Makromolekulová chémia

Makromolekulová chémia

Študuje štruktúru, vlastnosti a zákonitosti vzniku prírodných i syntetických makromolekulových látok.

Charakteristika makromolekulových látok

Syntetické makromolekulové látky sú to synteticky vyrobené látky, ktoré majú vysokú molekulovú hmotnosť. Sú tvorené z makromolekúl.

Makaromolekula – obrovská molekula, ktorá je zložená z veľkého počtu atómov. Tieto atómy sú spojené chemickými väzbami do dlhých reťazcov.

Napríklad molekuly etylénu spojením vytvárajú polyetylén:

nCH₂ = CH₂ → - CH₂ - CH₂- CH₂– CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₂ -

etylén polyetylén PE

Monomér (mér) – stavebná jednotka molekuly, ktorá sa pravidelne opakuje. Je to nízkomolekulová látka, ktorú polyreakciou môžeme zmeniť na polymér.

Polymér – zlúčenina s vyššímpolymerizačným stupňom n > 10

Oligomér – polymerizačný stupeň n < 10 alebo n = 10

Polymerizačný stupeň n vyjadruje počet monomérov v reťazci makromolekuly.

Stavebná jednotka – mér – je časť makromolekuly, ktorá sa pravidelne opakuje, má stále chemické zloženie.

Štruktúrna jednotka – predstavuje najjednoduchšie usporiadanie stavebných jednotiek v štruktúre makromolekuly.

Polyreakcie – polyadícia, polymerizácia a polykondenzácia – sú to reakcie, ktorými z monomérov vznikajú polyméry.

Plast – plast je materiál, ktorý tvoria makromolekulové látky.

Klasifikácia polymérov

1. Podľa pôvodu:

- prírodné – bielkoviny, polysacharidy (škrob, celulóza...), nukleové kyseliny

- syntetické - PE, PVC, bakelit a podobne.

1. Prírodné delíme na:

a.) pôvodné

b.) modifikované

1. Syntetické delíme podľa spôsobu prípravy na polyméry pripravené:

a.) polymerizáciou – PE, PVC

b.) polykondenzáciou – PES

c.) polyadíciou – polyuretány

1. Podľa tvaru molekúl:

a.) lineárne, napríklad PE

b.) rozvetvené, napríklad PVC

c.) sieťované,napríklad vulkanizovaný kaučuk

d.) priestorovo sieťované, napríklad bakelit (hudobné platne)

1. Podľa správania sa pri zvýšenej teplote:

a.) termoplasty – zohrievaním sa stávajú plastické, mäknú a znovu sa môžu ľahko tvarovať, napríklad PE - polyetylén, PVC...

b.) termosety – sú prechodne tvárlivé, zohrievaním sa chemicky menia, a strácajú tým plastickosť. Teda zahrievaním tuhnú. Napríklad aminoplasty.

Elastomer – je to materiál, ktorý sa dá natiahnuť na niekoľkonásobok svojej vlastnej dĺžky. Po tom ako sila, ktorá materiál naťahuje prestane pôsobiť, sa elastomer vráti do svojho pôvodného stavu. Napríklad syntetický kaučuk.

Polymerizácia

Je to polyreakcia – viacnásobná adícia, pri ktorej reagujú rovnaké monoméry na polymér bez vzniku vedľajšieho produktu – monomér má mať násobnú väzbu

Homopolymerizácia – viacnásobná adícia systémov

Kopolymerizácia – reakcia dvoch rôznych mérov bez vzniku vedľajšieho produktu

Syntetický kaučuk – vzniká polymerizáciou but – 1,3-diénu

Vulkanizácia kaučuku – kaučuková zmes sa homogenizuje medzi vyhrievanými oceľovými valcami. Formuje sa pri teplote 130 – 150 °C. Zohrievaním sa makromolekuly kaučuku spájajú s atómami síry = vznik gumy. Použitie – výroba pneumatík, gúm, lepidiel, náterov....

Vlastnosti

Výhodné vlastnosti makromolekulových látok:

• pevné
• dobre tvarovateľné
• ľahké
• odolné voči chemikáliám
• tepelné a elektrické izolanty
• ľahké spracovanie

Nevýhodné vlastnosti:

• horľavé
• mäkké
• v rozpúšťadlách dochádza k ich napučaniu
• zle prepúšťajú plyny a vodu
• voči mikroorganizmom sú odolné, majú zlú rozložiteľnosť

Polymerizácia

Je to proces, v ktorom sa spájajú nenasýtené monoméry do polyméru. Nevzniká pri tom vedľajší produkt. Napríklad vznik polyetylénu.

Polimerizácia má tri fázy:

1. iniciácia – predstavuje začiatok reakcie. Pri radikálovej polymerizácii sa iniciátor rozpadne na radikály. Iniciátor je látka, ktorá zahajuje iniciáciu (inciuje polymerizáciu)

R – R → R⁺ + R⁺

1. propagácia – radikál reaguje s monomérom a reťazec sa postupne predlžuje.

R⁺ + CH₂ = CH₂ → R – CH₂ – CH₂ ⁺

R – CH₂ – CH₂₊ + CH₂ = CH₂ → R – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₂⁺

1. terminácia – termináciou sa proces polymerizácie ukončuje, napríklad spojením dvoch narastajúcich reťazcov.

Polykondenzácia

Je to polyreakcia dvoch rôznych monomérov, ktoré majú najmenej dve rôzne funkčné skupiny napríklad: -OH, -COOH, -NH₂, atď.

Pri polykondenzácii vzniká vedľajší produkt – nízkomolekulová látka, napríklad voda H₂O, amoniak NH₃, alebo kyselina chlorovodíková HCl. Je to mnohonásobná reakcia, ktorá ma adično – eliminačný mechanizmus.

Polyadícia

je to reakcia dvoch rôznych monomérov, z ktorých každý má najmenej dve rôzne funkčné skupiny. Pri polyadícii dochádza k postupnému premiestňovaniu vodíkových protónov. Pri polyadícii vedľajší produkt nevzniká.

Rozdiel medzi polymerizáciou a polykondenzáciou

Narozdiel od polymerizácie pri polykondenzácii vzniká vždy vedľajší produkt – nízkomolekulová zlúčenina, napríklad H₂O - voda, NH₃ – amoniak, HCl chlorovodík - preto sa tieto polyméry odlišujú chemickým zložením od východiskových látok. Nazývame ich aj polykondenzáty. Polykondenzácia má narozdiel od polymerizácie stupňovitý priebeh, to znamená, že z reakčnej zmesi možno kedykoľvek izolovať makromolekuly s rozličnou dĺžkou polymérneho reťazca. Túto možnosť podporuje i vratnosť polykondenzačnej reakcie. Vznikajúci vedľajší produkt treba z reakčného prostredia odstraňovať, aby nenastal rovnovážny stav. Stupňovité polyreakcie sa od reťazových odlišujú aj z termodynamického hľadiska – zvyčajne sú to endotermické reakcie.

Najdôležitejšie polyméry vznikajúce polymerizáciou

1. Polyetylén PE – vyrába sa z etylénu. Je pevný, odolný voči vode, chemikáliám a mrazu. Vyrábajú sa z neho fólie a potrubia, fľaše na uskladňovanie chemikálií, úžitkové predmety: sieťky, cedidlá, vedrá a podobne, obalová technika. Barlén, Litén.

1. Polypropylén PP – vyrába sa z propylénu. Používa sa na výrobu fólií, obalovej techniky, ako elektroizolačný materiál, zdravotnícke potreby, textilné vlákna. Je odolný voči teplotám do 160°C. Mostén, Tatrén.

1. Polyvinylchlorid PVC – Vyrába sa polymerizáciou vinylchloridu. PVC je málo odolný voči vyšším teplotám – nad 45°C a mrazu. Slúži na výrobu lepidiel a lakov, v nábytkárstve, vyrábajú sa z neho tyče. Novodur – nemäkčený, používa sa na výrobu rúrok a izolačného materiálu. Novoplast – mäkčený, používa sa na výrobu hračiek, plášťov do dažďa, hadíc, fólií, podlahových krytín a podobne. Mäkčený poznáme pod obchodným názvom igelit.

1. Polytetrafluóretylén - PTFE – Vzniká polymerizáciu tetrafluóretylénu. Používa sa na povrchovú úpravu lyží, kuchynského riadu, v chemickom priemysle a elektrotechnike. Je výborný elektroizolant, chemicky a tepelne odolný. Nazýva sa aj Teflón.

1. Polystyrén - PS - Vyrába sa polymerizáciou styrénu. Je dobrým izolantom, je tvrdý a priehľadný. Nemäkčený sa používa na výrobu napríklad misiek, mäkčený penový polystyrén sa používa ako obalový a izolačný materiál.

1. Polyvinylacetát PVAC – Vyrába sa polymerizáciou vinylacetátu. Je používaný na impregnáciu textilu, papiera, ako emulzná náterová látka – latex, pri výrobe lepidiel. Je nehorľavý a dobre priľnúci na materiály.

1. Polymetylmetakrylát – PMMA – Vyrába sa polymerizáciou metyl-metakrylátu. Je to priesvitná, pevná hmota. Nazývame ho aj organické sklo-plexisklo. Vyrábajú sa z neho kabíny dopravných prostriedkov, kryty, používa sa na zasklievanie okien, v zdravotníctve na výrobu zubných protéz, v kostnej a kĺbovej chirurgii, na výrobu kontaktných šošoviek, ideálny termoplastický materiál. Umaplex.

Plasty vyrobené polykondenzáciou

1. Polyestery – PES.Vyrábajú sa polykondenzáciou dvojsýtnych alkoholov a dikarboxylových kyselín. PES – pevné, odolné voči oderu.

Použitie: na výrobu textilných vláken, polyesterových sklenných laminátov

1. Polyamidy – PAD

- vznikajú polykondenzáciou diamínov s dikarboxylovými kyselinami. Napríklad polyamid s výrobným názvom nylon.

Polyamidy sú pevné, odolné a veľmi dobre tvarovateľné, nekrčivé, elastické, ľahké.

Negatívne stránky PAD vlákien – nedostatočná priepustnosť vodných pár a vzduchu, spôsobujú kožné choroby.

Vznik fenolformaldehydových (fenoplasty) a močovinovo – formladehydových živíc (aminoplasty).

Fenoplasty

Fenolformaldehydové živice – fenoplasty alebo bakelity – vznikajú polykondenzáciou fenolu a formladehydu.

Táto polykondenzácia môže prebehnúť:

a.) v kyslom prostredí – vznikajú lineárne reťazce – Novolak.

Použitie novolaku – na výrobu lakov

b.) v zásaditom prostredí vzniká rezit s priestorovo sieťovanou štruktúrou. Rezit je nerozpustný a netaviteľný. Použitie: elektrotechnické potreby a materiály (vypínače, zásuvky, kľučky na dvere a okná)

Aminoplasty

Výroba: polykondenzáciou močoviny a formaldehydu.

Charakteristika: bezfarebné alebo biele sfarbenie, je možnosť ich ľubovoľne farbiť. Aminoplasty sa používajú na výrobu náterových hmôt, tmelov, spotrebného tovaru, obkladov a elektrotechnického materiálu.

Epoxidové živice

• vyrábajú sa polykondenzáciou viacsýtnych fenolov a zlúčenín s epoxidovou skupinou. Epoxidové živice sú tvrdé a dobre priľnavé. Používajú sa na výrobu lepidiel a epoxidových lakov.

Plasty vyrobené polyadíciou

Polyuretány

• vyrabajú sa polyadíciou diizokyanátov a dvojsýtnych alkoholov. Sú ľahké a pevné, používajú sa na výrobu lepidiel, textilných vlákien, penového molitanu.