高分子化合物の分類と性質
高分子化合物
分子量がおおよそ1万以上の化合物で, ほとんどが固体である.
1分子でコロイド粒子並の大きさがあり, 溶解するとコロイド溶液となる(分子コロイド).
高分子化合物の分類
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│ │ 無機高分子 │ 有機高分子 │
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│ 天然高分子 │ 二酸化ケイ素(石英, 水晶), 石綿(アスベスト) │ 多糖類, タンパク質, 核酸, 天然ゴム │
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│ 合成高分子 │ ガラス, カーボランダム(SiC), シリコーン樹脂, カーボンナノチューブ │ 合成繊維, 合成樹脂, 合成ゴム │
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※ 普通, 高分子化合物といえば有機高分子化合物(当分野で学習)をさす.
高分子化合物の構造と重合の種類 (詳細は次項以降で順次学習)
高分子化合物は, 単量体(モノマー)が多数結合して生じた重合体(ポリマー)である.
重合体を構成する繰り返し単位の数を重合度という.
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付加重合
二重・三重結合をもつ単量体が連鎖的に付加反応を起こして重合する反応.
例：天然高分子：天然ゴム
合成高分子：ポリエチレン, ポリ塩化ビニル, 合成ゴム
縮合重合
単量体が連鎖的に縮合反応を起こして重合する反応.
※ 縮合：分子間で低分子化合物(H₂O など)が脱離して結合する反応.
例：天然高分子：多糖類(デンプン, セルロース), タンパク質, 核酸
合成高分子：ナイロン66, ポリエチレンテレフタレート(PET)
付加縮合
付加反応と縮合反応を繰り返して重合する反応.
例：フェノール樹脂, 尿素樹脂(ユリア樹脂), メラミン樹脂
開環重合
環状の単量体が環を開きながら連鎖的に重合する反応.
例：ナイロン6(ε–カプロラクタムの開環重合)
共重合
2種類以上の単量体が重合する反応.
例：スチレン–ブタジエンゴム(スチレンと1,3–ブタジエン)
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高分子化合物の性質
① 様々な分子量の高分子が混在しているため, 平均分子量を用いる.
一部のタンパク質や核酸などのように, 一定の分子量をもつものもある.
② 結晶中に結晶部分(規則正しく配列した部分)と非結晶部分(無秩序な部分)が混在する.
結晶部分が多いほど強度が増し, 非結晶部分が多いほど柔軟性が増す.
合成ゴムのように, 非結晶部分のみの高分子化合物も存在する.
③ 分子量や結晶構造が一定でないため, 明確な融点をもたない.
加熱してある温度(軟化点)に達すると軟化し始め, さらなる加熱で液体になる.
高分子化合物の平均分子量の測定
浸透圧を測定して求める.
低分子化合物のように気体の状態方程式による方法や凝固点降下による方法は使えない.
理由
高分子化合物は気体にならない.
また, 分子量が大きくなると, 温度計で測定できないほど凝固点降下度が小さくなる.
【浸透圧の例題】
平均分子量1.0×10⁵ の高分子化合物 1.0 g を 0.10 L の水に溶かした水溶液 A について考える.
室温を 27℃, 気体定数 R = 8.3×10³ Pa・L/(mol・K) として水溶液 A の浸透圧 Π を求めると
Π = C R T
= ( (1.0 / 1.0×10⁵) mol / 0.10 L ) × 8.3×10³ Pa・L/(mol・K) × (273+27) K
= 249 Pa
水溶液 A の密度 1.00 g/cm³
水銀の密度 13.6 g/cm³
大気圧 1.01×10⁵ Pa → 水銀柱 76 cm
249 Pa における水銀柱の高さ h_Hg は
1.01×10⁵ Pa : 249 Pa = 76 cm : h_Hg
→ h_Hg = (249×76)/(1.01×10⁵) cm
よって水溶液 A の液柱の高さ h_A は
h_A = h_Hg × 13.6 ≈ 2.5 cm
この 2.5 cm は十分に測定できる変化量である.
(同じ圧力における液柱の高さは液体の密度が小さいほど高い.
水銀に対する水溶液 A の密度が 1/13.6 倍より, 液柱の高さは 13.6 倍.)
【凝固点降下の例】
水のモル凝固点降下 K_f = 1.85 K・kg/mol
水溶液 A の凝固点降下度 Δt を求める.
質量モル濃度 m = (1.0 / 1.0×10⁵ mol) / (1.00×0.10 kg) = 1.0×10⁻⁴ mol/kg
Δt = K_f × m
= 1.85 × 1.00×10⁻⁴
= 0.000185 K
分子量が大きい物質では質量モル濃度が小さくなり, 温度変化も測定できないほどに小さくなる.
