§ 24. Полимеры

Определения и обозначения

Полимер — вещество, состоящее из макромолекул, в которых многократно повторяются сходные части. Макромолекула — очень большая молекула, а её молярная масса обычно намного больше, чем у обычных органических молекул. Понятие полимера помогает описывать материалы, построенные из длинных молекулярных цепей.

Мономер — исходное низкомолекулярное вещество, из молекул которого получают полимер. Например, мономером полиэтилена служит этилен. Различать мономер и готовый полимер нужно, чтобы понимать, какие частицы вступают в реакцию и что получается в результате.

Структурное звено — повторяющаяся часть цепи макромолекулы. Его заключают в квадратные скобки, а справа внизу ставят индекс n: [–CH₂–CH₂–]ₙ. Скобки показывают, какая часть повторяется, а не границы отдельной молекулы.

Степень полимеризации — число структурных звеньев в одной макромолекуле; её обозначают n. Буква n удобна, потому что цепи одного полимера могут содержать разное число звеньев. Если известны молярные массы макромолекулы и звена, n можно оценить делением первой на вторую.

Как это устроено

Когда множество молекул мономера соединяется последовательно, возникает длинная цепь — макромолекула полимера. Повторение одинаковых или сходных фрагментов в цепи позволяет выделить структурное звено и записать его в квадратных скобках. Индекс n показывает, что таких звеньев много, но не задаёт одинаковую длину всех цепей. Поэтому образец полимера обычно содержит макромолекулы разной длины.

При полимеризации этилена молекулы CH₂=CH₂ соединяются друг с другом. Двойная связь раскрывается: одна из связей между атомами углерода расходуется на образование новых связей с соседними молекулами, а оставшаяся связь C–C сохраняется в цепи. Так возникают повторяющиеся фрагменты –CH₂–CH₂–. Атомы исходных молекул входят в состав полиэтилена, поэтому отдельный побочный продукт не выделяется.

При поликонденсации исходные молекулы должны иметь по меньшей мере две реакционноспособные функциональные группы: благодаря им соединение может продолжаться в обе стороны и образовывать цепь. При формировании каждой связи часть атомов может отделяться от реагентов в виде небольшой молекулы. Поэтому одновременно появляются макромолекула и низкомолекулярный продукт, например вода; состав продукта зависит от участвующих веществ. Именно выделение такого вещества отличает поликонденсацию от обычной полимеризации.

Чтобы восстановить мономер по звену полиалкена, нужно мысленно поставить двойную связь между соседними атомами углерода цепи. Например, звено полиэтилена –CH₂–CH₂– указывает на этилен CH₂=CH₂. При записи уравнения берут множество молекул мономера и заключают получившееся звено в скобки с индексом n: nCH₂=CH₂ → [–CH₂–CH₂–]ₙ. Проверка проста: состав атомов углерода и водорода в звене должен соответствовать составу исходного этилена.

Чем больше звеньев содержит цепь, тем длиннее макромолекула и тем больше её молярная масса. Если каждое звено одинаково и концевыми группами можно пренебречь, масса макромолекулы приблизительно равна произведению молярной массы звена на n. Отсюда получают расчётную формулу n = M(макромолекулы) / M(звена). Это приближение подходит для школьных задач, где молярная масса цепи задана как средняя или условная.

Сравнение способов получения полимеров

Сначала сравните исходные вещества и тип их функциональных групп, а затем выясните, меняются ли связи при образовании цепи. Главный проверочный вопрос — выделяется ли отдельное низкомолекулярное вещество: если да, перед вами поликонденсация. Примеры в таблице иллюстрируют типичные случаи, а не все возможные полимеры.

Разбор задач

Задача 1. Запишите структурное звено полиэтилена и укажите мономер, из которого он образуется. Нужно перейти от повторяющейся части готовой цепи к исходной молекуле. Для этого важно вспомнить, что полиэтилен получают полимеризацией алкена.

1. Записываем звено полиэтилена: –CH₂–CH₂–.
2. Восстанавливаем двойную связь между двумя атомами углерода, поскольку она была в исходном мономере и раскрылась при образовании цепи.
3. Получаем формулу CH₂=CH₂ и заключаем звено в скобки с индексом n: [–CH₂–CH₂–]ₙ.

Ответ: структурное звено полиэтилена — [–CH₂–CH₂–]ₙ, мономер — этилен CH₂=CH₂. Проверка показывает, что звено сохраняет два атома углерода и четыре атома водорода исходной молекулы.

Задача 2. Молярная масса макромолекулы полиэтилена равна 28 000 г/моль, а молярная масса структурного звена — 28 г/моль. Требуется оценить степень полимеризации. Здесь нужно определить, сколько масс одного звена укладывается в массу всей макромолекулы.

1. Записываем формулу: n = M(макромолекулы) / M(звена).
2. Подставляем значения: n = 28 000 г/моль / 28 г/моль.
3. Сокращаем одинаковые единицы измерения и вычисляем: n = 1000.

Ответ: степень полимеризации приблизительно равна 1000, то есть в макромолекуле около тысячи структурных звеньев. Значение называют оценкой, потому что в реальном образце длины полимерных цепей могут различаться.

Задача 3. Составьте уравнение полимеризации пропена, назовите мономер и полимер и укажите, выделяется ли побочный продукт. У пропена формула CH₂=CH–CH₃, поэтому при раскрытии двойной связи углеродный скелет сохраняется. Заместитель CH₃ остаётся при втором атоме углерода звена.

1. Определяем мономер: пропен CH₂=CH–CH₃.
2. Записываем звено без двойной связи: –CH₂–CH(CH₃)–.
3. Оформляем уравнение: nCH₂=CH–CH₃ → [–CH₂–CH(CH₃)–]ₙ.

Ответ: полимер называется полипропиленом, его звено — [–CH₂–CH(CH₃)–]ₙ. Побочный продукт при полимеризации не выделяется, поскольку молекулы пропена соединяются в цепь без отщепления малых молекул.

Типичные ошибки

Мономер иногда называют структурным звеном, потому что оба понятия связаны с повторяющимся строением полимера. Но мономер — исходная молекула до реакции, а звено — часть полученной цепи. Проверяйте, о каком этапе идёт речь: реагент или фрагмент продукта. Например, этилен — мономер, а –CH₂–CH₂– — звено полиэтилена.

В звене полиэтилена могут ошибочно оставлять двойную связь, перенося формулу мономера без изменений. Это неверно: при полимеризации двойная связь этилена раскрывается и участвует в соединении молекул. Проверьте формулу звена: в цепи между соседними атомами углерода записана одинарная связь. Двойная связь остаётся в формуле исходного мономера, а не полиэтиленового звена.

Выделение воды или другого малого вещества порой приписывают любой реакции получения полимера. Такое представление возникает из-за того, что поликонденсация действительно сопровождается отщеплением низкомолекулярного продукта. При полимеризации этилена, пропена и других алкенов такого продукта нет. Сверьте уравнение: если все атомы мономера вошли в звено, побочный продукт не образуется.

При поиске степени полимеризации иногда делят массу одного звена на массу макромолекулы и получают число меньше единицы. Число звеньев в цепи должно быть большим, поэтому такой результат сразу указывает на неверный порядок деления. Используйте n = M(макромолекулы) / M(звена). В конце оцените ответ: масса всей цепи должна содержать много масс одного звена.

Связь с другими темами

Для записи формул полимеров нужны знания о строении органических молекул и валентности атома углерода. В частности, важно уметь читать структурные формулы и понимать, какие связи могут изменяться при реакции. Эти навыки помогают восстановить мономер по звену и проверить, правильно ли составлено уравнение. Позже представление о полимерах пригодится при изучении пластмасс, волокон и каучуков. Оно также помогает объяснить свойства материалов, используемых в быту и промышленности.

Что запомнить

• Полимер состоит из макромолекул с многократно повторяющимися структурными звеньями.
• Мономер — исходное вещество для получения полимера.
• Степень полимеризации показывает число звеньев в макромолекуле.
• При полимеризации мономеры соединяются без выделения побочного продукта.
• При поликонденсации наряду с полимером образуются низкомолекулярные вещества.
• Повторяющееся звено записывают в квадратных скобках и обозначают индексом n.