§ 22. Полимеры

Определения и обозначения

Полимер — вещество, состоящее из макромолекул, в которых многократно повторяются одинаковые или сходные фрагменты. Макромолекула — очень крупная молекула, собранная из многих связанных частей. Поэтому относительная молекулярная масса полимера обычно велика: масса каждого повторяющегося фрагмента складывается с массами остальных.

Мономер — низкомолекулярное вещество, из молекул которого образуется полимер. Мономер можно сравнить с исходной деталью, из которой собирают длинную цепь. Например, этилен CH₂=CH₂ — мономер, а полиэтилен — полимер, состоящий из повторяющихся фрагментов, полученных из молекул этилена.

Структурное звено — повторяющийся фрагмент макромолекулы. В формуле полимера его заключают в квадратные скобки, а за скобками ставят индекс n: [–CH₂–CH₂–]ₙ. Скобки показывают границы повторяющейся части, а индекс обозначает, сколько раз она повторяется в цепи.

Степень полимеризации — число структурных звеньев в одной макромолекуле. Чем больше звеньев, тем больше молекулярная масса цепи. Приближённо Mr полимера = Mr структурного звена × n, поэтому n можно оценить делением массы макромолекулы на массу одного звена.

Как это устроено

При полимеризации молекулы мономера с кратными связями соединяются друг с другом, образуя длинную цепь. Двойная связь раскрывается: вместо одной связи между атомами углерода появляются связи с соседними молекулами. При этом небольшие молекулы вроде воды обычно не отщепляются. Так из этилена CH₂=CH₂ образуется полиэтилен с повторяющейся цепью –CH₂–CH₂–.

Поликонденсация отличается тем, что исходные вещества содержат две или больше функциональные группы, способные реагировать друг с другом. Когда между молекулами образуются новые связи, часть атомов отщепляется в виде воды или другого низкомолекулярного продукта. Это происходит, например, при образовании сложноэфирных связей из групп –OH и –COOH. Выделение побочного продукта — ключевая причина, по которой поликонденсацию отличают от полимеризации.

Макромолекулы могут быть линейными, разветвлёнными или пространственно-сетчатыми. В линейной цепи мало боковых ответвлений, поэтому отдельные цепи могут смещаться относительно друг друга. Разветвления мешают их плотной укладке, а поперечные связи в сетчатой структуре соединяют цепи в единую систему и ограничивают их движение. Поэтому форма макромолекул влияет на гибкость, прочность и способность материала деформироваться.

Термопласты при нагревании размягчаются, потому что их цепи получают больше подвижности и могут перемещаться друг относительно друга. После охлаждения материал снова твердеет, поэтому его можно формовать повторно. В термореактивных полимерах после отверждения между цепями возникают прочные связи, образующие пространственную сетку. Нагревание не позволяет такой сетке просто расплавиться: при высокой температуре она разрушается.

Природные полимеры образуются в живых организмах или встречаются в природе, а синтетические получают химическим путём. К природным относятся, например, белки и целлюлоза, к синтетическим — полиэтилен и многие другие пластмассы. Полимерные материалы используют там, где важны их конкретные свойства: лёгкость, прочность, гибкость или устойчивость к воздействию веществ. Поэтому области применения зависят и от состава, и от строения макромолекул.

Сравнение полимеризации и поликонденсации

Чтобы определить тип реакции, сначала проверь, есть ли у исходных молекул кратные связи или функциональные группы. Затем посмотри, выделяется ли в уравнении низкомолекулярное вещество. Именно наличие такого продукта обычно указывает на поликонденсацию.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение полимеризации этилена и укажите структурное звено образующегося полимера. Нужно понять, какая часть молекулы этилена сохраняется в цепи, а затем обозначить повторение звена индексом n.

1. Записываем формулу этилена: CH₂=CH₂. В молекуле есть двойная связь между атомами углерода.
2. При полимеризации двойная связь раскрывается, и молекулы соединяются в цепь с одинарными связями.
3. Записываем уравнение: n CH₂=CH₂ → [–CH₂–CH₂–]ₙ. Структурное звено — –CH₂–CH₂–.

Ответ: образуется полиэтилен [–CH₂–CH₂–]ₙ, его структурное звено — –CH₂–CH₂–.

Задача 2. Средняя относительная молекулярная масса макромолекулы полиэтилена равна 28 000, а масса его структурного звена — 28. Требуется оценить степень полимеризации, то есть число звеньев в макромолекуле.

1. Записываем связь между величинами: n ≈ Mr макромолекулы / Mr звена.
2. Подставляем данные: n ≈ 28 000 / 28.
3. Выполняем деление: n ≈ 1000. Это приближённая оценка, поскольку дана средняя молекулярная масса.

Ответ: степень полимеризации составляет примерно 1000.

Задача 3. Изобразите образование полиэфира из двух бифункциональных мономеров: диола HO–R–OH и дикарбоновой кислоты HOOC–R′–COOH. Нужно составить цепь и учесть, что при каждом образовании сложноэфирной связи отщепляется молекула воды.

1. Функциональные группы –OH и –COOH взаимодействуют, образуя сложноэфирный фрагмент –O–CO–. При этом отщепляются –H и –OH, то есть H₂O.
2. Для цепи из n молекул каждого мономера образуются 2n−1 межмолекулярных связей, поэтому выделяется 2n−1 молекул воды.
3. Схема цепи с концевыми группами: HO–R–O–[CO–R′–CO–O–R–O]ₙ₋₁–CO–R′–COOH. В скобках повторяется фрагмент цепи, а концевые группы остаются на концах.

Ответ: образуется полиэфир и (2n−1)H₂O; число молекул воды соответствует числу образовавшихся сложноэфирных связей.

Типичные ошибки

Называть полимеризацию и поликонденсацию одним процессом — ошибка: при поликонденсации обычно выделяется низкомолекулярный продукт, а при полимеризации нет. Их путают, потому что обе реакции приводят к образованию длинных молекул. Проверь уравнение: если в продуктах отдельно указана вода или другая небольшая молекула, это признак поликонденсации.

Нельзя записывать структурное звено этилена с нераскрытой двойной связью. При полимеризации двойная связь становится одинарной, а освободившиеся связи соединяют соседние части цепи. Ошибка возникает, если просто поместить формулу мономера в скобки. Проверь, чтобы в звене полиэтилена было –CH₂–CH₂–, а не CH₂=CH₂.

Мономер и структурное звено — разные понятия: первое относится к исходной молекуле, второе — к фрагменту уже образованной макромолекулы. Их состав может совпадать, но при переходе от мономера к звену связи иногда изменяются. Чтобы не смешивать термины, проследи, что происходит с молекулой в реакции, и отдельно укажи исходное вещество и фрагмент цепи.

Индекс n в формуле полимера не показывает число молекул мономера, взятых в реакционную смесь. Он обозначает число повторяющихся звеньев в одной макромолекуле или служит для записи неопределённо длинной цепи. Ошибка появляется из-за того, что n стоит рядом с формулой мономера в уравнении. Проверь, к чему относится индекс: к исходной формуле или к повторяющемуся фрагменту в скобках.

Связь с другими темами

Чтобы понять образование полимеров, нужно знать строение органических молекул, свойства кратных связей и функциональных групп. Эти знания помогают увидеть, какие участки мономеров вступают в реакцию и как формируется цепь. Тема связана с изучением пластмасс, волокон, каучуков и белков, потому что все они относятся к полимерным материалам или веществам. Она также помогает обсуждать переработку полимерных отходов и их влияние на окружающую среду.

Что запомнить

• Полимер состоит из макромолекул с многократно повторяющимися структурными звеньями.
• Мономер — исходное низкомолекулярное вещество для получения полимера.
• При полимеризации молекулы мономера соединяются без выделения низкомолекулярного продукта.
• При поликонденсации обычно выделяется вода или другое низкомолекулярное вещество.
• Степень полимеризации показывает число звеньев в макромолекуле.
• Линейное, разветвлённое и сетчатое строение влияет на свойства полимера.
• Термопласты размягчаются при нагревании, а отверждённые термореактивные полимеры повторно не плавятся.