Три существенных отличия в поведении полимеров 
от поведения маленьких молекул


Итак, вы хотите знать, чем же поведение полимеров, состоящих из макромолекул, отличается от поведения маленьких молекул, и чем объясняются эти отличия. Что же, мы расскажем вам об этом, уж такие мы замечательные и милые люди. Для тех из вас, кто не удосужился прочитать название, мы повторяем, что существует три основных отличия в поведении полимеров от поведения маленьких молекул. И эти причины немножко более сложны, чем просто "потому, что они больше". Обычно эти три различия формулируются так: Ладно, все это очень здорово, такие мудреные названия, но что же они означают на самом деле?

Зацепление цепей

Вы помните, что большинство полимеров является линейными полимерами. Это значит, что в молекулах таких полимеров атомы выстроены один за другим и образуют огромную цепочку. В большинстве случаев, хоть и не всегда, эта цепочка является не прямой и жесткой, а гибкой и подвижной. Она закручивается и сворачивается, образуя одну запутанную массу. Эти цепочки склонны также закручиваться и оборачиваться друг вокруг друга, так что молекулы полимера все вместе в целом образуют одну огромную запутанную массу.

Когда полимер расплавлен, то цепочки будут вести себя как макароны, запутанные на тарелке. Если вы попробуете вытянуть несколько отдельных макарон, то они без проблем выскользнут из общей массы. Но когда полимер охлажден и находится в твердом состоянии, то он ведет себя скорее как клубок шпагата. И мы имеем в виду отнюдь не новый аккуратно намотанный клубок, нет. Мы говорим о том совершенно запутанном старом клубке шпагата из обрывков, которые вы собирали долгие годы. Попытайтесь вытянуть из такого запутанного клубка одну нить. Чем сильнее вы потянете, тем вероятнее у вас в результате получится просто один большой узел!

Твердые полимеры чем-то похожи на такой клубок. Все макромолекулы запутаны друг с другом, так что их очень сложно распутать. Вот что делает полимеры столь прочными в таких материалах, как пластмассы, краски, эластомеры, и композиты.

Суммирование межмолекулярных сил

Вы помните, что такое межмолекулярные силы? Если нет, то я сейчас вам напомню. Все молекулы, и маленькие, и большие, взаимодействуют друг с другом, притягивая друг друга посредством электростатических сил. Полярные молекулы лучше держатся друг за друга, чем неполярные. Например, вода и метан обладают сходными молекулярными массами. Масса молекулы метана равна шестнадцати, а молекулярная масса воды равна восемнадцати. Метан при комнатной температуре является газом, а вода находится в жидком состоянии. Это различие связано с тем, что молекула воды очень полярна. Она настолько полярна, что притягивается к другим молекулам воды и образует жидкость, тогда как метан очень неполярен, поэтому его молекулы совершенно не прилипают друг к другу.

Как я уже говорил, межмолекулярные силы действуют на макромолекулы точно так же, как они действуют и на маленькие молекулы. Но в случае полимеров эти силы значительно возрастают за счет их сложения. Чем больше молекула, тем большая межмолекулярная сила может на нее подействовать. Даже когда речь идет об относительно слабых Ван-дер-Ваальсовых силах, они могут достаточно прочно связывать вместе различные макромолекулы. Это является другой причиной того, что из полимеров можно делать очень прочные материалы. Например, Полиэтилен совсем неполярен. В нем между молекулами действуют только Ван-дер-Ваальсовы силы, но он настолько прочен, что из него делают пуленепробиваемые жилеты.

Временной масштаб движения

Это мудреный способ сказать, что макромолекулы движутся более медленно, чем маленькие молекулы. Представьте, что вы учитель первого класса и в школе настало время идти обедать. Ваша задача заключается в том, чтобы довести детей от вашего класса до школьной столовой, не потеряв ни одного из них и причинив минимальный ущерб территории, по которой вам предстоит двигаться, чтобы достичь столовой. Удержать их в строю скорее всего будет непросто. Маленькие дети любят бегать вокруг да около, прыгать, кричать и скакать то туда, то сюда. Одним из способов прервать это хаотическое движение заключается в том, чтобы выстроить их на время движения в столовую так, чтобы все они взяли друг друга за руки. Это будет непросто, будьте уверены. Всегда в вашем классе найдется много маленьких мальчиков, которые ощущают себя слишком мужественными, чтобы держать за руки стоящих рядом с ними девочек. Будут также и такие, которые настолько неуверены в собственной мужественности, что они не станут держаться за руки ни с кем. Но как только вам удатся добиться этого, их возможности бегать и скакать будут существенно ограничены. Разумеется, их движение все еще будет хаотичным. Цепочка детей будет искривляться и вилять во все стороны по пути к столовой, где их ожидают соевые пирожки, замаскированные под неизвестно что. Но это движение будет гораздо более медленным. Видите ли, если вдруг у одного из детей возникнет идея рвануться в каком-нибудь направлении, то он или она просто не смогут этого сделать, его или ее движения будут сковываться весом всех остальных детей, с которыми он или она связаны. Конечно же, дети могут отклониться от прямого пути и заставить еще несколько детей сделать то же самое, но я готов биться об заклад, что это отклонение будет значительно меньшим, чем если бы все дети не были связаны между собой.

То же самое происходит и с молекулами. Кучка маленьких молекул может двигаться гораздо быстрее и гораздо хаотичнее, когда все они не связаны между собой. Соедините маленькие молекулы вместе в одну большую цепочку, и они замедлятся, точно так же, как и дети, когда вы выстроили их в одну цепочку.

Так каким же образом это свойство делает полимерные материалы отличными от тех, что состоят из маленьких молекул? Малая скорость движения молекул заставляет полимеры делать многие совершенно необыкновенные вещи. Например, если вы растворите полимер в растворителе, то такой раствор будет обладать гораздо более высокой вязкостью, чем чистый растворитель. На самом деле измерение этого изменения вязкости позволяет оценить молекулярную массу полимеров. Нажмите сюда, чтобы выяснить, каким же образом это делается.


Вернуться в директорию Третьего Уровня


Вернуться в основную директорию Макрогалереи


Авторское право ©1995,1996,1997 | Факультет Науки о Полимерах | Университет Южного Миссисипи