Неорганічні полімери

Практичний інтерес представляють лінійні неорганічні полімери, які є наиб. ступеня подібні до органічних - можуть існувати в тих же фазових, агрегатних або релаксаційних станах, утворювати аналогічні надмол. структури тощо. Такі неорганічні полімери можуть бути термостійкими каучуками, склом, волокноутворюючими і т.п., а також виявляти ряд св-в, вже не властивих орг. полімерів. До них відносяться поліфосфазени, полімерні оксиди сірки (з різними бічними групами), фосфати, силікати.

Переробка неорганічних полімерів у скла, волокна, ситали, кераміку тощо вимагає плавлення, а воно, як правило, супроводжується оборотноюдеполімеризацією. Тому зазвичай використовують модифікуючі добавки, що дозволяють стабілізувати в розплавах помірно розгалужені структури.

Силікони

Ви раніше зустрічали неорганічні полімери; якщо не на цих сторінках, то принаймні у повсякденному житті ви, ймовірно, вже бачили десь силіконовий полімер. Силікони є одним із найбільш часто зустрічаються неорганічних полімерів. Вони виглядають ось так:

Насправді їх слід називати полісилоксанами. Зв'язок між атомами кремнію та кисню дуже міцна, але дуже гнучка. Тому силікони можуть витримувати високі температури, не розкладаючись при цьому, але вони мають дуже низькі температури склування. Вам, напевно, раніше десь уже доводилося зустрічати гуму або замазку, зроблену з силіконів.

Полісилани

Було витрачено чимало часу для того, щоб це сталося, але атоми кремнію все-таки були збудовані у довгі полімерні ланцюжки. Вже десь у 20-ті чи 30-ті роки ХХ століття хіміки почали здогадуватися, що органічні полімери виготовлені з довгих вуглецевих ланцюжків, але серйозні дослідження полісіланів були проведені до кінця сімдесятих років.

Раніше, в 1949 році, в той час, коли письменник Курт Воннегут працював у відділі компанії Дженерал Електрик зі зв'язків з громадськістю, К. А. Буркхард (C.A. Burkhard) працював у відділі дослідження та розвитку тієї ж фірми. Він винайшов полісилан під назвою полідиметилсилан, але ця речовина ні на що не годилася. Воно виглядало ось так:

Воно утворювало кристали, які були настільки міцними, що ніщо не могло їх розчинити. Буркхард намагався нагріти їх, але вони не плавилися при температурах нижче 250 o C, За більш високої температури вони розкладалися, так і не розплавившись. Це робило полідиметилсилан досить марним. Отримано цю речовину при реакції металевого натрію з дихлордиметилсиланом ось так:

Це важливо, оскільки в сімдесятих роках ХХ століття деякі вчені почали розуміти, як робити маленькі молекули з атомів кремнію. Так, самі того не чекаючи, вони зробили щось дуже подібне до того, що раніше зробив Буркхард. Вони змусили металевий натрій взаємодіяти з дихлордиметилсиланом, але вони також додали до цієї суміші кілька дихлорметилфенилсилана. І вгадайте, що сталося? Я підкажу вам: вони не отримали потрібні їм структури. Те, що в них вийшло, було таким сополімером:

Можливо, зрозуміліше стане, якщо намалювати цей сополімер ось таким чином:

Чи бачите, ці фенільні групи починають заважати, коли полімер намагається кристалізуватися, тому такій речовині меншою мірою притаманні кристалічні властивості, ніж полідиметилсилану. Це означає, що воно розчинне і його можна обробляти, перетворювати та вивчати.

Ну, і на що ці речовини годяться? Полісилани цікаві, оскільки можуть проводити електричний струм. Зрозуміло, не так добре, як мідь, але набагато краще, ніж ви могли б очікувати від полімеру, і це гідно дослідження. Вони також дуже термостійкі, їх можна нагрівати до 300 oC. Але якщо ви нагрієте їх до більш високих температур, то ви можете отримати з них карбід кремнію, який є корисним абразивним матеріалом.

Полімери германію та олова

Добре, якщо кремній може утворювати довгі полімерні ланцюжки, то що можна сказати про інші хімічні елементи четвертої групи таблиці Менделєєва? Чи можна зробити полімери з Німеччини? Ви можете мені повірити, що вони існують! Ви можете зробити полімерні ланцюжки не тільки з Німеччини, але навіть і з атомів олова! Такі полімери називаються, відповідно, германій-містять і олово-полімери, що містять.

Полімери олова унікальні, цікаві, чудові, просто незвичайні, оскільки вони є єдиними відомими полімерами, основний ланцюг яких виготовлений цілком з атомів металів. Як і полісилани, полімери германію та олова (полігермани та полістанілени) вивчаються на предмет їх використання як провідники електрики.

Поліфосфазени

Мені дуже шкода вам про це повідомляти, але елементи четвертої групи таблиці Менделєєва ми закінчилися. Так що останній неорганічний полімер, який ми сьогодні розглянемо, повинен бути зроблений з чогось іншого. І це щось – фосфор та азот. Як і полісилоксани, поліфосфазени зроблені з атомів, що чергуються. В даному випадку в основному ланцюжку у нас чергуються атоми фосфору та кремнію, ось так:

Такий основний ланцюжок дуже гнучкий, як і основний ланцюжок полісилоксанів, тому поліфосфазени є хорошими еластомерами. Вони також є дуже добрими електричними ізоляторами.

Поліфосфазени одержують у дві стадії:

Спочатку ми беремо п'ятихлористий фосфор і діємо на нього хлоридом амонію для одержання хлорованого полімеру. Потім ми обробляємо його спиртовою сіллю натрію, що дає нам ефірзаміщений поліфосфазен.

На сьогоднішній день існує безліч неорганічних полімерів. Основна їх частина є природними сполуками, проте сучасні технології дозволяють штучно отримувати неорганічні полімери. Як правило, їх виробництво вимагає високого тиску і температури, при цьому основою є чиста речовина, а способи залишаються ті ж, що і при отриманні органічних полімерів (наприклад, полімеризація). Характерними властивостями неорганічних полімерів є їхня стійкість до хімічних впливів і термічна стійкість. Крім того, багато з цих полімерів є твердим, але досить крихким матеріалом. Поясненням цього є просторова кристалічна структура чи надмірна наявність іонів у хімічному зв'язку. Серед найвідоміших неорганічних полімерних матеріалів є графіт, мінеральне скло, кераміка, алмази, азбест, кварц, слюда.

Елементи хімічної таблиці можуть утворювати різні полімерні ланцюги. Наприклад, сірка, селен і телур утворюють лінійні ланцюги, які відповідно до ковалентності атомів, згортаються у спіралі. Ті хімічні елементи, які належать до головної підгрупи III – V груп, можуть формувати, як лінійні ланцюги, і плоскі чи просторові структури неорганічних полімерів. Основу полімерних ланцюжків найчастіше складають оксиди кремнію, алюмінію та інших металів. Вони формують найширшу групу неорганічних полімерних матеріалів – силікати та алюмосилікати. Крім того, вони є суттєвою частиною земної кори. Структура молекулярного ланцюга силікатів може бути ланцюжковою, сходовою, шаруватою та тривимірною. Кожна з цих структур надає неорганічним матеріалам певні, характерні лише їм, властивості. Наприклад, сходова структура передбачає наявність двох паралельних молекулярних ланцюжків, з'єднаних атомами кисню. Саме ці зв'язки забезпечують наявність нових властивостей, які дозволяють віднести отримані матеріали до волокнистих (азбест). Ще однією рисою, що характеризує неорганічні полімери, є шарувата структура. Великі відстані між шарами забезпечують відповідним речовинам (тальк, слюда) легке розщеплення. Якщо ланцюг містить метали, які можуть взаємодіяти з водою, то при цьому відбувається ще більше збільшення наявної відстані між шарами. Це може призвести до набухання неорганічного матеріалу. Силікати, що мають тривимірну структуру, характеризуються гарною водонепроникністю, твердістю та жорсткістю. Як правило, відповідають таким характеристикам різновиду кварцу: топаз, яшма, агат, гірський кришталь та інші.

Неорганічні стекла та технічна кераміка

Неорганічні стекла.Сітали.Технічна кераміка.Елементи технологіїі застосування конструкційної кераміки.

Хімічний склад скла та його свойства.Класифікація неорганічного скла.

У сучасному матеріалознавстві дедалі більше чільне місце починають займати різні неорганічні речовини. Багато хто з них використовують у вигляді кристалів: кварц (SiO2), корунд (a-AI2O3) і пофарбовані кристали цього оксиду - сапфір, рубін та ін, а також рутил (ТiO2), нітриди, сульфіди і т.д. Однак у набагато більших масштабах ці ж неорганічні речовини використовують ваморфний стан у вигляді скла.

Найбільш поширене скло на основі діоксиду кремнію - силікатне скло. Широко використовують також алюмо-силікатні, боросилікатні скла.

Неорганічне скло - це хімічно складний, аморфний, макроскопічно ізотропний матеріал, що має механічні властивості крихкого твердого тіла. Скло виходить після охолодження розплаву суміші неорганічних сполук (переважно оксидів). Їх властивості однакові у всіх напрямах, тобто. вони ізотропні. При нагріванні вони не плавляться за постійної температури, як кристали, а поступово розм'якшуються у значному діапазоні температур, переходячи в рідкий стан. Розплавлення їх при підвищенні температури та затвердіння при зниженні температури відбувається оборотно. За структурою – це тверді розчини.

Серед причин аморфного стану неорганічного скла можна виділити дві.

Перша причина полягає в тому, що в області затвердіння розплав скла має дуже високу в'язкість (табл.6.3).

Таблиця 6.3 – В'язкість деяких речовин при температурах плавлення

Речовина		h ×10, Н с/м2

Друга причина випливає із особливостей ковалентного зв'язку, що визначає взаємодію атомів в оксиді. Ковалентний зв'язок має дві важливі властивості: насиченість і спрямованість. Відповідно до насиченості хімічного зв'язку кожен атом скла у просторі має відповідно до своєї валентності суворо певну кількість "партнерів" по взаємодії. Наприклад, кремній 4-х валентний. І його атом повинен мати у безпосередньому оточенні чотири атоми кисню (у кварцовому склі) з якими він пов'язаний полярним ковалентним зв'язком. І ці зв'язку можуть утворюватися не довільно, а під певним кутом друг до друга (принцип спрямованості). Все це дуже ускладнює формування регулярної, кристалічної структури. У високов'язкому середовищі у структурі скла при охолодженні може утворитися лише ближній порядок розташування атомів.

Хімічний склад скла та його властивості

Скло, що використовується в техніці, здебільшого складаються з декількох компонентів. За функціональним призначенням всі компоненти скла можна розділити на три групи: склоутворювачі, модифікатори та компенсатори.

Склоутворювачі є основною складовою скла. Склоутворювачі - неорганічні полімери, що мають сітчасту структуру. Тому скла мають деякі риси полімерних структур і відповідні фізичні властивості, характерні для полімерних матеріалів.

Найчастіше як склоутворювачі використовують SiO2 (силікатне скло), Аl2О3 і SiO2 (алюмосилікатне), В2О3 і SiO2 (боросилікатне), В2О3, Аl2О3 і SiO2 (бороалюмосилікатне).

Модифікатори вводять у скло для надання склам необхідних якостей: для спрощення технології, здешевлення матеріалу і т.д.

Наприклад, при введенні в кварц оксидів лужних та лужноземельних металів зменшується температура розм'якшення скла, спрощується технологія. Добавки оксидів хрому, заліза, кобальту та ін надають потрібний колір склу. Оксиди важких металів, наприклад свинцю, підвищують коефіцієнт заломлення.

Часто введення якоїсь добавки покращує одні властивості та погіршує інші показники матеріалу. Тоді вводять добавки – компенсатори, призначення яких придушити негативний прояв основних модифікаторів.

Однією з важливих властивостей скла є термостійкість. У більшості стекол термостійкість коливається від 90 до 200оС, а у кварцового скла, міцного, термостійкого і не розширюється, досягає 800-1000оС.

Температурна залежність міцності скла має щонайменше при 200°С. Максимальна робоча температура зазвичай не перевищує 400-500оС, що відповідає температурі склування. Кварцове скло допускає тривалу експлуатацію при 1100-1200°С (міцність підвищена на 50%) та короткочасне використання при нагріванні до 1400-1500оС.

Термічне зміцнення (загартування) скла здійснюється швидким і рівномірним його охолодженням, нагрітого вище температури склування в потоці повітря або мастила. Зміцнення скла загартуванням пов'язане з появою в склі досить рівномірно розподілених напруг, які в зовнішніх шарах скла викликають напруження стиснення, а у внутрішніх шарах - напруження розтягування. Межа міцності скла при стисканні приблизно в 10-15 разів більша, ніж межа міцності при розтягуванні.

Термохімічне зміцнення засноване на загартуванні скла і, крім того, зміні самої структури та властивостей його поверхневого шару. Таке зміцнення проводиться швидким охолодженням скла, нагрітого вище температури склування, у підігрітих полімерних кремнійорганічних рідинах. Додаткове зміцнення пояснюється утворенням поверхні скла полімерних плівок.

Класифікація неорганічного скла, їх властивості, застосування

Одним з найпоширеніших високоякісного скла, що застосовується в авіаційних конструкціях, є алюмоборосилікатне малолужне скло.

За призначенням технічне скло підрозділяється на оптичне, лабораторне, електротехнічне, транспортне, приладове, захисне, теплозвукоізоляційне, світлотехнічне, скловолокно та ін. 5200...8000 кг/м3 у важких, що містять до 65% оксидів свинцю, барію, вісмуту (n=1,9); світлопрозорість незабарвленого скла становить у видимій частині спектру до 92%.

Хімічна та гідролітична стійкість скла у кислих середовищах (крім фосфорної кислоти Н2РО3 та плавикової HF, що повністю розчиняє скло) досить висока. У лужних середовищах стійкість знижується. Силікатне скло з вмістом 20-30% Na2O або LiO розчиняється в гарячій воді і утворює «рідке скло».

Недоліком загартованого скла є чутливість до ударів у краї (біля крайки) і в кутах. При руйнуванні загартоване скло покривається густою сіткою тріщин, що сильно ускладнюють видимість.

Якщо два листи скла склеїти прозорою гнучкою та пружною полімерною плівкою, то виходить так званий триплекс. При руйнуванні його осколки, що утворилися, утримуються на полімерній плівці, до якої вони прикріплені, і не висипаються.

Ситали, їх властивості, застосування

Визначними властивостями мають нові конструкційні матеріали - ситали (термін утворений зі слів скло і кристал), одержувані шляхом кристалізації неорганічного скла на основі деяких оксидів.

Ситали - це частково закристалізоване скло. Вони виходять регульованою кристалізацією скла за підвищених температурах. У ході цього процесу обсягом матеріалу формуються мікрообласті кристалічної будови розміром до 1 мкм. Концентрація таких областей у ситалах може перевищувати 50% за обсягом.

За хімічним складом ситали відрізняються від скла тим, що додають каталізатори (затравки) кристалізації. Як каталізаторів кристалізації використовують мікрочастинки золота, срібла, платини, міді (соті частки відсотка) або оксиди титану, цирконію, цинку, хрому, ванадію та ін.

По структурі ситали займають проміжне положення між звичайними склом і керамікою. У зв'язку з цим ситали іноді називають склокерамікою. Ситали - багатокомпонентні, гетерогенні, багатофазні системи, мають дуже високий рівень властивостей: високої механічної міцністю, твердістю, хімічної та термічної стійкістю, малим термічним розширенням та інші корисними властивостями. Наприклад, ситалл, відомий під назвою "пірокерам", міцніше прокатаного скла, високовуглецевої сталі, легше алюмінію, а за коефіцієнтом термічного розширення та термостійкості не відрізняється від кварцу.

При перетворенні скла на ситалл на початку скло проходить стадію варіння (температура Тm), потім скло формується у виріб і охолоджується до температури Тn - температури утворення центрів кристалізації. При цій температурі скла витримують близько 1 год. В результаті в обсязі матеріалу утворюються дрібні кристали і стає можливим підвищити температуру до Tg. При температурі Tg відбувається зростання кристалів, матеріал втрачає прозорість. Час витримки скловиробу при Тg становить 4-6 год.

Мікрокристалічні сплави, отримані зі скла

Високоміцні кристалічні сплави з металевого скла отримують способом, схожим на процес утворення пірокерамік. Це сплави на основі Fe, Ni, Cr, Mo, Co, W у різних комбінаціях з металоїдами (переважно бором), вміст яких не перевищує 12%, в аморфному стані крихкі. Стрічки з аморфного сплаву, отримані струминним методом розплаву, можуть легко перетворитися на порошок, який потім піддається гарячій екструзії або газовому ізостатичному пресуванню і одночасно кристалізуються з утворенням мікрокристалічної структури, стабілізованої дрібними частинками бору. Якщо в сплаві є вуглець, можна провести термообробку, що зміцнює. Такі сплави дуже тверді і зносостійкі і можуть використовуватися як швидкорізальні сталі.

Технічна кераміка

Кераміка - це багатокомпонентний, гетерогенний матеріал, що отримується спіканням високодисперсних мінеральних частинок (глин, оксидів, карбідів, нітридів та ін.). Якщо до складу кераміки входять метали, цей вид кераміки називають керметами.

Технологічний процес виготовлення виробів із кераміки складається з кількох стадій. Основні технологічні операції при отриманні керамічних матеріалів такі: підготовка вихідних компонентів у вигляді порошків, перемішування компонентів, формування виробів, випалювання заготовки, кінцеві операції (механічна обробка, металізація та ін.).

Структура кераміки

Безліч видів структур керамічних матеріалів можна розділити на дві групи: макроізотропні та анізотропні.

Макроізотропні матеріали. На атомарному чи молекулярному рівнях - це анізотропні матеріали, але розмір надмолекулярних утворень, зерен, невеликий проти розмірами керамічного вироби. Можна позначити чотири види макроізотропних матеріалів.

1. Мікрокристалічна кераміка. Прикладами цієї кераміки можуть бути різні сорти порцеляни. Ситали мають ту саму структуру. На рис. 6.3 а точками позначені мікрокристалічні області, оточені аморфним середовищем. Зміст кристалічної та аморфної фази в матеріалі можуть бути різними, по-різному і розміщення цих фаз в обсязі матеріалу. Матеріал же загалом ізотропний. Ці матеріали мають високу щільність, крихкі.

а

в

Види кераміки:

а - мікрокристалічна, б - зерниста, пориста (TiС), г - армована (ВТСП кераміка системи Y-Ba-Cu-O).

2. Зерниста структура . Цей вид структури є типовим для керамічних матеріалів. Зерна у структурі кераміки можуть відрізнятися розмірами, формою та властивостями. Розподіл зерен різної природи обсягом матеріалу, міцність зчеплення частинок у матеріалі також різні. Всі ці фактори складно впливають на властивості кераміки. Насправді в обмежених рамках використовують емпіричні рівняння виду:

,

де s – міцність; sо - константа, близька до міцності монокристалу; k – константа; d – розмір зерна.

3. Пориста структура . Взагалі багато кераміки пористі. Однак іноді пори створюють спеціально для зниження маси керамічного виробу, для того, щоб зробити його проникним для газу або рідини і т.д.

Зазвичай міцність пористої кераміки нижче міцності зернистої кераміки. Форма пір також впливає на міцність матеріалу. Час може також обривати розвиток тріщини при руйнуванні і розподіляти навантаження обсягом матеріалу.

4. Армована структура. Цей вид кераміки містить витягнуті зерна високої міцності. В обсязі матеріалів ці зерна не орієнтовані в певному напрямку. Тому в макрооб'ємі матеріал поводиться як ізотропний. Міцність такої кераміки завдяки армуванню буває дуже високою.

Анізотропна кераміка. У цих матеріалах структурні елементи свідомо спрямовані у потрібному напрямі. До анізотропної кераміки відносяться шарувата кераміка, волокниста кераміка, або кераміка з орієнтованою структурою.

Елементи технології керамічних матеріалів

1 – Одержання порошків. Існують механічні та фізико-хімічні методи одержання порошків. Перші пов'язані з дробленням матеріалу. Другі полягають у процесах агломерації продуктів хімічного синтезу. Зазвичай використовують порошки з частинками мікронних розмірів. Якщо необхідна щільна упаковка частинок у матеріалі, то застосовують суміш часток, що мають різні розміри – полідисперсні порошки.

2 - Змішування компонентів та формування виробів.

3 - Спікання частинок відбувається при випаленні відформованого виробу за високої температури (зазвичай від 900 до 2000оС). При спіканні відбуваються такі процеси, як дегідратація компонентів, деструкція органічних технологічних домішок (полімери, поверхнево активні речовини), дисоціація нестійких неорганічних сполук, окислення і відновлення, плавлення деяких компонентів, поліморфні перетворення і т.д. У результаті, після охолодження склоподібний, можливо, частково закристалізований розплав, пов'язує зерна більш вогнетривкого матеріалу, утворюючи міцний моноліт.

У процесі спікання відбувається зрощення частинок та зменшення пористості матеріалу до теоретичної щільності. При підвищенні температури пори змінюють свою форму, стаючи сферичними, і зменшуються у розмірах. Насправді в кераміці зберігається деяка залишкова пористість.

Ступінь і швидкість спікання залежать від багатьох факторів: температури, тривалості процесу, дисперсності частинок, коефіцієнтів дифузії, в'язкості та ін. Дуже сильний вплив на розвиток процесу спікання і структуру кераміки надає розплав (рідина) найбільш легкоплавкого компонента.

Застосування конструкційної кераміки

До основних областей застосування керамічних матеріалів відносяться різальний інструмент, деталі ДВЗ, ВМД та ін.

Ріжуча кромка характеризується високою твердістю, зносостійкістю, хімічною інертністю. По комплексу властивостей керамічний різальний інструмент перевершує традиційні різальні матеріали, такі як швидкорізальні сталі (БРС), тверді сплави (ТС)

			Кераміка Al2O3
Температура розм'якшення
Температура початку утворення окалини

Органічні полімери відіграють значну роль у природі. До того ж їх широко використовують у промисловості. Далі розглянуто склад, властивості, застосування органічних полімерів.

Особливості

Розглянуті матеріали складаються з мономерів, представлених фрагментами структури, що повторюються, з декількох атомів. Вони з'єднуються в тривимірні структури або ланцюги розгалуженої або лінійної форми внаслідок поліконденсації або полімеризації. Нерідко у будові вони чітко виявлені.

Слід сказати, що термін полімери відноситься в основному до органічних варіантів, хоча існують і неорганічні сполуки.

Принцип найменування матеріалів, що розглядаються, полягає в приєднанні приставки полі- до назви мономеру.

Властивості полімерів визначаються будовою та розмірами макромолекул.

Крім макромолекул, більшість полімерів включає інші речовини, що служать поліпшення функціональних характеристик шляхом модифікації властивостей. Вони представлені:

• стабілізаторами (запобігають реакції старіння);
• наповнювачами (включення різного фазового стану, що служать для надання специфічних властивостей);
• пластифікаторами (підвищують морозостійкість, знижують температуру переробки та покращують еластичність);
• мастилами (дозволяють уникнути прилипання металевих елементів устаткування, що використовується в переробці);
• барвниками (служать у декоративних цілях та для створення маркувань);
• антипіренами (зменшують горючість деяких полімерів);
• фунгіцидами, антисептиками, інсектицидами (надають антисептичні властивості та стійкість до дії комах та грибкової плісняви).

У природному середовищі матеріали формуються в організмах.

Крім того, існують близькі до полімерів за будовою сполуки, які називаються олігомерами. Їх відмінності полягають у меншій кількості ланок і зміні вихідних властивостей при видаленні чи додаванні однієї чи кількох їх, тоді як параметри полімерів у своїй зберігаються. До того ж, немає однозначної думки щодо відносин між даними сполуками. Одні вважають олігомери низькомолекулярними варіантами полімерів, інші - окремим типом сполук, які не належать до високомолекулярних.

Класифікація

Полімери диференціюють за складом ланок на:

• органічні;
• елементоорганічні;
• неорганічні.

Перші є основою більшості пластмас.

Речовини другого типу включають у ланках вуглеводневі (органічні) та неорганічні фрагменти.

За будовою їх диференціюють на:

• варіанти, у яких атоми різних елементів перебувають у обрамленні органічних груп;
• речовини, де вуглецеві атоми чергуються з іншими;
• матеріали з вуглецевими ланцюгами в обрамленні елементоорганічних груп

Усі типи мають основні ланцюги.

Найбільш часто зустрічаються серед неорганічних полімерів є алюмосилікати і силікати. Це є основні мінеральні речовини кори планети.

На основі походження полімери класифікують на:

• природні;
• синтетичні (що синтезуються);
• модифіковані (змінені варіанти першої групи).

Останні поділяють за способом одержання на:

• поліконденсаційні;
• полімеризаційні.

Поліконденсацією називають процес формування макромолекул з молекул мономеру, що містять більше однієї функціональної групи, з виділенням NH 3 , води та інших речовин.

Під полімеризацією розуміють процес формування з мономеру макромолекул із кратними зв'язками.

Класифікація за макромолекулярною будовою включає:

• розгалужені;
• лінійні;
• тривимірні пошиті;
• сходові.

За реакцією на термічний вплив полімери диференціюють на:

• термореактивні;
• термопластичні.

Речовини першого типу представлені просторовими варіантами із жорстким каркасом. При нагріванні з ними відбувається деструкція, дехто спалахує. Це обумовлено рівною міцністю внутрішніх зв'язків та зв'язків ланцюгів. Внаслідок цього термічна дія веде до розриву як ланцюгів, так і структури, отже, відбувається незворотне руйнування.

Термопластичні варіанти представлені лінійними полімерами, що оборотно розм'якшуються при нагріванні і отверждаемими при охолодженні. Їхні властивості після цього зберігаються. Пластичність цих речовин обумовлена ​​розривом при помірному нагріванні міжмолекулярних та водневих зв'язків ланцюгів.

Нарешті, за особливостями будови органічні полімери поділяють кілька класів.

1. Слабо-і неполярні термопласти. Представлені варіантами із симетричною молекулярною структурою або зі слабополярними зв'язками.
2. Полярні термопласти. До цього типу відносять речовини з несиметричною молекулярною структурою та власними дипольними моментами. Іноді їх називають низькочастотними діелектриками. Зважаючи на полярність, вони добре притягують вологу. Також більшість із них здатна змочуватися. Дані речовини відрізняються від попереднього класу меншим електроопіром. При цьому багато полярних термопластів характеризуються високими показниками еластичності, хімічної стійкості, механічної міцності. Додаткова обробка дозволяє перетворити дані з'єднання на гнучкі гумоподібні матеріали.
3. Термореактивні полімери. Як згадувалося вище, це речовини із просторовою системою ковалентних зв'язків. Вони відрізняються від термопластичних варіантів твердістю, стійкістю до нагрівання і крихкістю, великим модулем пружності і меншим коефіцієнтом лінійного розширення. До того ж такі полімери не схильні до впливу звичайних розчинників. Вони є основою для багатьох речовин.
4. Шаруваті пластмаси. Представлені шаруватими матеріалами із просочених смолою листів паперу, склотканини, деревного шпону, тканини та ін. Такі полімери характеризуються найбільшою анізотропією характеристик та міцністю. Але вони малопридатні до створення предметів складної конфігурації. Застосовуються у радіо-, електротехніці, приладобудуванні.
5. Металопласти. Це полімери, що включають металеві наповнювачі у вигляді волокон, порошків, тканин. Дані добавки служать для надання специфічних властивостей: магнітних, поліпшення демпфування, електро-і теплопровідності, поглинання та відображення радіохвиль.

Властивості

Багато органічних полімерів відрізняються хорошими електроізоляційними параметрами в широкому інтервалі напруг, частот і температур при великій вологості. До того ж вони мають гарні звуко- та теплоізоляційні характеристики. Також зазвичай органічні полімери характеризуються високою стійкістю до хімічного впливу, не схильні до гниття і корозії. Нарешті, дані матеріали мають велику міцність при малій щільності.

Наведені вище приклади демонструють загальні для органічних полімерів характеристики. Крім цього, деякі з них відрізняються специфічними особливостями: прозорістю та малою крихкістю (органічне скло, пластмаси), макромолекулярним орієнтуванням при спрямованому механічному впливі (волокна, плівки), великою еластичністю (каучук), швидкою зміною фізико-механічних параметрів під впливом кількості (каучук, шкіра і т.д.), а також великою в'язкістю при малій концентрації, радіопрозорістю, антифрикційними характеристиками, діамагнетизмом, і т.д.

Застосування

Завдяки названим вище параметрам, органічні полімери мають велику сферу застосування. Так, поєднання великої міцності з невеликою щільністю дозволяє отримати матеріали великої питомої міцності (тканини: шкіра, шерсть, хутро, бавовна і т. д.; пластмаси).

Крім названих, з органічних полімерів випускають інші матеріали: гуми, лакофарбові матеріали, клеї, електроізоляційні лаки, волокнисті та плівкові речовини, компаунди, сполучні матеріали (вапно, цемент, глина). Їх застосовують для промислових та побутових потреб.

Однак органічні полімери мають суттєвий практичний недолік - старіння. Під цим терміном розуміють зміну їхніх характеристик і розмірів у результаті фізико-хімічних перетворень, що відбуваються під впливом різних факторів: стирання, нагріву, опромінення і т. д. Старіння відбувається шляхом перебігу певних реакцій залежно від виду матеріалу та факторів, що впливають. Найбільш поширеною серед них є деструкція, що передбачає формування більш низькомолекулярних речовин унаслідок розриву хімічного зв'язку головного кола. На основі причин деструкцію поділяють на термічну, хімічну, механічну, фотохімічну.

Історія

Дослідження полімерів почало розвиватися до 40 років. XX ст. і сформувалося як самостійна наукова область у середині століття. Це було пов'язано з розвитком знань про роль даних речовин в органічному світі та з'ясування можливостей їх застосування в промисловості.

При цьому ланцюгові полімери виготовляли ще на початку XX століття.

До середини століття освоїли випуск електроізолюючих полімерів (полівінілхлориду та полістиролу), плексигласу.

На початку другої половини століття розширилося виробництво полімерних тканин за рахунок повернення матеріалів, що випускалися раніше, і появи нових варіантів. Серед них – бавовна, шерсть, шовк, лавсан. У той же період, завдяки застосуванню каталізаторів, почали випуск поліетилену і поліпропілену при малому тиску і стереорегулярних варіантів, що кристалізуються. Трохи пізніше освоїли масовий випуск найвідоміших герметиків, пористих та адгезивних матеріалів, представлених поліуретанами, а також елементоорганічних полімерів, що відрізняються від органічних аналогів більшою еластичністю та термостійкістю (полісилоксани).

У 60 - 70-х роках. були створені унікальні органічні полімери з ароматичними компонентами, що характеризуються високою термостійкістю та міцністю.

Виробництво органічних полімерів інтенсивно розвивається і зараз. Це зумовлено можливістю використання дешевих матеріалів, таких як вугілля, попутні гази нафтопереробки та видобутку та природні гази, у сукупності з водою та повітрям у вигляді вихідної сировини для більшості з них.

Неорганічні полімери- Високомолекулярні сполуки, які складаються повністю з неорганічних атомних ланок.

Особливістю неорганічних полімерів є те, що вони утворюються у неживій природі. Вони також поширені у мінеральному світі, як і органічні полімери у живій природі. Неорганічні полімери утворюють оксиди кремнію, алюмінію та інших багатовалентних елементів, що мають на землі найбільше поширення. Більше 50% усієї маси земної кулі складається з кремнієвого ангідриду, а в зовнішній частині земної кори (гранітний шар) його вміст досягає 60%, причому велика частина кремнію знаходиться у вигляді полімерів чистого кремнієвого ангідриду та складних силікатів.

Багато ювелірних каменів також є полімерами. Так, гірський кришталь та аметист - майже чистий полімерний кремнієвий ангідрид; рубін, сапфір, корунд – полімер окн-сі алюмінію. Алмаз, графіт – це полімери вуглецю.

Кварц - найважливіша складова частина гірських порід і піску - є модифікацією кремнієвого ангідриду. Отже, скляні вироби, які отримують шляхом плавлення піску, складаються з полімерів кремнієвого ангідриду.

Глина складається з високомолекулярних алюмосилікатів змінного складу, тому керамічні вироби, що отримуються з неї, також містять неорганічні полімери.

Неорганічні полімери залежно від походження поділяються на природні, штучні та синтетичні.

Природні полімериутворюються в природі і належать частіше до сировинних ресурсів. Товарами вони стають лише після їх видобутку та технологічної обробки, частіше механічної, шляхом шліфування, огранювання та інших операцій. Прикладом можуть служити алмази, рубіни, сапфіри та інші дорогоцінні та виробні камені. Найбільш поширеними природними полімерами є полісилоксани, поліалюмати та поліуг-лроди. До останніх відноситься алмаз, графіт, кам'яне та буре вугілля, карбін (мінерал чароїт). У чистому вигляді ці полімери зустрічаються рідко, частіше з домішками інших мінеральних та органічних речовин.

Штучні полімериутворюються із природної полімерної сировини шляхом переплавлення та інших операцій технологічного виробництва. Прикладом таких полімерів можуть бути скло, кераміка та вироби з них (скляний, керамічний посуд та ін.).

Синтетичні полімеривисокомолекулярні сполуки, що створюються синтетичним шляхом. До них можна віднести синтетичні виробні камені: корунди, фіаніти, рубіни і т. п. За багатьма споживчими властивостями (кольором, блиском тощо) ці полімери не поступаються природним. Проте є й відмінності. Наприклад, діаманти перевершують фіаніти за прозорістю, особливо помітною при великому збільшенні.

Гази

Гази - складова частина багатьох товарів із пористою структурою, клітинною будовою або спеціально насичуваних (наповнюваних) газами. У кількісному співвідношенні гази зани-

§ 3. Сухі неорганічні речовини

мають невелику питому вагу у товарах, проте деякі з них мають істотне значення для якості.

Найбільш поширеними є гази атмосферного повітря (Н 2 , Ы 2 , О 2 , СО 2) у тому ж чи зміненому (модифікованому) співвідношенні, що і нормальний газовий склад (21% О 2 , 78% Ы 2 , 0,03% СО 2 та інертні гази). Саме такий склад характерний для більшості товарів із пористою структурою. У «живих» товарів гази перебувають у міжклітинному просторі, у своїй газовий склад змінюється з допомогою дихання, інтенсивності виведення СО 2 і надходження у тканини Про, і навіть газів із довкілля. Збереженість таких товарів залежить від газового складу внутрішнього та зовнішнього середовища. При несприятливому газовому складі (наприклад, відсутності Про 2 або надлишку СО 2) можуть виникати значні дефекти, що призводять до загибелі, а потім псування живих організмів товарів.

Гази надходять у товари з атмосферного повітря через пори, мікрокапіляри та інші отвори на поверхні (наприклад, у плодів та овочів є продихи, сочевички). Крім того, гази можуть утворюватися біологічним або хімічним шляхом виробництва або зберігання. Наприклад, при виробництві хлібобулочних та борошняних кондитерських виробів, спирту, вин, квашених овочів, сирів за рахунок спиртового та/або молочнокислого бродіння виділяється вуглекислий газ, який формує пористу структуру готової продукції або створює ігристий ефект (у ігристих вин).

При виробництві деяких товарів їх штучно насичують газами. Так, у шипучі вина та газовані напої вводять вуглекислий газ (діоксид вуглецю), масова частка якого служить однією з ідентифікуючих ознак асортиментної приналежності виду та різновиду товару (сильно- та слабогазовані напої). Підвищений вміст СО 2 покращує збереження газованих, шипучих і ігристих напоїв, надає кислий смак.

Багато товарів пінистої структури виробляють шляхом збивання та насичення маси повітрям. До таких товарів відноситься пастила, суфле, косметичні пінки і т. п. Пориста структура хлібобулочних виробів формується за рахунок газів, що утворюються при бродінні.

До неорганічних газів відносять і аміак, який є одним з продуктів розпаду білків і амінокислот.

Поряд із зазначеними газами, при виробництві та зберіганні можуть утворюватися або вводитися інші гази. Так, повітряні кульки наповнюють воднем перед продажем. При бродінні капусти виділяється сірководень і меркаптан - сірковмісні гази, що надають продукції неприємний запах, тому їх необхідно видаляти. При мікробіологічному псуванні деяких харчових продуктів виділяються гази з гнильним запахом.

Гази, що потрапляють до маси продукції, можуть викликати утворення внутрішніх порожнин (раковин, порожнин тощо), що знижує якість товарів. Такі дефекти іноді зустрічаються у металевих, керамічних, скляних виробів, а також у хлібі, сирах, ковбасах та інших виробах.

Таким чином, гази, що містяться в товарах, незважаючи на низький їх вміст, можуть впливати на формування та зміну товарознавчих характеристик товарів.

Органічні речовини товарів - це сполуки, до складу яких входять атоми вуглецю та водню. Вони поділяють*! ся на мономери, олігомери та полімери.

Мономери

Мономери - органічні речовини, що складаються з однієї сполуки і не розщеплюються з утворенням нових органічних речовин. Розпад мономерів відбувається в основному до вуглекислого газу та води.

Перелік основних речовин, які стосуються мономерів, представлений на рис. 25. Більшість цих речовин характерні в основному для харчових продуктів. У непродовольчих товарах мономери зустрічаються у парфумерно-косметичній продукції (спирти, гліцерин, жирні органічні кислоти), виробах побутової хімії (спирти та інші органічні розчинники), нафтопродуктах (вуглеводні).

Моносахариди -мономери, що належать до класу вуглеводів, до складу молекули яких входять вуглець, водень і кисень (СН 2 О) П. Найбільшого поширення мають гексози(З 6 Н | 2 Про 6) - глюкоза та фруктоза. Вони зустрічаються переважно у харчових продуктах рослинного походження.

§ 4. Сухі органічні речовини

(плодах та овочах, смакових напоях та кондитерських виробах). Промисловістю випускається також чиста глюкоза та фруктоза як продукт харчування та сировина для виробництва кондитерських виробів та напоїв для діабетиків. З натуральних продуктів найбільше глюкози та фруктози (до 60%) містить мед.

Моносахариди надають продуктам солодкий смак, мають енергетичну цінність (1 г - 4 ккал) і впливають на гігроскопічність продуктів, що містять їх. Розчини глюкози та фруктози добре зброджуються дріжджами та використовуються іншими мікроорганізмами, тому при вмісті до 20% та підвищеному вмісті води погіршують збереження.

Органічні кислоти -з'єднання, у складі молекули яких знаходиться одна або кілька карбоксильних груп (СООН).

Залежно від числа карбоксильних груп органічні кислоти поділяються на моно-, ди- та трикарбонові кислоти. Іншими класифікаційними ознаками цих кислот служить Число атомів вуглецю (від 3 до 4 о), а також аміно- і фенольних груп. Класифікація органічних кислот представлена ​​рис. 26.

Монокарбонові кислоти -сполуки, що містять одну карбоксильну групу; представлені оцтовою, молочною, олійною, пропіоновою та іншими кислотами. Дикарбонові кислоти ~з'єднання з двома карбоксильними групами; включають яблучну, щавлеву, винну та янтарну кислоти. Трикарбонові кислоти -з'єднання є трьома карбоксильними групами, до них відносяться лимонна, щавлево-бурштинова та інші кислоти. Моно-, ді- та трикарбонові кислоти відносяться, як правило, до низькомолекулярних.

Природні органічні кислоти містяться у свіжих плодах та овочах, продуктах їх переробки, смакових товарах, а також у кисломолочних продуктах, сирах, кисломолочному вершковому маслі.

Органічні кислоти – сполуки, що надають продуктам кислого смаку. Тому вони використовуються у вигляді харчових добавок як підкислювачі (оцтова, лимонна, молочна та інші кислоти) для цукристих кондитерських виробів, алкогольних та безалкогольних напоїв, соусів, а також деяких косметичних товарів (кремів тощо).

Найбільшого поширення у харчових продуктах мають молочна, оцтова, лимонна, яблучна і винна кислоти, а непродовольчих товарах - лимонна кислота. Окремі види кислот (лимонна, бензойна, сорбінова) мають бактерицидні властивості, тому їх використовують як консерванти. Органічні кислоти харчових продуктів відносяться до додаткових енергетичних речовин, оскільки при їхньому біологічному окисленні виділяється енергія.

Жирні кислоти -карбонові кислоти аліфатичного ряду з щонайменше шести атомів вуглецю в молекулі (З 6 -З 22 і вище). Вони поділяються на вищі (ВЖК) та низькомолекулярні (НЖК).

Жирні кислоти можуть бути природними та синтетичними. Природні жирні кислотипереважно одноосновні кислоти з парною кількістю атомів вуглецю. Найбільш поширені природні вищі жирні кислоти з 12-18 атомами вуглецю в молекулі. Жирні кислоти з числом атомів водню від 6 до 0, називають низькомолекулярними.

§ 4. Сухі органічні речовини

ВЖК можуть бути насиченими та ненасиченими (з подвійними, рідше потрійними зв'язками). Останні мають високу хімічну активність: можуть окислятися за місцем розриву подвійних зв'язків, приєднувати галогени (йод, хлор та інших.), водень (гидрогенизация), кисень.

Вільні ВЖК зустрічаються в природі рідко, в основному як продукти неповного синтезу жирів у незрілому насінні олійних рослин або гідролізу жирів при їх зберіганні.

Найважливіші природні насичені ВЖК - стеаринова та пальмітинова, а ненасичені - олеїнова, арахідонова, лінолева та ліноленова. З них останні дві відносяться до поліненасичених незамінних жирних кислот, що зумовлюють біологічну ефективність харчових продуктів. Природні ВЖК можуть утримуватися у вигляді жирів у всіх жиросодержащих продуктах, проте у вільному вигляді вони зустрічаються в невеликій кількості, так само як і НЖК.

Синтетичні жирні кислоти(СЖК) - це суміш монокарбонових кислот з парним та непарним числом атомів вуглецю. Їх одержують у промисловості з нафтохімічної сировини (наприклад, окислення парафіну при високих температурах та атмосферному тиску). СЖК застосовують у виробництві пластичних мастил, синтетичних спиртів, лакофарбових матеріалів для поліпшення змочуваності та дисперчування пігментів, запобігання їх осіданню, зміни в'язкості фарб. Крім того, СЖК використовуються при виробництві латексів і каучуку в якості емульгатора при полімеризації бутадіонсодержащих мономерів і штучної шкіри, а також у свічковому виробництві.

Синтетичні ВЖК відрізняються від природних великим діапазоном числа атомів вуглецю - від 6 до 25 , в той час як у природних ВЖК цей діапазон значно менше (З ] 2 -З 18 , головним чином З 16 і 18).

ВЖК у вільному вигляді - помірно токсичні речовини, вони мають подразнюючу дію на неушкоджену шкіру та слизові оболонки. Тому їх вміст у харчових продуктах обмежується певним максимально допустимим рівнем показника «кислотне число».

Амінокислоти ~карбонові кислоти, що містять одну або кілька аміногруп (МН2). Залежно від природи кислотної фракції вони поділяються на моноаміномонокар-бонові(наприклад, гліцин, валін, лейцин та ін.), діаміномонокарбонові(лізин, аргінін), гідрооксиамінокислоти(серії, треонін, тирозин), тіоамінокислоти(сірковмісні - цис-*тин, цистеїн, метіонін) та гетероциклічні(гістидин, тріп-**: тофан, пролін).

Амінокислоти в товарах можуть знаходитися у вільному вигляді;, і у складі білків. Всього відомо близько 100 амінокислот,. їх майже 80 зустрічаються лише у вільному вигляді. Плотами-* нова кислота та її натрієва сіль широко застосовуються в якості харчової добавки у складі приправ, соусів, харчових " концентратів на м'ясній та рибній основах, оскільки посилюють; смак м'яса та риби. Ароматичні амінокислоти використовують; під час виробництва барвників. г Фенолкарбонові (фенольні) кислоти -карбонові кисло-;, ти, що містять бензольне кільце. Вони можуть зустрічатися у! вільному вигляді, а також входити до складу поліфенолів. До фе-!, нульним відносяться галова, кавова, ванілінова, саліцитова, оксибензойна та коричні кислоти. Ці кислоти мають бактерицидні властивості, покращують збереження? продуктів і підвищують імунні властивості організму людини.< Они содержатся в основном в свежих плодах и овощах, а также.* в продуктах их переработки и винах. I Аміни та аміди -похідні аміаку (МН3). Аміни- речовини, в молекулі яких один або кілька атомів; дорода заміщені вуглеводневими радикалами (К). За кількістю-1 аміногруп розрізняють моно-, ді-, три-і поліаміни. Назва-*; 1 ня амінів утворюють з назв органічних залишків моле- 1 кул, пов'язаних з атомом азоту. Наприклад, метиламін, диметил-Ц амін, триметиламін утворюються при гідролізі білків риби та м'яса і є ознакою втрати свіжості цих продуктів. а Аміни надають продуктам неприємні запахи: аміачний*! гнильний (запах гнилої риби).

Аміни легко вступають у різні хімічні реакції з неорганічними та органічними кислотами, ангідридами карбонових кислот, складними ефірами з утворенням різних речовин: нітрозамінів (з азотною кислотою та нітритами) барвників, поліамідів (при поліконденсації амінів та їх похідних), амідів.

Аміни - проміжні продукти при виробництві барвників, пестицидів, полімерів (у тому числі поліамідів та поліуретанів), адсорбентів, інгібіторів корозії, антиоксидантів.

§ 4. Сухі органічні речовини

Аміди -ацилпохідні аміаку або амінів. Природні аміди входять до складу харчових продуктів (в основному у вигляді амідів аспарагінової та глютамінової кислот: аспарагіну та глютаміну), а також непродовольчих товарів, при виробництві яких використовуються синтетичні аміди (наприклад, пластифікатори паперу, штучної шкіри, сировина для полімерів, барвників і т.п.).

Властивості.Аміни в підвищених дозах шкідливо впливають на організм людини: вражають нервову систему, порушують проникність стінок кровоносних судин і клітинних мембран, викликають порушення функцій печінки та розвиток дистрофії. Деякі ароматичні аміни - канцерогени, що викликають у людини рак сечового міхура.

Аспарагін в організмі людини має позитивну дію: пов'язує аміак, переносить його до нирок, що сприяє знешкодженню та виведенню з організму цієї сильної отрути, що утворюється при глибокому розпаді білків та дезамінуванні амінокислот.

Вітаміни -низькомолекулярні органічні сполуки, які є регуляторами чи учасниками процесів обміну речовин в організмі людини.

Вітаміни можуть самостійно брати участь в обміні речовин (наприклад, вітаміни С, Р, А і т. п.) або входити до складу ферментів, що каталізують біохімічні процеси (вітаміни В 2, 3, 6 та ін.).

Крім зазначених загальних властивостей, кожен вітамін має специфічні функції та властивості. Ці властивості розглядаються у товарознавстві продовольчих товарів.

Залежно від розчинності вітаміни поділяються на:

водорозчинні(В, В 2, В 3, РР, В 6, В 9, В, 2, В 15, С і Р

жиророзчинні(А, Д, Е, К).

До групи вітамінів відносять також вітаміноподібні речовини,частина з яких називають вітамінами (каротин, холін, вітамін і, тартаронова кислота та ін).

Спирти -органічні сполуки, що містять у молекулах одну або кілька гідроксильних груп (ОН) у насичених атомів вуглецю (С).

За кількістю цих груп розрізняють одно-, двох-(гліколі), трьох-(гліцерин) та багатоатомні спирти.

Одноатомні спирти,містять одну гідрокільну групу в залежності від числа атомів С, поділяються на нижчі (С,-С 5) і вищі жирні (С 6 -З 2П) спирти. До н і з-шим спиртів відносяться метанол (СН 5 ОН), етанол (С 2 Н 5 ОН), пропанол (С 3 Н 7 ОН) та ін, а до вищих - гексиловий (С 6 Н П ОН), гептиловий (З 7 Н| 5 ОН), октиловий (З 8 Н, 7 ОН), но-ніловий (З 9 Н, 9 ОН) та інші спирти.

Ці спирти можуть бути природними та синтетичними. Природні спирти зустрічаються в рослинних організмах в невеликій кількості в вільному і пов'язаному вигляді (складні ефіри). Етиловий спирт отримують як готової продукції спиртової промисловості, і навіть у виноробстві, лікеро-горілчаної, пивоварної промисловості, під час виробництва вин, горілок, коньяку, рому, віскі, пива. Як небажані домішки утворюються метиловий, бутиловий і вищі спирти, що знижують якість і безпеку готової продукції. Крім того, етиловий спирт у невеликих кількостях утворюється при виробництві кефіру, кумису та квасу. Вищі жирні спирти у харчових продуктах не зустрічаються у вільному вигляді, а присутні у вигляді ефіру у восках.

Спирти, особливо етиловий, входять до складу ряду непродовольчих товарів: парфумерно-косметичних, побутової хімії як розчинників ароматичних і барвників, жирних кислот і жирів. Спирти застосовують як сировину для синтезу різних органічних сполук (формальдегіду, ацетону, діетилового ефіру, складних ефірів карбонових кислот), а також у виробництві барвників, синтетичних волокон, запашних речовин, миючих засобів і т. п. Метиловий спирт використовується як моторний палива.

Найбільше значення в товарах мають такі спирти: етиловий, аміловий, бутиловий, бензиловий, метиловий, пропідовий, вищі жирні спирти, етилсгліколь.

Властивості.Спирти - рідини чи тверді речовини, добре розчинні у багатьох органічних розчинниках. Нижчі спирти добре розчиняються у воді, а вищі – погано.

§ 4. Сухі органічні речовини

Багато одноатомних спиртів - токсичні речовини. Їхня токсичність залежить від дози. Один із найбільш токсичних спиртів – метанол, смертельна доза якого 100-150 мл. Смертельна доза етанолу значно вища – 9 г на 1 кг маси тіла. Вищі жирні спирти З 6 -З 10 подразнюють слизові оболонки, слабо - шкіру, вражають зір та паренхімни тканини. Гранично допустимий рівень їм - 10 мг/м 3 . Спирти З,-З 2П – практично не токсичні.

Двохатомні (гліколі) та багатоатомні спиртипрактично не токсичні, за винятком етиленгліколю, що утворює в організмі отруйну щавлеву кислоту.

Особливе місце серед спиртів займає гліцерин як один із компонентів жирів. Тому цей спирт ми розглянемо докладніше.

Гліцерин(від грец. е1укего$ - солодкий) - триатомний спирт, що є безбарвною в'язкою рідиною солодкого смаку без запаху. Він змішується в будь-яких співвідношеннях з водою, етанолом, метанолом, ацетоном, але нерозчинний у хлороформі та ефірі, має високу гігроскопічність. Гліцериново-водні розчини замерзають при низьких температурах (наприклад, водна суміш з 66,7% гліцерину замерзає при температурі -46,5 °С).

У природі гліцерин зустрічається тільки у вигляді ефірів з вищими жирними кислотами - жирів, з яких його отримують шляхом омилення. Гліцерин входить до складу низки парфумерно-косметичних виробів, лікерів, цукристих кондитерських виробів. Крім того, він використовується як м'як-читатель для тканин, шкіри, паперу, мастил, кремів для взуття, мила.

Вуглеводні -органічні сполуки, що складаються лише з атомів вуглецю та водню. Розрізняють аліфатичні та ациклічні вуглеводні. Аліфатичні вуглеводніхарактеризуються наявністю лінійних чи розгалужених ланцюгів (метан, етан, ацетилен, ізопрен). На відміну від них ациклічні вуглеводнімають молекули, що складаються з циклів (кілець) трьох і більше атомів вуглецю (наприклад, фенол, бензол).

Залежно від хімічної природи розрізняють насичені(з простими зв'язками) та ненасичені(подвійні, потрійні зв'язки), а за консистенцією - газоподібні, рідкіі тверді вуглеводні.До газоподібних речовин відносяться нижчі вуглеводні (С,-С 4): метан, етан, пропан, бутан та ізобутан, причому метан і пропан використовуються як побутовий газ, паливо та сировина для переробної промисловості. Ці гази не мають кольору та запаху.

Рідкі вуглеводні представлені речовинами, що мають кількість атомів вуглецю від 5 до 17 . Це безбарвні рідини із характерним «бензиновим» запахом. До них відносяться пентан, ізопентан, гексан, гептан, октан, нонант та ін.

Тверді вуглеводні - це безбарвні речовини, що відносяться до вищих насичених вуглеводнів з 18 і більше (наприклад, ейкозан, гектан та ін.); твердих вуглеводнів, одержуваних із нафти, - нафтопродукти.

Насичені вуглеводні входять до складу побутового газу, моторного палива. Рідкі вуглеводні застосовують як розчинники, тверді (парафін, перезин) - при виробництві пластмас, каучуків, синтетичних волокон, миючих засобів. Парафін використовується при виробництві свічок, сірників, олівців, для захисних покриттів тари (наприклад, дошників для квашення капусти), пакувальних матеріалів (вощений папір), апперетування тканин, а також для виробництва синтетичних жирних кислот.

Ненасичені вуглеводні широко застосовують у хімічній промисловості для отримання синтетичних полімерів: поліетилену, поліпропілену, різних каучуків, оцтової кислоти.

У природі ненасичені вуглеводні зустрічаються рідко через їх високу реакційну здатність. Так, етилен утворюється при дозріванні плодів та овочів, прискорюючи цей процес на материнській рослині та при зберіганні. Терпени - вищі ненасичені вуглеводні входять до складу ефірних олій свіжих плодів та овочів. Барвники помаранчевого і рожевого кольору - каротин, лікопін, що містяться в багатьох плодах і овочах (абрикоси, персики, обліпиха, морква, гарбуз, томати, кавуни та ін.), відносяться до ненасичених вуглеводнів. Терпени містяться також у скипидарі та печінці акул (сквален).

Завершуючи розгляд мономерів, слід зазначити, що за рідкісним винятком вони містяться в продовольчих та непродовольчих товарах рослинного та тваринного про-

§ 4. Сухі органічні речовини

виходження у невеликій кількості. Це тим, що рослини і тварини прагнуть будувати свої тканини з допомогою полімерів, а запасати резервні речовини як олігомерів і полімерів. У неживій природі мономери найчастіше накопичуються у вуглеводневій формі.

Олігоміри

Олігомери - органічні речовини, що складаються з 2-10 залишків молекул однорідних та різнорідних речовин.

Залежно від складу олігомери поділяються на однокомпонентні, дво-, три-і багатокомпонентні. До однокомпонентнимолігомерам відносяться деякі олігосахари-ди (мальтоза, трегалоза), до двокомпонентним- сахароза, лактоза, жири-моногліцериди, до складу яких входять залишки молекул гліцерину та лише однієї жирної кислоти, а також глікозиди, складні ефіри; до трикомпонентним -рафінозу, жири-дигліцериди; до багатокомпонентним -жирьтригліце-ріди, ліпоїди: фосфатиди, воску та стероїди.

Олігосахариди -вуглеводи, до складу яких входять 2-10 залишків молекул моносахаридів, пов'язаних з глікозидними зв'язками. Розрізняють ді-, три-і тетрасахариди. Найбільшого поширення у харчових продуктах мають дисахариди – сахароза та лактоза, щонайменше – мальтоза та трегалозу, а також триса-хариди – рафінозу. Зазначені олігосахариди містяться лише у харчових продуктах.

Сахароза(буряковий, або очеретяний, цукор) - диса-харид, що складається із залишків молекул глюкози та фруктози. При кислотному або ферментативному гідролізі сахароза розпадається на глюкозу та фруктозу, суміш яких у співвідношенні 1: 1 раніше називали інвертним цукром. В результаті гідролізу посилюється солодкий смак продуктів (наприклад, при дозріванні плодів і овочів), оскільки фруктоза і інвертний цукор мають підвищений рівень солодощі, ніж сахароза. Так, якщо ступінь солодощі сахарози прийняти за 100 умовних одиниць, ступінь солодощі фруктози дорівнюватиме 220, а інверт-

ного цукру - 130.

Сахароза є переважним цукром наступних харчових продуктів: цукру-піску, цукру-рафінаду (99,7-99,9%), цукристих кондитерських виробів (50-96), деяких плодів та овочів (банани – до 18%, дині – до 12 , цибуля - до 10-12%),солодких і десертних ароматизованих вин, лікерів, наливок і т.д. , слабоалкогольних коктейлях, борошняних кондитерських виробах), а також солодких молочних товарах - морозиві, йогуртах тощо. Сахароза відсутня у харчових продуктах тваринного походження, тютюнових виробах та непродовольчих товарах.

Лактоза (молочний цукор) -дисахарид, що складається із залишків молекул глюкози та галактози. При кислотному або ферментативному гідролізі лактоза розпадається до глюкози та галактози, які використовуються живими організмами: людини, дріжджів або молочнокислих бактерій.

Лактоза за ступенем солодощі значно поступається сахарозі та глюкозі, яка входить до її складу. Поступається вона їм і за поширеністю, оскільки міститься в основному в молоці різних видів тварин (3,1-7,0%) та окремих продуктах його переробки. Однак при використанні молочнокислого та/або спиртового бродіння в процесі виробництва (наприклад, кисломолочних продуктів) та/або сичужного ферменту (при виробництві сирів) лактоза повністю зброджується.

Мальтоза (солодовий цукор) -дисахарид, що складається із двох залишків молекул глюкози. Ця речовина зустрічається як продукт неповного гідролізу крохмалю в солоді, пиві, хлібі та борошняних кондитерських виробах, приготованих з використанням пророслого зерна. Вона міститься лише у невеликих кількостях.

Трегалоза (грибний цукор) -дисахарид, що складається із двох залишків молекул глюкози. Цей цукор мало поширений у природі і міститься в основному в харчових продуктах однієї групи - свіжих та сушених грибах, а також у натуральних консервах з них та дріжджах. У квашених (солоних) грибах тре-галозу відсутня, оскільки витрачається при бродінні.

Рафіноза -трисахарид, що складається із залишків глюкози, фруктози та галактози. Як і трегалозу, рафінозу мало поширена речовина, що зустрічається в невеликих кількостях у зерномучних товарах і буряках.

Властивості.Усі олігосахариди є запасними поживними речовинами рослинних організмів. Вони добре розчиняються у воді, легко піддаються гідролізу до моносаха-

§ 4. Сухі органічні речовини

рідів, мають солодкий смак, але ступінь їхньої насолоди різна. Виняток становить лише рафінозу - несолодка на

Олігосахариди гігроскопічні, за високих температур (160-200 °С) відбувається їх карамелізація з утворенням темнозабарвлених речовин (карамелінів та ін.). У насичених розчинах олігосахариди можуть утворювати кристали, які в ряді випадків погіршують консистенцію та зовнішній вигляд продуктів, викликаючи утворення дефектів (наприклад, зацукровування меду або варення; утворення кристалів лактози в згущеному молоці з цукром, цукрове посивіння шоколаду).

Ліпіди та ліпоїди- олігомери, до складу яких входять залишки молекул триатомного спирту гліцерину або інших високомолекулярних спиртів, жирних кислот, інколи ж і інших

Ліпіди- це олігомери, які є складними ефірами гліцерину та жирних кислот – гліцеридами. Суміш природних ліпідів, переважно тригліцеридів, прийнято називати жирами. У товарах містяться саме жири.

Залежно кількості залишків молекул жирних кислот в глицсридах розрізняють моно-, ді-і три&шцериди,а залежно від переважання граничних чи ненасичених кислот жири бувають рідкі та тверді. Рідкі жирибувають найчастіше рослинного походження (наприклад, рослинні олії: соняшникова, оливкова, соєва тощо), хоча є і тверді рослинні жири (какао-масло, кокосове, пальмоядрове). Тверді жири -це переважно жири тваринного чи штучного походження (яловичий, баранячий жир; коров'яче масло, маргарин, кулінарні жири). Однак серед тварин жирів є і рідкі (риб'ячий, китовий, копитний тощо) -

Жири містяться у всіх харчових продуктах, крім окремих груп, зазначених далі в класифікації як шоста група. У непродовольчих товарах жири містяться в обмеженій кількості груп: у косметичних виробах (кремах, лосьйонах) та в будівельних товарах (оліфі, олійних фарбах, замазці, мастилах і т. п.), У невеликій кількості жир знаходиться в хутряних та шкіряних виробах, виготовлених з натуральних матеріалів тваринного походження, оскільки до складу оболонок та органел тваринної клітини обов'язково входять ліпоїди та ліпіди.

Залежно від кількісного вмісту жирів у споживчі товари можна поділити на наступні*! групи. -,

1. Товари із супервисоким вмістом жирів(97,0-99,9%)." До них відносяться рослинні олії, тваринні та кулінарні жири, коров'яче топлене масло, оліфа, технічні олії.

2. Товари з переважним вмістом жирів(60-82,5%) представлені вершковим маслом, маргарином, шпиком свинини, горіхами: волоськими, кедровими, фундуком, мигдалем, кешью тощо; олійними фарбами.

3. Товари з високим вмістом жирів(25-59%). До цієї групи входять концентровані молочні продукти: сири, морозиво, молочні консерви, сметана, сир, вершки з підвищеною жирністю, майонез; жирні та середньої жирності м'ясо, риба та продукти їх переробки, ікра риб; яйце; необезжирена соя та продукти її переробки; торти, тістечка, здобне печиво, горіхи, арахіс, шоколадні вироби, халва, креми на жировій основі та ін.

4. Товари з низьким вмістом жирів(1,5-9,0%) - бобові крупи, закусочні та обідні консерви, молоко, вершки, крім високожирних, кисломолочні напої, окремі види нежирної риби (наприклад, сімейства тріскових) або м'яса ІІ категорії вгодованості та субпродуктів (кістки, голови , ніжки тощо).

5. Товари з дуже низьким вмістом жирів(0,1 - 1,0%) - більшість зерномучних та плодоовочевих товарів, крім сої, горіхів, обідніх та закусочних консервів; борошняних кондитерських виробів, що увійшли до третьої групи; хутряні та шкіряні вироби.

6. Товари, що не містять жирів(0%) - більшість непродовольчих товарів, крім увійшли до інших груп, допоміжні харчові продукти, смакові напої, цукристі кондитерські вироби, крім карамелі та цукерок з молочними та горіховими начинками, ірису; цукор; мед; алкогольні, слабоалкогольні та безалкогольні напої, крім емульсійних лікерів на молочній та яєчній основах; тютюнові вироби.

Загальні характеристики.Жири є запасними поживними речовинами, мають найвищу енергетичну цінність серед інших поживних речовин (I г - 9 ккал), а також біологічну ефективність, якщо містять лоліненаси-

§ 4. Сухі органічні речовини

ні незамінні жирні кислоти. Жири мають відносну щільність менше 1, тому легше за воду. Вони нерозчинні у воді, але розчиняються в органічних розчинниках (бензині, хлороформі та ін.). З водою жири у присутності емульгаторів утворюють харчові емульсії (креми, маргарин, майонез).

Жири піддаються гідролізу при дії ферменту ліпази або омилення під дією лугів. У першому випадку утворюється суміш жирних кислот та гліцерину; у другому – мила (солей жирних кислот) та гліцерину. Ферментативний гідроліз жирів може відбуватися при зберіганні товарів. Кількість вільних жирних кислот, що утворюються, характеризується кислотним числом.

Засвоюваність жирів багато в чому залежить від інтенсивності ліпазу, а також температури плавлення. Рідкі жири з низькою температурою плавлення засвоюються краще ніж тверді з високою температурою плавлення. Висока інтенсивність засвоєння жирів за наявності великої кількості цих або інших енергетичних речовин (наприклад, вуглеводів) призводить до відкладення їх надлишку у вигляді жиру-депо та ожиріння. Тому при організації раціонального харчування мають переважати тверді тваринні жири (50-60% добової потреби).

Жири, що містять ненасичені (ненасичені) жирні кислоти, здатні до окислення з подальшим утворенням перекисів і гідроперекисів, які шкідливо впливають на організм людини. Товари з гіркими жирами втрачають безпеку і підлягають знищенню або промпсреробації. Прогоркання жирів служить одним із критеріїв закінчення терміну придатності або зберігання жировмісних товарів (вівсяної крупи, пшеничного борошна, печива, сирів та ін). Здатність жирів до прогоркання характеризується йодним та псрекісним числами.

Рідкі жири з високим вмістом ненасичених жирних кислот можуть вступати в реакцію гідрогенізації - насичення таких кислот воднем, при цьому жири набувають твердої консистенції та виконують функцію замінників деяких твердих тваринних жирів. Ця реакція покладена основою виробництва маргарину і маргаринової продукції.

При високій температурі жири плавляться, киплять, а потім розкладаються з утворенням шкідливих речовин (при температурі більше 200 °С).

Ліпоїди -жироподібні речовини, до складу молекул яких входять залишки гліцерину або інших високомолекулярних спиртів, жирних та фосфорних кислот, азотистих та інших речовин.

До ліпоїдів відносяться фосфатиди, стероїди та воску. Від ліпідів вони відрізняються наявністю фосфорної кислоти, азотистих основ та інших речовин, відсутніх у ліпідах. Це складніші речовини, ніж жири. Більшість їх поєднує наявність у складі жирних кислот. Другий компонент – спирт – може мати різну хімічну природу: у жирах та фосфатидах – гліцерин, у стероїдах – високомолекулярні циклічні спирти-стерини, у восках – вищі жирні спирти.

Найбільш близькі за хімічною природою до жирів фосфатиди(фосфоліпіди) - складні ефіри гліцерину жирних та фосфорних кислот та азотистих основ. Залежно від хімічної природи азотистої основи виділяють такі різновиди фосфатидів: лецитин (нова назва – фосфатидилхолін), у складі якого міститься холін; а також кефалін, що містить етаноламін. Найбільше поширення у природних продуктах та застосування у харчовій промисловості має лецитин. Лецитин багаті жовтки яєць, субпродукти (мозки, печінка, серце), молочний жир, бобові крупи, особливо соя.

Властивості.Фосфоліпіди мають емульгуючі властивості, завдяки чому лецитин використовується як емульгатор при виробництві маргарину, майонезу, шоколаду, морозива, а також деяких кремів.

Стероїдиі воскує складними ефірами високомолекулярних спиртів і високомолекулярних жирних кислот (С, 6 -С 3 б); - одноатомні спирти з 12-46 атомами в молекулі. Залежно від походження стерини поділяються на рослинного - фітостерину; тварини - зоостерини та мікробіологічного походження - мікро-стерини. Основний стерин рослин - р-ситостерин, живіт-

них - холестерин, мікроорганізмів - ергостерин. Ситостерином багаті рослинні олії, холестерином - коров'яче масло, яйце, субпродукти. У шерсті та хутрі тварин у значних кількостях міститься холестерин та інші зоостерини, зокрема ланостерин.

Властивості.Стероїди нерозчинні у воді, не омиляються лугами, мають високу температуру плавлення, мають емульгуючі властивості. Холестерин і ергостерин під впливом ультрафіолетових променів можуть перетворюватися на

вітамін О.

Стерини та стероїди зустрічаються разом з ліпідами у харчових продуктах, а також у вовняних та хутряних виробах.

Віскподіляються на природні та синтетичні, а природні - на рослинні та тварини. Рослинні воску входять до складу покривних тканин листя, плодів, стебел. Деякі рослинні воску (карнаубський, пальмовий) використовують у харчовій промисловості як очи-рувачі. Тварини воску - бджолиний, ланолін вовни, спермацет кашалотів - використовуються при виробництві косметичних товарів, а бджолиний віск - як глазур поверхні харчових продуктів.

Синтетичні воску залежно від типу вихідної сировини поділяють на частково та повністю синтетичні. Їх застосовують при виробництві політур, захисних композицій, ізолюючих матеріалів, компонентів кремів у косметиці та мазей у медицині.

Таким чином, воску зустрічаються в невеликій кількості в харчових продуктах рослинного походження, а також у непродовольчих товарах: косметичних (креми, губна помада, мило), побутової хімії (мастики для натирання підлоги, воскові свічки), вовняних та хутряних виробах (вовняний)

Віск виконують захисну функцію завдяки своїм властивостям:пластичності, хімічної інертності Вони не змочуються водою, водонепроникні, нерозчинні у воді, етанолі, але розчиняються в бензині, хлороформі, діетиловому.

Глікозидиолігомери, в яких залишок молекул моноса-харидів або олігосахаридів пов'язаний із залишком невуглеводної речовини - аглюкон через глікозидний зв'язок.

У світі практично немає людини, яка б не мала будь-якого уявлення про полімери. Полімери йдуть по життю разом із людиною, роблячи його життя дедалі зручнішим і комфортнішим. При згадці про полімери перші асоціації пов'язані із синтетичними органічними речовинами, оскільки вони більше перебувають у виду. Полімери природні - натуральні органічні речовини - хоч їх і більше в навколишньому світі, в асоціативному сприйнятті людини відходять на другий план. Вони оточують нас завжди, проте ніхто не замислюється про природу походження флори та фауни. Целюлоза, крохмаль, лігнін, каучук, білки і нуклеїнові кислоти - основний матеріал, що використовується природою для створення навколишнього тваринного і рослинного світу. І вже зовсім ніхто не сприйматиме як полімери дорогоцінне каміння, графіт, слюду, пісок і глину, скло та цемент. Тим не менш, наукою встановлено факт полімерної будови багатьох неорганічних сполук, у тому числі перерахованих вище. Полімерні речовини складаються із макромолекул. При утворенні полімерів велика кількість атомів чи груп атомів зв'язуються між собою хімічними зв'язками – ковалентними чи координаційними. Полімерні макромолекули містять десятки, сотні, тисячі або десятки тисяч атомів або елементарних ланок, що повторюються. Відомості про полімерну будову були отримані при дослідженні властивостей розчинів, будови кристалів, механічних та фізико-хімічних властивостей неорганічних речовин. На підтвердження вищесказаному слід зазначити, що є достатньо наукової літератури, що підтверджує факт полімерної будови деяких неорганічних речовин.

Логічним буде зауваження: чому так багато є інформації про синтетичні органічні полімери і так мало про неорганічні. Якщо є неорганічні полімерні речовини, то що саме вони являють собою і де вони застосовуються? Вище наведено кілька прикладів неорганічних полімерів. Це відомі речовини, які знають усі, тільки мало хто знає, що ці речовини можна зарахувати до загону полімерів. За великим рахунком обивателю все одно можна віднести графіт до полімерів чи ні, що стосується дорогоцінного каміння, то для когось це може бути навіть образливо, дорівнювати дорогі прикраси з дешевою пластмасовою біжутерією. Проте, якщо є підстави називати деякі неорганічні речовини полімерами, чому б про це не поговорити. Розглянемо деяких представників таких матеріалів, зупинимося докладніше на найцікавіших.
Для синтезу неорганічних полімерів найчастіше потрібні дуже чисті вихідні речовини, а також висока температура та тиск. Основними способами їх отримання, як і органічних полімерів, є полімеризація, поліконденсація та полікоординація. До найпростіших неорганічних полімерів відносяться гомоланцюгові сполуки, що складаються з ланцюгів або каркасів, побудованих з однакових атомів. Крім відомого всім вуглецю, що є основним елементом, що бере участь у побудові практично всіх органічних полімерів, інші елементи теж можуть брати участь у побудові макромолекул. До таких елементів відносяться бор із третьої групи, кремній, германій та олово з четвертої групи, куди якраз входить і вуглець, фосфор, миш'як, сурма та вісмут із п'ятої групи, сірка, селен телур із шостої. В основному гомоцепні полімери, отримані на основі цих елементів, використовуються в електроніці та оптиці. Електронна промисловість розвивається дуже високими темпами та попит на синтетичні кристали давно вже перевищує пропозицію. Особливо, все ж таки, слід відзначити вуглець і неорганічні полімери, які отримують на його основі: алмаз і графіт. Графіт, відомий матеріал, який знайшов застосування у різних галузях промисловості. З графіту одержують олівці, електроди, тиглі, фарби, мастила. Тисячі тонн графіту йдуть на потреби атомної промисловості завдяки його властивостям уповільнювати нейтрони. У статті ми зупинимося докладніше на найцікавіших представниках неорганічних полімерів - дорогоцінного каміння.
Найцікавішим, пафосним, улюбленим жінками представником неорганічних полімерів є алмази. Алмази - дуже дорогі мінерали, які також можна віднести до неорганічних полімерів, в природі їх добувають п'ять великих компаній: DeBeers, Alrosa, Leviev, BHPBilliton, RioTinto. Саме компанія «DeBeers» створила репутацію цього каміння. Майстерний маркетинг зводиться до слогана, «- це назавжди». DeBeers перетворила цей камінь на символ любові, благополуччя, влади, успіху. Цікавий той факт, що алмази в природі зустрічаються досить часто, наприклад сапфіри і рубіни, більш рідкісні мінерали, проте цінуються вони нижче за алмази. Найцікавіше це ситуація, що склалася над ринком природних алмазів. Справа в тому, що існують технології, що дозволяють отримати синтетичні алмази. У 1954 році дослідник компанії «General Electric» Трейсі Холл винайшов апарат, який дозволяв при тиску 100000 атмосфер і температурі понад 2500ºС із сульфіду заліза отримувати кристали алмазу. Якість цих каменів була з ювелірної точки зору невисока, проте твердість була така сама, як у природного каменю. Винахід Холла було вдосконалено і в 1960 році "General Electric" створив установку, в якій можна було отримувати алмази ювелірної якості. Негативним моментом було те, що ціна синтетичних каменів була вищою за природне.
На даний момент існують дві технології синтезу алмазів. Технологія HPHT (high pressure/high temperature) – синтез алмазів у поєднанні високого тиску та високої температури. Технологія CVD (chemical vapor deposition) - технологія хімічного осадження пари, вважається прогресивнішою і дозволяє вирощувати алмаз, як би моделюючи природні умови його зростання. Обидві технології мають переваги та недоліки. Кампанії їх використовують вирішують недоліки технологій, застосовуючи свої власні винаходи та розробки. Наприклад, ще 1989 року групі радянських учених із Новосибірська вдалося знизити тиск синтезу до 60000 атмосфер. Після розпаду Радянського Союзу розробки в галузі синтезу алмазів не були припинені завдяки багатьом закордонним інвесторам, зацікавленим у отриманні технології дешевого синтезу якісного дорогоцінного каміння. Наприклад, DeBeers, щоб не втратити можливість контролювати ринок фінансувала роботи деяких учених. Деякі приватні підприємці купили в Росії обладнання із синтезу алмазів, наприклад, процвітаюча зараз американська компанія «Gemesis» почала з того, що придбала в Росії в 1996 році за 60000 доларів установку для вирощування алмазів. Зараз «Gemesis» виробляє і продає алмази рідкісних кольорів: жовті та сині, причому різниця в ціні між цими і такими ж природними каменями досягає 75%.

Інша велика компанія, що синтезує алмази – «Apollo Diamond», удосконалює технологію HPHT, проводячи синтез каменів у газовій атмосфері певного складу (технологія-симбіоз HPHT та CVD). Такий метод виводить Apollo Diamond на ринок ювелірних каменів при цьому, якість синтетичних алмазів, що вирощуються за такою технологією дуже високо. Гемотологам все важче відрізнити синтетичні камені від природних. Для цього потрібен комплекс аналізів, на досить складному та дорогому обладнанні. Синтетичні ювелірні алмази Apollo Diamond практично неможливо відрізнити від природних мінералів стандартними методами аналізу.

Світовий видобуток алмазів становить зараз 115 мільйонів карат або 23 тонни на рік. Теоретично цей гігантський ринок може впасти при цьому репутація алмазів як дорогоцінного каміння буде втрачена назавжди. Фірми-монополісти вкладають кошти у стабілізацію ситуації та контроль ринку. Наприклад, проводяться дорогі маркетингові компанії, скуповуються патенти на технології штучного виготовлення алмазів для того, щоб ці технології ніколи не були впроваджені, на фірмові діаманти видаються сертифікати та паспорти якості, що підтверджують їх природне походження. Але чи втримає це прогрес технології синтезу?

Заговоривши про алмази, ми відволіклися на блиск дорогоцінного каміння ювелірної промисловості, але слід вказати і на промислове каміння. У цьому випадку більшість підприємств, що займаються вирощуванням алмазів, працюють переважно для потреб електронної та оптичної промисловості. Ринок промислового каміння, можливо, не так інтригує як ринок ювелірних, але, проте, він величезний. Наприклад, основний прибуток «Apollo Diamond» - синтез тонких алмазних дисків для напівпровідників. До речі, зараз установку для синтезу алмазів продуктивністю близько 200 кг алмазів на місяць можна придбати за 30 тисяч доларів.

Іншим представником дорогоцінного каміння є рубін. Перший синтетичний рубін народився 1902 року. Його синтезував французький інженер Вернейль, розплавивши порошок окису алюмінію та хрому, який потім кристалізувався у шестиграмовий рубін. Така простота синтезу дозволила відносно швидко розвинути промислове виробництво рубінів у всьому світі. Камінь цей дуже потрібний. Щороку у світі видобувають близько 5 тонн рубінів, а потреби ринку обчислюються сотнями тонн. Рубіни потрібні годинникової промисловості, потрібні під час виробництва лазерів. Запропонована Вернейлем технологія згодом дала передумови синтезу сапфірів і гранатів. Найбільші виробництва штучних рубінів знаходяться у Франції, Швейцарії, Німеччині, Великій Британії, США. Економіка виробництва така. Левову частку собівартості з'їдають енергетичні витрати. При цьому собівартість синтезу кілограма рубінів 60 доларів, собівартість кілограма сапфірів – 200 доларів. Рентабельність такого бізнесу дуже висока, оскільки закупівельна ціна на кристали щонайменше вдвічі вища. Тут слід враховувати ряд факторів, таких як той, що чим більше монокристал, що вирощується, тим собівартість його нижча, також при виробництві з кристалів виробів, ціна їх буде набагато вище, ніж ціна кристалів, що продаються (наприклад, виробництво і реалізація скла). Що стосується обладнання, то російські установки для вирощування кристалів коштують близько 50 тисяч доларів, західні на порядок дорожчі, при цьому термін окупності виробництва, що організується, в середньому становить два роки. Як мовилося раніше потреби ринку на синтетичних кристалах колосальні. Наприклад, дуже затребувані сапфірове скло. У світі синтезується близько тисячі тонн сапфірів на рік. Річні потреби виробництва сягають мільйона тонн!
Смарагди синтезують виключно для потреб ювелірної промисловості. На відміну від інших кристалів отримують смарагд не з розплаву, а з розчину агідриду борного при температурі 400оС і тиску 500 атмосфер в гідротермальній камері. Цікаво те, що видобуток природного каменю складає лише 500 кілограмів на рік. Синтетичні смарагди у світі виробляють також у не такій великій кількості, як інші кристали, близько тонни на рік. Справа в тому, що технологія синтезу смарагдів є малопродуктивною, проте рентабельність такого виробництва на висоті. Виробляючи близько 5 кілограмів кристалів на місяць при собівартості 200 доларів за кілограм, ціна продажу смарагдів синтетичних практично дорівнює ціні природних. Вартість установки для синтезу смарагдів складає близько 10 тисяч доларів.
Але найпопулярнішим синтетичним кристалом є кремній. Мабуть, він дасть фору будь-якому дорогоцінному каменю. На даний момент кремній займає 80% всього ринку синтетичних кристалів. Ринок відчуває дефіцит кремнію через стрімкий розвиток високих технологій. На даний момент рентабельність виробництва кремнію перевищує 100%. Ціна кілограма кремнію становить близько 100 доларів за кілограм, при цьому собівартість синтезу сягає 25 доларів.

Надчистий кремній використовується як напівпровідник. З його кристалів роблять сонячні фотоелементи, що мають високий коефіцієнт корисної дії. Кремній, як і вуглець, може створювати довгі молекулярні ланцюги з атомів. Таким чином отримують силан і каучук, що має дивовижні властивості. Кілька років тому весь світ схвилювало повідомлення про досліди американського інженера Вальтера Роббса, якому вдалося виготовити плівку із силіконової гуми завтовшки 0,0025 сантиметра. Цією гумою він обтягнув клітку, де жив хом'як, і опустив хом'яка в акваріум. Протягом кількох годин перший у світі хом'як-підводник дихав киснем, розчиненим у воді, і був при цьому бадьорий, не виявляв ознак занепокоєння. Виявляється, плівка грає роль мембрани, виконуючи самі функції, як і зябра у риб. Плівка пропускає всередину молекули газу життя, а вуглекислий газ у своїй через плівку витісняється назовні. Таке відкриття уможливлює організацію життя людини під водою відсуваючи убік балони з дихальною сумішшю та кисневі генератори.

Кремній випускається трьох видів: кремній металургійний (MG), кремній для електронної промисловості (EG) та кремній для виробництва сонячних батарей (SG). Через низку енергетичних криз посилено впроваджуються альтернативні технології отримання енергії. До таких відноситься перетворення сонячної енергії в електричну, тобто використання солярних установок, що працюють на сонячних батареях. Важливою складовою сонячних батарей є кремній. В Україні на Запорізькому титаномагнієвому комбінаті виробляли кремнію для сонячних батарей. За радянського Союзу це підприємство давало 200 тонн кремнію, за загальносоюзного обсягу виробництва 300 тонн. Про те, як справи з виробництвом кремнію в Запоріжжі зараз автору нічого невідомо. Вартість організації сучасного виробництва полікристалічного кремнію потреб енергетичної промисловості потужністю 1000 тонн на рік становить близько 56 мільйонів доларів. Синтез кремнію для різних потреб у всьому світі за попитом займає перше місце і ще довго утримуватиме ці позиції.

У статті ми розглянули лише деяких представників неорганічних полімерів. Можливо багато речей, розказаних вище, для когось були сприйняті з подивом і непідробним інтересом. Хтось по-новому глянув на поняття філософського каменю, хай не золото, але дорогоцінне каміння з непоказних оксидів металів та інших непримітних речовин одержувати все-таки можна. Сподіваємося, що стаття дала привід до роздумів і, як мінімум, розважила читача цікавими фактами.

Неорганічні полімери - термін, який набув популярності завдяки широкому застосуванню в лиття за моделями, що виплавляються. А все завдяки властивостям, які притаманні цим матеріалам. Але значення неорганічних полімерів для людини набагато ширше, і сфера застосування далеко виходить за межі цієї технології.

Що таке неорганічні полімери

Найбільш поширені неорганічні полімери природного походження, що містяться у земній корі

Найчастіше це продукт синтезу елементів III-VI групи періодичної системи Менделєєва. Неорганічними вони називаються тому, що в основі лежать головні неорганічні ланцюги і не мають органічні бічні радикали. Зв'язки з'являються в результаті одного з двох процесів – поліконденсація або полімеризація.

Говорячи узагальнено, неорганічні полімери – це штучно синтезовані матеріали, які прийшли на зміну природним. При цьому творці мали на меті зробити їх дешевше. Сучасні полімери перевершують існуючі природні аналоги за своїми характеристиками. Були створені матеріали, якими природа не має зовсім. Це забезпечує їх популярність та різноманітність.

Класифікація

Поки що ще не сформований чіткий перелік видів, але є кілька основних груп неорганічних полімерів, які відрізняються за своєю структурою. Такі матеріали бувають:

• лінійними;
• плоскими;
• розгалуженими;
• тривимірні і т.д.

Також розрізняють за походженням:

• природні;
• штучні.

За освітою ланцюгів:

• гетероцепні;
• гомоцепні.

Види неорганічних полімерів

Азбест - один із найпоширеніших полімерів. За своєю структурою це тонковолоконний матеріал – силікат. У своєму складі він включає молекули заліза, магнію, кальцію та натрію. Виробництво цього полімеру належить до шкідливих для людини, але вироби з нього абсолютно безпечні.

Силікон також знайшов своє застосування завдяки тому, що за багатьма характеристиками перевершує природний каучук. Міцність та еластичність забезпечує з'єднання кисню та кремнію. Полісиликонсан витримує механічні, температурні, деформаційні дії. При цьому форма та структура залишається незмінною.

Карбін прийшов на зміну алмазу. Він також міцний, що необхідно у багатьох галузях промисловості. Для цього полімеру характерна здатність витримувати температуру до 5000 ºC. Особливість – збільшення електропровідності під впливом світлових хвиль.

Графіт відомий усім, хто колись брав у руки олівець. Особливість вуглеводневих полімерів – площинна структура. Вони проводять електричні розряди, тепло, але повністю поглинають світлову хвилю.

Також виготовляються полімери, в основі яких застосовано селен, бор та інші елементи, що забезпечує різноманітність характеристик.

Характеристики неорганічних полімерів

При створенні полімерних матеріалів за основу якостей кінцевого продукту беруть:

• гнучкість та еластичність;
• міцність на стиск, крутіння, розрив;
• агрегатний стан; температурна стійкість;
• електропровідність;
• здатність пропускати світло і т.д.

при виготовленні беруть чисту речовину, піддають її специфічним процесам полімеризації, і на виході отримують синтетичні (неорганічні) полімери, які:

1. Витримують помірні температури.
2. Здатні набувати початкової форми після деформації під впливом зовнішніх механічних сил.
3. Стають склоподібними при нагріванні до критичної температури.
4. Чи здатні змінювати структуру при переході від об'ємної до площинної, чим забезпечується в'язкість.

Здатність перетворюватись використовується при формовому литті. Після остигання неорганічні полімери тверднуть, і набувають також різних якостей від міцного твердого до гнучкого, еластичного. При цьому забезпечується екологічна безпека, чим не може похвалитися звичайний пластик. Полімерні матеріали не вступають у реакцію з киснем, а міцні зв'язки виключають вивільнення молекул.

Сфера використання

Полімери відрізняються величезною різноманітністю. Щороку вчені розробляють нові технології, які дозволяють виробляти матеріали з різними якісними показниками. І зараз полімери зустрічаються як у промисловості, так і у побуті. Жодне будівництво не обходиться без азбесту. Він є у складі шиферу, спеціальних труб тощо. Як в'яжучий елемент застосовується цемент.

Силікон – відмінний герметик, що використовується будівельниками. Автобудування, виробництво промислового обладнання, товарів народного споживання засноване на полімерах, які дозволяють досягти високої міцності, довговічності, герметичності.

А повертаючись до азбесту, не можна не згадати, що здатність утримувати тепло дозволило створити костюми для пожежників.

Говорячи про алмази, прийнято ототожнювати їх із діамантами (обробленими алмазами). Деякі неорганічні полімери не поступаються цьому природному кристалу, що необхідно в різних промислових сферах, і при виробництві діамантів, у тому числі. У вигляді крихти цей матеріал наноситься на ріжучі кромки. У результаті виходять різці, здатні розрізати будь-що. Це відмінний абразив, який застосовується при шліфуванні. Ельбор, боразон, кіборит, кінгсонгіт, кубоніт відносяться до надміцних сполук.

Якщо потрібно обробити метал або камінь, використовуються неорганічні полімери, виготовлені методом синтезу бору. Будь-яке шліфувальне коло, що продається в будівельних супермаркетах, має у своєму складі цей матеріал. Для виробництва декоративних елементів використовується, наприклад, карбід селену. З нього виходить аналог гірського кришталю. Але й цим перелік переваг та список сфер застосування не обмежений.

Фосфорнітридхлориди утворюються при з'єднанні фосфору, азоту та хлору. Властивості можуть змінюватися і залежать від маси. Коли вона велика, утворюється аналог природного каучуку. Тільки тепер він витримує температуру до 350 градусів. Під впливом органічних сполук реакцій немає. А в допустимому температурному діапазоні властивості виробів не змінюються.

Особливі властивості, що застосовуються людиною

Суть у цьому, що результаті синтезу утворюються макромолекули об'ємного (тривимірного) типу. Міцність забезпечується сильними зв'язками та структурою. Як хімічний елемент неорганічні полімери поводяться аморфно, і вступають у реакцію коїться з іншими елементами і сполуками. Це особливість дозволяє використовувати їх у хімічній промисловості, медицині, при виробництві продуктів харчування.

Термічна стійкість перевищує всі показники, якими мають природні матеріали. Якщо волокна використовуються для формування армованого каркасу, така конструкція витримує на повітрі температуру до 220 градусів. А якщо йдеться про борний матеріал, то межа температурної міцності піднімається до 650 градусів. Саме тому польоти в космос без полімерсану були б неможливими.

Але це якщо говорити про якості, що перевершують природні. Ті ж вироби, які виготовлені з цих сполук, які схожі за якістю до натуральних, мають особливе значення для людини. Це дозволяє знизити вартість одягу, замінивши, наприклад, шкіру. При цьому зовнішніх відмінностей практично немає.

У медицині на неорганічні полімери покладаються особливі надії. Їх цих матеріалів планується виготовляти штучні тканини та органи, протези тощо. Хімічна стійкість дозволяє обробляти вироби активними речовинами, що забезпечує стерильність. Інструмент стає довговічним, корисним та безпечним для людини.