Как получаются молекулы гиганты

Как получаются молекулы гиганты

Одно дело — разгадать, как устроен природ­ный полимер, а другое — искусственно воспро­извести его или похожий на него полимер, т. е. «сковать» составляющие его звенья в нужную длинную цепочку.

Химик, совершающий такое волшебство, чем-то напоминает строителя. Но вместо оди­наковых и реально осязаемых кирпичей у хими­ка множество невидимых кирпичиков и даже целые готовые блоки из них самой различной величины и формы, образованные из молекул исходных органических веществ — мономеров.

Не все органические вещества способны обра­зовывать полимеры. Органические соединения, состоящие лишь из атомов углерода, обрамлен­ных с нескольких сторон атомами водорода, называют предельными или насы­щенными углеводородами. Это означает, что сами по себе молекулы этих ве­ществ соединяться в еще более длинные цепочки не могут.

Однако в молекулах некоторых углеводоро­дов атомы углерода связаны между собой двой­ными и даже тройными связями. Такие углево­дороды называют непредельными или ненасыщенными. В химическом отношении они намного активнее насыщенных. Та­ковы, например, газы:

Особенность молекул непредельных углево­дородов заключается в том, что при определен­ных условиях одна из связей между атомами углерода может быть разорвана, и тогда молекула приобретает способность присоединять к се­бе одну за другой множество таких же молекул. Образуется одна гигантская молекула-цепочка, состоящая из нескольких десятков и сотен ты­сяч метиленовых групп СН₂. Таким путем поя­вился на свет полиэтилен. Из газа воз­никает твердое вещество, обладающее большой механической прочностью.

Благодаря своим исключительным свойствам в промышленности, изготовляющей электриче­ские кабели и провода, 1 т легкого полиэтиле­на заменяет 3 т очень дорогого свинца. Из полиэтилена можно изготовлять и всевозможную тару: химическую, обычную посуду и даже огромные цистерны для перевозки жидкостей. Полиэтилен — отличный материал для футеровки(облицовки) изнутри металлических труб, применяемых для перекачки кислот и других жидкостей, разъедающих металлы. Там, где стальные трубы приходилось менять каждые два месяца, трубы, облицованные изнутри полиэти­леном, служат больше трех лет.

Из полиэтилена изготовляют и сплошные трубы — прочные, гибкие, практически «веч­ные». Трудно даже подсчитать, какое количе­ство газовых, водопроводных и иных металли­ческих труб можно будет заменить на более стойкие и дешевые — пластмассовые. Можно представить себе машину будущего, которая на ходу роет траншею, тут же отливает полиэти­леновую трубу, укладывает ее на место и засы­пает землей. Вот почему ускоренному развитию производства полиэтилена в нашей стране сей­час уделяется огромное внимание.

Из полимеров — молекул-цепочек — состоят и все клетки живой материи — растений и жи­вотных. Вот перед нами дерево. Целлюлоза — главная составная часть древесины — полимер. Мясо и шерсть животных — полимеры. Угле­воды и белки зерновых злаков — тоже полиме­ры. Волокна хлопка, шелка, смола растений и многих других природных веществ — все это представители великой семьи полимеров. Мил­лионы лет природные гигантские молекулы, или полимеры, обеспечивали человека пищей, одеждой, теплом, кровом.

Свои величайшие богатства природа созда­вала из очень сложных молекул. Эти невероятно тонкие структуры, выработанные в процессе развития живой материи, наделены бесконечным разнообразием свойств и качеств. Человек просто брал от природы все эти блага готовы­ми. Высокомолекулярные соединения довольно долго представляли для химиков загадку, «кни­гу за семью печатями». Когда же во всеоружии приобретенного веками опыта они начали иссле­довать вещества, из которых состоит органиче­ский мир, перед ними открылись неисчерпаемые и необъятные просторы. Свыше двух миллионов химических соединений знают теперь химики-органики, и это количество увеличивается бук­вально каждый день.

Как мы уже говорили, простейшим мономе­ром является этилен. Некоторые из мономеров— те же молекулы этилена, в которых один из ато­мов водорода замещен каким-либо другим атомом или группой атомов.

Если в молекуле этилена один из четырех атомов водорода заменен атомом хлора, то получается уже другой мономер — винилхлорид, из которого образуется полимер поливинилхлорид, — материал, имею­щий тысячи применений.

По сравнению с полиэтиленом поливинилхлорид обладает меньшей горючестью, большей жесткостью и высокой механической прочно­стью, особенно при ударных нагрузках. Из пропитанной им ткани изготовляют прочные ремни для шахтных транспортеров, плитки для полов, водопроводные трубы и множество дру­гих изделий. Поливинилхлорид заменяет метал­лы. 1 т этого полимера сберегает 6 т стали.

В южных районах, особенно в Средней Азии, вода ценится на вес золота. Для орошения полей вода поступает через сильно разветвлен­ную сеть ирригационных сооружений. При этом значительная часть воды просачивается сквозь стенки многочисленных каналов и уходит в зем­лю, не дойдя до посевов. Но если стенки кана­лов выстлать тонкой поливинилхлоридной пленкой, утечка воды практически прекратится.

Замена в этилене одного из атомов водорода группой CN приводит к образованию мономера акрилонитрила. Из него получается цолиакрилонитрил — материал для изготовления синтетических волокон (орлон, нитрон, акрилан). Нити из нитрона в четыре раза прочнее натуральной шерсти. Меха, ковры, одеяла, перчатки, носки, свитера из нитрона так же теплы и мягки, как и сделанные из вер­блюжьей шерсти. Изделия из него после стирки не нужно гладить.

Цепочка полимера, «собранного» из многих мономеров, в свою очередь может принять уже три различные формы.

Боковые группы (Cl, CN, СН₃ и др.) «смо­трят» в любые стороны как попало. Такие по­лимеры называют атактическими. Все боковые группы «направлены» в какую-либо одну сторону. Такие цепочки легко укладыва­ются параллельно друг другу и способны об­разовывать полимеры, напоминающие вещества с частично кристаллической структурой. Их на­зывают изотактическими. Наконец, полимеры, боковые группы в которых распола­гаются по обеим сторонам, но в каком-то оп­ределенном порядке чередования, называют синдиотактическими.

Полимеры могут состоять не из одинаковых, а из разных мономеров, которые также соеди­няются друг с другом в цепочки в полном бес­порядке или в каком-то определенном порядке. У таких полимеров в качестве боковых отрост­ков на месте отдельных атомов или групп атомов могут быть присоединены мономерные и даже полимерные молекулы.

Мы видим, какое огромное количество вари­антов цепочек можно составить, имея в своем распоряжении столь богатые возможности, ком­бинировать порядок расположения атомов и групп атомов в пределах мономеров, а сами мо­номеры — в цепочке всего полимера! И каждое изменение в структуре полимера означает ка­кое-то определенное изменение механических или иных его свойств.