Polymere sind überall. Schau dich einfach um. Ihre Plastikwasserflasche. Die Silikongummispitzen an den Ohrhörern Ihres Telefons. Das Nylon und Polyester in Ihrer Jacke oder Turnschuhe. Der Gummi in den Reifen auf dem Familienauto. Jetzt schau in den Spiegel. Viele Proteine in Ihrem Körper sind auch Polymere. Betrachten Sie Keratin (KAIR-uh-Tin), das Zeug, aus dem Ihre Haare und Nägel bestehen. Sogar die DNA in Ihren Zellen ist ein Polymer.
Polymere sind definitionsgemäß große Moleküle, die durch Bindung (chemisch Verknüpfung) einer Reihe von Bausteinen hergestellt werden., Das Wort Polymer kommt von den griechischen Wörtern für “ viele Teile.“Jeder dieser Teile wird von Wissenschaftlern als Monomer bezeichnet (was auf Griechisch „ein Teil“bedeutet). Stellen Sie sich ein Polymer als Kette vor, wobei jedes seiner Glieder ein Monomer ist. Diese Monomere können einfach sein — nur ein Atom oder zwei oder drei-oder sie können komplizierte ringförmige Strukturen sein, die ein Dutzend oder mehr Atome enthalten.
In einem künstlichen Polymer ist jedes Glied der Kette oft identisch mit seinen Nachbarn. Aber in Proteinen, DNA und anderen natürlichen Polymeren unterscheiden sich Glieder in der Kette oft von ihren Nachbarn.,
In einigen Fällen bilden Polymere Verzweigungsnetze anstelle einzelner Ketten. Unabhängig von ihrer Form sind die Moleküle sehr groß. Sie sind in der Tat so groß, dass Wissenschaftler sie als Makromoleküle klassifizieren. Polymerketten können Hunderttausende von Atomen umfassen — sogar Millionen. Je länger eine Polymerkette ist, desto schwerer wird sie., Und im Allgemeinen geben längere Polymere den daraus hergestellten Materialien eine höhere Schmelz-und Siedetemperatur. Je länger eine Polymerkette ist, desto höher ist auch ihre Viskosität (oder Strömungsbeständigkeit als Flüssigkeit). Der Grund: Sie haben eine größere Oberfläche, wodurch sie an benachbarten Molekülen haften bleiben wollen.
Wolle, Baumwolle und Seide sind natürliche Materialien auf Polymerbasis, die seit der Antike verwendet werden. Zellulose, der Hauptbestandteil von Holz und Papier, ist auch ein natürliches polymer. Andere umfassen die Stärkemoleküle, die von Pflanzen hergestellt werden.,
Lebewesen bauen Proteine-eine bestimmte Art von Polymer-aus Monomeren, die Aminosäuren genannt werden. Obwohl Wissenschaftler etwa 500 verschiedene Aminosäuren entdeckt haben, verwenden Tiere und Pflanzen nur 20 davon, um ihre Proteine zu konstruieren. Im Labor haben Chemiker viele Möglichkeiten, Polymere zu entwerfen und zu konstruieren. Chemiker können künstliche Polymere aus natürlichen Inhaltsstoffen herstellen. Oder sie können Aminosäuren verwenden, um künstliche Proteine zu bauen, anders als von Mutter Natur gemacht. Häufiger stellen Chemiker Polymere aus Verbindungen her, die im Labor hergestellt werden.,
Die Anatomie eines Polymers
Polymerstrukturen können zwei verschiedene Komponenten aufweisen. Alle beginnen mit einer grundlegenden Kette von chemisch gebundenen Gliedern. Dies wird manchmal als Rückgrat bezeichnet. Einige können auch sekundäre Teile haben, die von einigen (oder allen) der Kettenglieder baumeln. Einer dieser Anhänge kann so einfach sein wie ein einzelnes Atom. Andere können komplexer sein und als Anhängergruppen bezeichnet werden. Das liegt daran, dass diese Gruppen an der Hauptkette des Polymers hängen, genauso wie einzelne Charms an der Kette eines Charm-Armbands hängen., Da sie der Umgebung mehr ausgesetzt sind als die Atome, aus denen die Kette selbst besteht, bestimmen diese „Reize“ oft, wie ein Polymer mit sich selbst und anderen Dingen in der Umgebung interagiert.
Manchmal verbinden Anhängergruppen, anstatt lose an einer Polymerkette zu hängen, tatsächlich zwei Ketten miteinander. (Stellen Sie sich das wie eine Sprosse vor, die sich zwischen den Beinen einer Leiter erstreckt.) Chemiker bezeichnen diese Bindungen als Vernetzungen. Sie neigen dazu, ein Material (wie einen Kunststoff) aus diesem Polymer zu verstärken. Sie machen das Polymer auch härter und schwieriger zu schmelzen., Je länger die Vernetzung jedoch dauert, desto flexibler wird ein Material.
Eine chemische Bindung hält Atome in einem Molekül und einigen Kristallen zusammen. Theoretisch kann jedes Atom, das zwei chemische Bindungen bilden kann, eine Kette bilden; Es ist, als bräuchte man zwei Hände, um sich mit anderen Menschen zu verbinden, um einen Kreis zu bilden. (Wasserstoff würde nicht funktionieren, weil es nur eine Bindung bilden kann.)
Aber Atome, die typischerweise nur zwei chemische Bindungen bilden, wie Sauerstoff, bilden nicht oft lange, polymerartige Ketten. Warum? Sobald Sauerstoff zwei Bindungen bildet, wird er stabil. Das bedeutet, dass seine zwei „ausgestreckten Hände“ bereits genommen sind., Keiner bleibt übrig, um eine Anhängergruppe zu halten. Da viele Atome, die Teil des Rückgrats eines Polymers sind, im Allgemeinen mindestens eine Pendentgruppe aufweisen, sind die Elemente, die typischerweise in der Polymerkette auftreten, solche, die mit vier Bindungen stabil werden, wie Kohlenstoff und Silizium.
Einige Polymere sind flexibel. Andere sind sehr steif. Denken Sie nur an die vielen Arten von Kunststoffen: Das Material in einer flexiblen Soda-Flasche unterscheidet sich sehr von dem in einem starren Rohr aus Polyvinylchlorid (PVC). Manchmal fügen Materialwissenschaftler ihren Polymeren andere Dinge hinzu, um sie flexibel zu machen. Bekannt als Weichmacher (PLAA-stih-sy-zurs), nehmen diese Platz zwischen einzelnen Polymerketten ein. Stellen Sie sich vor, sie wirken wie ein Gleitmittel im molekularen Maßstab. Sie lassen die einzelnen Ketten leichter übereinander gleiten.,
Wenn viele Polymere altern, können sie Weichmacher an die Umwelt verlieren. Oder alternde Polymere können mit anderen Chemikalien in der Umwelt reagieren. Solche Veränderungen erklären, warum manche Kunststoffe flexibel beginnen, aber später steif oder spröde werden.
Polymere haben keine bestimmte Länge. Sie bilden normalerweise auch keine Kristalle. Schließlich haben sie normalerweise keinen bestimmten Schmelzpunkt, bei dem sie sofort von einem Feststoff in einen Flüssigkeitspool wechseln. Stattdessen neigen Kunststoffe und andere Materialien aus Polymeren dazu, beim Aufheizen allmählich weicher zu werden.