Neorganiniai polimerai: pavyzdžiai ir pritaikymas

2024 Autorius: Howard Calhoun | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-17 10:34

Gamtoje yra organinių elementų, organinių ir neorganinių polimerų. Neorganinėms medžiagoms priskiriamos medžiagos, kurių pagrindinė grandinė yra neorganinė, o šoninės šakos nėra angliavandenilių radikalai. Periodinės cheminių elementų sistemos III-VI grupių elementai labiausiai linkę susidaryti neorganinės kilmės polimerams.

Klasifikacija

Organiniai ir neorganiniai polimerai yra aktyviai tiriami, nustatomos naujos jų charakteristikos, todėl aiški šių medžiagų klasifikacija dar nesukurta. Tačiau galima išskirti tam tikras polimerų grupes.

Priklausomai nuo struktūros:

• linijinis;
• butas;
• išsišakojęs;
• polimeriniai tinklai;
• trimatis ir kiti.

Priklausomai nuo pagrindo atomų, kurie sudaro polimerą:

• homograndinės tipas (-M-)n – susideda iš vienos rūšies atomų;
• heterograndinės tipas(-M-L-)n – susideda iš skirtingų tipų atomų.

Priklausomai nuo kilmės:

• natūralus;
• dirbtinis.

Kad medžiagos, kurios yra kietos būsenos makromolekulės, būtų klasifikuojamos kaip neorganiniai polimerai, jos taip pat turi turėti tam tikrą erdvinės struktūros anizotropiją ir atitinkamas savybes.

Pagrindinės funkcijos

Dažnesni yra heterograndiniai polimerai, kuriuose vyksta elektroteigiamų ir elektronneigiamų atomų kaita, pavyzdžiui, B ir N, P ir N, Si ir O. Gauti heterograndinius neorganinius polimerus (NP) galima naudoti polikondensacijos reakcijas. Oksoanijonų polikondensacija pagreitėja rūgštinėje terpėje, o hidratuotų katijonų polikondensacija – šarminėje. Polikondensacija gali būti atliekama tiek tirpale, tiek kietose medžiagose, esant aukštai temperatūrai.

Daugelį heterograndinių neorganinių polimerų galima gauti tik aukštos temperatūros sintezės sąlygomis, pavyzdžiui, tiesiogiai iš paprastų medžiagų. Karbidai, kurie yra polimeriniai kūnai, susidaro, kai tam tikri oksidai sąveikauja su anglimi, taip pat esant aukštai temperatūrai.

Ilgos homograndinės grandinės (su polimerizacijos laipsniu n>100) sudaro anglį ir VI grupės p-elementus: sierą, seleną, telūrą.

Neorganiniai polimerai: pavyzdžiai ir pritaikymas

NP specifika slypi švietimepolimeriniai kristaliniai kūnai, turintys taisyklingą trimatę makromolekulių struktūrą. Tvirtas cheminių jungčių karkasas suteikia tokiems junginiams didelį kietumą.

Ši savybė leidžia naudoti neorganinius polimerus kaip abrazyvines medžiagas. Šių medžiagų naudojimas buvo plačiai pritaikytas pramonėje.

Išskirtinė NP cheminė ir šiluminė varža taip pat yra vertinga savybė. Pavyzdžiui, armuojantys pluoštai, pagaminti iš organinių polimerų, yra stabilūs ore iki 150-220 ˚C temperatūros. Tuo tarpu boro pluoštas ir jo dariniai išlieka stabilūs iki 650 ˚С temperatūros. Štai kodėl neorganiniai polimerai yra perspektyvūs kuriant naujas chemiškai ir karščiui atsparias medžiagas.

Praktinė vertė taip pat yra NP, kurios savo savybėmis yra artimos ekologiškoms ir išlaiko savo specifines savybes. Tai fosfatai, polifosfazenai, silikatai, polimeriniai sieros oksidai su įvairiomis šoninėmis grupėmis.

Anglies polimerai

Užduotis: „Pateikite neorganinių polimerų pavyzdžių“, dažnai randama chemijos vadovėliuose. Patartina tai atlikti paminėjus iškiliausius NP – anglies darinius. Galų gale, tai apima medžiagas, turinčias unikalių savybių: deimantus, grafitą ir karabiną.

Karabinas yra dirbtinai sukurtas, mažai ištirtas linijinis polimeras, kurio stiprumo rodikliai yra nepralenkiami, tačiau, remiantis daugybe tyrimų irpranašesnis už grafeną. Tačiau karabinas yra paslaptinga medžiaga. Juk ne visi mokslininkai pripažįsta jos egzistavimą kaip nepriklausomą medžiagą.

Iš išorės atrodo kaip metaliniai kristaliniai juodi milteliai. Jis turi puslaidininkines savybes. Karbino elektrinis laidumas žymiai padidėja veikiant šviesai. Šių savybių jis nepraranda net iki 5000 ˚С temperatūroje, o tai yra daug aukštesnė nei kitų šios paskirties medžiagų. Medžiagą 60-aisiais gavo V. V. Koršakas, A. M. Sladkovas, V. I. Kasatočkinas ir Yu. P. Kudryavtsev kataliziniu acetileno oksidavimu. Sunkiausia buvo nustatyti ryšių tarp anglies atomų tipą. Vėliau SSRS mokslų akademijos Organinių elementų junginių institute buvo gauta medžiaga, turinti tik dvigubus ryšius tarp anglies atomų. Naujasis junginys buvo pavadintas polikumulenu.

Grafitas – šioje medžiagoje polimerų išdėstymas tęsiasi tik plokštumoje. Jos sluoksnius jungia ne cheminiai ryšiai, o silpna tarpmolekulinė sąveika, todėl jis praleidžia šilumą ir srovę bei nepraleidžia šviesos. Grafitas ir jo dariniai yra gana paplitę neorganiniai polimerai. Jų panaudojimo pavyzdžiai: nuo pieštukų iki branduolinės pramonės. Oksiduojant grafitą galima gauti tarpinius oksidacijos produktus.

Deimantas – jo savybės iš esmės skiriasi. Deimantas yra erdvinis (trimatis) polimeras. Visi anglies atomai yra sujungti stipriomis kovalentinėmis jungtimis. Kadangi šis polimeras yra itin patvarus. Deimantas nepraleidžia srovės ir šilumos, turi skaidrią struktūrą.

Boro polimerai

Jei jūsų paklaus, kokius neorganinius polimerus žinote, drąsiai atsakykite – boro polimerai (-BR-). Tai gana plati NP klasė, plačiai naudojama pramonėje ir moksle.

Boro karbidas – jo formulė atrodo teisingesnė taip (B12C3) n. Jo vienetinė ląstelė yra romboedrinė. Karkasą sudaro dvylika kovalentiškai sujungtų boro atomų. O jo viduryje yra linijinė trijų kovalentiškai sujungtų anglies atomų grupė. Rezultatas yra labai tvirta struktūra.

Boridai – jų kristalai susidaro panašiai kaip aukščiau aprašyto karbido. Stabiliausias iš jų yra HfB2, kuris tirpsta tik 3250°C temperatūroje. TaB2 pasižymi didžiausiu cheminiu atsparumu – jo neveikia nei rūgštys, nei jų mišiniai.

Boro nitridas – dėl savo panašumo dažnai vadinamas b altuoju talku. Šis panašumas iš tikrųjų tik paviršutiniškas. Struktūriškai jis panašus į grafitą. Gaukite jį kaitindami borą arba jo oksidą amoniako atmosferoje.

Borazon

Elboras, borazonas, kiboritas, kingsongitas, kubonitas yra itin kieti neorganiniai polimerai. Jų panaudojimo pavyzdžiai: šlifavimo diskų, abrazyvinių medžiagų gamyba, metalo apdirbimas. Tai yra chemiškai inertinės medžiagos, kurių pagrindas yra boras. Kietumas yra artimesnis deimantams nei kitų medžiagų. Visų pirma, borazonas įbrėžia deimantą, pastarasis taip pat palieka įbrėžimus ant borazono kristalų.

Tačiau šie ND turi keletą pranašumų, palyginti su natūraliais deimantais: jie turi didesnįatsparumas karščiui (atlaiko iki 2000 ° C temperatūrą, deimantas sunaikinamas 700–800 ° C temperatūroje) ir didelis atsparumas mechaniniam poveikiui (jie nėra tokie trapūs). Borazoną 1350 °C temperatūroje ir 62 000 atmosferų slėgyje 1957 metais gavo Robertas Wentorfas. Panašias medžiagas 1963 m. gavo Leningrado mokslininkai.

Neorganiniai sieros polimerai

Homopolimeras – ši sieros modifikacija turi linijinę molekulę. Medžiaga nėra stabili, esant temperatūros svyravimams, ji skyla į oktaedrinius ciklus. Jis susidaro staigiai atvėsus sieros lydalui.

Sieros dioksido polimerinė modifikacija. Labai panašus į asbestą, turi pluoštinę struktūrą.

Seleno polimerai

Pilkas selenas yra polimeras su lygiagrečiai išdėstytomis spiralinėmis linijinėmis makromolekulėmis. Grandinėse seleno atomai yra kovalentiškai sujungti, o makromolekulės yra sujungtos molekuliniais ryšiais. Net išlydytas ar ištirpęs selenas nesuyra į atskirus atomus.

Raudonas arba amorfinis selenas taip pat yra grandinės polimeras, tačiau šiek tiek tvarkingos struktūros. Esant 70–90 ˚С temperatūros diapazonui, jis įgauna panašių į gumą savybių, virsta labai elastinga būsena, panašia į organinius polimerus.

Seleno karbidas arba kalnų krištolas. Termiškai ir chemiškai stabilus, pakankamai stiprus erdvinis kristalas. Pjezoelektrinis ir puslaidininkinis. Dirbtinėmis sąlygomis jis buvo gautas reaguojant kvarciniam smėliui ir anglims elektrinėje krosnyje maždaug 2000 °C temperatūroje.

Kiti seleno polimerai:

• Monoklinikaselenas – labiau tvarkingas nei amorfinis raudonas, bet prastesnis už pilką.
• Seleno dioksidas arba (SiO2)n yra trimatis tinklinis polimeras.
• Asbestas yra pluoštinės struktūros seleno oksido polimeras.

Fosforo polimerai

Yra daug fosforo modifikacijų: b alta, raudona, juoda, ruda, violetinė. Raudona – NP smulkiakristalinė struktūra. Jis gaunamas kaitinant b altąjį fosforą be oro 2500 ˚С temperatūroje. Juodąjį fosforą P. Bridgman gavo tokiomis sąlygomis: slėgis 200 000 atmosferų 200 °C temperatūroje.

Fosfornitrido chloridai yra fosforo junginiai su azotu ir chloru. Šių medžiagų savybės kinta didėjant masei. Būtent mažėja jų tirpumas organinėse medžiagose. Kai polimero molekulinė masė pasiekia kelis tūkstančius vienetų, susidaro guminė medžiaga. Tai vienintelė pakankamai karščiui atspari anglies neturinti guma. Jis suyra tik aukštesnėje nei 350 °C temperatūroje.

Išvada

Neorganiniai polimerai dažniausiai yra unikalių savybių turinčios medžiagos. Jie naudojami gamyboje, statybose, kuriant novatoriškas ir net revoliucines medžiagas. Tiriant žinomų NP savybes ir kuriant naujas, plečiasi jų taikymo sritis.