Неорганічні полімери: приклади та області застосування

У природі існують елементоорганіческіе, органічні та неорганічні полімери. До неорганічних відносять матеріали, головна ланцюг яких неорганічна, а бічні відгалуження не є вуглеводневими радикалами. До формування полімерів неорганічного походження найбільш схильні елементи III-VI груп періодичної системи хімічних елементів.

Класифікація

Органічні і неорганічні полімери активно досліджуються, визначаються їхні нові характеристики, тому чіткої класифікації цих матеріалів ще не вироблено. Втім, можна виділити певні групи полімерів.

В залежності від структури:

• лінійні;
• плоскі;
• розгалужені;
• полімерні сітки;
• тривимірні та інші.

Залежно від атомів головного ланцюга, що утворюють полімер:

• гомоцепні типу (-M-) n - складаються з одного виду атомів;
• гетероцепні типу (-ML-) n - складаються з різних видів атомів.

Залежно від походження:

• природні;
• штучні.

Для віднесення до неорганічних полімерам речовин, які в твердому стані являють собою макромолекули, необхідно також наявність в них певної анізотропії просторової будови та відповідних властивостей.

Основні характеристики

Більш поширеними є гетероцепні полімери, в яких відбувається чергування електропозитивних і електронегативних атомів, наприклад B і N, P і N, Si і O. Отримати гетероцепні неорганічні полімери (НП) можна за допомогою реакцій поліконденсації. Поліконденсація оксоаніонів прискорюється в кислому середовищі, а поліконденсація гідратованих катіонів - в лужному. Поліконденсація може бути проведена як в розчині, так і в твердих речовинах при наявності високої температури.

Багато з гетероцепних неорганічних полімерів можна отримати тільки в умовах високотемпературного синтезу, наприклад, безпосередньо з простих речовин. Освіта карбідів, які є полімерними тілами, відбувається при взаємодії деяких оксидів з вуглецем, а також за наявності високої температури.

Довгі гомоцепні ланцюга (зі ступенем полімеризації n> 100) утворюють карбон і p-елементи VI групи: сірка, селен, телур.

Неорганічні полімери: приклади та застосування

Специфіка НП полягає в утворенні полімерних кристалічних тіл з регулярною тривимірною структурою макромолекул. Наявність жорсткого каркаса хімічних зв`язків надає таких сполук значну твердість.

Зазначене властивість дозволяє використовувати в якості абразивних матеріалів неорганічні полімери. Застосування цих матеріалів знайшло найширше застосування в промисловості.

Виняткова хімічна та термічна стійкість НП є також цінним властивістю. Наприклад, армуючі волокна, виготовлені з органічних полімерів, стійкі на повітрі до температури 150-220 С. Тим часом борне волокно і його похідні залишаються стійкими до температури 650 С. Саме тому неорганічні полімери є перспективними для створення нових хімічно і термостійких матеріалів.

Практичне значення також мають НП, які одночасно є і наближаються за властивостями до органічних, і які зберегли свої специфічні властивості. До таких відносять фосфати, поліфосфазени, силікати, полімерні оксиди сірки з різними бічними групами.

Полімери вуглецю

Завдання: «Наведіть приклади неорганічних полімерів», - часто зустрічається в підручниках з хімії. Доцільно його виконувати із згадкою найвидатніших НП - похідних вуглецю. Адже сюди входять матеріали з унікальними характеристиками: алмази, графіт і карбін.

Карбин - штучно створений, маловивчений лінійний полімер з неперевершеними показниками міцності, не поступливими, а згідно з рядом досліджень і переважаючими графен. Втім, карбін - речовина таємниче. Адже не всі вчені визнають його існування як самостійного матеріалу.

Зовні виглядає як метало-кристалічний чорний порошок. Має напівпровідникові властивості. Електропровідність карбін значно збільшується під дією світла. Він не втрачає цих властивостей навіть при температурі до 5000 С, що набагато вище, ніж для інших матеріалів подібного призначення. Отримано матеріал у 60-х В.В. Коршак, А.М. Сладкова, В.І. Касаточкіним і Ю.П. Кудрявцевим шляхом каталітичного окислення ацетилену. Найскладніше було визначити вид зв`язків між атомами вуглецю. Згодом було отримано речовину тільки з подвійними зв`язками між атомами вуглецю в Інституті елементоорганічних сполук АН СРСР. Нове з`єднання назвали полікумулен.

Графіт - в цьому матеріалі полімерна впорядкованість поширюється тільки в площині. Його шари з`єднані не хімічними зв`язками, а слабкими міжмолекулярними взаємодіями, тому він проводить тепло і струм і не пропускає світло. Графіт і його похідні - досить поширені неорганічні полімери. Приклади їх використання: від олівців до атомної промисловості. Окислюючи графіт, можна отримати проміжні продукти окислення.

Алмаз - його властивості принципово інші. Алмаз є просторовим (тривимірним) полімером. Всі атоми вуглецю скріплюються між собою міцними ковалентними зв`язками. Тому цей полімер є надзвичайно міцним. Алмаз не проводить струм і тепло, має прозору структуру.

Полімери бору

Якщо вас запитають про те, які неорганічні полімери вам відомі, сміливо відповідайте - полімери бору (-BR-). Це досить великий клас НП, широко застосовуваний у промисловості та науці.

Карбід бору - його формула правильніше виглядає так (B12C3) n. Його елементарна комірка - ромбоедрична. Каркас утворюють дванадцятій ковалентно пов`язаних атомів бору. А в середині його - лінійна група з трьох ковалентно пов`язаних атомів вуглецю. У результаті утворюється дуже міцна конструкція.

Боріди - їх кристали утворені подібно вищеописаному карбіду. Найбільш стійкий з них HfB2, який плавиться тільки при температурі 3250 ° C. Найбільшою хімічною стійкістю відзначається TaB2 - на нього не діють ні кислоти, ні їх суміші.

Нітрид бору - його часто називають білим тальком за схожість. Ця схожість дійсно лише зовнішнє. Структурно він аналогічний графіту. Отримують його, нагріваючи бор або його оксид в атмосфері аміаку.

Боразон

Ельбор, боразон, киборит, кінгсонгіт, кубоніт - надтверді неорганічні полімери. Приклади їх застосування: виготовлення шліфувальних кругів, абразивних матеріалів, обробка металів. Це хімічно інертні речовини на основі бору. По твердості ближче інших матеріалів до алмазам. Зокрема, боразон залишає подряпини на алмазі, останній теж залишає подряпини на кристалах боразона.

Втім, ці НП мають кілька переваг перед натуральними алмазами: у них велика термостійкість (витримують температуру до 2000 ° C, алмаз ж руйнується при показниках в межах 700-800 ° C) і висока стійкість до механічних навантажень (вони не такі тендітні). Боразон був отриманий при температурі +1350 ° C і тиску 62000 атмосфер Робертом Венторфа в 1957 році. Аналогічні матеріали ленінградськими вченими були отримані в 1963 році.

Неорганічні полімери сірки

Гомополімер - ця модифікація сірки має лінійну молекулу. Речовина не є стійким, при коливаннях температури розпадається на октаедричні цикли. Утворюється у разі різкого охолодження розплаву сірки.

Полімерна модифікація сірчистого ангідриду. Дуже схожа на азбест, має волокнисту структуру.

Полімери селену

Сірий селен - полімер з спіралеподібними лінійними макромолекулами, вкладеними паралельно. У ланцюгах атоми селену пов`язані ковалентно, а макромолекули пов`язані молекулярними зв`язками. Навіть розплавлений або розчинений селен не розпадається на окремі атоми.

Червоний або аморфний селен теж полімер ланцюговий, але малоупорядоченной структури. У температурному проміжку 70-90 С він набуває каучукоподібного властивості, переходячи в високоеластичний стан, чим нагадує органічні полімери.

Карбід селену, або Горний кришталь. Термічно і хімічно стійкий, досить міцний просторовий кристал. П`єзоелектрик і напівпровідник. У штучних умовах його отримали при реакції кварцового піску і вугілля в електропечі при температурі близько 2000 ° C.

Інші полімери селену:

• Моноклінний селен - більш впорядкований, ніж аморфний червоний, але поступається сірій.
• Діоксид селену, або (SiO2) n - являє собою тривимірний сітчастий полімер.
• Азбест - полімер оксиду селену волокнистої структури.

Полімери фосфору

Існує багато модифікацій фосфору: білий, червоний, чорний, коричневий, фіолетовий. Червоний - НП мелкокристаллического будови. Виходить нагріванням білого фосфору без доступу повітря при температурі +2500 С. Чорний фосфор отриманий П. Бріджменом за наступних умов: тиск 200000 атмосфер при температурі 200 ° C.

Фосфорнітрідхлоріди - сполуки фосфору з азотом і хлором. Властивості цих речовин змінюються з ростом маси. А саме зменшується їх розчинність в органічних речовинах. Коли молекулярна маса полімеру досягає декількох тисяч одиниць, утворюється каучукоподобное речовину. Це єдиний досить термостійкий безвуглецевого каучук. Він руйнується тільки при температурі понад 350 ° C.

Висновок

Неорганічні полімери в більшості своїй - речовини з унікальними характеристиками. Їх застосовують на виробництві, у будівництві, для розробки інноваційних і навіть революційних матеріалів. У міру вивчення властивостей відомих НП і створення нових, сфера їх застосування розширюється.