Курс агульнай фізікі
Цеплыня і малекулярная фізіка: Вучэб. дапам.
Выдавец: Вышэйшая школа
Памер: 232с.
Мінск 1994
са сценкай. Калі з.мясціць
9.14, а), то плсўка, якая
Пры тэмпературы ніжэй Л-пункта
вадкі гслій He II валодае звышцякучасцю. З’ява звышцякучасці была адкрыта ў 1938 г. П.Л. Капіцай. Вадкі He II здольны працякаць праз тонкія капіляры, шчыліны, не зведваючы ніякага трэння. Звышцякучасць з’явілася ключом да разумення асаблівасцсй вадкага He II. Нягледзячы на яе вельмі малую таўшчыню плеўкі, ён рухаецца з параўнальна вялікімі хуткасцямі. Рух звычайнай вязкай вадкасці пры гэтых умовах з такімі хуткасцямі запатрабав.іу бы велізарных перападаў ціску.
У вадкім He II мае месца так званы тэрмамеханічны эфект (фантан-эфект) (рыс. 9.15). Пры падвядзенні цсплыні да ніжняй часткі трубкі з яе верхняга канца б’е фантан вадкага гелію. Такім чынам, стварэнне рознасці тэмператур пры-
Рыс. 9.14.
водзіць да цячэння вадкага He II. Mae месца і адваротны, так званы механакаларычны эфект. Пры хуткім выцяканні гелію з пасудзіны тэмпсратура ў ёй павышаецца, а пры апусканні пасудзіны ў ванну з вадкім геліем тэмпература ў пасудзіне паніжаецца.
Вязкасць He II у дзесяткі тысяч разоў меншая, чым He I.
10. ПАЛІМЕРЫ
Такія цвёрдыя цслы, як цэлюлоза, шкловалакно, каўчук, пластычныя масы, смолы, бялкі, нуклсінавыя кіслоты ўтвараюць вялікую і важную групу рэчываў і называюцца палімерамі. Яны могуць знаходзіцца ў двух агрэгатных станах — цвёрдым і вадкім і ніколі ў газападобным. Апошняс тлумачыцца тым, што малскулы палімсра всльмі вялікія і тэмпсратура іх раскладання ніжзйшая, чым тэмпсратура кіпення.
Зразумець хімію высокамалскулярных злучэнняў бсз фізікі палімсраў нсмагчыма. У працэсс бурнага развіцця фізікі палімсраў створана строгая сістэма простых мадэляў, вывучаюцца іх фізічныя ўласцівасці на малскулярным узроўні.
10.1. Утварэнне макрамалекул.
Некаторыя тыпы палімераў
юооооо
Утварэнне макрамалекул. Малснькія малскулы злучаюцца паміж сабой і ўтвараюць адну доўгую і вялікую малскулу. Асобныя малснькія малскулы ці групы, якія маюць нізкую малскулярную масу, называюцца маналерамі. Пад малекулярнай масай будзсм разумсць масу малскулы ў адзінках шкалы, дзс маса атама вугляроду 12С дакладна роўная 12. Малскулы манамсраў злучаюцца паміж сабой з утварэннсм макрамалекулы з вялікай малскулярнай масай М. Малекулы, якія складаюць макрамалскулу, могуць быць як аднолькавага, так і рознага хімічнага складу
(рыс. 10.1). Уявім сабе набор колцаў аднолькавага памсру, зроблсных з аднаго матэрыялу (рыс. 10.1, а). Звязаныя паміж сабой яны ўтвараюць
1оОооОоо
Рыс. 10.1.
ланцужок, які можна разглядаць як макрамалскулу з малскул аднаго хімічнага рэчыва (рыс. 10.1, б). Калі ўзяць колцы розных памсраў (рыс. 10.1, в), з розных матэрыялаў, то састаўлены з іх ланцужок мадэлюс макрамалекулу, якая складасцца з малскул розных рэчываў (рыс. 10.1, г). Калі малекулы манамера (або манамеры) злучаюцца з утварэннсм палімера, то гэты працэс называсцца палімерызацыяй. Манамсры ў гэтым выпадку захоўваюць сваю індывідуальнасць. Напрыклад, манамсрныя малскулы этылсну далучаюцца адна да адной з утварэннсм поліэтылсну, які ідэнтычны этылсну.
Калі малскулы нс проста далучаюцца адна да адной, а звсдваюць нскаторыя хімічныя змсны, то гэты працэс называсцца полікандэнсацыяй. У гэтым выпадку дзвс малекулы (аднаго ці розных манамсраў) кандэнсуюцца ў палімер.
Як пры палімсрызацыі, так і пры полікандэнсацыі ўтварасцца макрамалскула. Памср яс вызначасцца лікам паўтаральных адзінак, колькасць якіх абумоўлівас ступень палімерызацыі. Напрыклад, пяць малскул этылсну СН2 — СН2 (рыс. 10.2) далучаюцца адна да адной з утварэннсм малскулы поліэтылсну. У дадзсным выпадку малскула поліэтылсну складасцца з пяці адзінак, якія паўтараюцца. Такім чынам, ступснь палімсрызацыі роўная 5.
5СН2 = сн2
Палімер ьізацыя
СН2—сн2—СН—СН2-І-СН2—CilJ-CHj—CHj-j-CHj—сн2
11 2 I 3 I 4 I 5
Рыс. 10.2.
Малскулы ў макрамалекулс маюць прасторавас размяшчэннс, якос вызначасцца даўжынямі і прыродай адпаведных сувязяў і значэннямі вуглоў паміж сувязямі. Такос прасторавас размяшчэннс малскул атрымала назву канфармацыі. Змянснне канфармацыі макрамалскулы нс суправаджасцца разрывам хімічных сувязяў.
Макрамалекулы палімсраў могуць мсць наступную структуру: лінсйную, разгалінаваную і сшытую. Лінейныя макрамалскулы з’яўляюцца найбольш тыповымі паказальнікамі палімсрнага стану. Строга лінсйных сінтэтычных палімсраў нс бывас. Частка малскул у нсйкай ступсні разгалінавана. Макрамалекула лінсйных палімераў уяўляс сабой доўгі ланцуг з всльмі высокай ступснню асімстрыі. Калі звяно макрамалекулы вінілавага рада |—СН2 — CHR],; абазначыць А, то схсматычна лінсйны палімср можна запісаць у выглядзс ланцуга са звснняў ...—A—A—A—A—A—... Кожнас звяно, за выключэннсм
канцавых груп, злучана толькі з двума суссднімі звеннямі. Пад R разумсюць атам ці групу атамаў (радыкал), якія змяшчаюць атам Н.
Макрамалскула разгалінаванага палімера ўяўляс сабой доўгі ланцуг, ад якога адыходзяць бакавыя адгалінаванні:
I I I I I I
... — с — с — с — с — с — с — ...
I I I I I I
— с — — с — с —
I I I
-с — с --с
I I I
Колькасць адгалінаванняў, іх псрыядычнасць і даўжыня могуць шырока вар’іравацца. 3 павслічэннсм разгалінаванасці і колькасці прасторавых сшывак паміж макрамалекуламі праяўлснне спецыфічных палімерных уласцівасцсй ускладняецца.
Сшытымі называюцца палімсры, пабудаваныя з доўгіх ланцугоў (рыс. 10.3). Асобныя ланцугі могуць быць звязаны паміж сабой папярочнымі сувязямі ці масткамі, якія складаюцца з рознай колькасці атамаў. У выніку ўтварасцца трохмерная прасторавая сетка. Лінейныя і разгалінаваныя палімсры могуць існаваць у вадкім стане і растварацца, трохмерныя палімсры нс плавяцца і нс раствараюцца.
Рыс. 10.3.
Характэрнай асаблівасцю макрамалекул з’яўляецца надзвычай развітае міжмалекулярнае ўзаемадзеянне паміж малскуламі. Сумарная энергія малекул перавышае энергію кавалентнай сувязі. Гэтым тлумачацца многія асаблівасці высокамалекулярных злучэнняў: вялікая
трываласць, эластычнасць і г. д. Прырода міжмалскулярных сіл і іх вслічыня залсжаць ад хімічнай будовы і малскулярнай масы макрамалскул.
Малекулярная маса і памеры макрамалекул. Малскулярныя масы могуць прымаць значэнні ад адзінак для простых хімічных рэчываў да некалькіх мільёнаў для складаных палімсраў. Малскулярная маса простых хімічных рэчываў у адрознснне ад палімсраў — вслічыня пастаянная. Напрыклад, пры палімсрызацыі этылсну ў поліэтылсн адбывасцца ўтварэннс няпэўнай хімічнай структуры [—СН2—СН2 ]„ . Значэнні п розныя дпя розных малскул аднаго і таго ж узору поліэтылсну. Гэта тлумачыцца тым, што пры палімсрызацыі этылсну ў адзін і той жа момант часу пачынасцца ўтварэннс і рост макрамалскул. Абрыў іх можа адбывацца ў розны час. Макрамалскулы паспяваюць вырасці да розных даўжынь,Абрыў макрамалскул з’яўлясцца выпадковым працэсам. Таму ўтвораныя макрамалскулы поліэтылсну маюць розную колькасць манамерных звснняў п і розныя малскулярныя масы. Гэта датычыць і іншых складаных злучанняў групы палімераў.
Сярэдняя малскулярная маса макрамалскул знаходзіцца паводлс формулы
< М > = < п > т , (10.1)
дзс < п > — сярэдняя ступснь палімсрызацыі; т — малскулярная маса звяна. Напрыклад, малскулярная маса поліэтылсну прыкладна роўная 280 000, а малскулярная маса этылену — 28. Згодна з формулай (10.1), сярэдняя ступснь палімсрызацыі ці колькасць груп СН2 будзе < п > = 10 000. Даўжыня валснтных сувязсй паміж групамі СН2 роўная 1,54 • 10’1 м. Разлік паказвае, што даўжыня паміж канцамі 2,53 • 10*6 м. Гэтая адлсгласць у нскалькі разоў большая за даўжыню хвалі X бачнага святла. Малскулярная маса высокамалскулярных палімсраў 104—106, а палімсраў з нізкай ступснню палімсрызацыі — 500—600.
Класіфікацыя палімераў. У залсжнасці ад рознай хімічнай структуры, фізічных уласцівасцсй, мсханічных паводзін, тэрмічных характарыстык і г. д. палімеры могуць быць арганічнымі і неарганічнымі. Арганічнымі называюць палімсры, асноўны ланцуг якіх складаецца псраважна з атамаў вугляроду. Да атамаў вугляроду асноўнага ланцуга, аднак, могуць быць далучаны атамы вадароду, кіслароду, азоту і інш.
Малекулы неарганічных палімсраў звычайна ў сваім асноўным ланцугу не змяшчаюць атамаў вугляроду. Яны пабудаваны з макрамалскул з неарганічнымі галоўнымі ланцугамі і без арганічных акаймляльных груп. Прыкладамі нсарганічных палімсраў, напрыклад, з’яўляюцца шкло, сіліконавы каўчук.
Арганічныя палімеры дзсляцца на прыродныя і сінтэтычныя. Прыроднымі называюць палімсры, атрыманыя з натуральных матэрыялаў. Напрыклад, цэлюлоза, натуральны каўчук, поліцукрыды, нуклеінавыя кіслоты і г. д. Сінтэтычнымі з’яўляюцца палімсры, сінтэзаваныя з нізкамалекулярных рэчываў. Напрыклад, сінтэтычны каўчук, сінтэтычныя валокны, лакі і клсі.
Сінтэтычныя палімеры. Яны з’яўляюцца высокамалскулярнымі матэрыяламі ці кампазіцыяй на іх асновс. Гэтыя палімсры ў звычайных умовах знаходзяцца ў цвёрдым станс, але пры награванні і пад дзсяннсм ціску псраходзяць у пластычны стан, прымаючы любую зададзсную форму. Пасля спынсння награвання і дзеяння ціску яны зноў становяцца цвёрдымі і ў далсйшым нс мяняюць нададзснай ім формы.
Высокапалімсрныя матэрыялы, якія з’яўляюцца асновай пластмас, за іх аморфнасць і тэрмапластычнасць часта называюць смоламі. Смолы могуць быць прыроднымі (каніфоль, асфальт) ці сінтэтычнымі. У залсжнасці ад уласцівасцсй смол пластмасы, атрыманыя на іх асновс, таксама раздзяляюцца на прыродныя і ,сінтэтычныя. Нскаторыя сінтэтычныя пластмасы складаюцца толькі са смалы. Алс ў асноўным яны ўтвараюцца са смол і напаўняльнікаў. У гэтым выпадку смала з’яўлясцца сувязным звяном паміж часцінкамі напаўняльніка.
Пластмасы маюць шэраг каштоўных фізічных уласцівасцей. Шчыльнасць іх нсвысокая (900—2300 км/м3 ), таму яны лягчэйшыя за большасць мсталаў (у 5 разоў). Пластмасы валодаюць высокімі мсханічнымі (іх трываласць псравышас трываласць дрэва, шкла, ксрамікі, каляровых мсталаў і сплаваў), а таксама добрымі элсктраізаляцыйнымі ўласцівасцямі, яны хімічна ўстойлівыя да агрэсіўных вадкасцсй і інш.
Тры станы аморфных палімераў. Аморфныя палімсры могуць знаходзіцца ў трох станах: шклопадобным, высокаэластычным і вязкацякучым. Шклопадобны стан характарызуецца наяўнасцю хістальнага руху малскул, што ўваходзяць у склад ланцуга, каля становішча раўнавагі. Пры гэтым адсутнічаюць хістальны ўплыў звснняў і перамяшчэннс ланцуга як адзінага цэлага. Такі стан выяўляецца звычайна пры нізкай тэмпературы. Высокаэластычны стан характарызуецца наяўнасцю хістальнага руху звснняў, у выніку якога ланцуг палімсраў набывас здольнасць выгінацца. Для вязкацякучага стану характэрна рухомасць усёй макрамалскулы як цэлага.
КНІГІ ОНЛАЙН
