Un composto macromolecolare è Definizione, composizione, caratteristiche, proprietà

2024 Autore: Angel Austin | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-02 17:49

I composti ad alto peso molecolare sono polimeri che hanno un grande peso molecolare. Possono essere composti organici e inorganici. Distinguere tra sostanze amorfe e cristalline, che consistono in anelli monomerici. Queste ultime sono macromolecole collegate da legami chimici e di coordinazione. In parole povere, un composto ad alto peso molecolare è un polimero, cioè sostanze monomeriche che non cambiano la loro massa quando la stessa sostanza "pesante" è attaccata a loro. Altrimenti parleremo dell'oligomero.

Cosa studia la scienza dei composti macromolecolari?

La chimica dei polimeri macromolecolari è lo studio delle catene molecolari costituite da subunità monomeriche. Questo copre una vasta area di ricerca. Molti polimeri hanno una notevole importanza industriale e commerciale. In America, insieme alla scoperta del gas naturale, è stato avviato un grande progetto per la realizzazione di un impianto per la produzione di polietilene. L'etano del gas naturale viene convertitoin etilene, il monomero da cui si può ricavare il polietilene.

Un polimero come composto macromolecolare è:

• Qualsiasi classe di sostanze naturali o sintetiche composta da molecole molto grandi chiamate macromolecole.
• Molte unità chimiche più semplici chiamate monomeri.
• I polimeri costituiscono molti materiali negli organismi viventi, inclusi, ad esempio, proteine, cellulosa e acidi nucleici.
• Inoltre, costituiscono la base di minerali come diamante, quarzo e feldspato, nonché di materiali artificiali come cemento, vetro, carta, plastica e gomma.

La parola "polimero" denota un numero indefinito di unità monomeriche. Quando la quantità di monomeri è molto elevata, il composto viene talvolta indicato come alto polimero. Non è limitato ai monomeri con la stessa composizione chimica o peso molecolare e struttura. Alcuni composti organici naturali ad alto peso molecolare sono composti da un unico tipo di monomero.

Tuttavia, la maggior parte dei polimeri naturali e sintetici sono formati da due o più tipi diversi di monomeri; tali polimeri sono noti come copolimeri.

Sostanze naturali: qual è il loro ruolo nella nostra vita?

I composti organici organici ad alto peso molecolare svolgono un ruolo cruciale nella vita delle persone, fornendo materiali strutturali di base e partecipando ai processi vitali.

• Ad esempio, le parti solide di tutte le piante sono costituite da polimeri. Questi includono cellulosa, lignina e varie resine.
• La polpa èpolisaccaride, un polimero formato da molecole di zucchero.
• La lignina è formata da una complessa rete tridimensionale di polimeri.
• Le resine ad albero sono polimeri di un idrocarburo semplice, l'isoprene.
• Un altro polimero isoprenico familiare è la gomma.

Altri importanti polimeri naturali includono le proteine, che sono polimeri di amminoacidi, e gli acidi nucleici. Sono tipi di nucleotidi. Si tratta di molecole complesse composte da basi contenenti azoto, zuccheri e acido fosforico.

Gli acidi nucleici trasportano le informazioni genetiche nella cellula. Gli amidi, un'importante fonte di energia alimentare dalle piante, sono polimeri naturali costituiti da glucosio.

La chimica dei composti macromolecolari rilascia polimeri inorganici. Si trovano anche in natura, inclusi diamante e grafite. Entrambi sono realizzati in carbonio. Vale la pena sapere:

• In un diamante, gli atomi di carbonio sono collegati in una rete tridimensionale che conferisce al materiale la sua durezza.
• Nella grafite, usata come lubrificante e nelle "mina" delle matite, gli atomi di carbonio si legano in piani che possono scivolare l'uno sull' altro.

Molti polimeri importanti contengono atomi di ossigeno o azoto e atomi di carbonio nella spina dorsale. Tali materiali macromolecolari con atomi di ossigeno includono poliacetali.

Il poliacetale più semplice è la poliformaldeide. Ha un alto punto di fusione, è cristallino, resistente all'abrasione el'azione dei solventi. Le resine acetaliche sono più simili al metallo di qualsiasi altra plastica e vengono utilizzate nella produzione di parti di macchine come ingranaggi e cuscinetti.

Sostanze ottenute artificialmente

I composti macromolecolari sintetici sono prodotti in vari tipi di reazioni:

1. Molti idrocarburi semplici come etilene e propilene possono essere convertiti in polimeri aggiungendo un monomero dopo l' altro alla catena di crescita.
2. Il polietilene, composto da monomeri di etilene ripetuti, è un polimero additivo. Può avere fino a 10.000 monomeri collegati in lunghe catene elicoidali. Il polietilene è cristallino, traslucido e termoplastico, il che significa che si ammorbidisce quando viene riscaldato. Viene utilizzato per rivestimenti, imballaggi, parti stampate e bottiglie e contenitori.
3. Il polipropilene è anche cristallino e termoplastico, ma più duro del polietilene. Le sue molecole possono essere composte da 50.000-200.000 monomeri.

Questo composto viene utilizzato nell'industria tessile e per lo stampaggio.

Altri polimeri additivi includono:

• polibutadiene;
• poliisoprene;
• policloroprene.

Tutti sono importanti nella produzione di gomme sintetiche. Alcuni polimeri, come il polistirene, sono vetrosi e trasparenti a temperatura ambiente e sono anche termoplastici:

1. Il polistirene può essere tinto di qualsiasi colore e viene utilizzato nella fabbricazione di giocattoli e altra plasticaarticoli.
2. Quando un atomo di idrogeno nell'etilene viene sostituito da un atomo di cloro, si forma cloruro di vinile.
3. Polimerizza in cloruro di polivinile (PVC), un materiale termoplastico incolore, duro, rigido che può essere trasformato in molte forme, comprese schiume, film e fibre.
4. L'acetato di vinile, prodotto dalla reazione tra etilene e acido acetico, polimerizza in resine morbide e amorfe usate come rivestimenti e adesivi.
5. Copolimerizza con cloruro di vinile per formare una grande famiglia di materiali termoplastici.

Un polimero lineare caratterizzato dalla ripetizione di gruppi esteri lungo la catena principale è chiamato poliestere. I poliesteri a catena aperta sono materiali termoplastici incolori, cristallini. Quei composti macromolecolari sintetici ad alto peso molecolare (da 10.000 a 15.000 molecole) sono usati nella produzione di film.

Poliammidi sintetiche rare

Le poliammidi includono le proteine della caseina presenti in natura che si trovano nel latte e la zeina del mais, che vengono utilizzate per produrre plastica, fibre, adesivi e rivestimenti. Degno di nota:

• Le poliammidi sintetiche includono resine urea-formaldeide, che sono termoindurenti. Sono usati per realizzare oggetti stampati e come adesivi e rivestimenti per tessuti e carta.
• Anche importanti sono le resine poliammidiche conosciute come nylon. Sonodurevole, resistente al calore e all'abrasione, non tossico. Possono essere tinti. Il suo uso più famoso è come fibre tessili, ma hanno molti altri usi.

Un' altra importante famiglia di composti chimici sintetici ad alto peso molecolare è costituita da ripetizioni lineari del gruppo uretanico. I poliuretani sono utilizzati nella produzione di fibre elastomeriche note come spandex e nella produzione di strati di base.

Un' altra classe di polimeri sono composti organici-inorganici misti:

1. I rappresentanti più importanti di questa famiglia di polimeri sono i siliconi. I composti ad alto peso molecolare contengono atomi di silicio e ossigeno alternati con gruppi organici attaccati a ciascuno degli atomi di silicio.
2. I siliconi a basso peso molecolare sono oli e grassi.
3. Le specie a peso molecolare più elevato sono materiali elastici versatili che rimangono morbidi anche a temperature molto basse. Sono anche relativamente stabili alle alte temperature.

Il polimero può essere tridimensionale, bidimensionale e singolo. Le unità ripetitive sono spesso composte da carbonio e idrogeno, e talvolta ossigeno, azoto, zolfo, cloro, fluoro, fosforo e silicio. Per creare una catena, molte unità sono legate chimicamente o polimerizzate insieme, modificando così le caratteristiche dei composti ad alto peso molecolare.

Quali caratteristiche hanno le sostanze macromolecolari?

La maggior parte dei polimeri prodotti sono termoplastici. Dopoil polimero è formato, può essere riscaldato e riformato nuovamente. Questa proprietà lo rende facile da maneggiare. Un altro gruppo di termoindurenti non può essere rifuso: una volta formati i polimeri, il riscaldamento si decompone ma non si scioglie.

Caratteristiche dei composti macromolecolari di polimeri sull'esempio delle confezioni:

1. Può essere molto resistente alle sostanze chimiche. Considera tutti i liquidi per la pulizia della tua casa confezionati in plastica. Descrisse tutte le conseguenze del contatto con gli occhi, tranne la pelle. Questa è una pericolosa categoria di polimeri che dissolve tutto.
2. Mentre alcune plastiche si deformano facilmente a causa dei solventi, altre plastiche vengono poste in confezioni infrangibili per i solventi aggressivi. Non sono pericolosi, ma possono solo danneggiare gli esseri umani.
3. Le soluzioni di composti macromolecolari sono spesso fornite in semplici sacchetti di plastica per ridurre la percentuale della loro interazione con le sostanze all'interno del contenitore.

Come regola generale, i polimeri sono molto leggeri con un significativo grado di resistenza. Considera una vasta gamma di usi, dai giocattoli alla struttura del telaio delle stazioni spaziali, o dalla sottile fibra di nylon in calzamaglia al kevlar utilizzato nell'armatura. Alcuni polimeri galleggiano nell'acqua, altri affondano. Rispetto alla densità di pietra, cemento, acciaio, rame o alluminio, tutte le materie plastiche sono materiali leggeri.

Le proprietà dei composti macromolecolari sono diverse:

1. I polimeri possono fungere da isolanti termici ed elettrici: apparecchi, cavi, prese elettriche e cablaggi realizzati o rivestiti con materiali polimerici.
2. Elettrodomestici da cucina resistenti al calore con pentole e manici in resina, manici per caffettiere, schiuma per frigorifero e congelatore, tazze termiche, refrigeratori e utensili adatti al microonde.
3. La biancheria intima termica indossata da molti sciatori è in polipropilene, mentre le fibre delle giacche invernali sono in acrilico e poliestere.

I composti ad alto peso molecolare sono sostanze con una gamma illimitata di caratteristiche e colori. Hanno molte proprietà che possono essere ulteriormente migliorate con un'ampia gamma di additivi per espandere l'applicazione. I polimeri possono servire come base per imitare cotone, seta e lana, porcellana e marmo, alluminio e zinco. Nell'industria alimentare, vengono utilizzati per conferire proprietà commestibili ai funghi. Ad esempio, costoso formaggio blu. Può essere consumato in tutta sicurezza grazie alla lavorazione dei polimeri.

Lavorazione e applicazione di strutture polimeriche

I polimeri possono essere lavorati in vari modi:

• L'estrusione consente la produzione di fibre sottili o tubi massicci pesanti, film, bottiglie per alimenti.
• Lo stampaggio a iniezione consente di creare parti complesse, come parti di carrozzeria di grandi dimensioni.
• La plastica può essere fusa in botti o miscelata con solventi per diventare basi adesive o vernici.
• Gli elastomeri e alcune materie plastiche sono estensibili e flessibili.
• Alcune materie plastiche si espandono durante la lavorazione per mantenere la loro forma, come le bottiglie di acqua potabile.
• Altri polimeri possono essere espansi, come polistirene, poliuretano e polietilene.

Le proprietà dei composti macromolecolari variano a seconda dell'azione meccanica e del metodo di ottenimento della sostanza. Ciò consente di applicarli in vari settori. I principali composti macromolecolari hanno una gamma di scopi più ampia rispetto a quelli che differiscono per proprietà speciali e metodi di preparazione. Universali e "stravaganti" "trovano se stessi" nel settore alimentare e delle costruzioni:

1. I composti ad alto peso molecolare sono costituiti da olio, ma non sempre.
2. Molti polimeri sono costituiti da unità ripetitive precedentemente formate da gas naturale, carbone o petrolio greggio.
3. Alcuni materiali da costruzione sono realizzati con materiali rinnovabili come l'acido polilattico (da mais o cellulosa e cascami di cotone).

È anche interessante notare che sono quasi impossibili da sostituire:

• I polimeri possono essere usati per realizzare oggetti che non hanno altre alternative materiali.
• Sono trasformati in pellicole impermeabili trasparenti.
• Il PVC viene utilizzato per realizzare tubi medici e sacche per il sangue che prolungano la durata di conservazione del prodotto e dei suoi derivati.
• Il PVC fornisce in modo sicuro ossigeno infiammabile a tubi flessibili non infiammabili.
• E il materiale antitrombogeno come l'eparina può essere incluso nella categoria dei cateteri flessibili in PVC.

Molti dispositivi medici si concentrano sulle caratteristiche strutturali dei composti macromolecolari per garantire un funzionamento efficace.

Soluzioni di sostanze macromolecolari e loro proprietà

Poiché la dimensione della fase dispersa è difficile da misurare ei colloidi sono sotto forma di soluzioni, a volte identificano e caratterizzano le proprietà fisico-chimiche e di trasporto.

Fase colloide	Difficile	Soluzione pulita	Indicatori dimensionali
	Se il colloide è costituito da una fase solida dispersa in un liquido, le particelle solide non si diffonderanno attraverso la membrana.	Gli ioni o le molecole disciolti si diffonderanno attraverso la membrana a piena diffusione.	A causa dell'esclusione dimensionale, le particelle colloidali non possono passare attraverso i pori della membrana UF più piccoli delle loro stesse dimensioni.
Concentrazione nella composizione di soluzioni di composti macromolecolari	L'esatta concentrazione del soluto effettivo dipenderà dalle condizioni sperimentali utilizzate per separarlo dalle particelle colloidali disperse anch'esse nel liquido.	Dipende dalla reazione dei composti macromolecolari durante lo svolgimento di studi di solubilità per sostanze facilmente idrolizzate come Al, Eu, Am, Cm.	Più piccola è la dimensione dei pori della membrana di ultrafiltrazione, minore è la concentrazioneparticelle colloidali disperse che rimangono nel liquido ultrafiltrato.

Un idrocolloide è definito come un sistema colloidale in cui particelle di molecole macromolecolari sono polimeri idrofili dispersi in acqua.

Dipendenza dall'acqua	Dipendenza dal calore	Dipende dal metodo di produzione
Gli idrocolloidi sono particelle colloidali disperse in acqua. In questo caso, il rapporto tra i due componenti influisce sulla forma del polimero: gel, cenere, stato liquido.	Gli idrocolloidi possono essere irreversibili (in uno stato) o reversibili. Ad esempio, l'agar, un idrocolloide reversibile dell'estratto di alghe, può esistere allo stato gel e solido, oppure alternare stati con l'aggiunta o la rimozione di calore.	L'ottenimento di composti macromolecolari, come gli idrocolloidi, dipende da fonti naturali. Ad esempio, l'agar-agar e la carragenina sono estratti dalle alghe, la gelatina è ottenuta dall'idrolisi delle proteine bovine e di pesce e la pectina è estratta dalle scorze degli agrumi e dalla sansa di mela.
I dessert di gelatina, a base di polvere, hanno un idrocolloide diverso nella loro composizione. È dotato di meno fluidi.	Gli idrocolloidi sono usati negli alimenti principalmente per alterare la consistenza o la viscosità (es. salsa). Tuttavia, la consistenza dipende già dal metodo di trattamento termico.	Le medicazioni mediche a base di idrocolloidi vengono utilizzate per trattare la pelle e le ferite. Ala produzione si basa su una tecnologia completamente diversa e vengono utilizzati gli stessi polimeri.

Altri idrocolloidi principali sono gomma di xantano, gomma arabica, gomma di guar, gomma di semi di carrube, derivati della cellulosa come carbossimetilcellulosa, alginato e amido.

Interazione di sostanze macromolecolari con altre particelle

Le seguenti forze giocano un ruolo importante nell'interazione delle particelle colloidali:

• Repulsione senza riguardo al volume: si riferisce alla mancanza di sovrapposizione tra particelle solide.
• Interazione elettrostatica: le particelle colloidali spesso portano una carica elettrica e quindi si attraggono o si respingono a vicenda. La carica sia della fase continua che di quella dispersa, così come la mobilità delle fasi, sono fattori che influenzano questa interazione.
• Forze di Van der Waals: Ciò è dovuto all'interazione tra due dipoli, che sono permanenti o indotti. Anche se le particelle non hanno un dipolo permanente, le fluttuazioni della densità elettronica determinano un dipolo temporaneo nella particella.
• Forze di entropia. Secondo la seconda legge della termodinamica, il sistema entra in uno stato in cui l'entropia è massimizzata. Questo può portare alla creazione di forze efficaci anche tra sfere dure.
• Le forze steriche tra superfici rivestite di polimero o in soluzioni contenenti un analogo non assorbente possono modulare le forze interparticellari, creando una forza repulsiva sterica aggiuntiva cheè prevalentemente di natura entropica, o una forza di esaurimento nel mezzo.

Quest'ultimo effetto viene ricercato con superfluidificanti appositamente formulati, studiati per aumentare la lavorabilità del calcestruzzo e ridurne il contenuto di acqua.

Cristalli polimerici: dove si trovano, che aspetto hanno?

I composti ad alto peso molecolare includono anche i cristalli, che sono inclusi nella categoria delle sostanze colloidali. Questa è una serie altamente ordinata di particelle che si formano a una distanza molto grande (di solito nell'ordine di pochi millimetri fino a un centimetro) e sembrano simili alle loro controparti atomiche o molecolari.

Nome del colloide trasformato	Esempio di ordinazione	Produzione
Opale prezioso	Uno dei migliori esempi naturali di questo fenomeno si trova nel puro colore spettrale della pietra	Questo è il risultato di nicchie fitte di sfere di biossido di silicio colloidale amorfo (SiO2)

Queste particelle sferiche si depositano in serbatoi altamente silicici. Formano massicci altamente ordinati dopo anni di sedimentazione e compressione sotto l'azione delle forze idrostatiche e gravitazionali. Gli array periodici di particelle sferiche submicrometriche forniscono array di vuoti interstiziali simili che agiscono come un reticolo di diffrazione naturale per le onde luminose visibili, specialmente quando la spaziatura interstiziale è dello stesso ordine di grandezza dell'onda luminosa incidente.

Così, si è scoperto che era ripugnanteLe interazioni coulombiane, le macromolecole caricate elettricamente in un mezzo acquoso possono mostrare correlazioni cristalline a lungo raggio con distanze tra le particelle spesso molto più grandi del diametro delle singole particelle.

In tutti questi casi, i cristalli di un composto macromolecolare naturale hanno la stessa brillante iridescenza (o gioco di colori), che può essere attribuita alla diffrazione e all'interferenza costruttiva delle onde luminose visibili. Soddisfano la legge di Bragg.

Un gran numero di esperimenti sullo studio dei cosiddetti "cristalli colloidali" sono sorti come risultato di metodi relativamente semplici sviluppati negli ultimi 20 anni per ottenere colloidi sintetici monodispersi (sia polimerici che minerali). Attraverso vari meccanismi, la formazione di un ordine a lungo raggio viene realizzata e preservata.

Determinazione del peso molecolare

Il peso molecolare è una proprietà critica di una sostanza chimica, in particolare per i polimeri. A seconda del materiale del campione, vengono selezionati diversi metodi:

1. Il peso molecolare e la struttura molecolare delle molecole possono essere determinati utilizzando la spettrometria di massa. Utilizzando il metodo dell'infusione diretta, i campioni possono essere iniettati direttamente nel rivelatore per confermare il valore di un materiale noto o fornire la caratterizzazione strutturale di un materiale sconosciuto.
2. Le informazioni sul peso molecolare dei polimeri possono essere determinate utilizzando un metodo come la cromatografia ad esclusione dimensionale per la viscosità e le dimensioni.
3. PerLa determinazione del peso molecolare dei polimeri richiede la comprensione della solubilità di un dato polimero.

La massa totale di un composto è uguale alla somma delle singole masse atomiche di ciascun atomo nella molecola. La procedura viene eseguita secondo la formula:

1. Determina la formula molecolare della molecola.
2. Usa la tavola periodica per trovare la massa atomica di ogni elemento in una molecola.
3. Moltiplica la massa atomica di ciascun elemento per il numero di atomi di quell'elemento nella molecola.
4. Il numero risultante è rappresentato da un pedice accanto al simbolo dell'elemento nella formula molecolare.
5. Collega tutti i valori insieme per ogni singolo atomo nella molecola.

Un esempio di semplice calcolo a basso peso molecolare: per trovare il peso molecolare di NH_{3, il primo passo è trovare le masse atomiche di azoto (N) e idrogeno (H). Quindi, H=1, 00794N=14, 0067.}

Poi moltiplica la massa atomica di ciascun atomo per il numero di atomi nel composto. C'è un atomo di azoto (nessun pedice viene fornito per un atomo). Ci sono tre atomi di idrogeno, come indicato dal pedice. Quindi:

• Peso molecolare di una sostanza=(1 x 14.0067) + (3 x 1.00794)
• Pesi molecolari=14.0067 + 3.02382
• Risultato=17, 0305

Un esempio di calcolo del peso molecolare complesso Ca₃(PO₄)_{2 è un'opzione di calcolo più complessa:}

Dalla tavola periodica, le masse atomiche di ciascun elemento:

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

La parte difficile è capire quanti atomi di ogni atomo sono nel composto. Ci sono tre atomi di calcio, due atomi di fosforo e otto atomi di ossigeno. Se la parte di unione è tra parentesi, moltiplica il pedice immediatamente successivo al carattere dell'elemento per il pedice che chiude le parentesi. Quindi:

• Peso molecolare di una sostanza=(40.078 x 3) + (30.97361 x 2) + (15.9994 x 8).
• Peso molecolare dopo il calcolo=120, 234 + 61, 94722 + 127, 9952.
• Risultato=310, 18.

Le forme complesse degli elementi sono calcolate per analogia. Alcuni di essi sono costituiti da centinaia di valori, quindi le macchine automatizzate vengono ora utilizzate con un database di tutti i valori g/mol.