[Химия ғажабы] Полимерлер

«Пән ғажабы неде» жобаның барлық мақалалары
«Химия ғажабы» циклдың басқа мақалалары
Материяның құрылыс материалдары: қарапайым бөлшектерден супрамолекулаларға дейін
Физхимияны не үшін оқу керек?
Бейорганикалық химия
Органикалық химия
Өмір синтезі
Таза ауа
Химия және медицина: химиялық қару, аспирин және зең

Полимерлердiң бiз үшiн маңызы қанша?

Баршамыз мыңдаған фрагменттерден тұратын жоғары молекулалы қосылыстардың, яғни, полимерлердің дәуірінде өмір сүріп жатырмыз. Бізді қоршап жатқан заттардың көпшілігі осы полимерлерден құралған. Түрлі құрылыс материалдары, қаптамалар мен желімдердің барлық түрлері, пластмассалар, қағаздар, маталар, бояулар, былғары бұйымдары, жүн мен крахмалдан бастап, басқа да макромолекуларға дейін, яғни, күнделікті өмірде кездесетін заттардың барлығы дерлік полимерлер болып саналады. Олардың тіршілікте қаншалықты маңызды екендігін және кең таралғандығын түсіну үшін мысал ретінде велосипедшіге көз салу жеткілікті.

Оның бас киімі полистирол мен поликарбонаттардан, бас киімнің дулығасы полиоксиметиленнен, киімі полиэтилентерефталат пен нейлоннан, ал дөңгелектері резеңкеден жасалған. Аталғандардың барлығы полимерлер болып саналады. Сонымен қатар, спортшының өзі кез-келген тірі ағза сияқты жасушалардан тұрады, ал олар өз кезегінде табиғи полимерлер болып келеді: ақуыздар, полисахаридтер және нуклеин қышқылдары. Көріп отырғандарыңыздай, біздің өмірімізді полимерлерсіз елестету қиын, дәлірек айтсақ, бұл таңғажайып молекулаларсыз тіршіліктің мәні болмайды. Ендеше осы полимерлердің қазіргі таңда қалай кәдеге жаратылып жүргенін және қандай ерекшеліктерге ие екенін талдап көрейік.

Полимерлердің жалпы құрылымы

Полимерлер дегеніміз не? Әрбір полимер «мономерлі негіздер» деп аталатын және қайталанып келетін фрагменттерден тұратын макромолекуланы береді. Жалпы «полимер» ұғымының атауы грек тілінен аударылғанда \(\pi o \lambda\upsilon\) «көп» және \(\mu\epsilon\rho o \sigma\) «бөлік» деген мағынаны берсе, ал «мономер» ұғымындағы \(\mu o \nu o \sigma\) «бір», \(\mu\epsilon\rho o \sigma\) «бөлік» дегенді білдіреді. Макромолекулалардағы мономерлі байланыстардың саны бірнеше жүздік пен миллионың арасында болуы мүмкін болғандықтан, полимерлердің молекулалық массасы айтарлықтай үлкен болуы таңғаларлық зат емес. Осыған байланысты оларды кейде жоғары молекулалық қосылыстар деп те атайды. Жоғары молекулалы қосылыстардың ең айқын мысалдарының бірі ретінде орауыш материалдар, пластикалық шыныаяқтар мен контейнерлер өндірілетін полипропиленді алсақ болады.

Бұл мақалада біз полимерлердің құрылымын бірнеше рет суреттейміз, сондықтан да олардың қалай жазылатынын анықтап алғанымыз жөн болар. Ыңғайлылық үшін әдетте тек төртбұрышты жақшалар арқылы бір мономерлі фрагмент беріледі және оның астына фрагменттің бірнеше рет қайталануын білдіретін \(n\) индексі жазылады. Сутегі атомдары әдетте құрылымдарда көрсетілмейді, ал көміртегі атомдарын байланыстар арқылы байланысқан нүктелер түрінде жай қалдыра салады. Осы қағидаларды сақтай отырып жазатын болсақ, полипропиленнің формуласы осындай болмақ:

Жоғары молекулалық қосылыстардың артықшылықтары

Сонымен полимерлердің қолданыста ыңғайлы болуы мен көп таралуының ерекшелігі неде? Полимерлік емес аналогтармен салыстырғанда өнәркәсіпте қолайлы ететін бұл макромолекулалардың өзіндік екі негізгі артықшылығы бар.

• Біріншіден, полимерлердің қасиеттерін тізбек ұзындығын өзгерту немесе қосымша молекулааралық әрекеттесуді қамтамасыз ететін әртүрлі функционалды топтарды қосу арқылы жеңіл түрде реттеуге болады. Нәтижесінде иілгіштік және беріктік сияқты қалаған сипаттамалары бар қосылыстарды оп-оңай алуға болады. Біз макромолекулардың қасиеттеріне едәуір әсер ете алатын модификациялардың мысалдарын әлі де қарастыратын боламыз.
• Екіншіден, полимерлердің өндірісі салыстырмалы түрде арзан болып келеді. Өнеркәсіпте қолданылатын мономерлердің көпшілігі — бұл мұнай шикізатынан алынған көмірсутектер немесе олардың қарапайым туындылары. Ал мұнайды өндеу табиғи маталар мен металл қорытпалардың ресурстық және энергиялық шығынды өндірісімен салыстырғанда экономикалық тұрғыдан әлдақайда тиімді.

Биополимерлер

Дәстүрлі түрде барлық жоғары молекулалық қосылыстар табиғи (биополимерлер) және синтетикалық деп бөлінеді. Табиғи полимерлер туралы кішкене сөз қозғайық. Оларға нуклеин қышқылдары, ақуыздар және полисахаридтер жатады. Бұл биологиялық макромолекулалар әлемдегі барлық тірі ағзалардың негіздері болып келеді.

Полисахаридтер бүкіл өсімдік әлемінің массасының төрттен үш бөлігін құрайды және тірі жасушалар үшін маңызды энергия көзі болып табылады. Олар — мономерлі байланысы ретінде глюкоза немесе фруктоза секілді моносахаридтер тұратын, ұзын полимерлі тізбектер. Табиғатта кең таралған полисахаридтердің бірі — мақта, ағаш және қағаз құрайтын целлюлоза. Целлюлозадағы мономер бета-глюкоза болып табылады. Бір ғажабы: егер бета-глюкозаның орнын альфа-глюкоза басатын болса, басқа өнім — крахмал — пайда болады.

Тағы да басқа биополимерлер — ақуыздар. Олардың қызмет ету кеңістігі кең: ол құрылымды (дәнекер ұлпасының негізін құрайды) және ферментативті (биохимиялық реакцияларды реттейді) функцияларды орындайды. Ақуыздардың мономерлері аминқышқылдары болып табылады, ал тірі организмдердің көпшілігінде тек 20 канондық аминқышқылдары кездеседі.

Табиғи полимердің соңғы бір түрі — нуклеин қышқылдары. Олардың мономерлі байланыстары ретінде азотты негіздері мен фосфор қышқылынан құралған, рибоза (РНҚ-дағы) немесе дезоксирибозадан (ДНҚ-дағы) тұратын нуклеотидтер болып саналады. Нуклеин қышқылдары өте маңызды қызметті орындайды: жасушалардың генетикалық ақпаратын сақтау және жеткізу. Олар компьютердегі жады картасы секілді азотты негіздер тізбегі түрінде кодталған жасушаның жұмысы туралы барлық деректерді сақтайды. Табиғат ақпаратты атомдар түрінде сақтауды қалай үйренгені ғажап емес пе!

Қасиеттерін өзгерту? — Оңай!

Біз күн сайын кездестіретін синтетикалық полимерлерге оралайық. Синтетикалық полимерлердің қасиеттерін химияның негізгі ережелерін басшылыққа ала отырып, оңай өзгертуге болады. Ең қарапайым полиэтиленді алып, оған жаңа функционалдық топтарды қосқа бергенде оның қасиеттері қалай ауысатындығын қарастырып көрейік.

Полиэтилен мономері ретінде этилен жүретіндігін атауынан-ақ байқауға болады. Бұл жоғары молекулалық қосылыс — өнеркәсіптегі ең көп өңдірілетін синтетикалық полимер.

Негізінен полиэтилен қаптамаларды өндіру үшін қолданылады. Біз бәріміз полиэтилен пакеттерін қолдандық, солай емес пе? Ол серпімді, бірақ атап айтарлықтай беріктікке ие емес.

Енді этилендегі бір сутегі атомын фенил қалдығымен алмастырайық (суретті қарағыз), ал алынған мономерді полимерленуге ұшыратамыз. Осылайша серпімді және жұмсақ полиэтиленің орнына біз берік және термиялық тұрақты полистиролды аламыз. Полистиролдан балаларға арналған ойыншықтар, қаптау материалдар, бір рет қолданылатын ыдыс-аяқ пен медициналық жабдықтар жасалады. Мұндай полистиролдың қосымша беріктігі фенил топтары (pi stacking) арасындағы молекулааралық өзара әрекеттеу есебінен қамтамасыз етіледі.

Ендігі кезекте акрил қышқлы шығатындай етіп, этиленге карбоксил тобын қосайық. Егер акрил қышқылы полимерленіп, қышқыл сутегі атомдарын натрий атомдарына алмастырса, онда сіз натрий полиакрилатын аласыз. Су молекулаларымен сутектік байланысын құрайтын полярлы карбоксил топтарының пайда болуына байланысты натрий полиакрилаты гидрофильді қасиетке ие. Демек, суды жақсы сіңіреді. Сондықтан ол сәби жөргектері өндірісінде жиі қолданылады. Осылайша полимер молекуласына тек бір функционалды топты қосу арқылы гидрофобты полиэтиленнен гидрофильді натрий полиакрилатын алуға болады. Бірақ бұл әлі соңы емес!

Бұл жолы этилен молекуласында біз бір емес, төрт сутегі атомын фтор атомдарымен алмастырамыз да, алынған тетрафтрорэтиленді полимерленуге ұшыратамыз. Соңында тефлон деген атауымен таныс политетрафторэтилен (PTFE) пайда болады. Тефлонның негізгі қасиеттері: әртүрлі заттарға байланысты жабысқақтықтың төмендігі және ол химиялық төзімді. Сондықтан тефлон су өткізбейтін киімде, ғарыш кемесінің жабындарында, электр тізбектерінде, жасанды буындарда және ең танымал болып келетін күйікке қарсы тұра алатын ыдыс-аяқ жабындарында қолданылады. Неліктен тефлон соншалықты инертті? Оның себебі фтордың электртерістілігі ең үлкен элемент ретінде басқа атомдардан электрондарды тартып алуында жатыр (ол дәл солай көміртек атомнына да электрондарды тартып алады). Молекулааралық өзара әрекеттесуге жауап беретін барлық электрондар фтор атомдарына қатты тартылады. Ал молекулааралық әрекеттесусіз заттардың жабысуы да мүмкін емес болып келеді.

Әртүрлі функционалды топтарды енгізу арылы полимерлердің қасиеттерін қаншалықты өзгертуге болатындығына енді сіз көз жеткіздіңіз. Ал қазір молекулааралық өзара әрекеттесудің маңыздылығын айқын көрсететін тағы бір полимердің мысалын қарастырайық. Бұл полимердің атауы — кевлар.

Кевлар өте берік полимер болып саналады. Оның беріктілігі соншалық, тіпті, одан оқ өткізбейтін жилеттер, садақтың жібін және оптоталшықтарға арналған қабық дайындалады. Полимердің мұндай қасиетке ие болуы карбонил топтарының оттегі атомдары мен әртүрлі тізбектердегі сутегі атомдарының арасында пайда болған сутектік байланыстын болуымен түсіндіріледі. Сондай-ақ, бензол сақиналары арасындағы молекулааралық әрекеттесу (pi stacking) оның жоғары беріктігіне өз үлесін қосады. Осылайша мата жамылғасында тоқылған мыңдаған жіптер сияқты кевлардың молекулааралық байланыстары оны мызғымастықпен және тұрақтылықпен қамтамасыз етеді.

Бәріне таныс полимерлеу

Әдетте полимерлеу реакциясы белгілі бір қатаң бақыланатын жағдайларда катализатордың қатысуымен жүреді. Процессті бастау үшін радикал сияқты белсенді бастамашы молекула қажет. Мономерлердің көпшілігі бір-бірімен тікелей әрекеттеспегендіктен бұл міндетті шара болып табылады. Алайда сыртқы факторлардың шамалы өзгеруінің әсерімен жүруге қабілетті қосылыстар да кездеседі. Осындай қосылыстардың біреуі — этилцианоакрилат. Цианоакрилат молекулалары циано және карбоксил топтарының бар болуына байланысты бір-бірімен, тіпті, су сияқты белсенді емес инициатордан әрекеттесе бастайды. Бұл реакция негіз ретінде супержелімнің қатаю процесінде жатыр: атмосферада заттардың бетінде және сіздің саусақтарыңызда әрдайым су молекулалары болғандықтан, олар этилцианоакрилаттың полимерлеуін тудырады. Супержелімнің заттарды оңай және тез желімдей алуы осылай түсіндірілетіндігін бірден қағып алса болады.

Полимерлердің кемшіліктері

Полимерлердің кемшіліктері бар екендігі сөзсіз. Алғашқысы — тірі ағзалардың ферменттерімен деградацияға ұшырамайтын көміртек-көміртек байланысының болуынан туындаған ыдырау қабілетінің нашарлығы. Бұл біздің онсызда экологиялық таза емес қазіргі заманымызда қосымша экологиялық проблемалар туғызады, бірақ, бақытымызға орай, зерттеушілер бұл қиындықты біртіндеп шешуде.

Полимердің жасуша ферменттерімен ыдырауы үшін оның құрылымында табиғатта кездесетін және тірі организмдердің метаболизміне қатысатын химиялық байланыстар болуы керек. Мұндай байланыстарға, мысалы, ферменттердің әсерінен гидролизге, содан кейін одан әрі деградацияға ұшырайтын эфир және амидтер тобы арасындағы байланыс жатады. Ұқсас химиялық байланыстары бар жоғары молекулалық қосылыстар синтезінің нәтижесі ретінде биологиялық ыдырайтын полимерлер болып табылады және олар қазірдің өзінде медицинада, ауыл шаруашылығында және қаптамаларды өндіруде кеңінен қолданылады. Мүмкін болашақта биологиялық ыдырайтын полимерлер мұнай шикізатынан өндірілетін ыдырамайтын макромолекулаларды толығымен алмастыратын болар.

Қорытынды

Көріп тұрғандарыңыздай, полимерлердің алуантүрлілігінде шек жоқ. Олар өндірістің барлық салаларында өз орнын таба алатындай берік және сынғыш, қатты және жұмсақ, гидрофильді не гидрофобты болып келеді. Табиғат полимерлерге үлкен сенім артып, оларды планетамыздың барлық тірі организмдері үшін маңызды молекулаларға айналдырды. Тіпті, бұл мақаланы оқу полимерлерсіз мүмкін болмас еді!

Серпімді нейлоннан бастап оқ өткізбейтін кевларға дейін полимерлер күнделікті тұрмысқа ендеп кірген. Біздің жанға жайлы өміріміз осы макромолекулалардың арқасында тұр деп сенімді айтуға болады. Полимерлер біздің өміріміздің ажырамас бөлігіне айналса да, осы таңғажайып молекулалардың толық әлеуетін ашуда бізді әлі ұзақ жол күтіп тұр!

«Beyond Curriculum» қоры «Пән ғажабы неде» циклы материалдарын «Караван знаний» жобасымен серіктестікте және «Шеврон» компаниясының қолдауымен жариялауда. «Караван знаний» – жетекші қазақстандық және халықаралық сарапшылардың қатысуымен орындалған алдыңғы қатарлы білім тәжірибелерін зерттеу мен талқылау бойынша бастама

Аударған: Ақсындар Жұмағұлова | IQanat’2020

Редактор: Дильназ Жемісбек