Неорганические полимерные материалы. мази и присыпки для лечения некоторых кожных заболеваний

52. Полимеры, пластмассы Полимеры – это вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных повторяющихся элементарных звеньев, которые представляют одинаковую группу атомов. Молекулярная масса молекул составляет от 500 до 1000000.В молекулах полимеров различают

Неорганические полимеры - высокомолекулярные соедине­ния, которые состоят полностью из неорганических атомных звеньев.

Особенностью неорганических полимеров является то, что они образуются в неживой природе. Они также распростране­ны в минеральном мире, как и органические полимеры в жи­вой природе. Неорганические полимеры образуют окислы кремния, алюминия и других многовалентных элементов, кото­рые имеют на земле наибольшее распространение. Более 50% всей массы земного шара состоит из кремниевого ангидрида, а в наружной части земной коры (гранитный слой) его содержа­ние достигает 60%, причем большая часть кремния находится в виде полимеров чистого кремниевого ангидрида и сложных си­ликатов.

Многие ювелирные камни также являются полимерами. Так, горный хрусталь и аметист - почти чистый полимерный кремниевый ангидрид; рубин, сапфир, корунд - полимер окн-си алюминия. Алмаз, графит - это полимеры углерода.

Кварц - важнейшая составная часть горных пород и пес­ка - представляет собой модификацию кремниевого ангидрида. Следовательно, стеклянные изделия, получаемые путем плавле­ния песка, состоят из полимеров кремниевого ангидрида.

Глина состоит из высокомолекулярных алюмосиликатов пе­ременного состава, поэтому получаемые из нее керамические изделия также содержат неорганические полимеры.

Неорганические полимеры в зависимости от происхождения подразделяются на природные, искусственные и синтетиче­ские.

Природные полимеры образуются в природе и относятся чаще к сырьевым ресурсам. Товарами они становятся лишь после их добычи и технологической обработки, чаще механической, пу­тем шлифовки, огранки и других операций. Примером могут служить алмазы, рубины, сапфиры и другие драгоценные и по­делочные камни. Наиболее распространенными природными полимерами являются полисилоксаны, полиалюматы и полиуг-лсроды. К последним относится алмаз, графит, каменный и бу­рый уголь, карбин (минерал чароит). В чистом виде эти поли­меры встречаются редко, чаще с примесями других минераль­ных и органических веществ.

Искусственные полимеры образуются из природного поли­мерного сырья путем переплавки и других операций технологи­ческого производства. Примером таких полимеров могут слу­жить стекло, керамика и изделия из них (стеклянная, керами­ческая посуда и др.).

Синтетические полимеры - высокомолекулярные соедине­ния, создаваемые синтетическим путем. К ним можно отнести синтетические поделочные камни: корунды, фианиты, рубины и т. п. По многим потребительским свойствам (цвету, блеску и т. п.) эти полимеры не уступают природным. Однако есть и отличия. Например, бриллианты превосходят фианиты по про­зрачности, особенно заметной при большом увеличении.

Газы

Газы - составная часть многих товаров с пористой структу­рой, клеточным строением или специально насыщаемых (на­полняемых) газами. В количественном соотношении газы зани-

§ 3. Сухие неорганические вещества

мают небольшой удельный вес в товарах, однако для некоторых из них они имеют существенное значение для качества.

Наиболее распространенными являются газы атмосферного воздуха (Н 2 , Ы 2 , О 2 , СО 2) в том же или измененном (модифици­рованном) соотношении, что и нормальный газовый состав (21% О 2 , 78% Ы 2 , 0,03% СО 2 и инертные газы). Именно такой состав характерен для большинства товаров с пористой струк­турой. У «живых» товаров газы находятся в межклеточном про­странстве, при этом газовый состав изменяется за счет дыха­ния, интенсивности вывода СО 2 и поступления в ткани О а, а также газов из окружающей среды. Сохраняемость таких това­ров зависит от газового состава внутренней и внешней среды. При неблагоприятном газовом составе (например, отсутствии О 2 или избытке СО 2) могут возникать значительные дефекты, приводящие к гибели, а затем и порче живых организмов това­ров.

Газы поступают в товары из атмосферного воздуха через по­ры, микрокапилляры и другие отверстия на поверхности (на­пример, у плодов и овощей есть устьица, чечевички). Кроме то­го, газы могут образовываться биологическим или химическим путем в процессе производства или хранения. Например, при производстве хлебобулочных и мучных кондитерских изделий, спирта, вин, квашеных овощей, сыров за счет спиртового и/или молочнокислого брожения выделяется углекислый газ, который формирует пористую структуру готовой продукции или создает игристый эффект (у игристых вин).

При производстве некоторых товаров их искусственно на­сыщают газами. Так, в шипучие вина и газированные напитки вводят углекислый газ (диоксид углерода), массовая доля кото­рого служит одним из идентифицирующих признаков ассорти­ментной принадлежности вида и разновидности товара (силь­но- и слабогазированные напитки). Повышенное содержание СО 2 улучшает также сохраняемость газированных, шипучих и игристых напитков, придает кислый вкус.

Многие товары пенистой структуры производят путем сби­вания и насыщения массы воздухом. К таким товарам относит­ся пастила, суфле, косметические пенки и т. п. Пористая структура хлебобулочных изделий формируется за счет газов, образующихся при брожении.

К числу неорганических газов относят и аммиак, который является одним из продуктов распада белков и аминокислот.

Наряду с указанными газами, при производстве и хранении могут образовываться или вводиться и другие газы. Так, воз­душные шарики заполняют водородом перед продажей. При брожении капусты выделяется сероводород и меркаптан - се-росодержащие газы, придающие продукции неприятный запах, поэтому их необходимо удалять. При микробиологической пор­че некоторых пищевых продуктов выделяются газы с гнилост­ным запахом.

Газы, попадающие к массу продукции, могут вызывать обра­зование внутренних пустот (раковин, полостей и т. п.), что снижает качество товаров. Такие дефекты иногда встречаются у металлических, керамических, стеклянных изделий, а также в хлебе, сырах, колбасах и других изделиях.

Таким образом, содержащиеся в товарах газы, несмотря на низкое их содержание, могут влиять на формирование и изме™ нение товароведных характеристик товаров.

Органические вещества товаров - это соединения, в состаЩ) которых входят атомы углерода и водорода. Они подразделяют*! ся на мономеры, олигомеры и полимеры.

Мономеры

Мономеры - органические вещества, состоящие из одного соединения и не подвергающиеся расщеплению с образовани­ем новых органических веществ. Распад мономеров происходит в основном до углекислого газа и воды.

Перечень основных веществ, относящихся к мономерам, представлен на рис. 25. Большинство из этих веществ характер­ны в основном для пищевых продуктов. В непродовольственных товарах мономеры встречаются в парфюмерно-косметической продукции (спирты, глицерин, жирные органические кислоты), изделиях бытовой химии (спирты и другие органические раство­рители), нефтепродуктах (углеводороды).

Моносахариды - мономеры, относящиеся к классу углево­дов, в состав молекулы которых входят углерод, водород и ки­слород (СН 2 О) П. Наибольшее распространение из них имеют гексозы (С 6 Н| 2 О 6) - глюкоза и фруктоза. Они встречаются в ос­новном в пищевых продуктах растительного происхождения

§ 4. Сухие органические вещества

(плодах и овощах, вкусовых напитках и кондитерских издели­ях). Промышленностью выпускается также чистая глюкоза и фруктоза как продукт питания и сырье для производства кон­дитерских изделий и напитков для диабетиков. Из натуральных продуктов больше всего глюкозы и фруктозы (до 60%) содер­жит мед.

Моносахариды придают продуктам сладкий вкус, обладают энергетической ценностью (1 г - 4 ккал) и влияют на гигро­скопичность содержащих их продуктов. Растворы глюкозы и фруктозы хорошо сбраживаются дрожжами и используются другими микроорганизмами, поэтому при содержании до 20% и повышенном содержании воды ухудшают сохраняемость.

Органические кислоты - соединения, в составе молекулы которых находится одна или несколько карбоксильных групп (-СООН).

В зависимости от числа карбоксильных групп органические кислоты подразделяются на моно-, ди- и трикарбоновые ки­слоты. Другими классификационными признаками этих кислот служит Число атомов углерода (от С 3 до С 4 о), а также амино- и фенольных групп. Классификация органических кислот пред­ставлена на рис. 26.

Монокарбоновые кислоты - соединения, содержащие одну карбоксильную группу; представлены уксусной, молочной, масляной, пропионовой и другими кислотами. Дикарбоновые кислоты ~ соединения с двумя карбоксильными группами; включают яблочную, щавелевую, винную и янтарную кислоты. Трикарбоновые кислоты - соединения е тремя карбоксильными группами, к ним относятся лимонная, щавелево-янтарная и другие кислоты. Моно-, ди- и трикарбоновые кислоты относят­ся, как правило, к низкомолекулярным.

Природные органические кислоты содержатся в свежих пло­дах и овощах, продуктах их переработки, вкусовых товарах, а также в кисломолочных продуктах, сырах, кисломолочном сли­вочном масле.

Органические кислоты - соединения, придающие продук­там кислый вкус. Поэтому они используются в виде пищевых добавок в качестве подкислителей (уксусная, лимонная, молоч­ная и другие кислоты) для сахаристых кондитерских изделий, алкогольных и безалкогольных напитков, соусов, а также неко­торых косметических товаров (кремов и т. п.).

Наибольшее распространение в пищевых продуктах имеют молочная, уксусная, лимонная, яблочная и винная кислоты, а в непродовольственных товарах - лимонная кислота. Отдельные виды кислот (лимонная, бензойная, сорбиновая) обладают бак­терицидными свойствами, поэтому их используют в качестве консервантов. Органические кислоты пищевых продуктов от­носятся к дополнительным энергетическим веществам, так как при их биологическом окислении выделяется энергия.

Жирные кислоты - карбоновые кислоты алифатического ряда с не менее шести атомов углерода в молекуле (С 6 -С 22 и выше). Они подразделяются на высшие (ВЖК) и низкомолеку­лярные (НЖК).

Жирные кислоты могут быть природными и синтетически­ми. Природные жирные кислоты - преимущественно одноос­новные кислоты с четным числом атомов углерода. Наиболее распространены природные высшие жирные кислоты с 12- 18 атомами углерода в молекуле. Жирные кислоты с числом атомов водорода от С 6 до С, 0 называют низкомолекулярными.

§ 4. Сухие органические вещества

ВЖК могут быть насыщенными и ненасыщенными (с двой­ными, реже тройными связями). Последние обладают высокой химической активностью: могут окисляться по месту разрыва двойных связей, присоединять галогены (йод, хлор и др.), водо­род (гидрогенизация), кислород.

Свободные ВЖК встречаются в природе редко, в основном как продукты неполного синтеза жиров в незрелых семенах масличных растений или гидролиза жиров при их хранении.

Важнейшие природные насыщенные ВЖК - стеариновая и пальмитиновая, а ненасыщенные - олеиновая, арахидоновая, линолевая и линоленовая. Из них последние две относятся к полиненасыщенным незаменимым жирным кислотам, обуслов­ливающим биологическую эффективность пищевых продуктов. Природные ВЖК могут содержаться в виде жиров во всех жи-росодержащих продуктах, однако в свободном виде они встре­чаются в небольшом количестве, так же как и НЖК.

Синтетические жирные кислоты (СЖК) - это смесь моно-карбоновых кислот с четным и нечетным числом атомов угле­рода. Их получают в промышленности из нефтехимического сырья (например, окисление парафина при высоких температу­рах и атмосферном давлении). СЖК применяют в производстве пластичных смазок, синтетических спиртов, лакокрасочных ма­териалов для улучшения смачиваемости и дисперчирования пигментов, предотвращения их оседания, изменения вязкости красок. Кроме того, СЖК используются при производстве ла-тексов и каучука в качестве эмульгатора при полимеризации бутадионсодержащих мономеров и искусственной кожи, а так­же в свечном производстве.

Синтетические ВЖК отличаются от природных большим диапазоном числа атомов углерода - от С 6 до С 25 , в то время как в природных ВЖК этот диапазон значительно меньше (С ]2 -С 18 , главным образом С 16 и С 18).

ВЖК в свободном виде - умеренно токсичные вещества, они оказывают раздражающее действие на неповрежденную ко­жу и слизистые оболочки. Поэтому их содержание в пищевых продуктах ограничивается определенным, максимально допус­тимым уровнем показателя «кислотное число».

Аминокислоты ~ карбоновые кислоты, содержащие одну или несколько аминогрупп (МН 2). В зависимости от природы кислотной фракции они подразделяются на моноаминомонокар-боновые (например, глицин, валин, лейцин и др.), диаминомонокарбоновые (лизин, аргинин), гидрооксиаминокислоты (серии, треонин, тирозин), тиоаминокислоты (серосодержащие - цис-* тин, цистеин, метионин) и гетероциклические (гистидин, трип-**: тофан, пролин).

Аминокислоты в товарах могут находиться в свободном виде;, и в составе белков. Всего известно около 100 аминокислот, из. них почти 80 встречаются только в свободном виде. Плотами-* новая кислота и ее натриевая соль широко применяются в ка^ честве пищевой добавки в составе приправ, соусов, пищевых " концентратов на мясной и рыбной основах, так как усиливают; вкус мяса и рыбы. Ароматические аминокислоты используют; при производстве красителей. г Фенолкарбоновые (фенольные) кислоты - карбоновые кисло-;, ты, содержащие бензольное кольцо. Они могут встречаться в! свободном виде, а также входить в состав полифенолов. К фе-!, нольным относятся галловая, кофейная, ванилиновая, салици- т ловая, оксибензойная и коричные кислоты. Эти кислоты обла­дают бактерицидными свойствами, улучшают сохраняемость? товаров и повышают иммунные свойства организма человека. < Они содержатся в основном в свежих плодах и овощах, а также.* в продуктах их переработки и винах. I Амины и амиды - производные аммиака (МН 3). Амины - вещества, в молекуле которых один или несколько атомов во-; дорода замещены углеводородными радикалами (К). По числу- 1 , аминогрупп различают моно-, ди-, три- и полиамины. Назва-*; 1 , ния аминов образуют из названий органических остатков моле- 1 ^ кул, связанных с атомом азота. Например, метиламин, диметил-Ц амин, триметиламин образуются при гидролизе белков рыбы и мяса и служат признаком утраты свежести этих продуктов. а Амины придают продуктам неприятные запахи: аммиачный,*! гнилостный (запах гнилой рыбы).

Амины легко вступают в различные химические реакции с неорганическими и органическими кислотами, ангидридами карбоновых кислот, сложными эфирами с образованием раз­личных веществ: нитрозаминов (с азотной кислотой и нитрита­ми) красителей, полиамидов (при поликонденсации аминов и их производных), амидов.

Амины - промежуточные продукты при производстве кра­сителей, пестицидов, полимеров (в том числе полиамидов и по-лиуретанов), адсорбентов, ингибиторов коррозии, антиокси-дантов.

§ 4. Сухие органические вещества

Амиды - ацилпроизводные аммиака или аминов. Природ­ные амиды входят в состав пищевых продуктов (в основном в виде амидов аспарагиновой и глютаминовой кислот: аспараги-на и глютамина), а также непродовольственных товаров, при производстве которых используются синтетические амиды (на­пример, пластификаторы бумаги, искусственной кожи, сырье для полимеров, красителей и т. п.).

Свойства. Амины в повышенных дозах оказывают вредное воздействие на организм человека: поражают нервную систему, нарушают проницаемость стенок кровеносных сосудов и кле­точных мембран, вызывают нарушение функций печени и раз­витие дистрофии. Некоторые ароматические амины - канце­рогены, вызывающие у человека рак мочевого пузыря.

Аспарагин в организме человека оказывает положительное действие: связывает аммиак, переносит его к почкам, что спо­собствует обезвреживанию и выведению из организма этого сильного яда, образующегося при глубоком распаде белков и дезаминировании аминокислот.

Витамины - низкомолекулярные органические соединения, являющиеся регуляторами или участниками процессов обмена веществ в организме человека.

Витамины могут самостоятельно участвовать в обмене ве­ществ (например, витамины С, Р, А и т. п.) или входить в со­став ферментов, катализирующих биохимические процессы (витамины В ь В 2 , В 3 , В 6 и др.).

Кроме указанных общих свойств, каждый витамин имеет специфические функции и свойства. Эти свойства рассматри­ваются в товароведении продовольственных товаров.

В зависимости от растворимости витамины подразделяют­ся на:

водорастворимые (В, В 2 , В 3 , РР, В 6 , В 9 , В, 2 , В 15 , С и Р

жирорастворимые (А, Д, Е, К).

К группе витаминов относят также витаминоподобные веще­ства, часть из которых называют витаминами (каротин, холин, витамин и, тартароновая кислота и др.).

Спирты - органические соединения, содержащие в молеку­лах одну или несколько гидроксильных групп (ОН) у насыщен­ных атомов углерода (С).

По количеству этих групп различают одно-, двух- (гликоли), трех- (глицерин) и многоатомные спирты.

Одноатомные спирты, содержащие одну гид роке ильную группу в зависимости от числа атомов С, подразделяются на низшие (С,-С 5) и высшие жирные (С 6 -С 2П) спирты. К н и з-шим спиртам относятся метанол (СН 5 ОН), этанол (С 2 Н 5 ОН), пропанол (С 3 Н 7 ОН) и др., а к высшим - гексиловый (С 6 Н П ОН), гептиловый (С 7 Н| 5 ОН), октиловый (С 8 Н, 7 ОН), но-ниловый (С 9 Н, 9 ОН) и другие спирты.

Эти спирты могут быть природными и синтетиче­скими. Природные спирты встречаются в растительных орга­низмах в небольшом количестве п свободном и связанном виде (сложные эфиры). Этиловый спирт получают в качестве гото­вой продукции в спиртовой промышленности, а также в вино­делии, ликеро-водочной, пивоваренной промышленности, при производстве вин, водок, коньяка, рома, виски, пива. В качест­ве нежелательных примесей образуются метиловый, бутиловый и высшие спирты, снижающие качество и безопасность готовой продукции. Кроме того, этиловый спирт в небольших количе­ствах образуется при производстве кефира, кумыса и кваса. Высшие жирные спирты в пищевых продуктах не встречаются в свободном виде, а присутствуют в виде эфира в восках.

Спирты, особенно этиловый, входят в состав и ряда непро­довольственных товаров: парфюмерно-косметических, бытовой химии в качестве растворителей ароматических и красящих ве­ществ, жирных кислот и жиров. Спирты применяют как сырье для синтеза различных органических соединений (формальде­гида, ацетона, диэтилового эфира, сложных эфиров карбоно-вых кислот), а также в производстве красителей, синтетических волокон, душистых веществ, моющих средств и т. п. Метило­вый спирт используется в качестве моторного топлива.

Набольшее значение в товарах имеют следующие спирты: этиловый, амиловый, бутиловый, бензиловый, метиловый, про-пидовый, высшие жирные спирты, этилснгликоль.

Свойства. Спирты - жидкости или твердые вещества, хоро­шо растворимые во многих органических растворителях. Низ­шие спирты хорошо растворяются в воде, а высшие - плохо.

§ 4. Сухие органические вещества

Многие одноатомные спирты - токсичные вещества. Их токсичность зависит от дозы. Один из наиболее токсичных спиртов - метанол, смертельная доза которого 100-150 мл. Смертельная доза этанола значительно выше - 9 г на 1 кг мас­сы тела. Высшие жирные спирты С 6 -С 10 раздражают слизистые оболочки, слабо - кожу, поражают зрение и паренхимныс тка­ни. Предельно допустимый уровень для них - 10 мг/м 3 . Спир­ты С,-С 2П - практически не токсичны.

Двухатомные (гликоли) и многоатомные спирты практически не токсичны, за исключением этиленгликоля, образующего в организме ядовитую щавелевую кислоту.

Особое место среди спиртов занимает глицерин как один из компонентов жиров. Поэтому этот спирт мы рассмотрим более подробно.

Глицерин (от греч. ё1укего$ - сладкий) - трехатомный спирт, представляющий собой бесцветную вязкую жидкость сладкого вкуса без запаха. Он смешивается в любых соотношениях с во­дой, этанолом, метанолом, ацетоном, но нерастворим в хлоро­форме и эфире, обладает высокой гигроскопичностью. Глице-риново-водные растворы замерзают при низких температурах (например, водная смесь с 66,7% глицерина замерзает при тем­пературе -46,5 °С).

В природе глицерин встречается только в виде эфиров с высшими жирными кислотами - жиров, из которых его и по­лучают путем омыления. Глицерин входит в состав ряда пар­фюмерно-косметических изделий, ликеров, сахаристых конди­терских изделий. Кроме того, он используется в качестве мяг-чителя для тканей, кожи, бумаги, смазок, кремов для обуви, мыла.

Углеводороды - органические соединения, состоящие только из атомов углерода и водорода. Различают алифатические и ациклические углеводороды. Алифатические углеводороды харак­теризуются наличием линейных или разветвленных цепей (ме­тан, этан, ацетилен, изопрен). В отличие от них ациклические углеводороды имеют молекулы, состоящие из циклов (колец) трех и более атомов углерода (например, фенол, бензол).

В зависимости от химической природы различают насыщен­ные (с простыми связями) и ненасыщенные (двойные, тройные связи), а по консистенции - газообразные, жидкие и твердые углеводороды. К газообразным веществам относятся низшие углеводороды (С,-С 4): метан, этан, пропан, бутан и изобутан, причем метан и пропан используются как бытовой газ, топливо и сырье для перерабатывающей промышленности. Эти газы не имеют цвета и запаха.

Жидкие углеводороды представлены веществами, имеющи­ми количество атомов углерода от С 5 до С 17 . Это бесцветные жидкости с характерным «бензиновым» запахом. К ним отно­сятся пентан, изопентан, гексан, гептан, октан, нонант и др.

Твердые углеводороды - это бесцветные вещества, относя­щиеся к высшим насыщенным углеводородам с С 18 и более (на­пример, эйкозан, гектан и др.)- Смесь твердых насыщенных уг­леводородов (С 18 -С 35) представляет собой парафин, а смесь различных газообразных, жидких и твердых углеводородов, по­лучаемых из нефти, - нефтепродукты.

Насыщенные углеводороды входят в состав бытового газа, моторного топлива. Жидкие углеводороды применяют в качест­ве растворителей, твердые (парафин, перезин) - при производ­стве пластмасс, каучуков, синтетических волокон, моющих средств. Парафин используется при производстве свечей, спи­чек, карандашей, для защитных покрытий тары (например, дошников для квашения капусты), упаковочных материалов (вощеная бумага), апперетирования тканей, а также для произ­водства синтетических жирных кислот.

Ненасыщенные углеводороды широко применяют в химиче­ской промышленности для получения синтетических полиме­ров: полиэтилена, полипропилена, различных каучуков, уксус­ной кислоты.

В природе ненасыщенные углеводороды встречаются редко из-за их высокой реакционной способности. Так, этилен обра­зуется при созревании плодов и овощей, ускоряя этот процесс на материнском растении и при хранении. Терпены - высшие ненасыщенные углеводороды входят в состав эфирных масел свежих плодов и овощей. Красящие вещества оранжевого и ро­зового цвета - каротин, ликопин, содержащиеся во многих плодах и овощах (абрикосы, персики, облепиха, морковь, тык­ва, томаты, арбузы и др.), относятся к ненасыщенным углево­дородам. Терпены содержатся также в скипидаре и печени акул (сквален).

Завершая рассмотрение мономеров, следует отметить, что за редким исключением они содержатся в продовольственных и непродовольственных товарах растительного и животного про-

§ 4. Сухие органические вещества

исхождения в небольшом количестве. Это объясняется тем, что растения и животные стремятся строить свои ткани за счет по­лимеров, а запасать резервные вещества в виде олигомеров и полимеров. В неживой природе мономеры чаще накапливаются в углеводородной форме.

Олигомеры

Олигомеры - органические вещества, состоящие из 2-10 ос­татков молекул однородных и разнородных веществ.

В зависимости от состава олигомеры подразделяются на од-нокомпонентные, двух-, трех- и многокомпонентные. К одно-компонентным олигомерам относятся некоторые олигосахари-ды (мальтоза, трегалоза), к двухкомпонентным - сахароза, лак­тоза, жиры-моноглицериды, в состав которых входят остатки молекул глицерина и только одной жирной кислоты, а также гликозиды, сложные эфиры; к трехкомпонентным - рафиноза, жиры-диглицериды; к многокомпонентным - жирььтриглице-риды, липоиды: фосфатиды, воска и стероиды.

Олигосахариды - углеводы, в состав которых входят 2-10 ос­татков молекул моносахаридов, связанных гликозидными связя­ми. Различают ди-, три- и тетрасахариды. Наибольшее распро­странение в пищевых продуктах имеют дисахариды - сахароза и лактоза, в меньшей мере - мальтоза и трегалоза, а также триса-хариды - рафиноза. Указанные олигосахариды содержатся только в пищевых продуктах.

Сахароза (свекловичный, или тростниковый, сахар) - диса-харид, состоящий из остатков молекул глюкозы и фруктозы. При кислотном или ферментативном гидролизе сахароза распа­дается на глюкозу и фруктозу, смесь которых в соотношении 1: 1 раньше называли инвертным сахаром. В результате гидро­лиза усиливается сладкий вкус продуктов (например, при со­зревании плодов и овощей), поскольку фруктоза и инвертный сахар обладают повышенной степенью сладости, чем сахароза. Так, если степень сладости сахарозы принять за 100 условных единиц, степень сладости фруктозы будет равна 220, а инверт-

ного сахара - 130.

Сахароза является преобладающим сахаром следующих пи­щевых продуктов: сахара-песка, сахара-рафинада (99,7-99,9%), сахаристых кондитерских изделий (50-96), некоторых плодов и овощей (бананы - до 18%, дыни - до 12, лук - до 10-12%),сладких и десертных ароматизированных вин, ликеров, нали­вок и т. д. Кроме того, сахароза может содержаться в неболь­ших количествах и в других пищевых продуктах растительного происхождения (зерномучных товарах, во многих алкогольных и безалкогольных напитках, слабоалкогольных коктейлях, муч­ных кондитерских изделиях), а также сладких молочных това­рах - мороженом, йогуртах и т. п. Сахароза отсутствует в пи­щевых продуктах животного происхождения, табачных издели­ях и непродовольственных товарах.

Лактоза (молочный сахар) - дисахарид, состоящий из остат­ков молекул глюкозы и галактозы. При кислотном или фермен­тативном гидролизе лактоза распадается до глюкозы и галакто­зы, которые и используются живыми организмами: человека, дрожжей или молочнокислых бактерий.

Лактоза по степени сладости значительно уступает сахарозе и глюкозе, которая входит в ее состав. Уступает она им и по рас­пространенности, так как содержится в основном в молоке раз­ных видов животных (3,1-7,0%) и отдельных продуктах его пе­реработки. Однако при использовании молочнокислого и/или спиртового брожений в процессе производства (например, ки­сломолочных продуктов) и/или сычужного фермента (при про­изводстве сыров) лактоза полностью сбраживастся.

Мальтоза (солодовый сахар) - дисахарид, состоящий из двух остатков молекул глюкозы. Это вещество встречается как про­дукт неполного гидролиза крахмала в солоде, пиве, хлебе и мучных кондитерских изделиях, приготовленных с использова­нием проросшего зерна. Она содержится только в небольших количествах.

Трегалоза (грибной сахар) - дисахарид, состоящий из двух остатков молекул глюкозы. Этот сахар мало распространен в природе и содержится в основном в пищевых продуктах одной группы - свежих и сушеных грибах, а также в натуральных консервах из них и дрожжах. В квашеных (соленых) грибах тре-галоза отсутствует, поскольку расходуется при брожении.

Рафиноза - трисахарид, состоящий из остатков глюкозы, фруктозы и галактозы. Как и трегалоза, рафиноза мало распространенное вещество, встречающееся в небольших количествах в зерномучных товарах и свекле.

Свойства. Все олигосахариды являются запасными пита­тельными веществами растительных организмов. Они хорошо растворимы в воде, легко подвергаются гидролизу до моносаха-

§ 4. Сухие органические вещества

ридов, обладают сладким вкусом, но степень их сладости раз­лична. Исключение составляет лишь рафиноза - несладкая на

Олигосахариды гигроскопичны, при высоких температурах (160-200 °С) происходит их карамелизация с образованием темноокрашенных веществ (карамелинов и др.). В насыщенных растворах олигосахариды могут образовывать кристаллы, кото­рые в ряде случаев ухудшают консистенцию и внешний вид продуктов, вызывая образование дефектов (например, засаха­ривание меда или варенья; образование кристаллов лактозы в сгущенном молоке с сахаром, сахарное поседение шоколада).

Липиды и липоиды - олигомеры, в состав которых входят ос­татки молекул трехатомного спирта глицерина или других вы­сокомолекулярных спиртов, жирных кислот, а иногда и других

Липиды - это олигомеры, являющиеся сложными эфирами глицерина и жирных кислот - глицеридами. Смесь природных липидов, в основном триглицеридов, принято называть жира­ми. В товарах содержатся именно жиры.

В зависимости от количества остатков молекул жирных ки­слот в глицсридах различают моно-, ди- и три&шцериды, а в за­висимости от преобладания предельных или непредельных ки­слот жиры бывают жидкие и твердые. Жидкие жиры бывают чаще всего растительного происхождения (например, расти­тельные масла: подсолнечное, оливковое, соевое и т. п.), хотя есть и твердые растительные жиры (какао-масло, кокосовое, пальмоядровое). Твердые жиры - это в основном жиры живот­ного или искусственного происхождения (говяжий, бараний жир; коровье масло, маргарин, кулинарные жиры). Однако среди животных жиров есть и жидкие (рыбий, китовый, ко­пытный и т. п.)-

Жиры содержатся во всех пищевых продуктах, кроме от­дельных их групп, указанных далее в классификации как шес­тая группа. В непродовольственных товарах жиры содержатся в ограниченном количестве групп: в косметических изделиях (кремах, лосьонах) и в строительных товарах (олифе, масляных красках, замазке, смазочных маслах и т. п.), В небольшом ко­личестве жир находится в меховых и кожаных изделиях, изго­товленных из натуральных материалов животного происхожде­ния, так как в состав оболочек и органелл животной клетки обязательно входят липоиды и липиды.

В зависимости от количественного содержания жиров в потребительские товары можно подразделить на следующие*! группы. -,

1. Товары с супервысоким содержанием жиров (97,0-99,9%)." К ним относятся растительные масла, животные и кулинарные жиры, коровье топленое масло, олифа, технические масла.

2. Товары с преимущественным содержанием жиров (60- 82,5%) представлены сливочным маслом, маргарином, шпиком свинины, орехами: грецкими, кедровыми, фундуком, минда* лем, кешью и т. п.; масляными красками.

3. Товары с высоким содержанием жиров (25-59%). В эту группу входят концентрированные молочные продукты: сыры, мороженое, молочные консервы, сметана, творог, сливки с по­вышенной жирностью, майонез; жирные и средней жирности мясо, рыба и продукты их переработки, икра рыб; яйцо; не­обезжиренная соя и продукты ее переработки; торты, пирож­ные, сдобное печенье, орехи, арахис, шоколадные изделия, хал­ва, кремы на жировой основе и др.

4. Товары с низким содержанием жиров (1,5-9,0%) - бобо­вые крупы, закусочные и обеденные консервы, молоко, сливки, кроме высокожирных, кисломолочные напитки, отдельные ви­ды нежирной рыбы (например, семейства тресковых) или мяса II категории упитанности и субпродуктов (кости, головы, нож­ки и т. п.).

5. Товары с очень низким содержанием жиров (0,1 - 1,0%) - большинство зерномучных и плодоовощных товаров, кроме сои, орехов, обеденных и закусочных консервов; мучных кон­дитерских изделий, вошедших в третью группу; меховые и ко­жаные изделия.

6. Товары, не содержащие жиров (0%) - большинство непро­довольственных товаров, кроме вошедших в другие группы, вспомогательные пищевые продукты, вкусовые напитки, са­харистые кондитерские изделия, кроме карамели и конфет с молочными и ореховыми начинками, ириса; сахар; мед; алко­гольные, слабоалкогольные и безалкогольные напитки, кроме эмульсионных ликеров на молочной и яичной основах; табач­ные изделия.

Общие свойства. Жиры являются запасными питательными веществами, обладают самой высокой энергетической ценно­стью среди других питательных веществ (I г - 9 ккал), а также биологической эффективностью, если содержат лолиненасы-

§ 4. Сухие органические вещества

шенные незаменимые жирные кислоты. Жиры имеют относи­тельную плотность меньше 1, поэтому легче воды. Они нерас­творимы в воде, но растворимы в органических растворителях (бензине, хлороформе и др.). С водой жиры в присутствии эмульгаторов образуют пищевые эмульсии (кремы, маргарин, майонез).

Жиры подвергаются гидролизу при действии фермента ли­пазы или омылению под действием щелочей. В первом случае образуется смесь жирных кислот и глицерина; во втором - мы­ла (солей жирных кислот) и глицерина. Ферментативный гид­ролиз жиров может происходить и при хранении товаров. Ко­личество образующихся свободных жирных кислот характери­зуется кислотным числом.

Усвояемость жиров во многом зависит от интенсивности липаз, а также температуры плавления. Жидкие жиры с низ­кой температурой плавления усваиваются лучше, чем твердые с высокой температурой плавления. Высокая интенсивность усвоения жиров при наличии большого количества этих или других энергетических веществ (например, углеводов) приво­дит к отложению их избытка в виде жира-депо и ожирению. Поэтому при организации рационального питания должны преобладать твердые животные жиры (50-60% суточной по­требности).

Жиры, содержащие непредельные (ненасыщенные) жирные кислоты, способны к окислению с последующим образованием перекисей и гидроперекисей, которые оказывают вредное воз­действие на организм человека. Товары с прогоркшими жира­ми утрачивают безопасность и подлежат уничтожению или промпсреработке. Прогоркание жиров служит одним из крите­риев окончания срока годности или хранения жиросодержащих товаров (овсяной крупы, пшеничной муки, печенья, сыров и др.). Способность жиров к прогорканию характеризуется йод­ным и псрекисным числами.

Жидкие жиры с высоким содержанием непредельных жир­ных кислот могут вступать в реакцию гидрогенизации - на­сыщения таких кислот водородом, при этом жиры приобре­тают твердую консистенцию и выполняют функцию замени­телей некоторых твердых животных жиров. Данная реакция положена в основу производства маргарина и маргариновой продукции.

При высокой температуре жиры плавятся, кипят, а затем и разлагаются с образованием вредных веществ (при температуре более 200 °С).

Липоиды - жироподобные вещества, в состав молекул кото­рых входят остатки глицерина или других высокомолекулярных спиртов, жирных и фосфорной кислот, азотистых и других ве­ществ.

К липоидам относятся фосфатиды, стероиды и воска. От ли-пидов они отличаются наличием фосфорной кислоты, азоти­стых оснований и других веществ, отсутствующих в липидах. Это более сложные вещества, чем жиры. Большинство их объе­диняет наличие в составе жирных кислот. Второй компонент - спирт - может иметь разную химическую природу: в жирах и фосфатидах - глицерин, в стероидах - высокомолекулярные циклические спирты-стерины, в восках - высшие жирные спирты.

Наиболее близки по химической природе к жирам фосфати­ды (фосфолипиды) - сложные эфиры глицерина жирных и фосфорной кислот и азотистых оснований. В зависимости от химической природы азотистого основания выделяют следую­щие разновидности фосфатидов: лецитин (новое название - фосфатидилхолин), в составе которого содержится холин; а также кефалин, содержащий этаноламин. Наибольшее распро­странение в природных продуктах и применение в пищевой промышленности имеет лецитин. Лецитином богаты желтки яиц, субпродукты (мозги, печень, сердце), молочный жир, бо­бовые крупы, особенно соя.

Свойства. Фосфолипиды обладают эмульгирующими свой­ствами, благодаря чему лецитин используется в качестве эмуль­гатора при производстве маргарина, майонеза, шоколада, моро­женого, а также некоторых кремов.

Стероиды и воска являются сложными эфирами высокомо­лекулярных спиртов и высокомолекулярных жирных кислот (С, 6 -С 3 б)- Они отличаются от других липоидов и липидов от­сутствием в их молекулах глицерина, а друг от друга -спирта­ми: стероиды содержат остатки молекул стеринов - цикличе­ских спиртов, а воска - одноатомные спирты с 12-46 атомами С в молекуле. В зависимости от происхождения стерины под­разделяются на растительного - фитостерины; животного - зоостерины и микробиологического происхождения - микро-стерины. Основной стерин растений - р-ситостерин, живот-

ных - холестерин, микроорганизмов - эргостерин. Ситосте-рином богаты растительные масла, холестерином - коровье масло, яйцо, субпродукты. В шерсти и мехе животных в значи­тельных количествах содержится холестерин и другие зоостери­ны, в частности ланостерин.

Свойства. Стероиды нерастворимы в воде, не омыляются щелочами, имеют высокую температуру плавления, обладают эмульгирующими свойствами. Холестерин и эргостерин под воздействием ультрафиолетовых лучей могут превращаться в

витамин О.

Стерины и стероиды встречаются вместе с липидами в пи­щевых продуктах, а также в шерстяных и меховых изделиях.

Воска подразделяются на природные и синтетические, а природные - на растительные и животные. Растительные воска входят в состав покровных тканей листьев, плодов, стеблей. Некоторые растительные воска (карнаубский, пальмо­вый) используют в пищевой промышленности в качестве глази-рователей. Животные воска - пчелиный, ланолин овечь­ей шерсти, спермацет кашалотов - используются при произ­водстве косметических товаров, а пчелиный воск - в качестве глазирователя поверхности пищевых продуктов.

Синтетические воска в зависимости от типа исход­ного сырья подразделяют на частично и полностью синтетиче­ские. Их применяют при производстве политур, защитных ком­позиций, изолирующих материалов, компонентов кремов в косметике и мазей в медицине.

Таким образом, воска встречаются в небольшом количестве в пищевых продуктах растительного происхождения, а также в непродовольственных товарах: косметических (кремы, губная помада, мыло), бытовой химии (мастики для натирки полов, восковые свечи), шерстяных и меховых изделиях (шерстяной

Воска выполняют защитную функцию благодаря своим свойствам: пластичности, химической инертности. Они не смачиваются водой, водонепроницаемы, нерастворимы в воде, этаноле, но растворимы в бензине, хлороформе, диэтиловом

Гликозиды - олигомеры, в которых остаток молекул моноса-харидов или олигосахаридов связан с остатком неуглеводного вещества - аглюкона через гликозидную связь.

Теоретически возможно существование неорганических полимеров, образованных химическими элементами III-VI групп системы элементов.

Наиболее важным химическим элементом для создания неорганических полимеров является кислород - самый распространенный на земле элемент. Он легко создает гетероцепные элементооксановые высокомолекулярные соединения, поэтому полиэлементооксаны являются основным классом гетероцепных безуглеродных, или неорганических, полимеров.

К неорганическим полимерам относят все безуглеродные полиэлементооксаны со связями типа Р-О, В-О, S-О, Si-О, А1-О и др., а также многие безуглеродные гетероядерные соединения типа боридов, сульфидов, силицидов, карбидов и др.

Общепринято, что к высокомолекулярным соединениям относятся вещества, состоящие из атомов, связанных в макромолекулярную структуру ковалентными связями. Установлено, что содержание ковалентных связей в неорганических полимерах составляет от 50 до 80%.

Макромолекулы неорганических полимеров могут быть не только гетероцепными, но и гомоатомными. Хорошо известны органические гомоатомные полимеры углерода - алмаз и графит, о которых говорилось выше (гл. 4).

Менее известны гомоатомные неорганические полимеры серы, селена, теллура. Гомоатомные полимеры серы имеют молекулярную массу от 5000 до 300 000, температуру стеклования 248-250 К и проявляют высокоэластические свойства при температуре 273-353 К. Но большинство химических элементов не способно к образованию устойчивых гомоатомных высокомолекулярных соединений.

Гетероцепные неорганические полимеры известны значительно шире. Благодаря своему строению они более стабильны и устойчивы к различным воздействиям.

Гетероцепные неорганические полимеры, так же как и органические, могут иметь линейное и сетчатое строение. К линейным относятся силикатные стекла на основе оксида кремния, полифосфаты и полибораты (соединения на основе солей полифосфорной и поли- борной кислот соответственно). Высокомолекулярную природу силикатов наш великий соотечественник Д.И. Менделеев предсказал еще в XIX в. и писал о кремнеземе как о полимере.

Другой неорганический гетероцепной полимер на основе диоксида кремния - кварц - имеет трехмерное сетчатое строение.

Хорошо известны другие природные неорганические полимерные материалы на основе силикатов - асбест, слюда, тальк. Разработаны технологии синтеза этих полимеров, причем технические характеристики искусственных материалов выше, чем природных.

Важнейшую группу неорганических гетероцепных полимерных материалов составляют керамики различного состава.

Что же позволяет считать эти материалы полимерными? Прежде всего, наличие высокой анизотропии макромолекулы и соединение атомов между собой прочными ковалентными связями. Наряду с этим для безуглеродных полимеров так же, как и для органических полимеров, неизвестно газообразное состояние. Так же как и органические высокомолекулярные соединения, безуглеродные полимеры делятся на термопласты (например, силикатные стекла) и реактопла- сты (например, оксидная керамика).

Растворы и расплавы неорганических полимеров по сравнению с растворами низкомолекулярных веществ имеют повышенную вязкость, которая возрастает с увеличением молекулярной массы. Сетчатые неорганические полимеры так же, как и сетчатые органические полимеры, не способны к растворению.

Неорганические полимерные материалы линейного строения способны находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. На рис. 17.1 показаны термомеханические кривые органических и неорганических полимеров. Кривые построены путем измерения при различных температурах угла кручения ф круглого стержня из исследуемого материала.

Из приведенных данных видно, что неорганические стекла, так же как и органические полимеры, имеют два температурных перехо-

Рис. 17.1. Термомеханические кривые органических и неорганических полимеров: 1 - оргстекла; 2- эбонита; 3, 4, 5 - силикатных стекол (свинцового, щелочного и малощелочного соответственно)

да, при которых их свойства (в данном случае угол закручивания стержня) резко изменяются, что связано с их переходами из стеклообразного в высокоэластическое и из высокоэластического в вязкотекучее состояние.

Многие неорганические полимеры имеют сетчатое строение и, как органические реактопласты, не могут проявить высокоэластич- ность. Для сетчатых неорганических полимеров, как и для органических, имеющих трехмерную сетку, понятие «макромолекула» теряет смысл, поскольку все их атомы соединены в единую сетчатую структуру, образующую гигантскую сверхмакромолекулу.

Технология получения неорганических высокомолекулярных соединений, так же как и органических, основана на полимеризации и поликонденсации. Синтез неорганических полимеров сетчатого строения и формование из них изделий происходят одновременно, так же как и при изготовлении изделий из реактопластов.

Пластификация неорганических полимеров производится низкомолекулярными веществами и позволяет снизить температуру стеклования, аналогично тому, как это происходит при пластификации органических полимеров органическими пластификаторами. В качестве пластификаторов неорганических полимеров используют воду, спирты, аммиак, газы - азот и кислород, позволяющие снизить уровень межмолекулярного взаимодействия и увеличить интервал между температурами стеклования и текучести.

Неорганические полимеры склонны к образованию надмолекулярных структур. Различными методами установлено, что в структуре стекол имеются микронеоднородности, обладающие строгой упорядоченностью. Один структурно-упорядоченный элемент в стекле приходится на объем 1(Г 28 см 3 . Размеры таких элементов, как правило, чрезвычайно малы (от 1 до 300 нм), поэтому существенного влияния на свойства стекол они не оказывают. В некоторых материалах с помощью зародышей кристаллизации специально создается двухфазная аморфно-кристаллическая структура, которая позволяет получать материалы с заданными свойствами.

На рис. 17.2 приведены фотографии микроструктуры неорганических полимеров на основе оксидов металлов, на которых отчетливо видны надмолекулярные образования, свидетельствующие о структурной упорядоченности этих материалов.

Рис. 17.2. Надмолекулярные структуры неорганических полимеров (х10 000): а - топливной таблетки U0 2 ; б - шпинели MgAl 2 0 4

Макромолекулы безуглеродных линейных полиэлементооксанов, так же как и органических полимеров, обладают гибкостью. Распространенное мнение об отсутствии гибкости у макромолекул неорганических полимеров основано на том, что большинство безуглеродных природных полимеров (силикатов) имеют трехмерную структуру, жестко ограничивающую сегментальную подвижность макромолекул.

Физические и химические свойства неорганических полимеров принципиально отличаются от свойств органических и элементоорганических полимеров, что является следствием различий в структуре главной цепи. Они обладают высокой прочностью и твердостью, тугоплавкостью и жаростойкостью, износостойкостью и отличными диэлектрическими свойствами, химически и биологически инертны.

Благодаря этим свойствам неорганические полимеры находят широкое применение в качестве огнеупорных, жаропрочных и сверхпрочных конструкционных материалов. Из них делают катализаторы и адсорбенты, клеи и герметики с высокой теплостойкостью, эти материалы применяются при изготовлении лазерного и электронного оборудования. Широко используются неорганические полимеры в качестве строительных материалов, а также в ортопедии и стоматологии. И это только начало.

Таблица 17.1. Прогноз развития исследований и разработок в области керамических материалов и стекла

В табл. 17.1 приведены прогнозы развития исследований в области неорганических полимерных материалов, которые показывают, что это направление материаловедческой науки должно привести к революционным изменениям в области создания новой техники.

Дальнейшее развитие использования этих материалов связано с необходимостью снижения их стоимости и расширения объемов производства.

Контрольные вопросы

• 1. Какие химические элементы могут образовывать неорганические полимерные материалы?
• 2. Какими связями соединены атомы в неорганических полимерных материалах?
• 3. Приведите примеры неорганических конструкционных материалов.
• 4. Какими важнейшими свойствами, присущими высокомолекулярным соединениям, обладают неорганические полимеры?
• 5. Какие физические состояния известны для неорганических полимеров?
• 6. Как можно классифицировать неорганические полимеры по отношению к нагреванию?
• 7. Можно ли пластифицировать неорганические полимеры?
• 8. Применимо ли понятие о надмолекулярной структуре к неорганическим полимерам?
• 9. Каковы отличительные свойства неорганических конструкционных материалов?

Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые состоят из множества мономеров. Полимеры стоит отличать от такого понятия как олигомеры, в отличие от которых при добавлении еще одного номерного звена свойства полимера не меняются.

Связь между звеньями мономеров может осуществляться с помощью химических связей, в таком случае они называются реактопластами, или благодаря силе междумолекулярного воздействия, что характерно для так называемых термопластов.

Соединение мономеров при образовании полимера может происходить в результате реакции поликонденсации или полимеризации.

В природе встречается множество подобных соединений, наиболее известные из которых: белки, каучук, полисахариды и нуклеиновая кислота. Такие материалы называются органическими.

На сегодняшний день большое количество полимеров производятся синтетическим путем. Такие соединения называются неорганическими полимерами. Неорганические полимеры получают путем соединения природных элементов с помощью реакции поликонденсации, полимеризации и химического превращения. Это позволяет заменить дорогие или редкие природные материалы, или создать новые, не имеющие аналоги в природе. Главное условие, чтобы полимер не содержал в составе элементов органического происхождения.

Неорганические полимеры, благодаря своим свойствам, обрели широкую популярность. Спектр их использования достаточно широк, при этом постоянно находят новые сферы применения и разрабатываются новые виды неорганических материалов.

Основные характеристики

На сегодняшний день существует множество видов неорганических полимеров, как природных, так и синтетических, которые обладают различными составом, свойствами, сферой применения и агрегатного состояния.

Современный уровень развития химической промышленности позволяет производить неорганические полимеры в больших объемах. Чтобы получить такой материал нужно создать условия повышенного давления и высокой температуры. Сырьем для производства выступает чистое вещество, которое поддается процессу полимеризации.

Неорганические полимеры характерны тем, что обладают повышенной прочностью, гибкостью, тяжело поддаются воздействию химических веществ и устойчивы к высоким температурам. Но некоторые виды могут быть хрупкими и не обладать эластичностью, но при этом достаточно прочными. Наиболее известными из них считаются графит, керамика, асбест, минеральное стекло, слюда, кварц и алмаз.

Наиболее распространенные полимеры в основе имеют цепочки таких элементов, как кремний и алюминий. Это связано с распространенностью этих элементов в природе, особенно кремния. Наиболее известные среди них такие неорганические полимеры как силикаты и алюмосиликаты.

Свойства и характеристики разнятся не только в зависимости от химического состава полимера, но и от молекулярной массы, степени полимеризации, строения атомной структуры и полидисперсности.

Полидисперсность – это присутствие в составе макромолекул разной массы.

Большинство неорганических соединений характеризуются такими показателями:

1. Эластичность. Такая характеристика, как эластичность, показывает возможность материала увеличится в размерах под воздействием сторонней силы и вернутся в изначальное состояние после снятия нагрузки. Например, каучук способен увеличиться в семь-восемь раз без изменения структуры и различных повреждений. Возврат формы и размеров возможен благодаря сохранению расположения макромолекул в составе, перемещаются лишь отдельные их сегменты.
2. Кристаллическая структура. От расположения в пространстве составных элементов, что называется кристаллической структурой, и их взаимодействия зависят свойства и особенности материала. Исходя из этих параметров, полимеры разделяют на кристаллические и аморфные.

Кристаллические имеют стабильную структуру, в которой соблюдается определенное расположение макромолекул. Аморфные состоят из макромолекул ближнего порядка, которые только в отдельных зонах имеют стабильную структуру.

Структура и степень кристаллизации зависит от нескольких факторов, таких как температура кристаллизации, молекулярная масса и концентрированность раствора полимера.

1. Стеклообразность. Это свойство характерно для аморфных полимеров, которые при снижении температуры или повышении давления обретают стеклообразную структуру. В таком случае прекращается тепловое движение макромолекул. Температурные интервалы, при которых происходит процесс стеклообразования, зависит от типа полимера, его структуры и свойств структурных элементов.
2. Вязкотекучее состояние. Это свойство, при котором происходят необратимые изменения формы и объема материала под воздействием сторонних сил. В вязотекущем состоянии структурные элементы перемещаются в линейном направлении, что становится причиной изменения его формы.

Строение неорганических полимеров

Такое свойство очень важно в некоторых сферах промышленности. Наиболее часто его используют при переработки термопластов с помощью таких методов как литье под давлением, экструзия, вакуум-формирования и других. При этом полимер расплавляется при повышенных температурах и высоком давлении.

Виды неорганических полимеров

На сегодняшний день существуют определенные критерии, по которым классифицируются неорганические полимеры. Основные из которых:

• природа происхождения;
• виды химических элементов и их разнообразие;
• количество мономерных звеньев;
• строение полимерной цепи;
• физические и химические свойства.

В зависимости от природы происхождения классифицируют синтетические и натуральные полимеры. Натуральные формируются в природных условиях без участия человека, а синтетические производятся и модифицируются в промышленных условиях для достижения необходимых свойств.

На сегодняшний день существует множество видов неорганических полимеров, среди которых выделяются наиболее широко используемые. К таким относится асбест.

Асбест – тонковолокнистый минерал, который относится к группе силикатов. Химический состав асбеста представлен силикатами магния, железы, натрия и кальция. Асбест обладает канцерогенными свойствами, поэтому очень опасен для здоровья человека. Он очень опасен для работников, занятых на его добычи. Но в виде готовых изделий он достаточно безопасен, так как не растворяется в различных жидкостях и не вступает с ними в реакцию.

Силикон – один из наиболее распространенных синтетических неорганических полимеров. Его легко встретить в повседневной жизни. Научное название силикона – полисилоксан. Его химический состав представляет собой связь кислорода и кремния, которая придает силикону свойства высокой прочности и гибкости. Благодаря этому, силикон способен выдержать высокие температуры и физические нагрузки не теряя прочности, сохраняя форму и структуру.

Полимеры углерода очень распространены в природе. Существует также множество видов, синтезирующихся человеком в промышленных условиях. Среди природных полимеров выделяется алмаз. Этот материал невероятно прочный и обладает кристально чистой структурой.

Карбин – это синтетический углеродный полимер, который обладает повышенными свойствами прочности, не уступающими алмазу и графену. Производится в виде черного морошка мелкокристаллической структуры. Обладает свойствами электропроводимости, которая увеличивается под воздействием света. Способен выдержать температуру в 5000 градусов не теряя свойств.

Графит – углеродный полимер, структура которого отличается плоскостной ориентацией. Из-за этого структура графита слоистая. Этот материал проводит электричество, тепло, но не пропускает свет. Его разновидностью является графен, который состоит из одного слоя молекул углерода.

Полимеры бора отличаются высокой твердостью, не сильно уступая алмазам. Способны выдержать температуру более 2000 градусов, что намного больше пограничной температуры алмаза.

Полимеры селена – довольно широкий ряд неорганических материалов. Наиболее известный из них – карбид селена. Карбид селена – прочный материал, имеющий вид прозрачных кристаллов.

Полисиланы обладают особыми свойствами, которые отличают их от других материалов. Этот вид проводит электричество и выдерживает температуру до 300 градусов.

Применение

Неорганические полимеры применяются практически во всех сферах нашей жизни. В зависимости от вида, они обладают различными свойствами. Главная их особенность в том, что искусственные материалы обладают улучшенными свойствами в сравнении с органическими материалами.

Асбест применяется в различных сферах, в основном, в строительстве. Из смесей цемента с асбестом производят шифер и различные типы труб. Также асбест применяют для снижения кислотного влияния. В легкой промышленности асбест применяется для пошива противопожарных костюмов.

Силикон применяется в различных сферах. Из него производят трубки для химической промышленной, элементы, используемые в пищевой промышленности, а также используют в строительстве в качестве герметика.

В целом, силикон один из наиболее функциональных неорганических полимеров.

Алмаз наиболее известен как ювелирный материал. Он очень дорогой благодаря своей красоте и сложности добычи. Но алмазы также используются в промышленности. Это материал необходим в режущих устройствах для распила очень прочных материалов. Он может использоваться в чистом виде как резец или в виде напыления на режущие элементы.

Графит широко используется в различных сферах, из него делают карандаши, он применяется в машиностроении, в атомной промышленности и в виде графитовых стержней.

Графен и карбин пока малоизучены, поэтому сфера их применения ограничена.

Полимеры бора используются для производства абразивных материалов, режущих элементов и . Инструменты из такого материала необходимы для обработки металла.

Карбид селена применяется для производства горного хрусталя. Его получают путем нагрева до 2000 градусов кварцевого песка и угля. Хрусталь используют для производства высококачественной посуды и предметов интерьера.

§ 12. ПОЛИМЕРЫ

Как правило, пластмасса представляет собой смесь нескольких веществ, а полимер – это лишь одно из них, но самое важное. Именно он связывает все компоненты пластмассы в единое, более или менее однородное целое. Поэтому полимер в составе пластмассы называют связующим. Понятно, что превращать в готовые изделия удобно те пластмассы, которые обратимо твердеют и размягчаются. Такие пластмассы называют термопластами, или термопластичными полимерами. К таким пластмассам относят полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиамиды. Если же в процессе формования изделия происходит сшивка макромолекул, и полимер, твердея, приобретает пространственную структуру, то такие пластмассы называют реактопластами, или термореактивными полимерами. К ним относятся фенолоформальдегидные, карбамидные и полиэфирные смолы. Обратно в вязкотекучее состояние такие полимеры вернуть нельзя.

Кроме связующего полимера, в состав пластмасс часто вводят разные добавки: наполнители, красители, а также вещества, повышающие механические свойства, термостойкость и устойчивость к старению. Наполнители не только значительно удешевляют пластмассы, но и придают им многие специфические свойства. Например, пластмассы с наполнителем в виде алмазной и карборундовой пыли – это абразивы, т.е. шлифовальный материал. Широкому применению пластмасс способствует низкая их стоимость, легкость переработки. По свойствам пластмассы часто не уступают металлам и сплавам, а иногда даже превосходят их.
Основные потребители пластмасс – это строительная индустрия, машиностроение, электротехника, транспорт, производство упаковочных материалов, товаров народного потребления (рис. 1).

Рис. 1. Области применения пластмасс
Понятие «полимеры» часто воспринимается как категория химическая, как нечто придуманное и синтезированное изобретателями-химиками. Однако многие полимеры встречаются в природе, и не в форме брошенных человеком и загрязняющих ее отработанных изделий, а как натуральные вещества, синтезированные растительными и животными организмами.
Так, растущее в Малой Азии дерево Liuamber orientalis выделяет пахучую смолу, называемую стираксом, которую еще 3000 лет назад древние египтяне использовали при бальзамировании умерших. Стиракс, так же, как и «драконова кровь», выделяемая малайской пальмой ротангом, представляет собой не что иное, как полистирол. Жук Abax ater в случае опасности выстреливает в атакующего жидкостью, состоящей, в основном, из мономерного метилметакрилата, который, полимеризуясь на теле врага, делает его неподвижным.

Основные пластмассы и области их применения приведены в таблице 1.

Пластмассы и их применение

Ко второй группе полимерных материалов относятся волокна.

Природные волокна по происхождению делят на растительные , животные и минеральные .

Волокна растительного происхождения можно подразделить на:

– волокна, формирующиеся на поверхности семян (хлопок);
– волокна стеблей растений – лубяные волокна (лен, джут, пенька);
– волокна оболочек плодов (копра орехов кокосовой пальмы).
Наиболее важное волокно растительного происхождения – хлопковое – обладает хорошими механическими свойствами, износоустойчивостью, термостабильностью, умеренной гигроскопичностью. Оно применяется в производстве различных тканей и трикотажа, швейных ниток, ваты. Лен применяют для изготовления бельевых, платьевых и декоративных тканей. Лубяные волокна используют в производстве тканей, из которых изготавливают тару (мешки), канаты, веревки.

К волокнам животного происхождения относят шерсть и шелк.
Натуральная шерсть характеризуется невысокой прочностью, большой эластичностью. Применяют ее для изготовления тканей бытового и технического назначения, трикотажа, валяльно-войлочных изделий.
Натуральный шелк вырабатывают многочисленные гусеницы и пауки. Самый известный шелк выделяют шелковичные черви Bombyx mori (рис. 2).

Рис. 2. Тутовый шелкопряд. На открытке:
бабочка за откладкой яиц, гусеница, кокон
и кокон в разрезе (художник Л.В.Аристов)
Китайцам шелк был известен более чем за две с половиной тысячи лет до н.э. Секрет его изготовления охранялся государством, пока в 556 г. н.э. монахи из Европы не вывезли контрабандой из Китая яйца шелковичных червей, спрятав их в полые трости. Натуральный шелк – это очень дорогое волокно.
Например, в Японии шелковое кимоно стоит около 30 000 долларов. Раньше шелк окрашивали натуральными красителями, например, кошенилью в различные цвета: пурпурные, алые, лиловые и т.д. Такой шелк использовали для пошива одежды царствующих особ, священнослужителей, светских красавиц.
…И кажется лицо бледней
От лиловеющего шелка…
А.Ахматова
Единицей измерения шелка служит мумми. Слово это не имеет ничего общего с египетскими мумиями. Оно происходит от японского «момме». Мумми – это единица массы ткани (3,75 г), соотнесенная с одним квадратным метром ткани фабричного производства. Один квадратный метр большинства сортов шелка весит 16–22 мумми, однако некоторые китайские сорта весят только 4–8 мумми.

Химические волокна получают из растворов или расплавов волокнообразующих полимеров. Их подразделяют на следующие группы:
– искусственные (вискозное, ацетатное и др.), которые получают из природных полимеров или продуктов их переработки, главным образом из целлюлозы и ее эфиров;
– синтетические (капрон, лавсан, энант, найлон), которые получают из синтетических полимеров.
Рассмотрим еще одну группу полимеров, которую в обыденном сознании редко связывают с этим понятием. Это неорганические полимеры .
Такой неорганический полимер, как сера пластическая, нетрудно получить из кристаллической серы, выливая ее расплав в холодную воду. В результате получается резиноподобное вещество, строение которого можно отобразить так:

Элементарным звеном в этом полимере являются атомы серы.
Другие неорганические полимеры, имеющие атомную структуру, – это все аллотропные видоизменения углерода (в т.ч. алмаз и графит), селен и теллур цепочечного строения, красный фосфор, кристаллический кремний. Последний обладает полупроводниковыми свойствами и используется для изготовления солнечных батарей (рис. 3).

Рис. 3. Солнечная батарея на крыше жилого дома
Мы привели примеры простых веществ, имеющих полимерную атомную структуру. Еще более разнообразна группа неорганических полимеров – сложных веществ. Это, например, оксид кремния(IV):

Разновидностями этого полимера, который образует основную массу литосферы, являются кварц, кремнезем, горный хрусталь, агат (рис. 4).

Рис.4. Агат

Не менее распространен и такой важный для литосферы полимер, как оксид алюминия. Чаще всего оба эти полимера образуют минералы, имеющие общее название алюмосиликаты. К ним относятся, например, белая глина (каолин), полевые шпаты, слюда (рис. 5).

Рис. 5. Парагонит (слюда – природный слоистый минерал)

Почти все минералы и горные породы представляют собой природные полимеры.
Среди неорганических полимеров встречаются и волокна.
К минеральным волокнам относят асбест (рис. 6), издавна известный на Руси под названием «горный лен». Из него в «Каменном поясе» (так нередко называли Уральские горы) на предприятиях промышленников и предпринимателей Демидовых готовили несгораемое белье, которое они в качестве экзотических презентов дарили знатным людям, в том числе и императрице Екатерине Великой.

Асбест в наши дни используется для производства тепло- и огнезащитных химически стойких изделий: технических тканей, шифера, труб и др.

1. Что такое полимер, мономер, элементарное звено, степень полимеризации?
2. Какие биополимеры вы знаете? Охарактеризуйте их с использованием понятий, перечисленных в первом вопросе.
3. Что такое пластмассы? На какие группы по происхождению и по отношению к нагреванию они делятся? Приведите примеры.
4. Что такое полимеризация и поликонденсация? Сравните эти процессы. Приведите примеры. При ответе на этот вопрос используйте, в том числе, и знания по общей биологии.
5. Что такое волокна? На какие группы они делятся? Приведите примеры и расскажите о значении конкретных представителей каждой группы, используя возможности Интернета.
6. Приготовьте сообщение на тему: «Синтетические материалы и их роль в современной технике» с использованием ресурсов Интернета.
7. Какие неорганические полимеры вам известны? Что общего в их строении? Какую роль они играют в неживой природе?
8. Приготовьте сообщение на тему «Полимеры – природные минералы» с использованием ресурсов Интернета.
9. Запишите структурное звено кварца. Расскажите о разновидностях природных минералов, имеющих это структурное звено.
10. Что такое полупроводники? Чем они отличаются от проводников и диэлектриков? Какое значение имеют полупроводники в современной технике? Для ответа на эти вопросы воспользуйтесь ресурсами Интернета.
11. Подготовьте сообщение на тему «Шелк: история и развитие шелковой промышленности», используя возможности Интернета.