[Химия ғажабы] Полимерлер

[Химия ғажабы] Полимерлер

Полимерлердiң бiз үшiн маңызы қанша?

Адамзат мыңдаған фрагменттерден тұратын жоғары молекулалы қосылыстар – полимерлер дәуiрiнде өмiр сүрiп жатыр. Бiздi қоршап жатқан заттардың көпшiлiгi осы полимерлерден құралған. Түрлi құрылыс материалдары, қаптамалар мен желiмдердiң барлық түрлерi, пластмассалар, қағаздар, маталар, бояулар, былғары бұйымдар, жүн мен крахмалдан бастап, күнделiктi өмiрдiң басқа да саймандары полимерлер болып саналады. Олардың тiршiлiкте қаншалықты маңызды және кең таралғанын түсiну үшiн, айталық, велосипедшiге көз салу жеткiлiктi.

Photo by Hannes Glöckl / Unsplash

Оның шлемi – полистирол мен поликарбонаттардан, дулыға – полиоксиметиленнен, киiмi – полиэтилентерефталат пен нейлоннан, ал шиналары – резеңкеден жасалған. Аталғандардың барлығы полимерлер болып саналады. Сонымен қоса, спортшының өзi кез-келген тiрi ағза сияқты жасушалардан тұрады, ал олар өз кезегiнде табиғи полимерлер болып келедi: ақуыздар, полисахаридтер және нуклеин қышқылдары. Көрiп отырғандарыңыздай, бiздiң өмiрiмiздi полимерлерсiз елестету қиын, дәлiрек айтсақ, бұл таңғажайып молекулаларсыз тiршiлiктiң мәнi болмайды. Ендеше, осы полимерлердiң қазiргi таңда қалай кәдеге жаратылып жүргенiн және қандай ерекшелiктерге ие екенiн талдап көрейiк.

Полимерлердiң жалпы құрылымы

Полимерлер дегенiмiз не? Әрбiр полимер «мономер байланыстары» деп аталатын қайталанатын фрагменттерден тұратын макромолекуланы бередi. Жалпы ұғымның атауы «полимер» грек тiлiнен аударылған, «көп» және «бөлiк», ал «мономер» - «бiр», «бөлiк» дегендi бiлдiредi. Макромолекулалардағы мономерлi байланыстардың саны бiрнеше жүзден миллионға дейiн өзгеруi мүмкiн болғандықтан, полимерлердiң молекулалық массасы айтарлықтай үлкен болуы таңғаларлық зат емес. Осыған байланысты оларды кейде жоғары молекулалық қосылыстар деп те атайды. Жоғары молекулалы қосылыстардың ең айқын мысалдарының бiрi – полипропилен, полимерден орауыш материалдар, пластикалық шыныаяқтар мен контейнерлер өндiрiледi.

Полипропен молекуласының фрагментi. Көк түспен ерекшеленген фрагменттiң бiрнеше рет қайталанғанын байқауға болады.

Бұл мақалада бiз полимерлердiң құрылымын бiрнеше рет суреттеймiз, сондықтан, олардың қалай жазылатынын анықтап алғанымыз жөн. Ыңғайлылық үшiн, әдетте, тек төртбұрышты жақшалар арқылы бiр мономерлi фрагмент берiледi, оның астына n индексi жазылады, ол фрагменттiң бiрнеше рет қайталануын бiлдiредi. Сутек атомдары құрылымда жазылмайды, ал көмiртектiң атомдары байланыстар арқылы бейнеленген нүктелер болып көрсетiледi. Осы қағидаларды сақтай отырып жазатын болсақ, сәйкесiнше полипропиленнiң формуласы осындай:

Полипропиленнiң формуласы (оң жақта) және пропиленнiң формуласы (сол жақта). Қос байланыстың болуына байланысты пропилен молекулалары бiр-бiрiмен байланысып, ұзын полимер тiзбегiн құра алады

Жоғары молекулалы қосылыстардың артықшылықтары

Сонымен, полимерлердiң қолданыста ыңғайлы әрi кең таралатындай қылған ерекшелiктерiнiң сыры неде? Полимерлiк емес аналогтармен салыстырғанда, өнәркесiпте қолайлы ететiн макромолекулалардың өзiндiк екi негiзгi артықшылығы бар.

  • Бiрiншiден, полимерлердiң қасиеттерiн тiзбек ұзындығын өзгерту немесе қосымша молекулааралық әрекеттесудi қамтамасыз ететiн әртүрлi функционалды топтарды қосу арқылы жеңiл түрде реттеуге болады. Нәтижесiнде, иiлгiштiк және берiктiк сияқты дағдыларды оңай жинақтауға қол жеткiзесiз.
  • Екiншiден, полимерлердiң өндiрiсi салыстырмалы түрде жеткiлiктi арзан. Өнеркәсiпте қолданылатын мономерлердiң көпшiлiгi мұнай шикiзатынан алынған көмiрсутектер немес олардың қарапайым туындылары болып табылады, ал мұнай өндеу табиғи маталар мен металл қорытпалардың ресурстық және энергияға үнемдемейтiн өндiрiсiмен салыстырғанда экономикалық тұрғыдан әлдақайда тиiмдi.

Биополимерлер

Дәстүрлi түрде барлық жоғары молекулалы қосылыстар табиғи (биополимерлер) және синтетикалық деп бөлiнедi. Осының iшiнен табиғи полимерлер туралы кiшiгiрiм сөз қозғайық. Оларға нуклеин қышқылдары, ақуыздар және полисахаридтер жатады – бұл биологиялық макромолекулалар әлемдегi барлық тiрi ағзалардың негiздерi.

Полисахаридтер бүкiл өсiмдiк әлемiнiң массасының төрттен үшiн құрайды және тiрi жасушалар үшiн маңызды үйренген энергия көзi болып табылады. Олар өзiмен бiрге ұзын полимерлi тiзбектер жасайды, мономерлiк байланыстардың орнына тiзбекте моносахаридтер, яғни глюкоза мен фруктоза iске кiрiседi. Табиғатта кең таралған полисахаридтердiң бiрi – мақта, ағаш және қағаз құралатын целлюлоза. Целлюлоза үшiн мономер бета-глюкоза болып табылады. Атап айтарлығы, егер бета-глюкозаның орнын альфа-глюкоза басатын болса, басқа өнiм крахмал пайда болады.

Альфа (сол жақта) және бета (оң жақта) глюкозалар гидроксильдi топтардың (OH) орналасуымен ерекшеленедi. Төменде амилаз бейнеленген - крахмалдың негiзгi құрылым мүшелерiнiң бiрi. 

Өзге биополимерлер – ақуыздар. Олардың қызмет ету кеңiстiгi кең, құрылымды (дәнекер ұлпасының негiзiн құрайды) және ферментативтi (биохимиялық реакцияларды реттейдi) функцияларды орындайды. Ақуыздардың мономерлерi аминқышқылдары болып табылады, қызығы, тiрi ағзалардың көпшiлiгiнде тек 20 канондық аминқышқылдары кездеседi.

Тақырыпшаның соңы табиғи полимердiң бiр түрi нуклеин қышқылдарымен аяқталмақ. Олардың мономерлi байланыстары азот негiздерi мен фосфор қышқылынан құралған, рибоза (РНҚ-дағы) немесе дезоксирибозадан (ДНҚ-дағы) тұратын нуклеотидтер болып саналады. Нуклеин қышқылдары өте маңызды қызметтi орындайды – жасушалардың генетикалық ақпаратын сақтау және жеткiзу. Олар компьютердегi жад картасы секiлдi азотты негiздер тiзбегi түрiнде кодталған жасушаның жұмысы туралы барлық деректердi сақтайды. Табиғат ақпаратты атомдар түрiнде сақтауға бейiмделгенi қандай керемет!

Нуклеин қышқылының құрылымдық фрагментi

Қасиеттерiн өзгерту? – Оңай!

Бiз күн сайын кездестiретiн синтетикалық полимерге оралайық. Синтетикалық полимерлердiң қасиеттерiн химияның негiзгi ережелерiн басшылыққа ала отырып оңай басқаруға болады. Ең қарапайым полиэтилендi қарастыратын болсақ, оған құрылымдық топтар қосқаннан кейiн полимердiң қасиеттерi қалай ауысатынын байқауға болады.

Атауынан түсiнгенiмiздей полиэтиленде мономер қызметiнде этилен саналады. Бұл жоғары молекулалы қосылыс - өнеркәсiптегi ең көп өңдiрiлетiн синтетикалық полимер.

Сурет 3.47 – Этилен (оң жақта) и полиэтилен (сол жақта)

Негiзiнен, полиэтилен орау материалдарын өндiру үшiн қолданылады – бiз бәрiмiз полиэтилен пакеттерiн қолдандық. Ол серпiмдi, бiрақ атап айтарлықтай берiктiкке ие емес.

Стирол (сол жақта), полистирол (ортада) және pi stacking (оң жақта). Фенильдi қалдықта қос байланыс түзетiн электрондар, полиэстирол молекулаласын берiк ете отырып байланысады.

Ендi этилендегi бiр сутегi атомын фенил қалдықтарымен алмастырайық (суретке қараңыз 3.47), нәтижесiнде мономер полимерленуге ұшырайды.Осылай, серпiмдi және жұмсақ полиэтиленiң орнына бiз берiк және термиялық тұрақты полистирола аламыз. Полистиролдан балалар ойыншықтары, қаптау материалдары, бiр рет қолданылатын ыдысаяқ пен медициналық жабдықтар жасалады. Мұндай полистиролдың қосымша берiктiгi фенил топтары (pi stacking) арасындағы молекулааралық өзара әрекеттеу есебiнен қамтамасыз етiледi.

Сурет 3.49 – Натрий акрилаты (сол жақта) және натрий полиакрилаты (оң жақта) 

Әрi қарай жалғастырайық, ендiгi кезек этилен мен карбоксил қышқылының қосындысына келедi, нәтижесiнде, акрил қышқылы пайда болады. Егер акрил қышқылы полимерленiп, қышқыл сутегi атомдарын натрий атомдарына алмастырса, онда сiз натрий полиакрилатын аласыз. Су молекулаларымен сутегi байланысын құрайтын полярлы карбоксил топтарының пайда болуына байланысты натрий полиакрилаты гидрофильдi қасиетке ие, демек, суды жақсы сiңiредi. Сондықтан ол сәби жөргектерi өндiрiсiнде жиi қолданылады. Осылайша, полимер молекуласына тек бiр функциональдi топты қосу арқылы гидрофобты полиэтиленнен натрий гидрофильдi полиакрилатын алуға қол жеткiзуге болады. Бiрақ бұл әлi соңы емес!

Бұл жолы этилен молекуласында бiз бiр емес, төрт сутегi атомын фтор атомдарымен алмастырамыз, қоспадан тетрафтрорэтилендi полимерлену процесi жүредi. Сәйкесiнше тефлон деп атымен таныс политетрафторэтилен (PTFE) пайда болады. Тефлонның негiзгi қасиеттерi – заттарға деген жабысқақтықтың төмендiгi және химиялық төзiмдiлiк. Сол себептi, тефлон су өткiзбейтiн киiм, ғарыш кемесiнiң жабындары, электр тiзбектерi, жасанды буындар және ең танымалы, жабыспайтын жабынмен қоршалған ыдыс-аяқ өндiрiсiнде қолданылады. Нелiктен тефлон соншалықты инерттi? Жағдайдың түйiнi, фтордың электртерiстiлiгi ең үлкен элемент ретiнде басқа атомдардан электрондарды тартып алуында, көмiрек атомдары да өз электрондарын фторға бередi. Молекулааралық өзара әрекеттесуге жауап беретiн барлық электрондар фтор атомдарына қатты тартылады. Бұл үдерiссiз заттардың бiр-бiрiне жабысуы да мүмкiн емес.

Сурет 3.50 – Тетрафторэтилен (сол жақта) және тефлон (оң жақта) 

Әртүрлi функционалды топтарды енгiзу арылы полимерлердiң қасиеттерiн қаншалықты өзгерте алатындығыңызға көз жеткiздiңiз. Ендi, молекулааралық өзара әрекеттесудiң маңыздылығын айқын көрсететiн тағы бiр мысалды қарастырайық. Бұл полимердiң атауы – Кевлар.

Сурет 3.51 – Кевлардың құрылымы (қоюмен белгiленген мономерлi тiзбек) 

Кевлардың берiктiгiнiң арқасында, одан оқ өткiзбейтiн жилеттер, садақ пен талшыққа арналған қабық дайындалады. Полимердiң бұндай қасиетке ие болуы карбонил топтарының оттегi атомдары мен әртүрлi тiзбектердегi сутегi атомдарынң арасында пайда болған сутегi байланыстарымен түсiндiрiледi. Сондай-ақ, бензол сақиналары арасындағы молекулааралық әрекеттесу (pi stacking) кевлардың жоғары берiктiгiне өз үлесiн қосады. Осылай, мата жамылғасында тоқылған мыңдаған жiптер сияқты, кевлардың молекулааралық байланыстары оны мызғымастық және төзiмдiлiкпен қамтамасыз етедi.

Бәрiне таныс полимерлеу

Әдетте полимерлеу реакциясы белгiлi бiр қатаң бақыланатын жағдайларда катализатордың қатысуымен жүредi. Процесстi бастау үшiн радикал сияқты белсендi бастамашы молекула қажет. Мономерлердiң көпшiлiгi бiр-бiрiмен тiкелей әрекеттеспегендiктен бұл мiндеттi шара болып табылады. Алайда, сыртқы факторлардың шамалы әсерiмен жүруге қабiлеттi қосылыстар да кездеседi. Осындай қосылыстардың бiреуi – этилцианоакрилат. Цианоакрилат молекулалары циано-карбокси топтардың болуына байланысты бiр-бiрiмен, тiптi су сияқты қарапайым инициатордан әрекеттесе бастайды. Бұл реакцияның негiзi супержелiмнiң қатаю процесiнде жатыр, атмосферада сiздiң саусақтарыңыздан бастап, заттардың бетiнде әрдайым су молекулалары болады да, этилцианоакрилаттың полимерлеуiн тудырады. Супержелiмнiң заттарды оңай және тез желiмдеуi осылай түсiндiрiледi.

Сурет 3.52 – Этилцианоакрилаттың полимерленуiнiң механизмi (жоғарыда) және соңғы өнiм (төменде) 

Полимерлердiң кемшiлiктерi

Полимерлердiң кемшiлiктерi бары сөзсiз. Алғашқысы – тiрi ағзалардың ферменттерiмен деградацияға ұшырамайтын көмiртек-көмiртек байланысының болуынан туындаған ыдырау қабiлетiнiң нашарлығы. Әрине, бұл экология онсызда төмен сапа көрсетiп тұрған заманда мәселелер туғызады, бiрақ, қуанышқа орай, ғалымдар бұл қиындықты бiртiндеп жеңе бастады.

Полимердiң жасуша ферменттерiмен ыдырауы үшiн оның құрылымына ортада кездесетiн және тiрi ағзалардың метаболизмiне қатысатын химиялық байланыстар болу керек. Мұндай байланыстарға ферменттердiң әсерiнен гидролизге, кейiн деградацияға ұшырайтын эфир мен амидтер тобы мысал бола алады. Осы тектес химиялық байланыстары бар жоғары молекулалы қосылыстар синтезiнiң нәтижесi биологиялық ыдырайтын полимер болып табылады, олар ауыл шаруашылығында, медицинада және тұрмыс материалдары бизнесiнде кеңiнен қолданылады. Мүмкiн, болашақта биологиялық ыдырайтын полимерлер мұнай шикiзатынан өндiрiлетiн жойылмайтын макромолекулаларды толығымен алмастырады.

Pet Bottles Scrap Manufacturers and Suppliers India | Get contact details of Pet Bottles Scrap Manufacturers Companies at ExportersIndia.com. ExportersIndia.com is a well-known B2B Marketplace, where you can search Pet Bottles Scrap Wholesale Suppliers, Manufacturers of Pet Bottles Scrap India, Pet Bottles Scrap Exporters India, Pet Bottles Scrap Retailers Catalogs India.
Photo by tanvi sharma / Unsplash

Қорытынды

Көрiп тұрғандарыңыздай, полимерлердiң түрлiлiгiнiң шегi жоқ. Олар берiк және сынғыш, қатты және жұмсақ, гидрофильдi не гидрофобты болып келедi, өндiрiстiң барлық салаларында өз орнын табады. Табиғат полимерлерге үлкен сенiм артып, оларды планетамыздың тiрi ағзалары үшiн маңызды молекулалардың көшбасшысына айналдырды. Тiптi осы мақаланы полимер болмаса оқу мүмкiн болмас та едi!

Серпiмдi нейлоннан бастап оқ өткiзбейтiн кевларға дейiн полимерлер күнделiктi тұрмысқа ендеп кiрген. Бiздiң жанға жайлы өмiрiмiз осы макромолекулалардың арқасында сенiмдi деп түрде айтуға болады. Полимерлер өмiрiмiздiң ажырамас бөлiгiне айналды, таңғажайып молекулалардың толық әлеуетiн ашуға әлi бiршама жол бар!

Аударған: Ақсындар Жұмағұлова | IQanat’2020