Un compost macromolecular és Definició, composició, característiques, propietats

2024 Autora: Angel Austin | [email protected]. Última modificació: 2024-01-02 17:43

Els compostos d' alt pes molecular són polímers que tenen un gran pes molecular. Poden ser compostos orgànics i inorgànics. Distingir entre substàncies amorfes i cristal·lines, que consisteixen en anells monomèrics. Aquestes últimes són macromolècules connectades per enllaços químics i de coordinació. En termes simples, un compost de molècula alta és un polímer, és a dir, substàncies monomèriques que no canvien la seva massa quan s'hi uneix la mateixa substància "pesada". En cas contrari, parlarem de l'oligòmer.

Què estudia la ciència dels compostos macromoleculars?

La química dels polímers macromoleculars és l'estudi de les cadenes moleculars formades per subunitats monomèriques. Això cobreix una àmplia àrea d'investigació. Molts polímers tenen una importància industrial i comercial important. A Amèrica, juntament amb el descobriment del gas natural, es va posar en marxa un gran projecte per construir una planta per a la producció de polietilè. L'etan del gas natural es converteixen etilè, el monòmer a partir del qual es pot fer polietilè.

Un polímer com a compost macromolecular és:

• Qualsevol classe de substàncies naturals o sintètiques formades per molècules molt grans anomenades macromolècules.
• Moltes unitats químiques més senzilles anomenades monòmers.
• Els polímers constitueixen molts materials en els organismes vius, com ara proteïnes, cel·lulosa i àcids nucleics.
• A més, formen la base de minerals com el diamant, el quars i el feldspat, així com de materials artificials com el formigó, el vidre, el paper, els plàstics i els cautxús.

La paraula "polímer" indica un nombre indefinit d'unitats monòmeres. Quan la quantitat de monòmers és molt alta, el compost de vegades s'anomena alt polímer. No es limita als monòmers amb la mateixa composició química o pes molecular i estructura. Alguns compostos orgànics naturals d' alt pes molecular es componen d'un sol tipus de monòmer.

No obstant això, la majoria de polímers naturals i sintètics es formen a partir de dos o més tipus diferents de monòmers; aquests polímers es coneixen com a copolímers.

Substàncies naturals: quin és el seu paper a les nostres vides?

Els compostos orgànics orgànics d' alt pes molecular tenen un paper crucial en la vida de les persones, ja que proporcionen materials estructurals bàsics i participen en processos vitals.

• Per exemple, les parts sòlides de totes les plantes estan formades per polímers. Aquests inclouen cel·lulosa, lignina i diverses resines.
• La polpa éspolisacàrid, un polímer format per molècules de sucre.
• La lignina es forma a partir d'una complexa xarxa tridimensional de polímers.
• Les resines d'arbre són polímers d'un hidrocarbur simple, l'isoprè.
• Un altre polímer d'isoprè conegut és el cautxú.

Altres polímers naturals importants inclouen les proteïnes, que són polímers d'aminoàcids, i els àcids nucleics. Són tipus de nucleòtids. Són molècules complexes formades per bases que contenen nitrogen, sucres i àcid fosfòric.

Els àcids nucleics porten la informació genètica a la cèl·lula. Els midons, una font important d'energia dietètica de les plantes, són polímers naturals formats per glucosa.

La química dels compostos macromoleculars allibera polímers inorgànics. També es troben a la natura, inclosos el diamant i el grafit. Tots dos estan fets de carboni. Val la pena saber-ho:

• En un diamant, els àtoms de carboni estan connectats en una xarxa tridimensional que dóna al material la seva duresa.
• En el grafit, utilitzat com a lubricant i en les "mines" de llapis, els àtoms de carboni s'uneixen en plans que poden lliscar els uns sobre els altres.

Molts polímers importants contenen àtoms d'oxigen o nitrogen, així com àtoms de carboni a la columna vertebral. Aquests materials macromoleculars amb àtoms d'oxigen inclouen poliacetals.

El poliacetal més senzill és el poliformaldehid. Té un alt punt de fusió, és cristal·lí, resistent a l'abrasió il'acció dels dissolvents. Les resines d'acetal són més semblants al metall que qualsevol altre plàstic i s'utilitzen en la fabricació de peces de màquines com ara engranatges i coixinets.

substàncies obtingudes artificialment

Els compostos macromoleculars sintètics es produeixen en diversos tipus de reaccions:

1. Molts hidrocarburs simples com l'etilè i el propilè es poden convertir en polímers afegint un monòmer rere un altre a la cadena de creixement.
2. El polietilè, compost de monòmers d'etilè repetits, és un polímer additiu. Pot tenir fins a 10.000 monòmers connectats en llargues cadenes helicoïdals. El polietilè és cristal·lí, translúcid i termoplàstic, és a dir, es suavitza quan s'escalfa. S'utilitza per a recobriments, envasos, peces modelades i ampolles i envasos.
3. El polipropilè també és cristal·lí i termoplàstic, però més dur que el polietilè. Les seves molècules poden consistir en 50.000-200.000 monòmers.

Aquest compost s'utilitza a la indústria tèxtil i per a l'emmotllament.

Altres polímers additius inclouen:

• polibutadiè;
• poliisoprè;
• policloroprè.

Tots són importants en la producció de cautxús sintètics. Alguns polímers, com el poliestirè, són vidris i transparents a temperatura ambient, i també són termoplàstics:

1. El poliestirè es pot tenyir de qualsevol color i s'utilitza en la fabricació de joguines i altres plàsticsarticles.
2. Quan un àtom d'hidrogen de l'etilè se substitueix per un àtom de clor, es forma clorur de vinil.
3. Es polimeritza en clorur de polivinil (PVC), un material termoplàstic incolor, dur, rígid que es pot fer en moltes formes, incloses escumes, pel·lícules i fibres.
4. L'acetat de vinil, produït per la reacció entre l'etilè i l'àcid acètic, es polimeritza en resines amorfes i toves utilitzades com a recobriments i adhesius.
5. Copolimeritza amb clorur de vinil per formar una gran família de materials termoplàstics.

Un polímer lineal caracteritzat per la repetició de grups èster al llarg de la cadena principal s'anomena polièster. Els polièsters de cadena oberta són materials incolors, cristal·lins i termoplàstics. Aquells compostos macromoleculars sintètics que tenen un pes molecular elevat (entre 10.000 i 15.000 molècules) s'utilitzen en la producció de pel·lícules.

Poliamides sintètiques rares

Les poliamides inclouen les proteïnes de caseïna naturals que es troben a la llet i la zeina que es troben al blat de moro, que s'utilitzen per fabricar plàstics, fibres, adhesius i recobriments. Val la pena destacar:

• Les poliamides sintètiques inclouen resines d'urea-formaldehid, que són termoestables. S'utilitzen per fer objectes modelats i com a adhesius i recobriments per a tèxtils i paper.
• També són importants les resines de poliamida conegudes com niló. Ells sóndurador, resistent a la calor i l'abrasió, no tòxic. Es poden tenyir. El seu ús més famós és com a fibres tèxtils, però tenen molts altres usos.

Una altra família important de compostos químics sintètics d' alt pes molecular consisteix en repeticions lineals del grup de l'uretà. Els poliuretans s'utilitzen en la fabricació de fibres elastomèriques conegudes com spandex i en la fabricació de capes de base.

Una altra classe de polímers són compostos orgànics-inorgànics barrejats:

1. Els representants més importants d'aquesta família de polímers són les silicones. Els compostos d' alt pes molecular contenen àtoms alternats de silici i oxigen amb grups orgànics units a cadascun dels àtoms de silici.
2. Les silicones de baix pes molecular són olis i greixos.
3. Les espècies de pes molecular més elevat són materials elàstics versàtils que es mantenen suaus fins i tot a temperatures molt baixes. També són relativament estables a altes temperatures.

El polímer pot ser tridimensional, bidimensional i únic. Les unitats que es repeteixen sovint estan formades per carboni i hidrogen, i de vegades oxigen, nitrogen, sofre, clor, fluor, fòsfor i silici. Per crear una cadena, moltes unitats s'uneixen químicament o es polimeritzen juntes, canviant així les característiques dels compostos d' alt pes molecular.

Quines característiques tenen les substàncies macromoleculars?

La majoria dels polímers produïts són termoplàstics. Despréses forma el polímer, es pot escalfar i reformar de nou. Aquesta propietat fa que sigui fàcil de manejar. Un altre grup de termoestables no es pot tornar a fondre: un cop formats els polímers, el reescalfament es descompondrà però no es fon.

Característiques dels compostos macromoleculars de polímers en l'exemple d'envasos:

1. Pot ser molt resistent als productes químics. Tingueu en compte tots els líquids de neteja de la vostra llar que estan envasats en plàstic. Es van descriure totes les conseqüències del contacte amb els ulls, però amb la pell. Aquesta és una categoria perillosa de polímers que ho dissol tot.
2. Si bé alguns plàstics es deformen fàcilment amb dissolvents, altres es col·loquen en paquets irrompibles per a dissolvents agressius. No són perillosos, però només poden fer mal als humans.
3. La majoria de les solucions de compostos macromoleculars es subministren en bosses de plàstic senzilles per reduir el percentatge de la seva interacció amb les substàncies dins del recipient.

Com a norma general, els polímers són molt lleugers i tenen un grau de resistència important. Penseu en una varietat d'usos, des de joguines fins a l'estructura del marc de les estacions espacials, o des de la fibra fina de niló a les malles fins al Kevlar utilitzat en l'armadura corporal. Alguns polímers suren a l'aigua, altres s'enfonsen. En comparació amb la densitat de la pedra, el formigó, l'acer, el coure o l'alumini, tots els plàstics són materials lleugers.

Les propietats dels compostos macromoleculars són diferents:

1. Els polímers poden servir com a aïllants tèrmics i elèctrics: aparells, cables, preses de corrent i cablejats fets o recoberts amb materials polimèrics.
2. Electrodomèstics de cuina resistents a la calor amb nanses d'olles i paelles de resina, nanses de cafetera, escuma de nevera i congelador, tasses aïllants, neveres i estris aptes per al microones.
3. La roba interior tèrmica que porten molts esquiadors està feta de polipropilè, mentre que les fibres de les jaquetes d'hivern són d'acrílic i polièster.

Els compostos d' alt pes molecular són substàncies amb una gamma il·limitada de característiques i colors. Tenen moltes propietats que es poden millorar encara més amb una àmplia gamma d'additius per ampliar l'aplicació. Els polímers poden servir de base per imitar el cotó, la seda i la llana, la porcellana i el marbre, l'alumini i el zinc. A la indústria alimentària, s'utilitzen per donar propietats comestibles als fongs. Per exemple, formatge blau car. Es pot menjar amb seguretat gràcies al processament de polímers.

Processament i aplicació d'estructures de polímer

Els polímers es poden processar de diverses maneres:

• L'extrusió permet la producció de fibres primes o tubs massius, pel·lícules, ampolles d'aliments.
• L'emmotllament per injecció permet crear peces complexes, com ara peces grans de carrosseria.
• Els plàstics es poden colar en barrils o barrejar-se amb dissolvents per convertir-se en bases adhesives o pintures.
• Els elastòmers i alguns plàstics són extensibles i flexibles.
• Alguns plàstics s'expandeixen durant el processament per mantenir la seva forma, com ara les ampolles d'aigua potable.
• Altres polímers es poden espumar, com ara el poliestirè, el poliuretà i el polietilè.

Les propietats dels compostos macromoleculars varien en funció de l'acció mecànica i del mètode d'obtenció de la substància. Això fa possible aplicar-los en diferents indústries. Els principals compostos macromoleculars tenen un ventall de finalitats més ampli que els que es diferencien en propietats especials i mètodes de preparació. Universal i "capritxós" "es troben" als sectors de l'alimentació i la construcció:

1. Els compostos d' alt pes molecular estan formats per petroli, però no sempre.
2. Molts polímers es fabriquen a partir d'unitats repetides formades anteriorment a partir de gas natural, carbó o petroli cru.
3. Alguns materials de construcció estan fets de materials renovables com l'àcid polilàctic (de blat de moro o cel·lulosa i linters de cotó).

També és interessant que siguin gairebé impossibles de substituir:

• Els polímers es poden utilitzar per fer articles que no tenen altres alternatives materials.
• Es fan pel·lícules transparents impermeables.
• El PVC s'utilitza per fabricar tubs mèdics i bosses de sang que allargan la vida útil del producte i els seus derivats.
• PVC proporciona oxigen inflamable de manera segura a tubs flexibles no inflamables.
• I el material antitrombogènic com l'heparina es pot incloure a la categoria de catèters flexibles de PVC.

Molts dispositius mèdics se centren en les característiques estructurals dels compostos macromoleculars per garantir un funcionament efectiu.

Solucions de substàncies macromoleculars i les seves propietats

Com que la mida de la fase dispersa és difícil de mesurar i els col·loides estan en forma de solucions, de vegades identifiquen i caracteritzen propietats fisicoquímiques i de transport.

Fase coloide	Dificultat	Solució neta	Indicadors dimensionals
	Si el col·loide consisteix en una fase sòlida dispersa en un líquid, les partícules sòlides no es difondran per la membrana.	Els ions o les molècules dissoltes es difondran per la membrana amb una difusió total.	A causa de l'exclusió de la mida, les partícules col·loïdals no poden passar a través dels porus de la membrana UF més petits que la seva mida.
Concentració en la composició de solucions de compostos macromoleculars	La concentració exacta del solut real dependrà de les condicions experimentals utilitzades per separar-lo de les partícules col·loïdals també disperses en el líquid.	Depèn de la reacció dels compostos macromoleculars quan es realitzen estudis de solubilitat per a substàncies fàcilment hidrolitzades com Al, Eu, Am, Cm.	Com més petita sigui la mida dels porus de la membrana d'ultrafiltració, menor serà la concentraciópartícules col·loïdals disperses que queden al líquid ultrafiltrat.

Un hidrocol·loide es defineix com un sistema col·loïdal en què les partícules de molècules macromoleculars són polímers hidròfils dispersos en aigua.

Addicció a l'aigua	Addicció a la calor	Dependència del mètode de producció
Hidrocol·loides són partícules col·loïdals disperses a l'aigua. En aquest cas, la proporció dels dos components afecta la forma del polímer: gel, cendra, estat líquid.	Els hidrocoloides poden ser irreversibles (en un estat) o reversibles. Per exemple, l'agar, un hidrocol·loide reversible d'extracte d'algues, pot existir en estat de gel i sòlid, o alternar-se entre estats amb l'addició o eliminació de calor.	L'obtenció de compostos macromoleculars, com els hidrocol·loides, depèn de les fonts naturals. Per exemple, l'agar-agar i la carragenina s'extreuen de les algues, la gelatina s'obté per hidròlisi de proteïnes bovines i de peixos i la pectina s'extreu de les pells de cítrics i l'orujo de poma.
Les postres de gelatina, fetes amb pols, tenen un hidrocol·loide diferent en la seva composició. Està dotat amb menys líquid.	Els hidrocoloides s'utilitzen en els aliments principalment per afectar la textura o la viscositat (p. ex. salsa). Tanmateix, la consistència ja depèn del mètode de tractament tèrmic.	Els apòsits mèdics a base d'hidrocol·loides s'utilitzen per tractar la pell i les ferides. ATla fabricació es basa en una tecnologia completament diferent i s'utilitzen els mateixos polímers.

Altres hidrocol·loides principals són la goma xantana, la goma aràbiga, la goma guar, la goma de llagosta, els derivats de la cel·lulosa com la carboximetil cel·lulosa, l'alginat i el midó.

Interacció de substàncies macromoleculars amb altres partícules

Les forces següents tenen un paper important en la interacció de les partícules col·loïdals:

• Repulsió sense tenir en compte el volum: es refereix a la manca de superposició entre partícules sòlides.
• Interacció electrostàtica: les partícules col·loïdals sovint porten una càrrega elèctrica i, per tant, s'atrauen o es repel·leixen mútuament. La càrrega de les fases contínua i dispersa, així com la mobilitat de les fases, són factors que afecten aquesta interacció.
• Forces de Van der Waals: Això es deu a la interacció entre dos dipols, que són permanents o induïts. Encara que les partícules no tinguin un dipol permanent, les fluctuacions de la densitat d'electrons donen lloc a un dipol temporal a la partícula.
• Forces d'entropia. D'acord amb la segona llei de la termodinàmica, el sistema entra en un estat en què es maximitza l'entropia. Això pot provocar la creació de forces efectives fins i tot entre esferes dures.
• Les forces estèriques entre superfícies recobertes de polímer o en solucions que contenen un anàleg no adsorbent poden modular les forces entre partícules, creant una força de repulsió estèrica addicional queés de naturalesa predominantment entròpica, o una força d'esgotament entremig.

Aquest darrer efecte s'està buscant amb superplastificants especialment formulats dissenyats per augmentar la treballabilitat del formigó i reduir-ne el contingut d'aigua.

Cristals de polímer: on es troben, quin aspecte tenen?

Els compostos de molècula alta inclouen fins i tot els cristalls, que s'inclouen a la categoria de substàncies col·loïdals. Es tracta d'un conjunt molt ordenat de partícules que es formen a una distància molt gran (normalment de l'ordre d'uns quants mil·límetres a un centímetre) i tenen un aspecte semblant als seus homòlegs atòmics o moleculars.

Nom del col·loide transformat	Exemple de comanda	Producció
Precious Opal	Un dels millors exemples naturals d'aquest fenomen es troba en el color espectral pur de la pedra	Aquest és el resultat de nínxols tancats d'esferes de diòxid de silici col·loidal amorf (SiO2)

Aquestes partícules esfèriques es dipositen en dipòsits molt silícics. Formen massissos molt ordenats després d'anys de sedimentació i compressió sota l'acció de forces hidrostàtiques i gravitatòries. Les matrius periòdiques de partícules esfèriques submicròmetres proporcionen matrius de buits intersticials similars que actuen com una xarxa de difracció natural per a ones de llum visible, especialment quan l'espai intersticial és del mateix ordre de magnitud que l'ona de llum incident..

Així, es va trobar que a causa de repulsiuLes interaccions de Coulomb, les macromolècules carregades elèctricament en un medi aquós poden mostrar correlacions semblants a cristalls de llarg abast amb distàncies entre partícules sovint molt més grans que el diàmetre de les partícules individuals.

En tots aquests casos, els cristalls d'un compost macromolecular natural tenen la mateixa iridescència brillant (o joc de colors), que es pot atribuir a la difracció i la interferència constructiva de les ones de llum visible. Compleixen la llei de Bragg.

Un gran nombre d'experiments sobre l'estudi dels anomenats "cristalls col·loïdals" van sorgir com a resultat de mètodes relativament senzills desenvolupats durant els últims 20 anys per obtenir col·loides monodispersos sintètics (tant polimèrics com minerals). Mitjançant diversos mecanismes, es realitza i es conserva la formació d'un ordre a llarg termini.

Determinació del pes molecular

El pes molecular és una propietat crítica d'una substància química, especialment per als polímers. Depenent del material de la mostra, es seleccionen diferents mètodes:

1. El pes molecular i l'estructura molecular de les molècules es poden determinar mitjançant espectrometria de masses. Mitjançant el mètode d'infusió directa, les mostres es poden injectar directament al detector per confirmar el valor d'un material conegut o proporcionar una caracterització estructural d'un desconegut.
2. La informació del pes molecular dels polímers es pot determinar mitjançant un mètode com ara la cromatografia d'exclusió de mida per a la viscositat i la mida.
3. PerLa determinació del pes molecular dels polímers requereix entendre la solubilitat d'un polímer determinat.

La massa total d'un compost és igual a la suma de les masses atòmiques individuals de cada àtom de la molècula. El procediment es realitza segons la fórmula:

1. Determineu la fórmula molecular de la molècula.
2. Utilitza la taula periòdica per trobar la massa atòmica de cada element d'una molècula.
3. Multiplica la massa atòmica de cada element pel nombre d'àtoms d'aquest element a la molècula.
4. El nombre resultant es representa amb un subíndex al costat del símbol de l'element a la fórmula molecular.
5. Connecteu tots els valors per a cada àtom de la molècula.

Un exemple de càlcul senzill de baix pes molecular: per trobar el pes molecular de NH_{3, el primer pas és trobar les masses atòmiques de nitrogen (N) i hidrogen (H). Així, H=1, 00794N=14, 0067.}

A continuació, multipliqueu la massa atòmica de cada àtom pel nombre d'àtoms del compost. Hi ha un àtom de nitrogen (no es dóna cap subíndex per a un àtom). Hi ha tres àtoms d'hidrogen, tal com indica el subíndex. Així:

• Pes molecular d'una substància=(1 x 14,0067) + (3 x 1,00794)
• Pesos moleculars=14,0067 + 3,02382
• Resultat=17, 0305

Un exemple de càlcul del pes molecular complex Ca₃(PO₄)_{2 és una opció de càlcul més complexa:}

De la taula periòdica, les masses atòmiques de cada element:

• Ca=40, 078.
• P=30, 973761.
• O=15,9994.

La part complicada és esbrinar quants àtoms hi ha al compost. Hi ha tres àtoms de calci, dos àtoms de fòsfor i vuit àtoms d'oxigen. Si la part d'unió està entre parèntesis, multipliqueu el subíndex immediatament després del caràcter de l'element pel subíndex que tanca els parèntesis. Així:

• Pes molecular d'una substància=(40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
• Pes molecular després del càlcul=120, 234 + 61, 94722 + 127, 9952.
• Resultat=310, 18.

Les formes complexes dels elements es calculen per analogia. Alguns d'ells consten de centenars de valors, de manera que ara s'utilitzen màquines automatitzades amb una base de dades de tots els valors de g/mol.