Een macromoleculaire verbinding is Definitie, samenstelling, kenmerken, eigenschappen

2024 Auteur: Angel Austin | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-02 17:53

Verbindingen met een hoog molecuulgewicht zijn polymeren met een hoog molecuulgewicht. Het kunnen organische en anorganische verbindingen zijn. Maak onderscheid tussen amorfe en kristallijne stoffen, die bestaan uit monomere ringen. De laatste zijn macromoleculen verbonden door chemische en coördinatiebindingen. In eenvoudige bewoordingen is een hoogmoleculaire verbinding een polymeer, dat wil zeggen monomere stoffen die hun massa niet veranderen wanneer dezelfde "zware" stof eraan wordt bevestigd. Anders zullen we het hebben over het oligomeer.

Wat bestudeert de wetenschap van macromoleculaire verbindingen?

De chemie van macromoleculaire polymeren is de studie van moleculaire ketens bestaande uit monomere subeenheden. Dit bestrijkt een enorm onderzoeksgebied. Veel polymeren zijn van groot industrieel en commercieel belang. In Amerika werd naast de ontdekking van aardgas een groot project gelanceerd om een fabriek te bouwen voor de productie van polyethyleen. Ethaan uit aardgas wordt omgezetin ethyleen, het monomeer waaruit polyethyleen kan worden gemaakt.

Een polymeer als macromoleculaire verbinding is:

• Elke klasse van natuurlijke of synthetische stoffen die bestaat uit zeer grote moleculen die macromoleculen worden genoemd.
• Veel eenvoudigere chemische eenheden, monomeren genaamd.
• Polymeren vormen veel materialen in levende organismen, waaronder bijvoorbeeld eiwitten, cellulose en nucleïnezuren.
• Bovendien vormen ze de basis van mineralen zoals diamant, kwarts en veldspaat, evenals kunstmatige materialen zoals beton, glas, papier, plastic en rubber.

Het woord "polymeer" duidt een onbepaald aantal monomeereenheden aan. Wanneer de hoeveelheid monomeren erg hoog is, wordt de verbinding soms aangeduid als hoog polymeer. Het is niet beperkt tot monomeren met dezelfde chemische samenstelling of hetzelfde molecuulgewicht en dezelfde structuur. Sommige natuurlijke organische verbindingen met een hoog molecuulgewicht zijn samengesteld uit een enkel type monomeer.

De meeste natuurlijke en synthetische polymeren worden echter gevormd uit twee of meer verschillende soorten monomeren; dergelijke polymeren staan bekend als copolymeren.

Natuurlijke stoffen: wat is hun rol in ons leven?

Organische organische verbindingen met een hoog molecuulgewicht spelen een cruciale rol in het leven van mensen, ze leveren structurele basismaterialen en nemen deel aan vitale processen.

• De vaste delen van alle planten bestaan bijvoorbeeld uit polymeren. Deze omvatten cellulose, lignine en verschillende harsen.
• Pulp ispolysacharide, een polymeer dat bestaat uit suikermoleculen.
• Lignine wordt gevormd uit een complex driedimensionaal netwerk van polymeren.
• Boomharsen zijn polymeren van een eenvoudige koolwaterstof, isopreen.
• Een ander bekend isopreenpolymeer is rubber.

Andere belangrijke natuurlijke polymeren zijn eiwitten, dit zijn polymeren van aminozuren, en nucleïnezuren. Het zijn soorten nucleotiden. Dit zijn complexe moleculen die zijn samengesteld uit stikstofhoudende basen, suikers en fosforzuur.

Nucleïnezuren dragen de genetische informatie in de cel. Zetmelen, een belangrijke bron van voedingsenergie uit planten, zijn natuurlijke polymeren die uit glucose bestaan.

Chemie van macromoleculaire verbindingen maakt anorganische polymeren vrij. Ze komen ook in de natuur voor, waaronder diamant en grafiet. Beide zijn gemaakt van koolstof. Wetenswaardigheden:

• In een diamant zijn koolstofatomen verbonden in een driedimensionaal netwerk dat het materiaal zijn hardheid geeft.
• In grafiet, gebruikt als smeermiddel en in potlood "leads", verbinden koolstofatomen zich in vlakken die over elkaar kunnen schuiven.

Veel belangrijke polymeren bevatten zowel zuurstof- of stikstofatomen als koolstofatomen in de ruggengraat. Dergelijke macromoleculaire materialen met zuurstofatomen omvatten polyacetalen.

Het eenvoudigste polyacetaal is polyformaldehyde. Het heeft een hoog smeltpunt, is kristallijn, slijtvast ende werking van oplosmiddelen. Acetaalharsen zijn meer metaalachtig dan alle andere kunststoffen en worden gebruikt bij de vervaardiging van machineonderdelen zoals tandwielen en lagers.

Kunstmatig verkregen stoffen

Synthetische macromoleculaire verbindingen worden geproduceerd in verschillende soorten reacties:

1. Veel eenvoudige koolwaterstoffen zoals ethyleen en propyleen kunnen worden omgezet in polymeren door het ene monomeer na het andere toe te voegen aan de groeiende keten.
2. Polyethyleen, samengesteld uit herhalende ethyleenmonomeren, is een additief polymeer. Het kan tot 10.000 monomeren hebben die in lange spiraalvormige ketens zijn verbonden. Polyethyleen is kristallijn, doorschijnend en thermoplastisch, wat betekent dat het zacht wordt bij verhitting. Het wordt gebruikt voor coatings, verpakkingen, gegoten onderdelen en flessen en containers.
3. Polypropyleen is ook kristallijn en thermoplastisch, maar harder dan polyethyleen. De moleculen kunnen bestaan uit 50.000-200.000 monomeren.

Deze verbinding wordt gebruikt in de textielindustrie en voor het vormen.

Andere additieve polymeren zijn:

• polybutadieen;
• polyisopreen;
• polychloropreen.

Alle zijn belangrijk bij de productie van synthetische rubbers. Sommige polymeren, zoals polystyreen, zijn glasachtig en transparant bij kamertemperatuur en zijn ook thermoplastisch:

1. Polystyreen kan in elke kleur worden geverfd en wordt gebruikt bij de vervaardiging van speelgoed en ander plasticitems.
2. Wanneer een waterstofatoom in ethyleen wordt vervangen door een chlooratoom, wordt vinylchloride gevormd.
3. Het polymeriseert tot polyvinylchloride (PVC), een kleurloos, hard, stijf thermoplastisch materiaal dat in vele vormen kan worden gemaakt, waaronder schuim, films en vezels.
4. Vinylacetaat, geproduceerd door de reactie tussen ethyleen en azijnzuur, polymeriseert tot amorfe, zachte harsen die worden gebruikt als coatings en kleefstoffen.
5. Het copolymeriseert met vinylchloride om een grote familie van thermoplastische materialen te vormen.

Een lineair polymeer dat wordt gekenmerkt door de herhaling van estergroepen langs de hoofdketen, wordt een polyester genoemd. Open keten polyesters zijn kleurloze, kristallijne, thermoplastische materialen. Die synthetische macromoleculaire verbindingen met een hoog molecuulgewicht (van 10.000 tot 15.000 moleculen) worden gebruikt bij de productie van films.

Zeldzame synthetische polyamiden

Polyamiden omvatten de natuurlijk voorkomende caseïne-eiwitten die worden aangetroffen in melk en zeïne in maïs, die worden gebruikt om kunststoffen, vezels, kleefstoffen en coatings te maken. Vermeldenswaard:

• Synthetische polyamiden omvatten ureum-formaldehydeharsen, die thermohardend zijn. Ze worden gebruikt om gegoten objecten te maken en als kleefstoffen en coatings voor textiel en papier.
• Ook belangrijk zijn de polyamideharsen die bekend staan als nylon. Zij zijnduurzaam, bestand tegen hitte en slijtage, niet giftig. Ze kunnen geverfd worden. Het meest bekende gebruik is als textielvezel, maar ze hebben vele andere toepassingen.

Een andere belangrijke familie van synthetische hoogmoleculaire chemische verbindingen bestaat uit lineaire herhalingen van de urethaangroep. Polyurethanen worden gebruikt bij de vervaardiging van elastomere vezels, bekend als spandex, en bij de vervaardiging van grondlagen.

Een andere klasse polymeren zijn gemengde organisch-anorganische verbindingen:

1. De belangrijkste vertegenwoordigers van deze familie van polymeren zijn siliconen. Verbindingen met een hoog molecuulgewicht bevatten afwisselend silicium- en zuurstofatomen met organische groepen die aan elk van de siliciumatomen zijn bevestigd.
2. Siliconen met een laag moleculair gewicht zijn oliën en vetten.
3. Soorten met een hoger molecuulgewicht zijn veelzijdige elastische materialen die zelfs bij zeer lage temperaturen zacht blijven. Ze zijn ook relatief stabiel bij hoge temperaturen.

Polymeer kan driedimensionaal, tweedimensionaal en enkelvoudig zijn. De herhalende eenheden bestaan vaak uit koolstof en waterstof, en soms zuurstof, stikstof, zwavel, chloor, fluor, fosfor en silicium. Om een keten te creëren, worden veel eenheden chemisch met elkaar verbonden of gepolymeriseerd, waardoor de eigenschappen van verbindingen met een hoog molecuulgewicht veranderen.

Welke eigenschappen hebben macromoleculaire stoffen?

De meeste geproduceerde polymeren zijn thermoplastisch. Nahet polymeer is gevormd, het kan worden verwarmd en opnieuw worden gevormd. Deze eigenschap maakt het gemakkelijk te hanteren. Een andere groep thermoharders kan niet opnieuw worden gesmolten: zodra de polymeren zijn gevormd, zal het opnieuw verwarmen ontleden, maar niet smelten.

Kenmerken van macromoleculaire verbindingen van polymeren op het voorbeeld van verpakkingen:

1. Kan zeer goed bestand zijn tegen chemicaliën. Denk aan alle reinigingsvloeistoffen in uw huis die in plastic zijn verpakt. Beschreef alle gevolgen van contact met de ogen, maar de huid. Dit is een gevaarlijke categorie polymeren die alles oplost.
2. Hoewel sommige kunststoffen gemakkelijk vervormen door oplosmiddelen, worden andere kunststoffen in onbreekbare verpakkingen geplaatst voor agressieve oplosmiddelen. Ze zijn niet gevaarlijk, maar kunnen alleen mensen schaden.
3. Oplossingen van macromoleculaire verbindingen worden meestal geleverd in eenvoudige plastic zakken om het percentage van hun interactie met stoffen in de container te verminderen.

Over het algemeen zijn polymeren zeer licht in gewicht met een aanzienlijke mate van sterkte. Overweeg een scala aan toepassingen, van speelgoed tot de framestructuur van ruimtestations, of van dunne nylonvezel in panty's tot Kevlar dat wordt gebruikt in kogelvrije vesten. Sommige polymeren drijven in water, andere zinken. In vergelijking met de dichtheid van steen, beton, staal, koper of aluminium zijn alle kunststoffen lichtgewicht materialen.

Eigenschappen van macromoleculaire verbindingen zijn verschillend:

1. Polymeren kunnen dienen als thermische en elektrische isolatoren: apparaten, snoeren, stopcontacten en bedrading die is gemaakt of gecoat met polymere materialen.
2. Hittebestendige keukenapparatuur met handgrepen voor potten en pannen van hars, handgrepen voor koffiepotten, schuim voor koelkast en vriezer, geïsoleerde kopjes, koelers en keukengerei dat geschikt is voor de magnetron.
3. Het thermisch ondergoed dat door veel skiërs wordt gedragen, is gemaakt van polypropyleen, terwijl de vezels in winterjassen zijn gemaakt van acryl en polyester.

Verbindingen met een hoog molecuulgewicht zijn stoffen met een onbeperkt aantal kenmerken en kleuren. Ze hebben veel eigenschappen die verder kunnen worden verbeterd met een breed scala aan additieven om de toepassing uit te breiden. Polymeren kunnen als basis dienen voor het imiteren van katoen, zijde en wol, porselein en marmer, aluminium en zink. In de voedingsindustrie worden ze gebruikt om schimmels eetbare eigenschappen te geven. Bijvoorbeeld dure blauwe kaas. Het kan veilig worden gegeten dankzij de verwerking van polymeren.

Verwerking en toepassing van polymeerstructuren

Polymeren kunnen op verschillende manieren worden verwerkt:

• Extrusie maakt de productie van dunne vezels of zware massieve buizen, films, voedselflessen mogelijk.
• Spuitgieten maakt het mogelijk om complexe onderdelen te maken, zoals grote carrosseriedelen.
• Kunststof kan in vaten worden gegoten of worden gemengd met oplosmiddelen om zelfklevende basissen of verven te worden.
• Elastomeren en sommige kunststoffen zijn rekbaar en flexibel.
• Sommige kunststoffen zetten tijdens de verwerking uit om hun vorm te behouden, zoals drinkwaterflessen.
• Andere polymeren kunnen worden geschuimd, zoals polystyreen, polyurethaan en polyethyleen.

De eigenschappen van macromoleculaire verbindingen variëren afhankelijk van de mechanische werking en de methode om de stof te verkrijgen. Dit maakt het mogelijk om ze in verschillende branches toe te passen. De belangrijkste macromoleculaire verbindingen hebben een breder scala aan doelen dan die welke verschillen in speciale eigenschappen en bereidingsmethoden. Universeel en "grillig" "vinden zichzelf" in de voedings- en bouwsector:

1. Verbindingen met een hoog molecuulgewicht bestaan uit olie, maar niet altijd.
2. Veel polymeren worden gemaakt van herhalende eenheden die eerder zijn gevormd uit aardgas, steenkool of ruwe olie.
3. Sommige bouwmaterialen zijn gemaakt van hernieuwbare materialen zoals polymelkzuur (van maïs of cellulose en katoenlinters).

Het is ook interessant dat ze bijna niet te vervangen zijn:

• Polymeren kunnen worden gebruikt om items te maken die geen andere materiële alternatieven hebben.
• Ze zijn gemaakt in transparante waterdichte films.
• PVC wordt gebruikt om medische slangen en bloedzakken te maken die de houdbaarheid van het product en zijn derivaten verlengen.
• PVC levert veilig ontvlambare zuurstof aan niet-ontvlambare flexibele slangen.
• En antitrombogeen materiaal zoals heparine kan worden opgenomen in de categorie flexibele PVC-katheters.

Veel medische hulpmiddelen richten zich op structurele kenmerken van macromoleculaire verbindingen om een effectieve werking te garanderen.

Oplossingen van macromoleculaire stoffen en hun eigenschappen

Omdat de grootte van de gedispergeerde fase moeilijk te meten is en colloïden in de vorm van oplossingen zijn, identificeren en karakteriseren ze soms fysisch-chemische en transporteigenschappen.

Colloïde fase	Hard	Schone oplossing	Dimensionale indicatoren
	Als het colloïde bestaat uit een vaste fase gedispergeerd in een vloeistof, zullen de vaste deeltjes niet door het membraan diffunderen.	Opgeloste ionen of moleculen zullen bij volledige diffusie door het membraan diffunderen.	Door uitsluiting van grootte kunnen colloïdale deeltjes niet door UF-membraanporiën gaan die kleiner zijn dan hun eigen grootte.
Concentratie in de samenstelling van oplossingen van macromoleculaire verbindingen	De exacte concentratie van de werkelijke opgeloste stof hangt af van de experimentele omstandigheden die worden gebruikt om het te scheiden van colloïdale deeltjes die ook in de vloeistof zijn gedispergeerd.	Hangt af van de reactie van macromoleculaire verbindingen bij het uitvoeren van oplosbaarheidsonderzoeken voor gemakkelijk gehydrolyseerde stoffen zoals Al, Eu, Am, Cm.	Hoe kleiner de poriegrootte van het ultrafiltratiemembraan, hoe lager de concentratiegedispergeerde colloïdale deeltjes die achterblijven in de ultragefilterde vloeistof.

Een hydrocolloïde wordt gedefinieerd als een colloïdaal systeem waarin deeltjes van macromoleculaire moleculen hydrofiele polymeren zijn die in water zijn gedispergeerd.

Waterverslaving	Hitteverslaving	Afhankelijkheid van productiemethode
Hydrocolloïde zijn colloïdale deeltjes die in water zijn gedispergeerd. In dit geval beïnvloedt de verhouding van de twee componenten de vorm van het polymeer - gel, as, vloeibare toestand.	Hydrocolloïden kunnen onomkeerbaar (in één toestand) of omkeerbaar zijn. Agar, een omkeerbaar hydrocolloïde van zeewierextract, kan bijvoorbeeld in een gel en in vaste toestand voorkomen, of tussen toestanden afwisselen met toevoeging of verwijdering van warmte.	Het verkrijgen van macromoleculaire verbindingen, zoals hydrocolloïden, is afhankelijk van natuurlijke bronnen. Agar-agar en carrageen worden bijvoorbeeld gewonnen uit zeewier, gelatine wordt verkregen door hydrolyse van runder- en viseiwitten en pectine wordt gewonnen uit schillen van citrusvruchten en appelpulp.
Gelatinedesserts, gemaakt van poeder, hebben een andere hydrocolloïde samenstelling. Hij is begiftigd met minder vocht.	Hydrocolloïden worden voornamelijk in voedsel gebruikt om de textuur of viscositeit te beïnvloeden (bijv. saus). De consistentie hangt echter al af van de methode van warmtebehandeling.	Medische verbandmiddelen op basis van hydrocolloïden worden gebruikt om huid en wonden te behandelen. BIJfabricage is gebaseerd op een geheel andere technologie en dezelfde polymeren worden gebruikt.

Andere belangrijke hydrocolloïden zijn xanthaangom, Arabische gom, guargom, johannesbroodpitmeel, cellulosederivaten zoals carboxymethylcellulose, alginaat en zetmeel.

Interactie van macromoleculaire stoffen met andere deeltjes

De volgende krachten spelen een belangrijke rol bij de interactie van colloïdale deeltjes:

• Afstoting zonder rekening te houden met volume: dit verwijst naar het ontbreken van overlap tussen vaste deeltjes.
• Elektrostatische interactie: Colloïdale deeltjes dragen vaak een elektrische lading en trekken elkaar daardoor aan of stoten elkaar af. De lading van zowel de continue als de gedispergeerde fasen, evenals de mobiliteit van de fasen, zijn factoren die deze interactie beïnvloeden.
• Van der Waals-krachten: dit komt door de interactie tussen twee dipolen, die permanent of geïnduceerd zijn. Zelfs als de deeltjes geen permanente dipool hebben, resulteren schommelingen in de elektronendichtheid in een tijdelijke dipool in het deeltje.
• Entropiekrachten. Volgens de tweede wet van de thermodynamica gaat het systeem in een toestand waarin de entropie maximaal is. Dit kan leiden tot het ontstaan van effectieve krachten, zelfs tussen harde sferen.
• Sterische krachten tussen met polymeer gecoate oppervlakken of in oplossingen die een niet-adsorberende analoog bevatten, kunnen krachten tussen deeltjes moduleren, waardoor een extra sterische afstotende kracht ontstaat dieis overwegend entropisch van aard, of een kracht van uitputting daartussenin.

Het laatste effect wordt nagestreefd met speciaal samengestelde superplastificeerders die zijn ontworpen om de verwerkbaarheid van beton te vergroten en het watergeh alte te verminderen.

Polymeerkristallen: waar worden ze gevonden, hoe zien ze eruit?

Hoogmoleculaire verbindingen omvatten zelfs kristallen, die zijn opgenomen in de categorie van colloïdale stoffen. Dit is een zeer geordende reeks deeltjes die zich op een zeer grote afstand vormen (meestal in de orde van enkele millimeters tot één centimeter) en lijken op hun atomaire of moleculaire tegenhangers.

Naam van het getransformeerde colloïde	Bestelvoorbeeld	Productie
Precious Opal	Een van de beste natuurlijke voorbeelden van dit fenomeen is te vinden in de pure spectrale kleur van de steen	Dit is het resultaat van dicht opeengepakte nissen van amorfe colloïdale siliciumdioxide (SiO2) bollen

Deze bolvormige deeltjes worden afgezet in zeer siliciumhoudende reservoirs. Ze vormen zeer geordende massieven na jaren van sedimentatie en compressie onder invloed van hydrostatische en zwaartekracht. Periodieke arrays van sferische deeltjes van submicrometers bieden vergelijkbare interstitiële lege arrays die fungeren als een natuurlijk diffractierooster voor zichtbare lichtgolven, vooral wanneer de interstitiële afstand van dezelfde orde van grootte is als de invallende lichtgolf.

Zo werd gevonden dat als gevolg van weerzinwekkendCoulomb-interacties, elektrisch geladen macromoleculen in een waterig medium kunnen kristalachtige correlaties op lange afstand vertonen met afstanden tussen deeltjes die vaak veel groter zijn dan de diameter van individuele deeltjes.

In al deze gevallen hebben de kristallen van een natuurlijke macromoleculaire verbinding hetzelfde briljante kleurenspel (of kleurenspel), dat kan worden toegeschreven aan diffractie en constructieve interferentie van zichtbare lichtgolven. Ze voldoen aan de wet van Bragg.

Een groot aantal experimenten met de studie van de zogenaamde "colloïdale kristallen" ontstond als resultaat van relatief eenvoudige methoden die in de afgelopen 20 jaar zijn ontwikkeld om synthetische monodisperse colloïden (zowel polymeer als mineraal) te verkrijgen. Via verschillende mechanismen wordt de vorming van een lange-afstandsorder gerealiseerd en behouden.

Bepaling van het molecuulgewicht

Molecuulgewicht is een kritische eigenschap van een chemische stof, vooral voor polymeren. Afhankelijk van het materiaal van het monster worden verschillende methoden gekozen:

1. Het molecuulgewicht en de moleculaire structuur van moleculen kunnen worden bepaald met behulp van massaspectrometrie. Met behulp van de directe infusiemethode kunnen monsters direct in de detector worden geïnjecteerd om de waarde van een bekend materiaal te bevestigen of om structurele karakterisering van een onbekend materiaal te geven.
2. De informatie over het molecuulgewicht van polymeren kan worden bepaald met behulp van een methode zoals grootte-uitsluitingschromatografie voor viscositeit en grootte.
3. VoorHet bepalen van het molecuulgewicht van polymeren vereist inzicht in de oplosbaarheid van een bepaald polymeer.

De totale massa van een verbinding is gelijk aan de som van de individuele atoommassa's van elk atoom in het molecuul. De procedure wordt uitgevoerd volgens de formule:

1. Bepaal de molecuulformule van het molecuul.
2. Gebruik het periodiek systeem om de atomaire massa van elk element in een molecuul te vinden.
3. Vermenigvuldig de atoommassa van elk element met het aantal atomen van dat element in het molecuul.
4. Het resulterende getal wordt weergegeven door een subscript naast het elementsymbool in de molecuulformule.
5. Verbind alle waarden met elkaar voor elk afzonderlijk atoom in het molecuul.

Een voorbeeld van een eenvoudige berekening met laag molecuulgewicht: om het molecuulgewicht van NH_{3 te vinden, is de eerste stap het vinden van de atoommassa's van stikstof (N) en waterstof (H). Dus, H=1, 00794N=14, 0067.}

Vermenigvuldig vervolgens de atoommassa van elk atoom met het aantal atomen in de verbinding. Er is één stikstofatoom (er wordt geen subscript gegeven voor één atoom). Er zijn drie waterstofatomen, zoals aangegeven door het subscript. Dus:

• Molecuulgewicht van een stof=(1 x 14.0067) + (3 x 1.00794)
• Molecuulgewichten=14.0067 + 3.02382
• Resultaat=17, 0305

Een voorbeeld van het berekenen van het complexe molecuulgewicht Ca₃(PO₄)_{2 is een complexere berekeningsoptie:}

Van het periodiek systeem, de atoommassa's van elk element:

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

Het lastige is om uit te zoeken hoeveel van elk atoom er in de verbinding zit. Er zijn drie calciumatomen, twee fosforatomen en acht zuurstofatomen. Als het join-gedeelte tussen haakjes staat, vermenigvuldigt u het subscript dat onmiddellijk volgt op het elementteken met het subscript dat de haakjes sluit. Dus:

• Molecuulgewicht van een stof=(40.078 x 3) + (30.97361 x 2) + (15.9994 x 8).
• Molecuulgewicht na berekening=120, 234 + 61, 94722 + 127, 9952.
• Result=310, 18.

Complexe vormen van elementen worden naar analogie berekend. Sommige bestaan uit honderden waarden, dus worden er nu geautomatiseerde machines gebruikt met een database van alle g/mol-waarden.