Родословная больших молекул

Родословная больших молекул

Все окружающие нас вещества состоят из атомов, которые в ходе самых разнообразных химических реакций соединяются, собираясь в молекулы — группы из десятков, а иногда из сотен атомов. Только немногие атомы, главным образом атомы углерода, способны соединяться в длинные цепочки из десятков и сотен тысяч атомов. Вещества, состоящие из таких гигант­ских цепочек, и называются полимерами.

Химики приложили немало усилий, чтобы разгадать тайны строения гигантских молекул, хотя это было по существу дерзким вызовом природе. Ведь вслед за этим можно перейти к воспроизведению природных веществ искусст­венным путем, а затем и к созданию подобных им новых веществ, которых в природе не суще­ствует.

Разработанная русским ученым А. М. Бут­леровым структурная теория позволила опре­делить строение и «разложить по полочкам» сотни тысяч органических веществ — от про­стейшего болотного газа (метана) до змеиного яда и белка. Многочисленная армия химиков-органиков начала искать способы производства искусственным путем не слишком сложных орга­нических веществ — красителей и лекарств. Это и привело в конце концов к зарождению «химии больших молекул».

В конце XIX в. ученые установили химиче­ский состав целлюлозы, каучука и некоторых белков. Оказалось, что эти вещества, как и большинство других органических соединений, состоят из очень немногих видов атомов — угле­рода, азота, водорода, серы, кислорода. Но за этой простотой скрывалась масса всевозможных сюрпризов. Так, целлюлоза, вещество совер­шенно неплавкое и почти ни в чем не раствори­мое, оказалось сходным по химическому соста­ву с легко растворимым и плавящимся сахари­стым веществом — глюкозой.

Химикам стало ясно, что секрет противопо­ложных свойств кроется не столько в химиче­ском составе этих веществ, сколько в размерах и строении их молекул. Способность органиче­ских веществ растворяться и плавиться умень­шается по мере увеличения количества атомов в их молекулах. Этим же, в частности, объяс­няется высокая механическая прочность при­родных волокон хлопка (целлюлоза), шерсти (белок), шелка и ... паутины.

Молекулы этих волокон очень длинные. А так как в их состав входит ограниченное коли­чество видов атомов, то химики пришли к вы­воду, что длинные молекулы образуются из периодически повторяющихся и сравнительно небольших «кирпичиков». Такие молекулы— «кирпичики» были названы мономерами («моно» — единственный, один). Длинная моле­кула целлюлозы (С₆Н₁₀O₅)_n представляет собой цепочку, содержащую до 10 тыс. звеньев. Каж­дое звено — это молекула глюкозы С₆Н₁₂О₆, у которой отнята молекула воды Н₂O, благодаря чему и произошло соединение молекул в цепоч­ку. Молекула природного каучука сложилась из непрерывно повторяющихся молекул углево­дорода изопрена С₆Н₈, сцепившихся друг с дру­гом за счет разрыва двойных связей. Мономер — одно звено, полимер — много повторяющихся звеньев.

Ученые еще не вполне понимали структуру природных полимеров, но это уже не мешало им получать искусственные высокомолекулярные вещества. Были найдены способы превращения целлюлозы в целлулоид, в ацетатный шелк, порох, кинопленку, красивые блестящие лаки и краски.

В начале XIX в. был открыт способ превра­щения природного каучука в резину путем его вулканизации. При нагревании каучука в присутствии серы звенья его длинных молекул скрепляются между собой как бы перемычками из атомов серы. Это придает каучуку необычную прочность и эластичность. Главным потребите­лем резины стала бурно развивающаяся с на­чала XX в. автомобильная промышленность. И в настоящее время она поглощает более 85% резины, производимой в мире.