Anorganické polyméry: príklady a aplikácie

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 10:39

V prírode existujú organoprvkové, organické a anorganické polyméry. Anorganické materiály zahŕňajú materiály, ktorých hlavný reťazec je anorganický a vedľajšie vetvy nie sú uhľovodíkové radikály. Prvky III-VI skupín periodickej sústavy chemických prvkov sú najviac náchylné na tvorbu polymérov anorganického pôvodu.

Klasifikácia

Organické a anorganické polyméry sa aktívne študujú, zisťujú sa ich nové vlastnosti, takže jasná klasifikácia týchto materiálov ešte nebola vyvinutá. Určité skupiny polymérov však možno rozlíšiť.

V závislosti od štruktúry:

• linear;
• ploché;
• vetvený;
• polymérové siete;
• trojrozmerné a iné.

V závislosti od základných atómov, ktoré tvoria polymér:

• typ homochain (-M-)n – pozostáva z jedného druhu atómov;
• typ heterochain(-M-L-)n - pozostávajú z rôznych typov atómov.

V závislosti od pôvodu:

• natural;
• umelé.

Na klasifikáciu látok, ktoré sú makromolekulami v pevnom stave ako anorganické polyméry, musia mať tiež určitú anizotropiu priestorovej štruktúry a zodpovedajúce vlastnosti.

Kľúčové funkcie

Bežnejšie sú heteroreťazcové polyméry, v ktorých dochádza k striedaniu elektropozitívnych a elektronegatívnych atómov, napríklad B a N, P a N, Si a O. Získať heteroreťazcové anorganické polyméry (NP) možno pomocou polykondenzačných reakcií. Polykondenzácia oxoaniónov sa urýchľuje v kyslom prostredí, zatiaľ čo polykondenzácia hydratovaných katiónov sa urýchľuje v alkalickom prostredí. Polykondenzáciu je možné vykonávať v roztoku aj v pevných látkach za prítomnosti vysokej teploty.

Mnohé heteroreťazcové anorganické polyméry možno získať iba za podmienok vysokoteplotnej syntézy, napríklad priamo z jednoduchých látok. K tvorbe karbidov, ktoré sú polymérnymi telesami, dochádza pri interakcii určitých oxidov s uhlíkom, ako aj v prítomnosti vysokej teploty.

Dlhé homoreťazcové reťazce (so stupňom polymerizácie n>100) tvoria uhlík a p-prvky skupiny VI: síra, selén, telúr.

Anorganické polyméry: príklady a aplikácie

Špecifikum NP spočíva vo vzdelávanípolymérne kryštalické telieska s pravidelnou trojrozmernou štruktúrou makromolekúl. Prítomnosť pevného rámca chemických väzieb poskytuje takýmto zlúčeninám značnú tvrdosť.

Táto vlastnosť umožňuje použiť anorganické polyméry ako abrazívne materiály. Použitie týchto materiálov našlo najširšie uplatnenie v priemysle.

Výnimočná chemická a tepelná odolnosť NP je tiež cennou vlastnosťou. Napríklad výstužné vlákna vyrobené z organických polymérov sú stabilné na vzduchu až do teploty 150-220 ˚C. Medzitým bórové vlákno a jeho deriváty zostávajú stabilné až do teploty 650 ˚С. To je dôvod, prečo sú anorganické polyméry sľubné pre vytváranie nových chemicky a tepelne odolných materiálov.

Praktickú hodnotu majú aj NP, ktoré sú svojimi vlastnosťami blízke organickým a zachovávajú si svoje špecifické vlastnosti. Patria sem fosfáty, polyfosfazény, silikáty, polymérne oxidy síry s rôznymi postrannými skupinami.

Uhlíkové polyméry

Zadanie: „Uveďte príklady anorganických polymérov“, ktoré sa často nachádzajú v učebniciach chémie. Odporúča sa to vykonať so zmienkou o najvýznamnejších NP - uhlíkových derivátoch. Koniec koncov, to zahŕňa materiály s jedinečnými vlastnosťami: diamanty, grafit a karabína.

Carbine je umelo vytvorený, málo študovaný lineárny polymér s neprekonateľnými indikátormi sily, ktoré nie sú podradné, ale podľa množstva štúdií alepší ako grafén. Karabína je však záhadná látka. Koniec koncov, nie všetci vedci uznávajú jeho existenciu ako nezávislého materiálu.

Navonok vyzerá ako kovovo-kryštalický čierny prášok. Má polovodičové vlastnosti. Elektrická vodivosť karbínu sa pôsobením svetla výrazne zvyšuje. Tieto vlastnosti nestráca ani pri teplotách do 5000 ˚С, čo je oveľa viac ako u iných materiálov tohto účelu. Materiál dostal v 60. rokoch V. V. Korshak, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin a Yu. P. Kudryavtsev katalytickou oxidáciou acetylénu. Najťažšie bolo určiť typ väzieb medzi atómami uhlíka. Následne bola v Ústave organoelementových zlúčenín Akadémie vied ZSSR získaná látka len s dvojitými väzbami medzi atómami uhlíka. Nová zlúčenina dostala názov polykumulén.

Grafit - v tomto materiáli sa usporiadanie polymérov rozširuje iba v rovine. Jeho vrstvy sú spojené nie chemickými väzbami, ale slabými medzimolekulovými interakciami, takže vedie teplo a prúd a neprepúšťa svetlo. Grafit a jeho deriváty sú pomerne bežné anorganické polyméry. Príklady ich použitia: od ceruziek po jadrový priemysel. Oxidáciou grafitu možno získať medziprodukty oxidácie.

Diamant – jeho vlastnosti sú zásadne odlišné. Diamant je priestorový (trojrozmerný) polymér. Všetky atómy uhlíka sú držané pohromade silnými kovalentnými väzbami. Pretože tento polymér je mimoriadne odolný. Diamant nevedie prúd a teplo, má priehľadnú štruktúru.

Bórové polyméry

Ak sa vás pýtajú, aké anorganické polyméry poznáte, pokojne odpovedzte – polyméry bóru (-BR-). Ide o pomerne rozsiahlu triedu NP, ktorá sa široko používa v priemysle a vede.

Karbid bóru – jeho vzorec vyzerá správnejšie takto (B12C3) č. Jeho základná bunka je romboedrická. Rámec je tvorený dvanástimi kovalentne viazanými atómami bóru. A v jej strede je lineárna skupina troch kovalentne viazaných atómov uhlíka. Výsledkom je veľmi pevná štruktúra.

Boridy - ich kryštály vznikajú podobne ako vyššie popísaný karbid. Najstabilnejší z nich je HfB2, ktorý sa topí len pri 3250 °C. TaB2 sa vyznačuje najvyššou chemickou odolnosťou - nepôsobia naň kyseliny ani ich zmesi.

Nitrid bóru – často označovaný ako biely mastenec pre svoju podobnosť. Táto podobnosť je naozaj len povrchná. Štruktúrou je podobný grafitu. Získajte ho zahrievaním bóru alebo jeho oxidu v atmosfére amoniaku.

Borazon

Elbor, borazón, kyborit, kingsongit, cubonit sú supertvrdé anorganické polyméry. Príklady ich použitia: výroba brúsnych kotúčov, brúsnych materiálov, spracovanie kovov. Ide o chemicky inertné látky na báze bóru. Tvrdosť je bližšia ako iné materiály k diamantom. Najmä borazón zanecháva škrabance na diamante, ten zanecháva škrabance aj na kryštáloch bórazónu.

Tieto ND však majú oproti prírodným diamantom niekoľko výhod: majú väčšietepelná odolnosť (odoláva teplotám do 2000 °C, diamant sa ničí rýchlosťou v rozmedzí 700-800 °C) a vysoká odolnosť voči mechanickému namáhaniu (nie sú také krehké). Borazon získal pri teplote 1350 °C a tlaku 62 000 atmosfér Robert Wentorf v roku 1957. Podobné materiály získali leningradskí vedci v roku 1963.

Anorganické sírové polyméry

Homopolymér - táto modifikácia síry má lineárnu molekulu. Látka nie je stabilná, pri teplotných výkyvoch sa rozpadá na oktaedrické cykly. Vzniká v prípade prudkého ochladenia taveniny síry.

Polymérová modifikácia oxidu siričitého. Veľmi podobný azbestu, má vláknitú štruktúru.

Polyméry selénu

Sivý selén je polymér so špirálovitými lineárnymi makromolekulami umiestnenými paralelne. V reťazcoch sú atómy selénu viazané kovalentne, zatiaľ čo makromolekuly sú spojené molekulárnymi väzbami. Ani roztavený alebo rozpustený selén sa nerozloží na jednotlivé atómy.

Červený alebo amorfný selén je tiež polymérom reťazca, ale s mierne usporiadanou štruktúrou. V rozsahu teplôt 70-90 ˚С získava vlastnosti podobné gume, prechádza do vysoko elastického stavu, ktorý pripomína organické polyméry.

Karbid selénu alebo horský krištáľ. Tepelne a chemicky stabilný, dostatočne pevný priestorový kryštál. Piezoelektrické a polovodičové. V umelých podmienkach sa získaval reakciou kremenného piesku a uhlia v elektrickej peci pri teplote asi 2000 °C.

Iné selénové polyméry:

• Monoklinikaselén - usporiadanejší ako amorfná červená, ale podradnejší ako sivá.
• Oxid seléničitý alebo (SiO2)n je trojrozmerný sieťový polymér.
• Azbest je polymér oxidu selénu s vláknitou štruktúrou.

Phosforové polyméry

Existuje mnoho modifikácií fosforu: biela, červená, čierna, hnedá, fialová. Červená - NP jemne kryštalická štruktúra. Získava sa zahrievaním bieleho fosforu bez vzduchu pri teplote 2500 ˚С. Čierny fosfor získal P. Bridgman za nasledujúcich podmienok: tlak 200 000 atmosfér pri teplote 200 °C.

Fosfornitridové chloridy sú zlúčeniny fosforu s dusíkom a chlórom. Vlastnosti týchto látok sa menia s rastúcou hmotnosťou. Totiž, ich rozpustnosť v organických látkach klesá. Keď molekulová hmotnosť polyméru dosiahne niekoľko tisíc jednotiek, vytvorí sa gumovitá látka. Je to jediná dostatočne tepelne odolná bezuhlíková guma. Rozkladá sa iba pri teplotách nad 350 °C.

Záver

Anorganické polyméry sú väčšinou látky s jedinečnými vlastnosťami. Používajú sa vo výrobe, v stavebníctve, na vývoj inovatívnych až revolučných materiálov. Ako sa študujú vlastnosti známych NP a vytvárajú sa nové, rozsah ich použitia sa rozširuje.