פולימרים אנאורגניים: דוגמאות ויישומים

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 10:27

בטבע, ישנם פולימרים אורגנו-אלמנטים, אורגניים ואי-אורגניים. חומרים אנאורגניים כוללים חומרים שהשרשרת העיקרית שלהם היא אנאורגנית, והענפים הצדדיים אינם רדיקלים פחמימניים. יסודות מקבוצות III-VI של המערכת המחזורית של יסודות כימיים נוטים ביותר להיווצרות פולימרים ממקור אנאורגני.

Classification

פולימרים אורגניים ואי-אורגניים נחקרים באופן פעיל, המאפיינים החדשים שלהם נקבעים, כך שעדיין לא פותח סיווג ברור של חומרים אלה. עם זאת, ניתן להבחין בקבוצות מסוימות של פולימרים.

בהתאם למבנה:

• linear;
• שטוח;
• מסועף;
• רשתות פולימר;
• תלת מימד ואחרים.

בהתאם לאטומי עמוד השדרה המרכיבים את הפולימר:

• סוג הומושרשרת (-M-)n – מורכב מסוג אחד של אטומים;
• סוג הטרושרשרת(-M-L-)n - מורכב מסוגים שונים של אטומים.

בהתאם למקור:

• natural;
• מלאכותי.

כדי לסווג חומרים שהם מקרומולקולות במצב מוצק כפולימרים אנאורגניים, עליהם להיות גם בעלי אניזוטרופיה מסוימת של המבנה המרחבי והתכונות המתאימות.

תכונות עיקריות

נפוצים יותר הם פולימרים הטרו-שרשרת, שבהם מתרחשת החלפה של אטומים אלקטרו-חיוביים ואלקטרו-שליליים, למשל, B ו-N, P ו-N, Si ו-O. קבל פולימרים אנ-אורגניים של הטרו-שרשרת (NP) יכולים להיות באמצעות תגובות polycondensation. העיבוי הרב של אוקסוניונים מואץ במדיום חומצי, בעוד שהפוליקונדנסציה של קטיונים מואצים במדיום אלקליין. ניתן לבצע פולי עיבוי הן בתמיסה והן במוצקים בנוכחות טמפרטורה גבוהה.

ניתן להשיג פולימרים אי-אורגניים רבים של הטרושרשרת רק בתנאים של סינתזה בטמפרטורה גבוהה, למשל, ישירות מחומרים פשוטים. היווצרותם של קרבידים, שהם גופים פולימריים, מתרחשת כאשר תחמוצות מסוימות מקיימות אינטראקציה עם פחמן, וכן בנוכחות טמפרטורה גבוהה.

שרשרות הומו-שרשרות ארוכות (עם דרגת פילמור n>100) יוצרות פחמן ורכיבי p-קבוצה VI: גופרית, סלניום, טלוריום.

פולימרים אנאורגניים: דוגמאות ויישומים

הספציפיות של NP טמונה בחינוךגופים גבישיים פולימריים בעלי מבנה תלת מימדי קבוע של מקרומולקולות. הנוכחות של מסגרת קשיחה של קשרים כימיים מספקת לתרכובות כאלה קשיות משמעותית.

תכונה זו מאפשרת להשתמש בפולימרים אנאורגניים כחומרים שוחקים. השימוש בחומרים אלו מצא את היישום הרחב ביותר בתעשייה.

ההתנגדות הכימית והתרמית יוצאת הדופן של NP היא גם תכונה חשובה. לדוגמה, סיבי חיזוק העשויים מפולימרים אורגניים יציבים באוויר עד לטמפרטורה של 150-220 ˚C. בינתיים, סיבי בורון ונגזרותיו נשארים יציבים עד לטמפרטורה של 650 ˚С. זו הסיבה שפולימרים אנאורגניים מבטיחים ליצור חומרים חדשים עמידים בפני כימיקלים וחום.

הערך המעשי הוא גם של NP, שגם הם קרובים במאפיינים לאורגניים וגם שומרים על המאפיינים הספציפיים שלהם. אלה כוללים פוספטים, פוליפוספאזנים, סיליקטים, תחמוצות גופרית פולימריות עם קבוצות צד שונות.

פולימרי פחמן

משימה: "תן דוגמאות לפולימרים אנאורגניים", שנמצאים לעתים קרובות בספרי לימוד בכימיה. רצוי לבצע אותו עם אזכור של NP - נגזרות פחמן הבולטים ביותר. אחרי הכל, זה כולל חומרים בעלי מאפיינים ייחודיים: יהלומים, גרפיט וקרבין.

Carbine הוא פולימר ליניארי שנוצר באופן מלאכותי, שנחקר מעט, עם מדדי חוזק חסרי תקדים שאינם נחותים, אך על פי מספר מחקרים ועדיפה על גרפן. עם זאת, קרבין הוא חומר מסתורי. אחרי הכל, לא כל המדענים מכירים בקיומו כחומר עצמאי.

לחוץ נראה כמו אבקה שחורה גבישית מתכת. יש לו תכונות מוליכים למחצה. המוליכות החשמלית של קרביין גדלה באופן משמעותי תחת פעולת האור. הוא אינו מאבד את התכונות הללו אפילו בטמפרטורות של עד 5000 ˚С, שהוא הרבה יותר גבוה מאשר עבור חומרים אחרים למטרה זו. החומר התקבל בשנות ה-60 על ידי V. V. קורשק, א.מ. סלדקוב, V. I. קסטוצ'קין וי.פ. Kudryavtsev על ידי חמצון קטליטי של אצטילן. הדבר הקשה ביותר היה לקבוע את סוג הקשרים בין אטומי פחמן. לאחר מכן, הושג חומר עם קשרים כפולים בלבד בין אטומי פחמן במכון לתרכובות אורגניות של האקדמיה למדעים של ברית המועצות. המתחם החדש קיבל את השם polycumulene.

גרפיט - בחומר זה סדר הפולימר משתרע רק במישור. השכבות שלו מחוברות לא בקשרים כימיים, אלא באינטראקציות בין-מולקולריות חלשות, ולכן הוא מוליך חום וזרם ואינו מעביר אור. גרפיט ונגזרותיו הם פולימרים אנאורגניים נפוצים למדי. דוגמאות לשימוש בהם: מעפרונות ועד לתעשיית הגרעין. על ידי חמצון גרפיט, ניתן להשיג תוצרי חמצון ביניים.

יהלום - תכונותיו שונות מהותית. יהלום הוא פולימר מרחבי (תלת מימדי). כל אטומי הפחמן מוחזקים יחד על ידי קשרים קוולנטיים חזקים. כי הפולימר הזה עמיד במיוחד. יהלום אינו מוליך זרם וחום, בעל מבנה שקוף.

פולימרי בורון

אם שואלים אתכם אילו פולימרים אנאורגניים אתם מכירים, אתם מוזמנים לענות - פולימרי בורון (-BR-). זהו מחלקה נרחבת למדי של NPs, בשימוש נרחב בתעשייה ובמדע.

בורון קרביד - הנוסחה שלו נראית נכונה יותר כך (B12C3) n. תא היחידה שלו הוא rhombohedral. המסגרת נוצרת על ידי שנים עשר אטומי בורון הקשורים בקוולנטיות. ובאמצעו ישנה קבוצה לינארית של שלושה אטומי פחמן הקשורים בקוולנטיות. התוצאה היא מבנה חזק מאוד.

בורידים - הגבישים שלהם נוצרים בדומה לקרביד שתואר לעיל. היציב שבהם הוא HfB2, שנמס רק ב-3250 מעלות צלזיוס. TaB2 ידועה בעמידות הכימית הגבוהה ביותר - לא חומצות ולא תערובות שלהן פועלות עליו.

בורון ניטריד - מכונה לעתים קרובות טלק לבן בשל הדמיון שלו. הדמיון הזה הוא באמת שטחי בלבד. מבחינה מבנית, זה דומה לגרפיט. השג אותו על ידי חימום בורון או תחמוצתו באווירת אמוניה.

Borazon

Elbor, borazone, cyborite, kingsongite, cubonite הם פולימרים אנאורגניים סופר-קשים. דוגמאות ליישום שלהם: ייצור גלגלי שחיקה, חומרים שוחקים, עיבוד מתכת. אלו הם חומרים אינרטיים מבחינה כימית המבוססים על בורון. הקשיות קרובה יותר מחומרים אחרים ליהלומים. בפרט, בורזון משאיר שריטות ביהלום, האחרון משאיר שריטות גם על גבישי בוראזון.

עם זאת, ל-ND אלה יש מספר יתרונות על פני יהלומים טבעיים: יש להם יתרונות גדולים יותרעמידות בחום (עמידה בטמפרטורות של עד 2000 מעלות צלזיוס, יהלום נהרס בקצבים בטווח של 700-800 מעלות צלזיוס) ועמידות גבוהה ללחץ מכני (הם לא כל כך שבירים). בוראזון הושג בטמפרטורה של 1350 מעלות צלזיוס ולחץ של 62,000 אטמוספרות על ידי רוברט ונטורף ב-1957. חומרים דומים הושגו על ידי מדענים לנינגרד ב-1963.

פולימרים גופרית אי-אורגניים

הומופולימר - לשינוי זה של גופרית יש מולקולה ליניארית. החומר אינו יציב, עם תנודות טמפרטורה הוא מתפרק למחזורים אוקטהדרלים. הוא נוצר במקרה של קירור חד של נמס הגופרית.

שינוי פולימרי של דו תחמוצת הגופרית. דומה מאוד לאסבסט, בעל מבנה סיבי.

פולימרי סלניום

סלניום אפור הוא פולימר עם מקרומולקולות ליניאריות סלילניות המקננות במקביל. בשרשראות, אטומי סלניום קשורים בקשר קוולנטי, בעוד שמקרומולקולות מקושרות בקשרים מולקולריים. אפילו סלניום מותך או מומס אינו מתפרק לאטומים בודדים.

סלניום אדום או אמורפי הוא גם פולימר של שרשרת, אבל בעל מבנה מעט מסודר. בטווח הטמפרטורות של 70-90 ˚С, הוא מקבל תכונות דמויות גומי, הופך למצב אלסטי מאוד, הדומה לפולימרים אורגניים.

סלניום קרביד, או גביש סלע. יציב תרמית וכימית, גביש מרחבי חזק מספיק. פיזואלקטרי ומוליכים למחצה. בתנאים מלאכותיים, הוא הושג על ידי תגובה של חול קוורץ ופחם בכבשן חשמלי בטמפרטורה של כ-2000 מעלות צלזיוס.

פולימרי סלניום אחרים:

• מונוקליניקסלניום - מסודר יותר מאדום אמורפי, אבל נחות מאפור.
• סלניום דו-חמצני, או (SiO2)n, הוא פולימר רשת תלת מימדי.
• אסבסט הוא פולימר של תחמוצת סלניום עם מבנה סיבי.

פולימרים זרחן

ישנם שינויים רבים של זרחן: לבן, אדום, שחור, חום, סגול. אדום - מבנה גבישי עדין NP. הוא מתקבל על ידי חימום זרחן לבן ללא אוויר בטמפרטורה של 2500 ˚С. זרחן שחור הושג על ידי פ. ברידג'מן בתנאים הבאים: לחץ 200,000 אטמוספרות בטמפרטורה של 200 מעלות צלזיוס.

כלורידי פוספורניטריד הם תרכובות של זרחן עם חנקן וכלור. התכונות של חומרים אלה משתנות עם הגדלת המסה. כלומר, מסיסותם בחומרים אורגניים פוחתת. כאשר המשקל המולקולרי של הפולימר מגיע לכמה אלפי יחידות, נוצר חומר גומי. זהו הגומי היחיד עמיד מספיק בחום ללא פחמן. הוא מתקלקל רק בטמפרטורות מעל 350 מעלות צלזיוס.

מסקנה

פולימרים אנאורגניים הם לרוב חומרים בעלי מאפיינים ייחודיים. הם משמשים בייצור, בבנייה, לפיתוח חומרים חדשניים ואף מהפכניים. ככל שהמאפיינים של NPs ידועים נלמדים ויוצרים חדשים, היקף היישום שלהם מתרחב.