Anorgaanilised polümeerid: näited ja rakendused

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-17 10:25

Looduses leidub organoelemente, orgaanilisi ja anorgaanilisi polümeere. Anorgaaniliste materjalide hulka kuuluvad materjalid, mille põhiahel on anorgaaniline ja külgharud ei ole süsivesinikradikaalid. Keemiliste elementide perioodilise süsteemi III-VI rühmade elemendid on kõige altid anorgaanilise päritoluga polümeeride moodustumisele.

Klassifikatsioon

Orgaanilisi ja anorgaanilisi polümeere uuritakse aktiivselt, nende uued omadused määratakse kindlaks, seega pole nende materjalide selget klassifikatsiooni veel välja töötatud. Siiski saab eristada teatud polümeeride rühmi.

Sõltub struktuurist:

• lineaarne;
• korter;
• hargnenud;
• polümeervõrgud;
• kolmemõõtmeline ja teised.

Sõltuv alt polümeeri põhiaatomitest:

• homoahelatüüp (-M-)n – koosneb ühte tüüpi aatomitest;
• heteroahela tüüp(-M-L-)n – koosnevad erinevat tüüpi aatomitest.

Sõltuv alt päritolust:

• loomulik;
• kunstlik.

Ainete, mis on tahkes olekus makromolekulid, klassifitseerimiseks anorgaanilisteks polümeerideks, peavad neil olema ka teatav ruumistruktuuri anisotroopsus ja vastavad omadused.

Põhifunktsioonid

Sagedasemad on heteroahelalised polümeerid, milles toimub elektropositiivsete ja elektronegatiivsete aatomite vaheldumine, näiteks B ja N, P ja N, Si ja O. Get heteroahelalised anorgaanilised polümeerid (NP) võivad kasutada polükondensatsioonireaktsioone. Oksoanioonide polükondensatsioon kiireneb happelises keskkonnas, hüdraatunud katioonide polükondensatsioon aga leeliselises keskkonnas. Polükondensatsiooni saab läbi viia nii lahuses kui ka tahketes ainetes kõrge temperatuuri juuresolekul.

Paljusid heteroahelalisi anorgaanilisi polümeere on võimalik saada ainult kõrgtemperatuurse sünteesi tingimustes, näiteks otse lihtsatest ainetest. Karbiidid, mis on polümeersed kehad, tekivad siis, kui teatud oksiidid interakteeruvad süsinikuga, samuti kõrgel temperatuuril.

Pikad homoahelalised ahelad (polümerisatsiooniastmega n>100) moodustavad süsiniku ja VI rühma p-elemendid: väävel, seleen, telluur.

Anorgaanilised polümeerid: näited ja rakendused

NP eripära seisneb hariduseskorrapärase kolmemõõtmelise makromolekulide struktuuriga polümeersed kristalsed kehad. Keemiliste sidemete jäiga karkassi olemasolu tagab sellistele ühenditele märkimisväärse kõvaduse.

See omadus võimaldab kasutada abrasiivsete materjalidena anorgaanilisi polümeere. Nende materjalide kasutamine on leidnud tööstuses kõige laiemat rakendust.

NP erakordne keemiline ja termiline vastupidavus on samuti väärtuslik omadus. Näiteks orgaanilistest polümeeridest valmistatud tugevduskiud on õhu käes stabiilsed kuni temperatuurini 150-220 ˚C. Samal ajal püsivad boorkiud ja selle derivaadid stabiilsed kuni temperatuurini 650 ˚С. Seetõttu on anorgaanilised polümeerid paljulubavad uute keemiliselt ja kuumakindlate materjalide loomiseks.

Praktiline väärtus on ka NP-l, mis on nii omadustelt lähedased orgaanilistele omadustele kui ka säilitavad oma spetsiifilised omadused. Nende hulka kuuluvad fosfaadid, polüfosfaseenid, silikaadid, erinevate kõrvalrühmadega polümeersed vääveloksiidid.

Süsinikpolümeerid

Ülesanne: „Tooge näiteid anorgaaniliste polümeeride kohta”, mida sageli leidub keemiaõpikutes. Soovitatav on see läbi viia silmapaistvamate NP-süsiniku derivaatide mainimisega. Lõppude lõpuks hõlmab see ainulaadsete omadustega materjale: teemandid, grafiit ja karabiin.

Karabiin on kunstlikult loodud, väheuuritud lineaarne polümeer, millel on ületamatud tugevusnäitajad, mis pole küll madalamad, kuid mitmete uuringute japarem kui grafeen. Karabiin on aga salapärane aine. Lõppude lõpuks ei tunnista kõik teadlased selle olemasolu iseseisva materjalina.

Väliselt näeb välja nagu metallkristalliline must pulber. Sellel on pooljuhtide omadused. Karbiini elektrijuhtivus suureneb valguse toimel oluliselt. See ei kaota neid omadusi isegi temperatuuril kuni 5000 ˚С, mis on palju kõrgem kui teiste selle otstarbega materjalide puhul. Materjali sai 60ndatel V. V. Korshak, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin ja Yu. P. Kudrjavtsev atsetüleeni katalüütilise oksüdeerimise teel. Kõige keerulisem oli kindlaks teha süsinikuaatomite vaheliste sidemete tüüp. Seejärel saadi NSVL Teaduste Akadeemia Organoelementide Ühendite Instituudist aine, millel on süsinikuaatomite vahel ainult kaksiksidemed. Uus ühend sai nimeks polükumuleen.

Grafiit – selles materjalis ulatub polümeeride järjestamine ainult tasapinnale. Selle kihid on omavahel ühendatud mitte keemiliste sidemete, vaid nõrkade molekulidevahelise interaktsiooni kaudu, mistõttu see juhib soojust ja voolu ega lase läbi valgust. Grafiit ja selle derivaadid on üsna tavalised anorgaanilised polümeerid. Näiteid nende kasutamisest: pliiatsitest tuumatööstuseni. Grafiidi oksüdeerimisel võib saada vahepealseid oksüdatsiooniprodukte.

Teemant – selle omadused on põhimõtteliselt erinevad. Teemant on ruumiline (kolmemõõtmeline) polümeer. Kõiki süsinikuaatomeid hoiavad koos tugevad kovalentsed sidemed. Kuna see polümeer on äärmiselt vastupidav. Teemant ei juhi voolu ega soojust, sellel on läbipaistev struktuur.

Booripolümeerid

Kui teilt küsitakse, milliseid anorgaanilisi polümeere te teate, vastake julgelt – boorpolümeerid (-BR-). See on üsna ulatuslik NP-de klass, mida kasutatakse laialdaselt tööstuses ja teaduses.

Boorkarbiid – selle valem näeb õigem välja selline (B12C3) n. Selle ühikrakk on romboeedriline. Karkassi moodustavad kaksteist kovalentselt seotud boori aatomit. Ja selle keskel on kolme kovalentse sidemega süsinikuaatomi lineaarne rühm. Tulemuseks on väga tugev struktuur.

Boriidid – nende kristallid moodustuvad sarnaselt ülalkirjeldatud karbiidiga. Neist stabiilseim on HfB2, mis sulab alles 3250°C juures. TaB2 on kõrgeima keemilise vastupidavuse poolest – ei happed ega nende segud sellele ei mõju.

Boornitriid – selle sarnasuse tõttu nimetatakse seda sageli valgeks talgiks. See sarnasus on tegelikult vaid pealiskaudne. Struktuurselt sarnaneb see grafiidiga. Hankige see, kuumutades boori või selle oksiidi ammoniaagiatmosfääris.

Borazon

Elbor, borasoon, küboriit, kingsongiit, kuboniit on ülikõvad anorgaanilised polümeerid. Nende kasutusnäited: lihvketaste valmistamine, abrasiivmaterjalid, metallitöötlemine. Need on boori baasil keemiliselt inertsed ained. Kõvadus on teemantidele lähedasem kui teiste materjalidega. Eelkõige jätab borasoon kriimustusi teemantile, viimane jätab kriimud ka borasoonikristallidele.

Kuid neil ND-del on looduslike teemantide ees mitmeid eeliseid: neil on suuremkuumakindlus (talub temperatuuri kuni 2000 ° C, teemant hävib kiirusega vahemikus 700–800 ° C) ja kõrge vastupidavus mehaanilisele pingele (nad ei ole nii habras). Borasooni sai temperatuuril 1350 °C ja rõhul 62 000 atmosfääri Robert Wentorf 1957. aastal. Sarnased materjalid said Leningradi teadlased 1963. aastal.

Anorgaanilised väävlipolümeerid

Homopolümeer – sellel väävli modifikatsioonil on lineaarne molekul. Aine ei ole stabiilne, temperatuurikõikumiste korral laguneb see oktaeedrilisteks tsükliteks. See tekib väävlisulami järsu jahutamise korral.

Vääveldioksiidi polümeermodifikatsioon. Väga sarnane asbestiga, on kiulise struktuuriga.

Seleniumpolümeerid

Hall seleen on polümeer, mille paralleelselt paiknevad spiraalsed lineaarsed makromolekulid. Ahelates on seleeni aatomid kovalentselt seotud, makromolekulid aga molekulaarsete sidemetega. Isegi sula või lahustunud seleen ei lagune üksikuteks aatomiteks.

Punane ehk amorfne seleen on samuti ahela polümeer, kuid veidi korrastatud struktuuriga. Temperatuurivahemikus 70–90 ˚С omandab see kummitaolised omadused, muutudes ülielastseks olekuks, mis meenutab orgaanilisi polümeere.

Seleenkarbiid ehk mäekristall. Termiliselt ja keemiliselt stabiilne, piisav alt tugev ruumiline kristall. Piesoelektriline ja pooljuht. Kunstlikes tingimustes saadi see kvartsliiva ja kivisöe reageerimisel elektriahjus temperatuuril umbes 2000 °C.

Muud seleenipolümeerid:

• Monokliinikseleen – rohkem korrastatud kui amorfne punane, kuid halvem kui hall.
• Seleniumdioksiid ehk (SiO2)n on kolmemõõtmeline võrkpolümeer.
• Asbest on kiulise struktuuriga seleenoksiidi polümeer.

Fosforipolümeerid

Fosfori modifikatsioone on palju: valge, punane, must, pruun, lilla. Punane - NP peenkristalliline struktuur. See saadakse valge fosfori kuumutamisel ilma õhuta temperatuuril 2500 ˚С. Musta fosfori sai P. Bridgman järgmistel tingimustel: rõhk 200 000 atmosfääri temperatuuril 200 °C.

Fosfornitriidkloriidid on fosfori ühendid lämmastiku ja klooriga. Nende ainete omadused muutuvad massi suurenedes. Nimelt väheneb nende lahustuvus orgaanilistes ainetes. Kui polümeeri molekulmass jõuab mitme tuhande ühikuni, moodustub kummine aine. See on ainus piisav alt kuumakindel süsinikuvaba kumm. See laguneb ainult temperatuuril üle 350 °C.

Järeldus

Anorgaanilised polümeerid on enamasti ainulaadsete omadustega ained. Neid kasutatakse tootmises, ehituses, uuenduslike ja isegi revolutsiooniliste materjalide väljatöötamiseks. Kuna teadaolevate NP-de omadusi uuritakse ja uusi luuakse, laieneb nende rakendusala.