پلیمرهای معدنی: نمونه ها و کاربردها

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 10:25

در طبیعت، پلیمرهای آلی، آلی و معدنی وجود دارد. مواد معدنی شامل موادی هستند که زنجیره اصلی آنها غیرآلی است و شاخه های جانبی آن رادیکال های هیدروکربنی نیستند. عناصر گروه III-VI از سیستم تناوبی عناصر شیمیایی بیشتر مستعد تشکیل پلیمرهایی با منشاء معدنی هستند.

طبقه بندی

پلیمرهای آلی و معدنی به طور فعال در حال مطالعه هستند، ویژگی های جدید آنها در حال تعیین است، بنابراین طبقه بندی واضحی از این مواد هنوز ایجاد نشده است. با این حال، گروه های خاصی از پلیمرها را می توان تشخیص داد.

بسته به ساختار:

• خطی;
• مسطح;
• شاخه؛
• تورهای پلیمری؛
• سه بعدی و موارد دیگر.

بسته به اتم های ستون فقرات تشکیل دهنده پلیمر:

• نوع هموزنجیره (-M-)n - از یک نوع اتم تشکیل شده است؛
• نوع زنجیره ناهمگن(-M-L-)n - از انواع مختلفی از اتم ها تشکیل شده است.

بسته به مبدا:

• طبیعی;
• مصنوعی.

برای طبقه بندی موادی که درشت مولکول ها در حالت جامد هستند به عنوان پلیمرهای معدنی، آنها همچنین باید ناهمسانگردی خاصی از ساختار فضایی و ویژگی های مربوطه داشته باشند.

ویژگی های کلیدی

رایج‌تر پلیمرهای هتروزنجیره‌ای هستند که در آنها تناوب اتم‌های الکترومثبت و الکترونگاتیو رخ می‌دهد، به عنوان مثال، B و N، P و N، Si و O. دریافت پلیمرهای معدنی زنجیره ناهمگن (NP) می‌تواند با استفاده از واکنش‌های چند تراکمی باشد. چند تراکم اکسونیون ها در محیط اسیدی تسریع می شود، در حالی که چند تراکم کاتیون های هیدراته در یک محیط قلیایی تسریع می شود. چند تراکم می تواند هم در محلول و هم در جامدات در حضور دمای بالا انجام شود.

بسیاری از پلیمرهای معدنی زنجیره ناهمگن را فقط می توان تحت شرایط سنتز در دمای بالا، به عنوان مثال، مستقیماً از مواد ساده به دست آورد. تشکیل کاربیدها، که اجسام پلیمری هستند، زمانی اتفاق می‌افتد که اکسیدهای خاصی با کربن و همچنین در حضور دمای بالا برهم کنش کنند.

زنجیره های بلند هم زنجیر (با درجه پلیمریزاسیون n>100) کربن و عناصر p گروه VI را تشکیل می دهند: گوگرد، سلنیوم، تلوریم.

پلیمرهای معدنی: نمونه‌ها و کاربردها

ویژگی NP در آموزش نهفته استاجسام کریستالی پلیمری با ساختار سه بعدی منظم از ماکرومولکول ها. وجود یک چارچوب سفت و سخت از پیوندهای شیمیایی چنین ترکیباتی را با سختی قابل توجهی فراهم می کند.

این خاصیت استفاده از پلیمرهای معدنی را به عنوان مواد ساینده امکان پذیر می کند. استفاده از این مواد بیشترین کاربرد را در صنعت پیدا کرده است.

مقاومت استثنایی شیمیایی و حرارتی NP نیز یک ویژگی ارزشمند است. به عنوان مثال، الیاف تقویت کننده ساخته شده از پلیمرهای آلی در هوا تا دمای 150-220 درجه سانتیگراد پایدار هستند. در همین حال، فیبر بور و مشتقات آن تا دمای 650 درجه سانتیگراد پایدار می مانند. به همین دلیل است که پلیمرهای معدنی برای ایجاد مواد شیمیایی جدید و مقاوم در برابر حرارت امیدوار کننده هستند.

ارزش عملینیز NP است که هم از نظر خواص به ارگانیک نزدیک است و هم خواص خاص خود را حفظ می کند. اینها شامل فسفات ها، پلی فسفازن ها، سیلیکات ها، اکسیدهای گوگرد پلیمری با گروه های جانبی مختلف است.

پلیمرهای کربن

تکلیف: «نمونه‌هایی از پلیمرهای معدنی را که اغلب در کتاب‌های درسی شیمی یافت می‌شوند، بیاورید. توصیه می شود آن را با ذکر برجسته ترین NP - مشتقات کربن انجام دهید. به هر حال، این شامل موادی با ویژگی های منحصر به فرد است: الماس، گرافیت و کاربین.

Carbine یک پلیمر خطی به طور مصنوعی ایجاد شده است که کمی مطالعه شده است با شاخص های مقاومتی بی نظیر که پایین تر نیستند، اما طبق تعدادی از مطالعات وبرتر از گرافن با این حال، کارابین یک ماده مرموز است. از این گذشته، همه دانشمندان وجود آن را به عنوان یک ماده مستقل نمی شناسند.

ظاهراً شبیه پودر سیاه متال کریستالی است. دارای خواص نیمه هادی است. رسانایی الکتریکی کاربین تحت تأثیر نور به طور قابل توجهی افزایش می یابد. این خواص را حتی در دمای 5000 درجه سانتیگراد از دست نمی دهد که بسیار بیشتر از سایر مواد برای این منظور است. این مواد در دهه 60 توسط V. V. کورشک، ع.م. اسلادکوف، V. I. Kasatochkin و Yu. P. Kudryavtsev با اکسیداسیون کاتالیزوری استیلن. سخت ترین کار تعیین نوع پیوند بین اتم های کربن بود. متعاقباً، ماده ای با پیوندهای مضاعف بین اتم های کربن در مؤسسه ترکیبات ارگانو عنصری آکادمی علوم اتحاد جماهیر شوروی به دست آمد. ترکیب جدید پلی کومولن نام گرفت.

گرافیت - در این ماده سفارش پلیمر فقط در صفحه گسترش می یابد. لایه های آن نه با پیوندهای شیمیایی، بلکه با فعل و انفعالات بین مولکولی ضعیف به هم متصل می شوند، بنابراین گرما و جریان را هدایت می کند و نور را از خود عبور نمی دهد. گرافیت و مشتقات آن پلیمرهای معدنی نسبتاً رایجی هستند. نمونه هایی از کاربرد آنها: از مداد تا صنعت هسته ای. با اکسید کردن گرافیت، می توان محصولات اکسیداسیون متوسط را به دست آورد.

الماس - خواص آن اساساً متفاوت است. الماس یک پلیمر فضایی (سه بعدی) است. همه اتم های کربن توسط پیوندهای کووالانسی قوی در کنار هم نگه داشته می شوند. زیرا این پلیمر بسیار بادوام است. الماس جریان و گرما را هدایت نمی کند، ساختار شفافی دارد.

پلیمرهای بور

اگر از شما پرسیده شد که چه پلیمرهای معدنی را می شناسید، با خیال راحت پاسخ دهید - پلیمرهای بور (-BR-). این یک کلاس نسبتاً گسترده از NP ها است که به طور گسترده در صنعت و علم استفاده می شود.

کاربید بور - فرمول آن درست تر به نظر می رسد مانند این (B12C3) n. سلول واحد آن لوزی ودرال است. چارچوب توسط دوازده اتم بور با پیوند کووالانسی تشکیل شده است. و در وسط آن یک گروه خطی از سه اتم کربن با پیوند کووالانسی قرار دارد. نتیجه یک ساختار بسیار قوی است.

بوریدها - کریستالهای آنها مشابه کاربید فوق تشکیل می شوند. پایدارترین آنها HfB2 است که فقط در دمای 3250 درجه سانتیگراد ذوب می شود. TaB2 به دلیل بالاترین مقاومت شیمیایی شناخته شده است - نه اسیدها و نه مخلوط آنها روی آن تأثیر نمی گذارد.

نیترید بور - اغلب به دلیل شباهت آن به عنوان تالک سفید شناخته می شود. این شباهت در واقع فقط سطحی است. از نظر ساختاری شبیه گرافیت است. آن را با گرم کردن بور یا اکسید آن در جو آمونیاکی بدست آورید.

Borazon

Elbor، borazone، cyborite، kingsongite، cubonite پلیمرهای معدنی فوق سخت هستند. نمونه هایی از کاربرد آنها: ساخت چرخ های سنگ زنی، مواد ساینده، پردازش فلز. اینها مواد شیمیایی بی اثر هستند که بر پایه بور هستند. سختی نسبت به سایر مواد به الماس نزدیکتر است. به طور خاص، برازون خراش هایی روی الماس ایجاد می کند، دومی نیز بر روی کریستال های بورازون خراش ایجاد می کند.

با این حال، این ND مزایای متعددی نسبت به الماس های طبیعی دارند: آنها دارای مزیت بیشتری هستند.مقاومت در برابر گرما (مقاومت در دماهای تا 2000 درجه سانتیگراد، الماس با نرخ هایی در محدوده 700-800 درجه سانتیگراد از بین می رود) و مقاومت بالا در برابر استرس مکانیکی (آنقدر شکننده نیستند). بورازون در دمای 1350 درجه سانتی گراد و فشار 62000 اتمسفر توسط رابرت ونتورف در سال 1957 به دست آمد. مواد مشابهی توسط دانشمندان لنینگراد در سال 1963 به دست آمد.

پلیمرهای غیر آلی گوگرد

هموپلیمر - این اصلاح گوگرد دارای یک مولکول خطی است. این ماده پایدار نیست، با نوسانات دما به چرخه های هشت وجهی تقسیم می شود. در صورت خنک شدن شدید مذاب گوگرد تشکیل می شود.

اصلاح پلیمر دی اکسید گوگرد. بسیار شبیه آزبست، دارای ساختار فیبری است.

پلیمرهای سلنیوم

سلنیوم خاکستری پلیمری است با ماکرومولکول های خطی مارپیچی که به صورت موازی تو در تو قرار گرفته اند. در زنجیره ها، اتم های سلنیوم به صورت کووالانسی پیوند دارند، در حالی که ماکرومولکول ها با پیوندهای مولکولی به هم متصل می شوند. حتی سلنیوم مذاب یا محلول به اتم های منفرد تجزیه نمی شود.

سلنیوم قرمز یا آمورف نیز پلیمری زنجیره ای است، اما ساختاری کمی مرتب دارد. در محدوده دمایی 70-90 درجه سانتیگراد، خواص لاستیک مانندی پیدا می کند و به حالت بسیار الاستیک تبدیل می شود که شبیه پلیمرهای آلی است.

کاربید سلنیوم یا کریستال سنگ. کریستال فضایی از نظر حرارتی و شیمیایی پایدار و به اندازه کافی قوی است. پیزوالکتریک و نیمه هادی. در شرایط مصنوعی، با واکنش ماسه کوارتز و زغال سنگ در یک کوره الکتریکی در دمای حدود 2000 درجه سانتیگراد به دست آمد.

سایر پلیمرهای سلنیوم:

• مونوکلینیکسلنیوم - مرتب تر از قرمز آمورف، اما نسبت به خاکستری پایین تر است.
• دی اکسید سلنیوم یا (SiO2)n یک پلیمر شبکه ای سه بعدی است.
• آزبست پلیمری از اکسید سلنیوم با ساختار فیبری است.

پلیمرهای فسفر

تغییرات زیادی در فسفر وجود دارد: سفید، قرمز، سیاه، قهوه ای، بنفش. قرمز - ساختار ریز کریستالی NP. با گرم کردن فسفر سفید بدون هوا در دمای 2500 درجه سانتیگراد به دست می آید. فسفر سیاه توسط P. Bridgman تحت شرایط زیر بدست آمد: فشار 200000 اتمسفر در دمای 200 درجه سانتیگراد.

کلریدهای فسفرنیترید ترکیباتی از فسفر با نیتروژن و کلر هستند. خواص این مواد با افزایش جرم تغییر می کند. یعنی حلالیت آنها در مواد آلی کاهش می یابد. هنگامی که وزن مولکولی پلیمر به چندین هزار واحد برسد، یک ماده لاستیکی تشکیل می شود. این تنها لاستیک بدون کربن است که به اندازه کافی مقاوم در برابر حرارت است. فقط در دمای بالای 350 درجه سانتیگراد تجزیه می شود.

نتیجه گیری

پلیمرهای غیر آلی عمدتاً موادی با ویژگی‌های منحصر به فرد هستند. آنها در تولید، ساخت و ساز، برای توسعه مواد نوآورانه و حتی انقلابی استفاده می شوند. با مطالعه ویژگی های NP های شناخته شده و ایجاد موارد جدید، دامنه کاربرد آنها گسترش می یابد.