakin meningkat.
Polyethylene, terdiri daripada monomer etilena berulang, ialah polimer aditif. Ia boleh mempunyai sehingga 10,000 monomer yang disambungkan dalam rantai heliks yang panjang. Polietilena adalah kristal, lut sinar, dan termoplastik, bermakna ia lembut apabila dipanaskan. Ia digunakan untuk salutan, pembungkusan, bahagian acuan dan botol serta bekas.
Polypropylene juga berbentuk kristal dan termoplastik, tetapi lebih keras daripada polietilena. Molekulnya boleh terdiri daripada 50,000-200,000 monomer.

Kompaun ini digunakan dalam industri tekstil dan untuk pengacuan.

Polimer aditif lain termasuk:

polybutadiena;
poliisoprena;
polychloroprene.

Semuanya penting dalam pengeluaran getah sintetik. Sesetengah polimer, seperti polistirena, berkaca dan lutsinar pada suhu bilik, dan juga termoplastik:

Polystyrene boleh dicelup dalam sebarang warna dan digunakan dalam pembuatan mainan dan plastik lainitem.
Apabila satu atom hidrogen dalam etilena digantikan dengan atom klorin, vinil klorida terbentuk.
Ia berpolimer menjadi polivinil klorida (PVC), bahan termoplastik tidak berwarna, keras, tegar yang boleh dibuat dalam pelbagai bentuk, termasuk buih, filem dan gentian.
Vinyl asetat, yang dihasilkan oleh tindak balas antara etilena dan asid asetik, terpolimer menjadi amorfus, resin lembut yang digunakan sebagai salutan dan pelekat.
Ia berkopolimer dengan vinil klorida untuk membentuk satu keluarga besar bahan termoplastik.

Polimer linear yang dicirikan oleh pengulangan kumpulan ester di sepanjang rantai utama dipanggil poliester. Poliester rantai terbuka tidak berwarna, berhablur, bahan termoplastik. Sebatian makromolekul sintetik yang mempunyai berat molekul tinggi (dari 10,000 hingga 15,000 molekul) digunakan dalam penghasilan filem.

Poliamida sintetik yang jarang berlaku

Polyamides termasuk protein kasein semulajadi yang terdapat dalam susu dan zein yang terdapat dalam jagung, yang digunakan untuk membuat plastik, gentian, pelekat dan salutan. Perlu diperhatikan:

Poliamida sintetik termasuk resin urea-formaldehid, yang bersifat termoset. Ia digunakan untuk membuat objek acuan dan sebagai pelekat dan salutan untuk tekstil dan kertas.
Juga penting ialah resin poliamida yang dikenali sebagai nilon. Mereka adalahtahan lama, tahan haba dan lelasan, tidak toksik. Mereka boleh dicelup. Penggunaannya yang paling terkenal ialah sebagai serat tekstil, tetapi ia mempunyai banyak kegunaan lain.

Satu lagi keluarga penting bagi sebatian kimia berat molekul tinggi sintetik terdiri daripada ulangan linear kumpulan uretana. Poliuretana digunakan dalam pembuatan gentian elastomer yang dikenali sebagai spandeks dan dalam pembuatan lapisan asas.

Kelas polimer lain ialah sebatian organik-tak organik campuran:

Wakil paling penting bagi keluarga polimer ini ialah silikon. Sebatian berat molekul tinggi mengandungi atom silikon dan oksigen berselang-seli dengan kumpulan organik yang melekat pada setiap atom silikon.
Silikon berat molekul rendah ialah minyak dan gris.
Spesies berat molekul yang lebih tinggi ialah bahan elastik serba boleh yang kekal lembut walaupun pada suhu yang sangat rendah. Ia juga agak stabil pada suhu tinggi.

Polymer boleh menjadi tiga dimensi, dua dimensi dan tunggal. Unit berulang selalunya terdiri daripada karbon dan hidrogen, dan kadangkala oksigen, nitrogen, sulfur, klorin, fluorin, fosforus dan silikon. Untuk mencipta rantai, banyak unit dikaitkan secara kimia atau dipolimerkan bersama, sekali gus mengubah ciri sebatian berat molekul tinggi.

Apakah ciri yang ada pada bahan makromolekul?

Kebanyakan polimer yang dihasilkan adalah termoplastik. Selepaspolimer terbentuk, ia boleh dipanaskan dan diperbaharui semula. Harta ini memudahkan untuk dikendalikan. Satu lagi kumpulan termoset tidak boleh dicairkan semula: setelah polimer terbentuk, pemanasan semula akan terurai tetapi tidak cair.

Ciri-ciri sebatian makromolekul polimer pada contoh bungkusan:

Boleh sangat tahan terhadap bahan kimia. Pertimbangkan semua cecair pembersih di rumah anda yang dibungkus dalam plastik. Diterangkan semua akibat sentuhan dengan mata, tetapi kulit. Ini adalah kategori polimer berbahaya yang melarutkan segala-galanya.
Walaupun sesetengah plastik mudah berubah bentuk oleh pelarut, plastik lain diletakkan dalam bungkusan yang tidak boleh pecah untuk pelarut yang agresif. Ia tidak berbahaya, tetapi hanya boleh membahayakan manusia.
Larutan sebatian makromolekul paling kerap dibekalkan dalam beg plastik ringkas untuk mengurangkan peratusan interaksinya dengan bahan di dalam bekas.

Sebagai peraturan umum, polimer sangat ringan dengan tahap kekuatan yang ketara. Pertimbangkan pelbagai kegunaan, daripada mainan kepada struktur rangka stesen angkasa, atau daripada gentian nilon nipis dalam seluar ketat kepada Kevlar yang digunakan dalam perisai badan. Sesetengah polimer terapung di dalam air, yang lain tenggelam. Berbanding dengan ketumpatan batu, konkrit, keluli, tembaga atau aluminium, semua plastik adalah bahan yang ringan.

Sifat sebatian makromolekul adalah berbeza:

Polimer boleh berfungsi sebagai penebat haba dan elektrik: perkakas, kord, salur keluar elektrik dan pendawaian yang dibuat atau disalut dengan bahan polimer.
Perkakas dapur kalis haba dengan pemegang periuk dan kuali resin, pemegang periuk kopi, peti sejuk dan buih peti sejuk, cawan berpenebat, penyejuk dan peralatan yang selamat dari gelombang mikro.
Seluar dalam haba yang dipakai oleh ramai pemain ski diperbuat daripada polipropilena, manakala gentian dalam jaket musim sejuk diperbuat daripada akrilik dan poliester.

Kompaun berat molekul tinggi ialah bahan dengan julat ciri dan warna yang tidak terhad. Mereka mempunyai banyak sifat yang boleh dipertingkatkan lagi dengan pelbagai bahan tambahan untuk mengembangkan aplikasi. Polimer boleh berfungsi sebagai asas untuk meniru kapas, sutera dan bulu, porselin dan marmar, aluminium dan zink. Dalam industri makanan, ia digunakan untuk memberikan sifat yang boleh dimakan kulat. Contohnya, keju biru yang mahal. Ia boleh dimakan dengan selamat berkat pemprosesan polimer.

Pemprosesan dan penggunaan struktur polimer

Polymer boleh diproses dalam pelbagai cara:

Penyemperitan membolehkan penghasilan gentian nipis atau tiub besar berat, filem, botol makanan.
Acuan suntikan membolehkan anda membuat bahagian yang kompleks, seperti bahagian badan kereta yang besar.
Plastik boleh dibuang ke dalam tong atau dicampur dengan pelarut untuk menjadi tapak pelekat atau cat.
Elastomer dan beberapa plastik boleh diregangkan dan fleksibel.
Sesetengah plastik mengembang semasa pemprosesan untuk mengekalkan bentuknya, seperti botol air minuman.
Polimer lain boleh berbuih, seperti polistirena, poliuretana dan polietilena.

Sifat sebatian makromolekul berbeza bergantung pada tindakan mekanikal dan kaedah mendapatkan bahan tersebut. Ini memungkinkan untuk menerapkannya dalam pelbagai industri. Sebatian makromolekul utama mempunyai pelbagai tujuan yang lebih luas daripada yang berbeza dalam sifat khas dan kaedah penyediaan. Universal dan "aneh" "mencari diri mereka" dalam sektor makanan dan pembinaan:

Sebatian berat molekul tinggi terdiri daripada minyak, tetapi tidak selalu.
Banyak polimer diperbuat daripada unit berulang yang sebelumnya terbentuk daripada gas asli, arang batu atau minyak mentah.
Sesetengah bahan binaan diperbuat daripada bahan boleh diperbaharui seperti asid polylactic (daripada jagung atau selulosa dan linters kapas).

Menarik juga bahawa ia hampir mustahil untuk diganti:

Polimer boleh digunakan untuk membuat item yang tidak mempunyai alternatif bahan lain.
Ia dibuat menjadi filem kalis air lutsinar.
PVC digunakan untuk membuat tiub perubatan dan beg darah yang memanjangkan jangka hayat produk dan terbitannya.
PVC menghantar oksigen mudah terbakar dengan selamat ke tiub fleksibel tidak mudah terbakar.
Dan bahan anti-trombogenik seperti heparin boleh dimasukkan dalam kategori kateter PVC fleksibel.

Banyak peranti perubatan memfokuskan pada ciri struktur sebatian makromolekul untuk memastikan berfungsi dengan berkesan.

Penyelesaian bahan makromolekul dan sifatnya

Oleh kerana saiz fasa serakan sukar diukur dan koloid adalah dalam bentuk larutan, ia kadangkala mengenal pasti dan mencirikan sifat fizikokimia dan pengangkutan.

Fasa koloid	Sukar	Penyelesaian bersih	Penunjuk dimensi
	Jika koloid terdiri daripada fasa pepejal yang tersebar dalam cecair, zarah pepejal tidak akan meresap melalui membran.	Ion atau molekul terlarut akan meresap melalui membran pada resapan penuh.	Disebabkan oleh pengecualian saiz, zarah koloid tidak boleh melalui liang membran UF yang lebih kecil daripada saiznya sendiri.
Kepekatan dalam komposisi larutan sebatian makromolekul	Kepekatan tepat zat terlarut sebenar bergantung pada keadaan eksperimen yang digunakan untuk memisahkannya daripada zarah koloid yang turut tersebar dalam cecair.	Bergantung kepada tindak balas sebatian makromolekul semasa menjalankan kajian keterlarutan untuk bahan mudah terhidrolisis seperti Al, Eu, Am, Cm.	Semakin kecil saiz liang membran ultraturasan, semakin rendah kepekatannyazarah koloid tersebar yang tinggal dalam cecair ultrafiltered.

Hidrokoloid ditakrifkan sebagai sistem koloid di mana zarah molekul makromolekul adalah polimer hidrofilik yang tersebar di dalam air.

Ketagihan Air	Ketagihan haba	Pergantungan pada kaedah pengeluaran
Hydrocolloid ialah zarah koloid yang tersebar di dalam air. Dalam kes ini, nisbah kedua-dua komponen mempengaruhi bentuk polimer - gel, abu, keadaan cecair.	Hydrocolloids boleh menjadi tidak dapat dipulihkan (dalam satu keadaan) atau boleh diterbalikkan. Contohnya, agar, hidrokoloid ekstrak rumpai laut boleh balik, boleh wujud dalam keadaan gel dan pepejal, atau silih berganti antara keadaan dengan penambahan atau penyingkiran haba.	Mendapatkan sebatian makromolekul, seperti hidrokoloid, bergantung kepada sumber semula jadi. Contohnya, agar-agar dan karagenan diekstrak daripada rumpai laut, gelatin diperoleh melalui hidrolisis protein lembu dan ikan, dan pektin diekstrak daripada kulit sitrus dan poma epal.
Pencuci mulut gelatin, diperbuat daripada serbuk, mempunyai hidrokoloid yang berbeza dalam komposisinya. Dia dikurniakan kurang cecair.	Hydrocolloids digunakan dalam makanan terutamanya untuk menjejaskan tekstur atau kelikatan (cth sos). Walau bagaimanapun, ketekalan sudah bergantung pada kaedah rawatan haba.	Balut perubatan berasaskan hidrokoloid digunakan untuk merawat kulit dan luka. ATpembuatan adalah berdasarkan teknologi yang sama sekali berbeza, dan polimer yang sama digunakan.

Hidrokoloid utama lain ialah gam xanthan, gam arab, gam guar, gam kacang belalang, derivatif selulosa seperti selulosa karboksimetil, alginat dan kanji.

Interaksi bahan makromolekul dengan zarah lain

Daya berikut memainkan peranan penting dalam interaksi zarah koloid:

Tolakan tanpa mengira isipadu: ini merujuk kepada kekurangan pertindihan antara zarah pepejal.
Interaksi elektrostatik: Zarah koloid selalunya membawa cas elektrik dan oleh itu menarik atau menolak antara satu sama lain. Caj kedua-dua fasa berterusan dan tersebar, serta mobiliti fasa, adalah faktor yang mempengaruhi interaksi ini.
Daya Van der Waals: Ini disebabkan oleh interaksi antara dua dipol, yang sama ada kekal atau teraruh. Walaupun zarah tidak mempunyai dipol kekal, turun naik ketumpatan elektron menghasilkan dipol sementara dalam zarah.
Daya entropi. Menurut undang-undang kedua termodinamik, sistem masuk ke keadaan di mana entropi dimaksimumkan. Ini boleh membawa kepada penciptaan daya berkesan walaupun di antara sfera keras.
Daya sterik antara permukaan bersalut polimer atau dalam larutan yang mengandungi analog bukan penjerap boleh memodulasi daya antara zarah, mewujudkan daya tolakan sterik tambahan yangkebanyakannya bersifat entropik, atau daya penyusutan di antaranya.

Kesan terakhir sedang dicari dengan superplasticizer yang dirumus khas yang direka untuk meningkatkan kebolehkerjaan konkrit dan mengurangkan kandungan airnya.

Kristal polimer: di manakah ia ditemui, apakah rupanya?

Sebatian molekul tinggi termasuk kristal genap, yang termasuk dalam kategori bahan koloid. Ini ialah susunan zarah tersusun tinggi yang terbentuk pada jarak yang sangat jauh (biasanya mengikut urutan beberapa milimeter hingga satu sentimeter) dan kelihatan serupa dengan atom atau molekulnya.

Nama koloid yang diubah	Contoh pesanan	Pengeluaran
Precious Opal	Salah satu contoh semula jadi terbaik bagi fenomena ini terdapat dalam warna spektrum tulen batu	Ini adalah hasil relung rapat sfera silikon dioksida (SiO2) koloid amorf

Zarah sfera ini dimendapkan dalam takungan yang sangat silisik. Mereka membentuk jisim yang sangat teratur selepas bertahun-tahun pemendapan dan mampatan di bawah tindakan daya hidrostatik dan graviti. Tatasusunan berkala bagi zarah sfera submikrometer menyediakan tatasusunan lompang celahan yang serupa yang bertindak sebagai parut pembelauan semula jadi untuk gelombang cahaya yang boleh dilihat, terutamanya apabila jarak celahan adalah susunan magnitud yang sama seperti gelombang cahaya kejadian.

Oleh itu, didapati bahawa kerana menjijikkanInteraksi Coulomb, makromolekul bercas elektrik dalam medium akueus boleh mempamerkan korelasi seperti kristal jarak jauh dengan jarak antara zarah selalunya lebih besar daripada diameter zarah individu.

Dalam semua kes ini, hablur sebatian makromolekul semula jadi mempunyai iridescence cemerlang (atau permainan warna) yang sama, yang boleh dikaitkan dengan pembelauan dan gangguan konstruktif gelombang cahaya kelihatan. Mereka memenuhi undang-undang Bragg.

Sebilangan besar eksperimen mengenai kajian yang dipanggil "hablur koloid" timbul hasil daripada kaedah yang agak mudah dibangunkan sejak 20 tahun lalu untuk mendapatkan koloid monodisperse sintetik (polimer dan mineral). Melalui pelbagai mekanisme, pembentukan susunan jarak jauh direalisasikan dan dipelihara.

Penentuan berat molekul

Berat molekul ialah sifat kritikal bahan kimia, terutamanya untuk polimer. Bergantung pada bahan sampel, kaedah berbeza dipilih:

Berat molekul serta struktur molekul molekul boleh ditentukan menggunakan spektrometri jisim. Menggunakan kaedah infusi terus, sampel boleh disuntik terus ke dalam pengesan untuk mengesahkan nilai bahan yang diketahui atau memberikan pencirian struktur yang tidak diketahui.
Maklumat berat molekul polimer boleh ditentukan menggunakan kaedah seperti kromatografi pengecualian saiz untuk kelikatan dan saiz.
UntukMenentukan berat molekul polimer memerlukan pemahaman tentang keterlarutan polimer tertentu.

Jumlah jisim sebatian adalah sama dengan jumlah jisim atom individu bagi setiap atom dalam molekul. Prosedur dijalankan mengikut formula:

Tentukan formula molekul molekul.
Gunakan jadual berkala untuk mencari jisim atom bagi setiap unsur dalam molekul.
Darabkan jisim atom setiap unsur dengan bilangan atom unsur tersebut dalam molekul.
Nombor yang terhasil diwakili oleh subskrip di sebelah simbol unsur dalam formula molekul.
Sambungkan semua nilai bersama-sama untuk setiap atom tunggal dalam molekul.

Contoh pengiraan berat molekul rendah yang mudah: Untuk mencari berat molekul NH_{3, langkah pertama ialah mencari jisim atom nitrogen (N) dan hidrogen (H). Jadi, H=1, 00794N=14, 0067.}

Kemudian darabkan jisim atom setiap atom dengan bilangan atom dalam sebatian itu. Terdapat satu atom nitrogen (tiada subskrip diberikan untuk satu atom). Terdapat tiga atom hidrogen, seperti yang ditunjukkan oleh subskrip. Jadi:

Berat molekul bahan=(1 x 14.0067) + (3 x 1.00794)
Berat molekul=14.0067 + 3.02382
Keputusan=17, 0305

Contoh pengiraan berat molekul kompleks Ca₃(PO₄)_{2 ialah pilihan pengiraan yang lebih kompleks:}

Daripada jadual berkala, jisim atom bagi setiap unsur:

Ca=40, 078.
P=30, 973761.
O=15.9994.

Bahagian yang sukar ialah memikirkan berapa banyak setiap atom dalam sebatian itu. Terdapat tiga atom kalsium, dua atom fosforus dan lapan atom oksigen. Jika bahagian cantuman berada dalam kurungan, darabkan subskrip serta-merta mengikut aksara elemen dengan subskrip yang menutup kurungan. Jadi:

Berat molekul bahan=(40.078 x 3) + (30.97361 x 2) + (15.9994 x 8).
Berat molekul selepas pengiraan=120, 234 + 61, 94722 + 127, 9952.
Keputusan=310, 18.

Bentuk kompleks unsur dikira dengan analogi. Sesetengah daripadanya terdiri daripada beratus-ratus nilai, jadi mesin automatik kini digunakan dengan pangkalan data semua nilai g/mol.