Родословная больших молекул
Все окружающие нас вещества состоят из атомов, которые в ходе самых
разнообразных химических реакций соединяются, собираясь в молекулы, состоящие
часто из десятков, сотен, а иногда и тысяч атомов. Атомы углерода способны
соединяться в длинные цепочки из десятков и сотен тысяч атомов. Вещества,
состоящие из таких гигантских цепочек, и называются полимерами.
Из полимеров — молекул-цепочек — состоят и все клетки живой материи
— растений и животных. Вот перед нами дерево. Целлюлоза — главная составная
часть древесины — полимер. Мясо и шерсть животных — полимеры. Углеводы
и белки зерновых злаков — тоже полимеры. Волокна хлопка, шелка, смола растений
и многих других природных веществ — все это представители великой семьи
полимеров. .
Миллионы лет природные гигантские молекулы, или полимеры, составляли
пищу, одежду человека, давали ему кров и топливо. Химики приложили немало
усилий, чтобы разгадать тайны строения гигантских молекул, это было по
существу дерзким вызовом природе. Ведь вслед за этим можно было бы перейти
к воспроизведению природных веществ искусственным путем, а затем и к созданию
подобных им новых веществ, которых в природе не существует.
Еще в XIX в. ученые установили химический состав целлюлозы, каучука
и некоторых белков. Оказалось, что эти вещества, как и большинство других
органических соединений, состоят из очень немногих разновидностей атомов
— углерода, азота, водорода, серы, кислорода. Но за этой простотой скрывалась
масса всевозможных сюрпризов. Так, целлюлоза, вещество совершенно неплавкое
и почти ни в чем не растворимое, оказалась сходной по химическому составу
с легко растворимым и плавящимся сахаристым веществом — глюкозой.
Химикам стало ясно, что секрет противоположных свойств кроется не столько
в самом химическом составе этих веществ, сколько в размерах и строении
их молекул. Способность органических веществ растворяться и плавиться уменьшается
по мере увеличения количества атомов в их молекулах. Этим же, в частности,
объясняется высокая механическая прочность природных волокон хлопка (целлюлоза),
шерсти (белок), шелка и... паутины.
Молекулы этих волокон очень длинные. А так как в их состав входит ограниченное
количество видов атомов, то химики пришли к выводу, что длинные молекулы
образуются из периодически повторяющихся и сравнительно небольших «кирпичиков»
— звеньев. Вещества, молекулы которых содержат только одно такое звено,
называют мономерами.
Длинная молекула целлюлозы (С6Н10О5)n,
представляет собой цепочку, содержащую до 10 тыс. звеньев. Каждое звено
— это молекула глюкозы С6Н12О6, У которой
лишь отняты один атом водорода (—Н) и гидроксил (—ОН), благодаря чему и
произошло соединение молекул в цепочку. Молекула природного каучука сложилась
из непрерывно повторяющихся молекул углеводорода изопрена C5H8,
сцепившихся друг с другом за счет разрыва двойных связей. Мономер — одно
звено, полимер — много повторяющихся звеньев.
Ученые еще не вполне понимали структуру природных полимеров, но это
уже не мешало им получать искусственные высокомолекулярные вещества. Были
найдены способы превращения целлюлозы в целлулоид, в ацетатный шелк, порох,
кинопленку, в красивые блестящие лаки и краски.
В 1839 г. американский исследователь Ч. Гудьир открыл способ превращения
природного каучука в резину путем его вулканизации. При нагревании каучука
в присутствии серы звенья его длинных молекул скрепляются между собой как
бы перемычками из атомов серы. Это придает каучуку необычную прочность
и эластичность. Главным потребителем резины стала бурно развивающаяся с
начала XX в. автомобильная промышленность. И в настоящее время она поглощает
более 85% всей производимой в мире резины.
|