Polimery nieorganiczne: przykłady i zastosowania

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

W naturze występują polimery organoelementowe, organiczne i nieorganiczne. Materiały nieorganiczne obejmują materiały, których łańcuch główny jest nieorganiczny, a gałęzie boczne nie są rodnikami węglowodorowymi. Pierwiastki III-VI grup układu okresowego pierwiastków chemicznych są najbardziej podatne na tworzenie się polimerów pochodzenia nieorganicznego.

Klasyfikacja

Organiczne i nieorganiczne polimery są aktywnie badane, określane są ich nowe właściwości, dlatego nie opracowano jeszcze jasnej klasyfikacji tych materiałów. Można jednak wyróżnić pewne grupy polimerów.

W zależności od struktury:

• liniowy;
• płaskie;
• rozgałęziony;
• siatki polimerowe;
• trójwymiarowy i inne.

W zależności od atomów szkieletu tworzących polimer:

• typ homochain (-M-)n – składa się z jednego rodzaju atomów;
• typ heterołańcuchowy(-M-L-)n - składają się z różnych typów atomów.

W zależności od pochodzenia:

• naturalny;
• sztuczne.

Aby sklasyfikować substancje będące makrocząsteczkami w stanie stałym jako polimery nieorganiczne, muszą one również mieć pewną anizotropię struktury przestrzennej i odpowiednie właściwości.

Kluczowe funkcje

Bardziej powszechne są polimery heterołańcuchowe, w których zachodzi naprzemienność atomów elektrododatnich i elektroujemnych, na przykład B i N, P i N, Si i O. Nieorganiczne polimery heterołańcuchowe (NP) mogą wykorzystywać reakcje polikondensacji. Polikondensacja oksoanionów jest przyspieszana w środowisku kwaśnym, natomiast polikondensacja uwodnionych kationów jest przyspieszana w środowisku zasadowym. Polikondensację można przeprowadzić zarówno w roztworze, jak i w ciałach stałych w obecności wysokiej temperatury.

Wiele heterołańcuchowych polimerów nieorganicznych można uzyskać tylko w warunkach syntezy wysokotemperaturowej, na przykład bezpośrednio z prostych substancji. Powstawanie węglików, które są ciałami polimerowymi, następuje, gdy pewne tlenki wchodzą w interakcję z węglem, a także w obecności wysokiej temperatury.

Długie łańcuchy homołańcuchowe (o stopniu polimeryzacji n>100) tworzą węgiel i pierwiastki p grupy VI: siarka, selen, tellur.

Polimery nieorganiczne: przykłady i zastosowania

Specyfika NP leży w edukacjipolimerowe ciała krystaliczne o regularnej trójwymiarowej strukturze makrocząsteczek. Obecność sztywnego szkieletu wiązań chemicznych zapewnia takim związkom znaczną twardość.

Ta właściwość umożliwia stosowanie polimerów nieorganicznych jako materiałów ściernych. Zastosowanie tych materiałów znalazło najszersze zastosowanie w branży.

Wyjątkowa odporność chemiczna i termiczna NP jest również cenną właściwością. Na przykład włókna wzmacniające wykonane z polimerów organicznych są stabilne w powietrzu do temperatury 150-220 ˚C. Tymczasem włókno boru i jego pochodne pozostają stabilne do temperatury 650 ˚С. Dlatego polimery nieorganiczne są obiecujące w tworzeniu nowych materiałów odpornych chemicznie i termicznie.

Praktyczną wartość mają również NP, które mają właściwości zbliżone do organicznych i zachowują swoje specyficzne właściwości. Należą do nich fosforany, polifosfazeny, krzemiany, polimeryczne tlenki siarki z różnymi grupami bocznymi.

Polimery węglowe

Zadanie: „Podaj przykłady polimerów nieorganicznych”, często spotykanych w podręcznikach do chemii. Wskazane jest, aby przeprowadzić go z wymienieniem najwybitniejszych NP - pochodnych węgla. W końcu obejmuje to materiały o unikalnych właściwościach: diamenty, grafit i karabinek.

Karabinek to sztucznie stworzony, mało zbadany liniowy polimer o niezrównanych wskaźnikach wytrzymałości, które nie są gorsze, ale według wielu badań ilepszy od grafenu. Karabinek jest jednak substancją tajemniczą. W końcu nie wszyscy naukowcy uznają jego istnienie za niezależny materiał.

Na zewnątrz wygląda jak metalowo-krystaliczny czarny proszek. Posiada właściwości półprzewodnikowe. Przewodność elektryczna karbynu znacznie wzrasta pod wpływem światła. Nie traci tych właściwości nawet w temperaturach do 5000 ˚С, czyli znacznie wyższych niż w przypadku innych materiałów do tego celu. Materiał odebrał w latach 60. V. V. Korshak, AM Sladkov, V. I. Kasatochkin i Yu. P. Kudryavtsev przez katalityczne utlenianie acetylenu. Najtrudniejsze było określenie rodzaju wiązań między atomami węgla. Następnie w Instytucie Związków Organopierwiastkowych Akademii Nauk ZSRR uzyskano substancję zawierającą tylko wiązania podwójne między atomami węgla. Nowy związek został nazwany polycumulene.

Grafit - w tym materiale uporządkowanie polimeru rozciąga się tylko w płaszczyźnie. Jego warstwy są połączone nie wiązaniami chemicznymi, ale słabymi oddziaływaniami międzycząsteczkowymi, dzięki czemu przewodzi ciepło i prąd oraz nie przepuszcza światła. Grafit i jego pochodne są dość powszechnymi polimerami nieorganicznymi. Przykłady ich zastosowania: od ołówków do przemysłu jądrowego. Poprzez utlenianie grafitu można otrzymać pośrednie produkty utleniania.

Diament - jego właściwości są zasadniczo inne. Diament to polimer przestrzenny (trójwymiarowy). Wszystkie atomy węgla są połączone silnymi wiązaniami kowalencyjnymi. Ponieważ ten polimer jest niezwykle trwały. Diament nie przewodzi prądu i ciepła, ma przezroczystą strukturę.

Polimery boru

Jeśli zostaniesz zapytany, jakie znasz polimery nieorganiczne, nie wahaj się odpowiedzieć – polimery boru (-BR-). Jest to dość obszerna klasa nanocząsteczek, szeroko stosowana w przemyśle i nauce.

Węglik boru - jego formuła wygląda bardziej poprawnie tak (B12C3) n. Jego komórka elementarna jest romboedryczna. Szkielet tworzy dwanaście kowalencyjnie związanych atomów boru. A w jego środku znajduje się liniowa grupa trzech kowalencyjnie związanych atomów węgla. Rezultatem jest bardzo silna struktura.

Borki - ich kryształy formują się podobnie do opisanego powyżej węglika. Najbardziej stabilnym z nich jest HfB2, który topi się tylko w 3250°C. TaB2 odznacza się najwyższą odpornością chemiczną – nie działają na nią ani kwasy, ani ich mieszaniny.

Azotek boru - często nazywany białym talkiem ze względu na swoje podobieństwo. To podobieństwo jest tak naprawdę tylko powierzchowne. Strukturalnie przypomina grafit. Zdobądź go, ogrzewając bor lub jego tlenek w atmosferze amoniaku.

Borazon

Elbor, borazon, cyboryt, kingsongit, kubonit to supertwarde polimery nieorganiczne. Przykłady ich zastosowania: produkcja ściernic, materiałów ściernych, obróbka metali. Są to chemicznie obojętne substancje na bazie boru. Twardość jest bliższa diamentom niż inne materiały. W szczególności borazon pozostawia zadrapania na diamencie, ten ostatni również pozostawia zadrapania na kryształach borazonu.

Jednak te ND mają kilka zalet w porównaniu z naturalnymi diamentami: mają większąodporność na ciepło (wytrzymują temperatury do 2000°C, diamenty niszczą się z szybkością w zakresie 700-800°C) oraz wysoką odporność na naprężenia mechaniczne (nie są tak kruche). Borazon został uzyskany w temperaturze 1350 °C i pod ciśnieniem 62 000 atmosfer przez Roberta Wentorfa w 1957 roku. Podobne materiały uzyskali naukowcy z Leningradu w 1963 roku.

Nieorganiczne polimery siarki

Homopolimer - ta modyfikacja siarki ma liniową cząsteczkę. Substancja nie jest stabilna, przy wahaniach temperatury rozpada się na cykle oktaedryczne. Powstaje w przypadku gwałtownego schłodzenia roztopionej siarki.

Polimerowa modyfikacja dwutlenku siarki. Bardzo podobny do azbestu, ma strukturę włóknistą.

Polimery selenu

Szary selen jest polimerem ze spiralnie liniowymi makrocząsteczkami zagnieżdżonymi równolegle. W łańcuchach atomy selenu są połączone kowalencyjnie, podczas gdy makrocząsteczki są połączone wiązaniami molekularnymi. Nawet stopiony lub rozpuszczony selen nie rozpada się na pojedyncze atomy.

Selen czerwony lub amorficzny jest również polimerem łańcucha, ale o nieco uporządkowanej strukturze. W zakresie temperatur 70-90 ˚С nabiera właściwości gumopodobnych, przechodząc w stan wysoce elastyczny, przypominający polimery organiczne.

Węglik selenu lub kryształ górski. Stabilny termicznie i chemicznie, wystarczająco mocny kryształ przestrzenny. Piezoelektryk i półprzewodnik. W sztucznych warunkach otrzymano go w wyniku reakcji piasku kwarcowego i węgla w piecu elektrycznym w temperaturze około 2000°C.

Inne polimery selenu:

• Jednoklinicznaselen - bardziej uporządkowany niż amorficzna czerwień, ale gorszy od szarego.
• Dwutlenek selenu lub (SiO2)n to trójwymiarowy polimer sieciowy.
• Azbest to polimer tlenku selenu o włóknistej strukturze.

Polimery fosforu

Istnieje wiele modyfikacji fosforu: biały, czerwony, czarny, brązowy, fioletowy. Czerwony - drobnokrystaliczna struktura NP. Otrzymuje się go przez ogrzewanie białego fosforu bez powietrza w temperaturze 2500 ˚С. Fosfor czarny został otrzymany przez P. Bridgmana w następujących warunkach: ciśnienie 200 000 atmosfer w temperaturze 200 °C.

Chlorki fosforoazotkowe to związki fosforu z azotem i chlorem. Właściwości tych substancji zmieniają się wraz ze wzrostem masy. Mianowicie zmniejsza się ich rozpuszczalność w substancjach organicznych. Gdy masa cząsteczkowa polimeru osiągnie kilka tysięcy jednostek, powstaje gumowata substancja. Jest to jedyna wystarczająco odporna na ciepło guma bezwęglowa. Rozkłada się tylko w temperaturach powyżej 350 °C.

Wniosek

Nieorganiczne polimery to w większości substancje o unikalnych właściwościach. Wykorzystywane są w produkcji, w budownictwie, do opracowywania innowacyjnych, a nawet rewolucyjnych materiałów. W miarę badania właściwości znanych nanocząstek i tworzenia nowych, zakres ich zastosowania rozszerza się.