Anorganické polymery: příklady a aplikace

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

V přírodě existují organoprvkové, organické a anorganické polymery. Anorganické materiály zahrnují materiály, jejichž hlavní řetězec je anorganický a postranní větve nejsou uhlovodíkové radikály. Prvky III-VI skupin periodického systému chemických prvků jsou nejvíce náchylné k tvorbě polymerů anorganického původu.

Klasifikace

Organické a anorganické polymery jsou aktivně studovány, zjišťují se jejich nové vlastnosti, takže jasná klasifikace těchto materiálů ještě nebyla vyvinuta. Určité skupiny polymerů však lze rozlišit.

V závislosti na struktuře:

• lineární;
• plochý;
• rozvětvený;
• polymerové sítě;
• trojrozměrný a další.

V závislosti na atomech páteře, které tvoří polymer:

• typ homochain (-M-)n – skládají se z jednoho druhu atomů;
• typ heterochainu(-M-L-)n - skládají se z různých typů atomů.

V závislosti na původu:

• natural;
• umělé.

Pro klasifikaci látek, které jsou makromolekulami v pevném stavu, mezi anorganické polymery, musí mít také určitou anizotropii prostorové struktury a odpovídající vlastnosti.

Klíčové funkce

Běžší jsou heterořetězcové polymery, ve kterých dochází ke střídání elektropozitivních a elektronegativních atomů, např. B a N, P a N, Si a O. Získat heterořetězcové anorganické polymery (NP) lze pomocí polykondenzačních reakcí. Polykondenzace oxoaniontů se urychluje v kyselém prostředí, zatímco polykondenzace hydratovaných kationtů je urychlována v alkalickém prostředí. Polykondenzaci lze provádět jak v roztoku, tak v pevných látkách za přítomnosti vysoké teploty.

Mnoho heterořetězcových anorganických polymerů lze získat pouze za podmínek vysokoteplotní syntézy, například přímo z jednoduchých látek. K tvorbě karbidů, což jsou polymerní tělíska, dochází při interakci určitých oxidů s uhlíkem a také za přítomnosti vysoké teploty.

Dlouhé homořetězcové řetězce (se stupněm polymerace n>100) tvoří uhlík a p-prvky skupiny VI: síra, selen, telur.

Anorganické polymery: příklady a aplikace

Specifikum NP spočívá ve vzdělávánípolymerní krystalická tělesa s pravidelnou trojrozměrnou strukturou makromolekul. Přítomnost tuhé kostry chemických vazeb poskytuje těmto sloučeninám významnou tvrdost.

Tato vlastnost umožňuje použití anorganických polymerů jako abrazivních materiálů. Použití těchto materiálů našlo nejširší uplatnění v průmyslu.

Výjimečná chemická a tepelná odolnost NP je také cennou vlastností. Například výztužná vlákna vyrobená z organických polymerů jsou stabilní na vzduchu až do teploty 150-220 ˚C. Mezitím borové vlákno a jeho deriváty zůstávají stabilní až do teploty 650 ˚С. To je důvod, proč jsou anorganické polymery slibné pro vytváření nových chemicky a tepelně odolných materiálů.

Praktickou hodnotu mají také NP, které jsou svými vlastnostmi blízké organickým a zachovávají si své specifické vlastnosti. Patří sem fosfáty, polyfosfazeny, silikáty, polymerní oxidy síry s různými postranními skupinami.

Uhlíkové polymery

Úkol: „Uveďte příklady anorganických polymerů“, které se často vyskytují v učebnicích chemie. Je vhodné jej provést se zmínkou o nejvýraznějších NP - uhlíkových derivátech. Koneckonců, to zahrnuje materiály s jedinečnými vlastnostmi: diamanty, grafit a karabina.

Carbine je uměle vytvořený, málo prozkoumaný lineární polymer s nepřekonatelnými indikátory pevnosti, které nejsou horší, ale podle řady studií alepší než grafen. Karabina je však záhadná látka. Koneckonců, ne všichni vědci uznávají jeho existenci jako nezávislého materiálu.

Navenek vypadá jako kovově krystalický černý prášek. Má polovodičové vlastnosti. Elektrická vodivost karbynu se působením světla výrazně zvyšuje. Tyto vlastnosti neztrácí ani při teplotách do 5000 ˚С, což je mnohem více než u jiných materiálů tohoto účelu. Materiál obdržel v 60. letech V. V. Korshak, A. M. Sladkov, V. I. Kasatočkin a Yu. P. Kudryavtsev katalytickou oxidací acetylenu. Nejobtížnější bylo určit typ vazeb mezi atomy uhlíku. Následně byla v Ústavu organoelementových sloučenin Akademie věd SSSR získána látka pouze s dvojnými vazbami mezi atomy uhlíku. Nová sloučenina byla pojmenována polykumulen.

Grafit - u tohoto materiálu se uspořádání polymerů rozšiřuje pouze v rovině. Jeho vrstvy jsou spojeny nikoli chemickými vazbami, ale slabými mezimolekulárními interakcemi, takže vede teplo a proud a nepropouští světlo. Grafit a jeho deriváty jsou poměrně běžné anorganické polymery. Příklady jejich použití: od tužek po jaderný průmysl. Oxidací grafitu lze získat meziprodukty oxidace.

Diamant – jeho vlastnosti jsou zásadně odlišné. Diamant je prostorový (trojrozměrný) polymer. Všechny atomy uhlíku jsou drženy pohromadě silnými kovalentními vazbami. Protože tento polymer je extrémně odolný. Diamant nevede proud a teplo, má průhlednou strukturu.

Borové polymery

Pokud se vás zeptáte, jaké anorganické polymery znáte, klidně odpovězte – borové polymery (-BR-). Toto je poměrně rozsáhlá třída NP, široce používaná v průmyslu a vědě.

Karbid boru - jeho vzorec vypadá správněji takto (B12C3) n. Jeho základní buňka je romboedrická. Kostru tvoří dvanáct kovalentně vázaných atomů boru. A uprostřed toho je lineární skupina tří kovalentně vázaných atomů uhlíku. Výsledkem je velmi pevná struktura.

Boridy - jejich krystaly se tvoří podobně jako u výše popsaného karbidu. Nejstabilnější z nich je HfB2, který taje pouze při 3250 °C. TaB2 se vyznačuje nejvyšší chemickou odolností - nepůsobí na něj kyseliny ani jejich směsi.

Nitrid boru – pro svou podobnost často označovaný jako bílý mastek. Tato podobnost je opravdu jen povrchní. Strukturou je podobný grafitu. Získejte jej zahřátím boru nebo jeho oxidu v atmosféře amoniaku.

Borazon

Elbor, borazon, cyborit, kingsongit, cubonit jsou supertvrdé anorganické polymery. Příklady jejich použití: výroba brusných kotoučů, brusných materiálů, zpracování kovů. Jedná se o chemicky inertní látky na bázi bóru. Tvrdost je blíže než u jiných materiálů diamantům. Zejména borazon zanechává škrábance na diamantu, ten také zanechává škrábance na krystalech borazonu.

Tyto ND však mají oproti přírodním diamantům několik výhod: mají většítepelná odolnost (odolává teplotám do 2000 °C, diamant se ničí rychlostí v rozmezí 700-800 °C) a vysoká odolnost proti mechanickému namáhání (nejsou tak křehké). Borazon byl získán při teplotě 1350 °C a tlaku 62 000 atmosfér Robertem Wentorfem v roce 1957. Podobné materiály získali leningradští vědci v roce 1963.

Anorganické sirné polymery

Homopolymer - tato modifikace síry má lineární molekulu. Látka není stabilní, při teplotních výkyvech se rozpadá na oktaedrické cykly. Vzniká v případě prudkého ochlazení taveniny síry.

Polymerová modifikace oxidu siřičitého. Velmi podobný azbestu, má vláknitou strukturu.

Selenové polymery

Šedý selen je polymer se spirálovitými lineárními makromolekulami umístěnými paralelně. V řetězcích jsou atomy selenu vázány kovalentně, zatímco makromolekuly jsou spojeny molekulárními vazbami. Ani roztavený nebo rozpuštěný selen se nerozloží na jednotlivé atomy.

Červený nebo amorfní selen je také polymer řetězce, ale mírně uspořádané struktury. V teplotním rozsahu 70-90 ˚С získává vlastnosti podobné pryži a přechází do vysoce elastického stavu, který připomíná organické polymery.

Karbid selenu neboli horský křišťál. Tepelně a chemicky stabilní, dostatečně pevný prostorový krystal. Piezoelektrické a polovodičové. Za umělých podmínek byl získán reakcí křemenného písku a uhlí v elektrické peci při teplotě asi 2000 °C.

Ostatní selenové polymery:

• Monoklinikaselen - uspořádanější než amorfní červená, ale horší než šedá.
• Oxid selenitý neboli (SiO2)n je trojrozměrný síťový polymer.
• Azbest je polymer oxidu selenu s vláknitou strukturou.

Phosforové polymery

Existuje mnoho modifikací fosforu: bílá, červená, černá, hnědá, fialová. Červená - NP jemně krystalická struktura. Získává se zahříváním bílého fosforu bez vzduchu na teplotu 2500 ˚С. Černý fosfor získal P. Bridgman za následujících podmínek: tlak 200 000 atmosfér při teplotě 200 °C.

Fosfornitridové chloridy jsou sloučeniny fosforu s dusíkem a chlórem. Vlastnosti těchto látek se mění s rostoucí hmotností. Totiž jejich rozpustnost v organických látkách klesá. Když molekulová hmotnost polymeru dosáhne několika tisíc jednotek, vytvoří se pryžovitá látka. Je to jediná dostatečně tepelně odolná bezuhlíková pryž. Rozkládá se pouze při teplotách nad 350 °C.

Závěr

Anorganické polymery jsou většinou látky s jedinečnými vlastnostmi. Používají se ve výrobě, ve stavebnictví, pro vývoj inovativních až revolučních materiálů. Jak se studují vlastnosti známých NP a vytvářejí se nové, rozsah jejich použití se rozšiřuje.