Является ли стекло полимером?

2019-11-13 14:11:07

Ключевые слова:
аморфный , кристалл

Стекло на молекулярном уровне

Прежде чем заняться этим вопросом, давайте посмотрим, что такое стекло. Стекло высочайшего качества имеет химическую формулу SiO2. Но это вводит в заблуждение. Эта формула вызывает в воображении идеи маленьких молекул диоксида кремния, аналогичных молекулам диоксида углерода. Но маленьких молекул диоксида кремния не существует.

Вместо этого в природе SiO2 часто находится в виде кристаллического твердого вещества со структурой, подобной той, что вы видите справа. Каждый атом кремния связан с четырьмя атомами кислорода, конечно, тетраэдрически; и каждый атом кислорода связан с двумя атомами кремния. Когда SiO2 находится в этой кристаллической форме, мы называем это кремнеземом . Вы видели кремнезем раньше. Когда вы находите большие кристаллы этого металла, мы называем это кварцем. Когда у нас много маленьких крошечных кристаллов, мы называем это песком.

Но этот кремнезем не стекло. Сначала нужно что-то сделать, чтобы превратить это в стекло. Мы должны нагреть его, пока он не растает, а затем охладить его очень быстро. Когда он плавится, атомы кремния и кислорода выходят из своей кристаллической структуры. Если бы мы медленно охлаждали его, атомы медленно выстраивались бы в их кристаллическое расположение, поскольку они замедлялись. (Помните, что тепло - это просто случайное движение атомов и молекул. Горячие атомы много двигаются, холодные атомы очень мало.)

Но если мы охладим его достаточно быстро, атомы кремнезема, если можно так выразиться, остановятся. У них не будет времени выстроиться в очередь, и они застрянут в любой старой договоренности. Они будут выглядеть примерно так: v

Как видите, порядка расположения атомов нет. Мы называем такие материалы аморфными . Это стекло, которое используется для линз телескопа и подобных вещей. У него очень хорошие оптические свойства, но он хрупкий. Для повседневного использования нам нужно что-то более жесткое. Большая часть стекла сделана из песка, и когда мы плавим песок, мы обычно добавляем немного карбоната натрия. Это дает нам более жесткое стекло со структурой, которая выглядит следующим образом:

Это стекло, которое вы видите каждый день, в банках и окнах, и это стекло, которое используется в композитах. На самом деле его раньше называли «содовым стеклом», чтобы отличать его от кварца.

Так это полимер или нет? Обычно это не считается таковым. Зачем? Кто-то может сказать, что он неорганический, а полимеры обычно органические. Но есть много неорганические полимеры там Например, как насчет полисилоксаны ? Эти линейные, и да, неорганические материалы имеют структуру, очень похожую на стекло, и они считаются полимерами. Взгляните на полисилоксан:

Так что насчет сшивки?

Вот сравнение, которое иллюстрирует этот момент: углеродные волокна и углеродные нанотрубки. Добавьте немного алмазов, чтобы сделать эту семью полной. "Какая семья?" ты спрашиваешь. Просто углерод, связанный с другими углеродами в двумерном или трехмерном массиве, и НЕ связанный с чем-либо еще. Чистый углерод!

Почему полностью сшитый углерод не является полимером?

Теперь о интересной части. В графене, углеродных волокнах и углеродных нанотрубках углерод связан ТОЛЬКО с другими атомами углерода. В этих соединениях, однако, каждый углерод имеет комбинацию двойных и одинарных связей, что создает высоко делокализованный набор молекулярных орбит. Это означает, что эти материалы проводят электроны, и они электропроводны. Интересный эксперимент: поместите пучок углеродных волокон в микроволновую печь и запустите его: пламя и дым, поскольку движущиеся в материале электроны реагируют с кислородом и поднимаются в дым!

Алмаз еще более интересен, будучи самым твердым из известных материалов. Почему это так трудно, но прозрачно и так красиво преломляет свет? В конце концов, это просто чистый углерод, но есть одна загвоздка: теперь каждый углерод имеет четыре одинарные связи с четырьмя другими атомами углерода. Этот идеально симметричный массив углеродов имеет идеальный набор связей, идущих в четырех разных направлениях. «Не лучше, чем это», - скажете вы.

Так считаются ли эти полностью углеродные сети полимерами? Нет, и по той же причине, что стекло не так. Все сводится к конвенции и истории. С тех пор, как мы выяснили, как на самом деле выглядел органический полимер, стекло и алмаз просто не вписывались. Смещение, если хотите, так как они соответствуют требованию полностью сшитого полимера. О, ну, другие сражения, чтобы бороться ...