Neorganiskie polimēri: piemēri un pielietojumi

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 10:35

Dabā ir organiskie elementi, organiskie un neorganiskie polimēri. Pie neorganiskiem materiāliem pieder materiāli, kuru galvenā ķēde ir neorganiska, un sānu atzari nav ogļūdeņražu radikāļi. Ķīmisko elementu periodiskās sistēmas III-VI grupu elementi ir visvairāk pakļauti neorganiskas izcelsmes polimēru veidošanās procesam.

Klasifikācija

Organiskie un neorganiskie polimēri tiek aktīvi pētīti, tiek noteiktas to jaunās īpašības, tāpēc skaidra šo materiālu klasifikācija vēl nav izstrādāta. Tomēr var izdalīt noteiktas polimēru grupas.

Atkarībā no struktūras:

• lineārs;
• dzīvoklis;
• zarots;
• polimēru tīkli;
• trīsdimensiju un citi.

Atkarībā no mugurkaula atomiem, kas veido polimēru:

• homoķēdes tips (-M-)n – sastāv no viena veida atomiem;
• heteroķēdes veids(-M-L-)n - sastāv no dažāda veida atomiem.

Atkarībā no izcelsmes:

• dabisks;
• mākslīgs.

Lai vielas, kas ir makromolekulas cietā stāvoklī, klasificētu kā neorganiskus polimērus, tām ir jābūt arī noteiktai telpiskās struktūras anizotropijai un atbilstošām īpašībām.

Galvenās funkcijas

Biežāk sastopami heteroķēžu polimēri, kuros notiek elektropozitīvo un elektronegatīvo atomu mijas, piemēram, B un N, P un N, Si un O. Iegūstiet heteroķēdes neorganiskos polimērus (NP) var izmantot polikondensācijas reakcijas. Skābā vidē tiek paātrināta oksoanjonu polikondensācija, savukārt sārmainā vidē tiek paātrināta hidratēto katjonu polikondensācija. Polikondensāciju var veikt gan šķīdumā, gan cietās vielās augstas temperatūras klātbūtnē.

Daudzus heteroķēžu neorganiskos polimērus var iegūt tikai augstas temperatūras sintēzes apstākļos, piemēram, tieši no vienkāršām vielām. Karbīdi, kas ir polimēru ķermeņi, veidojas, kad noteikti oksīdi mijiedarbojas ar oglekli, kā arī augstā temperatūrā.

Garās homoķēdes ķēdes (ar polimerizācijas pakāpi n>100) veido oglekli un VI grupas p-elementus: sēru, selēnu, telūru.

Neorganiskie polimēri: piemēri un pielietojumi

NP specifika slēpjas izglītībāpolimēru kristāliski ķermeņi ar regulāru makromolekulu trīsdimensiju struktūru. Stingra ķīmisko saišu karkasa klātbūtne nodrošina šādus savienojumus ar ievērojamu cietību.

Šī īpašība ļauj izmantot neorganiskus polimērus kā abrazīvus materiālus. Šo materiālu izmantošana ir atradusi visplašāko pielietojumu nozarē.

NP izcilā ķīmiskā un termiskā pretestība arī ir vērtīga īpašība. Piemēram, armatūras šķiedras, kas izgatavotas no organiskiem polimēriem, ir stabilas gaisā līdz 150-220 ˚C temperatūrai. Tikmēr bora šķiedra un tās atvasinājumi saglabā stabilitāti līdz 650 ˚С temperatūrai. Tāpēc neorganiskie polimēri ir daudzsološi jaunu ķīmiski un karstumizturīgu materiālu radīšanai.

Praktiskā vērtība ir arī NP, kas gan pēc īpašībām ir tuvu organiskajām, gan saglabā savas specifiskās īpašības. Tie ietver fosfātus, polifosfazīnus, silikātus, polimēru sēra oksīdus ar dažādām sānu grupām.

Oglekļa polimēri

Uzdevums: “Sniedziet neorganisko polimēru piemērus”, kas bieži atrodami ķīmijas mācību grāmatās. Vēlams to veikt, minot izcilākos NP - oglekļa atvasinājumus. Galu galā tas ietver materiālus ar unikālām īpašībām: dimantus, grafītu un karabīnu.

Karabīns ir mākslīgi radīts, maz pētīts lineārs polimērs ar nepārspējamiem stiprības rādītājiem, kas nav zemāki, taču saskaņā ar vairākiem pētījumiem unpārāka par grafēnu. Tomēr karabīns ir noslēpumaina viela. Galu galā ne visi zinātnieki atzīst tā esamību kā neatkarīgu materiālu.

Ārēji izskatās kā metāliski kristālisks melns pulveris. Tam ir pusvadītāju īpašības. Karbīna elektriskā vadītspēja ievērojami palielinās gaismas ietekmē. Tas nezaudē šīs īpašības pat temperatūrā līdz 5000 ˚С, kas ir daudz augstāka nekā citiem šāda nolūka materiāliem. Materiālu 60. gados saņēma V. V. Koršaks, A. M. Sladkovs, V. I. Kasatočkins un Yu. P. Kudrjavcevs ar acetilēna katalītisko oksidēšanu. Visgrūtākais bija noteikt saišu veidu starp oglekļa atomiem. Pēc tam PSRS Zinātņu akadēmijas Organoelementu savienojumu institūtā tika iegūta viela, kurā starp oglekļa atomiem ir tikai dubultās saites. Jaunais savienojums tika nosaukts par polikumulēnu.

Grafīts - šajā materiālā polimēru sakārtošana notiek tikai plaknē. Tās slāņus savieno nevis ķīmiskās saites, bet vāja starpmolekulārā mijiedarbība, tāpēc tā vada siltumu un strāvu un nelaiž cauri gaismu. Grafīts un tā atvasinājumi ir diezgan izplatīti neorganiskie polimēri. To izmantošanas piemēri: no zīmuļiem līdz kodolrūpniecībai. Oksidējot grafītu, var iegūt oksidācijas starpproduktus.

Dimants – tā īpašības būtiski atšķiras. Dimants ir telpisks (trīsdimensiju) polimērs. Visus oglekļa atomus satur spēcīgas kovalentās saites. Jo šis polimērs ir ārkārtīgi izturīgs. Dimants nevada strāvu un siltumu, tam ir caurspīdīga struktūra.

Bora polimēri

Ja jums jautā, kādus neorganiskos polimērus jūs zināt, droši atbildiet - bora polimēri (-BR-). Šī ir diezgan plaša NP klase, ko plaši izmanto rūpniecībā un zinātnē.

Bora karbīds - tā formula izskatās pareizāk šādi (B12C3) n. Tās vienības šūna ir romboedriska. Karkasu veido divpadsmit kovalenti saistīti bora atomi. Un tā vidū ir trīs kovalenti saistītu oglekļa atomu lineāra grupa. Rezultāts ir ļoti spēcīga struktūra.

Borīdi - to kristāli veidojas līdzīgi kā iepriekš aprakstītajam karbīdam. Visstabilākais no tiem ir HfB2, kas kūst tikai 3250°C temperatūrā. TaB2 ir atzīmēta ar visaugstāko ķīmisko izturību - ne skābes, ne to maisījumi uz to neiedarbojas.

Bora nitrīds - tā līdzības dēļ bieži dēvēts par b alto talku. Šī līdzība patiešām ir tikai virspusēja. Strukturāli tas ir līdzīgs grafītam. Iegūstiet to, karsējot boru vai tā oksīdu amonjaka atmosfērā.

Borazon

Elbors, borazons, kiborīts, kingsongīts, kubonīts ir īpaši cieti neorganiski polimēri. To pielietojuma piemēri: slīpripu, abrazīvo materiālu ražošana, metālapstrāde. Tās ir ķīmiski inertas vielas, kuru pamatā ir bors. Cietība ir tuvāka nekā citiem materiāliem dimantiem. Jo īpaši borazons atstāj skrāpējumus uz dimanta, pēdējais atstāj skrāpējumus arī uz borazona kristāliem.

Tomēr šiem ND ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar dabiskajiem dimantiem: tiem ir lielākakarstumizturība (iztur temperatūru līdz 2000 ° C, dimants tiek iznīcināts ar ātrumu diapazonā no 700 līdz 800 ° C) un augsta izturība pret mehānisko spriegumu (tie nav tik trausli). Borazonu 1350 °C temperatūrā un 62 000 atmosfēru spiedienā ieguva Roberts Ventorfs 1957. gadā. Līdzīgus materiālus Ļeņingradas zinātnieki ieguva 1963. gadā.

Neorganiskie sēra polimēri

Homopolimērs – šai sēra modifikācijai ir lineāra molekula. Viela nav stabila, ar temperatūras svārstībām sadalās oktaedriskos ciklos. Tas veidojas sēra kausējuma straujas dzesēšanas gadījumā.

Sēra dioksīda polimēru modifikācija. Ļoti līdzīgs azbestam, ir šķiedraina struktūra.

Selēna polimēri

Pelēkais selēns ir polimērs ar spirālveida lineārām makromolekulām, kas atrodas paralēli. Ķēdēs selēna atomi ir kovalenti saistīti, bet makromolekulas – ar molekulārām saitēm. Pat izkusis vai izšķīdis selēns nesadalās atsevišķos atomos.

Sarkanais jeb amorfais selēns ir arī ķēdes polimērs, taču ar nedaudz sakārtotu struktūru. Temperatūras diapazonā no 70-90 ˚С tas iegūst gumijai līdzīgas īpašības, pārvēršoties ļoti elastīgā stāvoklī, kas atgādina organiskos polimērus.

Selēna karbīds jeb kalnu kristāls. Termiski un ķīmiski stabils, pietiekami spēcīgs telpiskais kristāls. Pjezoelektrisks un pusvadītājs. Mākslīgos apstākļos to ieguva, reaģējot kvarca smiltīm un oglēm elektriskā krāsnī aptuveni 2000 °C temperatūrā.

Citi selēna polimēri:

• Monoklīnikaselēns - vairāk sakārtots nekā amorfs sarkans, bet sliktāks par pelēko.
• Selēna dioksīds jeb (SiO2)n ir trīsdimensiju tīkla polimērs.
• Azbests ir selēna oksīda polimērs ar šķiedru struktūru.

Fosfora polimēri

Ir daudzas fosfora modifikācijas: b alta, sarkana, melna, brūna, violeta. Sarkans - NP smalki kristāliska struktūra. To iegūst, karsējot b alto fosforu bez gaisa 2500 ˚С temperatūrā. Melno fosforu P. Bridžmens ieguva šādos apstākļos: spiediens 200 000 atmosfēras 200 °C temperatūrā.

Fosfornitrīda hlorīdi ir fosfora savienojumi ar slāpekli un hloru. Šo vielu īpašības mainās, palielinoties masai. Proti, samazinās to šķīdība organiskajās vielās. Kad polimēra molekulmasa sasniedz vairākus tūkstošus vienību, veidojas gumijas viela. Tā ir vienīgā pietiekami karstumizturīgā bezoglekļa gumija. Tas sadalās tikai temperatūrā virs 350 °C.

Secinājums

Neorganiskie polimēri galvenokārt ir vielas ar unikālām īpašībām. Tos izmanto ražošanā, celtniecībā, inovatīvu un pat revolucionāru materiālu izstrādei. Pētot zināmo NP īpašības un veidojot jaunas, to pielietojuma joma paplašinās.