ОПОРНЫЙ
КОНСПЕКТ
ТЕМА:
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ
Полимеры представляют
собой аморфные и кристаллические, неорганические
и органические вещества, общим признаком которых является то, что их структура
состоит из «мономерных звеньев», соединённых в макромолекулы.
Мономер –
элементарное звено полимера, группа атомов, повторяющаяся в структуре полимера.
Органические
полимеры – это полимеры, которые содержат органические звенья.
Элементоорганические
полимеры –
это полимеры, которые содержат в цепи органических мономеров отдельные
неорганические атомы. Не встречаются в природе.
Неорганические
полимеры не содержат углерод-углеродных связей в повторяющемся
звене, могут содержать отдельные органические радикалы, в качестве боковых
атомов.
К неорганическим относят
материалы, главная цепь которых неорганическая, а боковые ответвления не
являются углеводородными радикалами. К формированию полимеров неорганического
происхождения наиболее склонны элементы III-VI групп периодической системы
химических элементов.
Классификация
Органические и неорганические полимеры активно
исследуются, определяются их новые характеристики, поэтому четкой классификации
этих материалов еще не выработано. Впрочем, можно выделить определенные группы
полимеров.
В зависимости от структуры:
· линейные;
· плоские;
· разветвленные;
· полимерные
сетки;
· трехмерные
и другие.
В зависимости от атомов главной цепи, образующих
полимер:
· гомоцепные
типа (-M-)n – состоят из одного вида атомов;
· гетероцепные
типа (-M-L-)n – состоят из различных видов атомов.
В зависимости от происхождения:
· природные;
· искусственные.
Для отнесения к неорганическим полимерам веществ,
которые в твердом состоянии представляют собой макромолекулы, необходимо также
наличие в них определенной анизотропии пространственного строения и
соответствующих свойств.
Основные характеристики
Более распространенными являются гетероцепные
полимеры, в которых происходит чередование электроположительных и
электроотрицательных атомов, например B и N, P и N, Si и O. Получить
гетероцепные неорганические полимеры (НП) можно с помощью реакций
поликонденсации. Поликонденсация оксоанионов ускоряется в кислой среде, а
поликонденсация гидратированных катионов – в щелочной. Поликонденсация может
быть проведена как в растворе, так и в твердых веществах при наличии высокой
температуры.
Многие из гетероцепных неорганических полимеров можно
получить только в условиях высокотемпературного синтеза, например, непосредственно
из простых веществ. Образование карбидов, которые являются полимерными телами,
происходит при взаимодействии некоторых оксидов с углеродом, а также при
наличии высокой температуры.
Длинные гомоцепные цепи (со степенью полимеризации
n>100) образуют карбон и p-элементы VI группы: сера, селен, теллур.
Неорганические полимеры: примеры и применение
Специфика НП заключается в образовании полимерных
кристаллических тел с регулярной трехмерной структурой макромолекул. Наличие
жесткого каркаса химических связей предоставляет таким соединениям значительную
твердость.
Указанное свойство позволяет использовать в качестве
абразивных материалов неорганические полимеры. Применение этих материалов нашло
широчайшее применение в промышленности.
Исключительная химическая и термическая стойкость НП
является также ценным свойством. Например, армирующие волокна, изготовленные из
органических полимеров, устойчивы на воздухе до температуры 150-220 ˚С. Между
тем борное волокно и его производные остаются устойчивыми до температуры 650
˚С. Именно поэтому неорганические полимеры являются перспективными для создания
новых химически и термостойких материалов.
Практическое значение также имеют НП, которые
одновременно являются и приближающимися по свойствам к органическим, и сохраняющими
свои специфические свойства. К таким относят фосфаты, полифосфазены, силикаты,
полимерные оксиды серы с различными боковыми группами.
Полимеры углерода
Карбин – искусственно созданный, малоизученный
линейный полимер с непревзойденными показателями прочности, не уступающими, а
согласно ряду исследований и превосходящими графен. Впрочем, карбин - вещество
таинственное. Ведь не все ученые признают его существование как
самостоятельного материала.
Внешне выглядит как металло-кристаллический черный
порошок. Имеет полупроводниковые свойства. Электропроводность карбина
значительно увеличивается под действием света. Он не теряет этих свойств даже
при температуре до 5000 ˚С, что намного выше, чем для других материалов
подобного назначения. Получен материал в 60-х В.В. Коршаком, А.М. Сладковым,
В.И. Касаточкиным и Ю.П. Кудрявцевым путем каталитического окисления ацетилена.
Самое сложное было определить вид связей между атомами углерода. Впоследствии
было получено вещество только с двойными связями между атомами углерода в
Институте элементоорганических соединений АН СССР. Новое соединение назвали
поликумулен.
Графит – в этом материале полимерная
упорядоченность распространяется только в плоскости. Его слои соединены не
химическими связями, а слабыми межмолекулярными взаимодействиями, поэтому он
проводит тепло и ток и не пропускает свет. Графит и его производные –
достаточно распространенные неорганические полимеры. Примеры их использования:
от карандашей до атомной промышленности. Окисляя графит, можно получить
промежуточные продукты окисления.
Алмаз – его свойства принципиально другие. Алмаз
является пространственным (трехмерным) полимером. Все атомы углерода скрепляются
между собой прочными ковалентными связями. Потому этот полимер является
чрезвычайно прочным. Алмаз не проводит ток и тепло, имеет прозрачную структуру.
Полимеры бора
Если вас спросят о том, какие неорганические полимеры
вам известны, смело отвечайте – полимеры бора (-BR-). Это достаточно обширный
класс НП, широко применяемый в промышленности и науке.
Карбид бора – его формула правильнее выглядит
так (B12C3)n. Его элементарная ячейка – ромбоэдрическая.
Каркас образуют двенадцать ковалентно связанных атомов бора. А в середине его -
линейная группа из трех ковалентно связанных атомов углерода. В результате
образуется очень прочная конструкция.
Бориды – их кристаллы образованы подобно
вышеописанному карбиду. Наиболее стойкий из них HfB2, который плавится
только при температуре 3250 °C. Наибольшей химической стойкостью отмечается
TaB2 – на него не действуют ни кислоты, ни их смеси.
Нитрид бора – его часто называют белым тальком
за сходство. Это сходство действительно лишь внешнее. Структурно он аналогичен
графиту. Получают его, нагревая бор или его оксид в атмосфере аммиака.
Боразон
Эльбор, боразон, киборит, кингсонгит, кубонит –
сверхтвердые неорганические полимеры. Примеры их применения: изготовление
шлифовальных кругов, абразивных материалов, обработка металлов. Это химически
инертные вещества на основе бора. По твердости ближе прочих материалов к
алмазам. В частности, боразон оставляет царапины на алмазе, последний тоже
оставляет царапины на кристаллах боразона.
Впрочем, эти НП имеют несколько преимуществ перед
натуральными алмазами: у них большая термостойкость (выдерживают температуру до
2000 °C, алмаз же разрушается при показателях в пределах 700-800 °C) и высокая
устойчивость к механическим нагрузкам (они не такие хрупкие). Боразон был
получен при температуре 1350 °C и давлении 62000 атмосфер Робертом Венторфом в
1957 году. Аналогичные материалы ленинградскими учеными были получены в 1963
году.
Неорганические полимеры серы
Гомополимер – эта модификация серы имеет
линейную молекулу. Вещество не является устойчивым, при колебаниях температуры
распадается на октаэдрические циклы. Образуется в случае резкого охлаждения
расплава серы.
Полимеры селена
Серый селен – полимер со спиралевидными
линейными макромолекулами, вложенными параллельно. В цепях атомы селена связаны
ковалентно, а макромолекулы связаны молекулярными связями. Даже расплавленный
или растворенный селен не распадается на отдельные атомы.
Красный или аморфный селен тоже полимер
цепной, но малоупорядоченной структуры. В температурном промежутке 70-90 ˚С он
приобретает каучукоподобные свойства, переходя в высокоэластичное состояние,
чем напоминает органические полимеры.
Карбид селена, или горный хрусталь.
Термически и химически устойчивый, достаточно прочный пространственный
кристалл. Пьезоэлектрик и полупроводник. В искусственных условиях его получили
при реакции кварцевого песка и угля в электропечи при температуре около 2000
°C.
Прочие полимеры селена:
· Моноклинный
селен
– более упорядоченный, чем аморфный красный, но уступает серому.
· Диоксид
селена, или (SеO2)n – представляет собой трехмерный сетчатый полимер.
· Асбест – полимер
оксида селена волокнистой структуры.
Полимеры фосфора
Существует много модификаций фосфора: белый, красный,
черный, коричневый, фиолетовый.
Красный – НП мелкокристаллического строения.
Получается нагревом белого фосфора без доступа воздуха при температуре 2500 ˚С.
Черный фосфор получен П. Бриджменом при следующих условиях: давление 200000
атмосфер при температуре 200 °C.
Фосфорнитридхлориды – соединения фосфора с азотом и
хлором. Свойства этих веществ меняются с ростом массы. А именно уменьшается их
растворимость в органических веществах. Когда молекулярная масса полимера
достигает нескольких тысяч единиц, образуется каучукоподобное вещество. Это
единственный достаточно термостойкий безуглеродный каучук. Он разрушается
только при температуре свыше 350 °C.
Роль
неорганических полимеров в формировании литосферы:
Литосфера — твёрдая
оболочка Земли. Состоит из земной коры и верхней
части мантии, до астеносферы.
Литосфера под океанами и континентами
значительно различается. Литосфера под континентами состоит из
осадочного, гранитного и базальтового слоев общей мощностью
до 80 км. Литосфера под океанами претерпела множество этапов частичного плавления
в результате образования океанической коры, она сильно обеднена легкоплавкими
редкими элементами, в основном состоит
из дунитов и гарцбургитов, её толщина составляет 5—10 км, а
гранитный слой полностью отсутствует. Основными компонентами земной коры и
поверхностного грунта Луны являются оксиды Si и Al и их производные. Такой
вывод можно сделать исходя из существующих представлений о распространенности
базальтовых пород. Первичным веществом земной коры является магма - текучая
форма горной породы, содержащая наряду с расплавленными минералами значительное
количество газов. При выходе на поверхность магма образует лаву, последняя
застывая образует базальтовые породы. Основной химический компонент лавы -
кремнезем, или диоксид кремния, SiO2 . Однако при высокой температуре атомы
кремния могут легко замещаться на другие атомы, например алюминия, образуя
различного рода алюмосиликаты. В целом литосфера представляет собой силикатную
матрицу с включением других веществ, образовавшихся в результате физических и
химических процессов, протекавших в прошлом в условиях высокой температуры и
давления. Как сама силикатная матрица, так и включения в нее содержат по
преимуществу вещества в полимерной форме, то есть гетероцепные неорганические
полимеры.
Гранит - кислая магматическая интрузивная горная
порода. Состоит из кварца, плагиоклаза, калиевого полевого
шпата и слюд — биотита и мусковита. Граниты очень
широко распространены в континентальной земной коре.
Наибольшие объёмы гранитов образуются в
зонах коллизии, где сталкиваются две континентальные плиты и
происходит утолщение континентальной коры. По мнению некоторых исследователей,
в утолщённой коллизионной коре образуется целый слой гранитного расплава на
уровне средней коры (глубина 10—20 км). Кроме того, гранитный магматизм
характерен для активных континентальных окраин, и в меньшей степени, для
островных дуг.
Минеральный состав гранита:
полевые шпаты — 60—65 %;
кварц — 25—30 %;
темноцветные минералы (биотит,
редко роговая обманка) — 5—10 %.
Базальт. Минеральный состав.
Основная масса сложена микролитами плагиоклазов, клинопироксена, магнетита или
титаномагнетита, а также вулканическим стеклом. Наиболее распространенным
акцессорным минералом является апатит.
Химический состав.
Содержание кремнезёма (SiO2) колеблется от 45 до 52-53 %, сумма
щелочных оксидов Na2O+K2O до 5 %,в щелочных
базальтах до 7 %. Прочие оксиды могут распределяться так: TiO2=1.8-2.3 %;
Al2O3=14.5-17.9 %; Fe2O3=2.8-5.1 %;
FeO=7.3-8.1 %; MnO=0.1-0.2 %; MgO=7.1-9.3 %;
CaO=9.1-10.1 %; P2O5=0.2-0.5 %;
Вывод
Неорганические полимеры в большинстве своем - вещества
с уникальными характеристиками. Их применяют на производстве, в строительстве,
для разработки инновационных и даже революционных материалов. По мере изучения
свойств известных НП и создания новых, сфера их применения расширяется.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ:
Работ в парах:
Задание 1. Составить схему
«Классификация полимеров»
Задание 2. Заполнить таблицу
«Неорганические полимеры-простые вещества»
Полимер
|
Свойства и значение
|
Полимеры
углерода:
|
|
|
|
|
|
|
Полимеры
серы
|
|
|
Полимеры
селена
|
|
|
|
|
Полимеры
фосфора
|
|
|
|
|
Задание 3: Заполнить таблицу
«Неорганические полимеры – сложные вещества»
Полимер
|
Свойства и значение
|
Полимеры
бора
|
|
|
|
|
|
|
Полимеры
селена
|
|
|
|
|
Полимеры
фосфора
|
|
|
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.