§ 25. Полимерные материалы

Определения и обозначения

Полимер — вещество, состоящее из макромолекул, в которых многократно повторяются структурные звенья. Макромолекулы намного крупнее обычных молекул и имеют большую молекулярную массу. Поэтому размер и строение цепей заметно влияют на прочность, гибкость и другие свойства материала.

Мономер — исходное низкомолекулярное вещество, молекулы которого могут соединяться при образовании полимера. Например, этилен служит мономером для полиэтилена. Это понятие помогает понять, из каких исходных частиц складывается полимерная цепь.

Структурное звено — повторяющаяся часть цепи макромолекулы. В формуле его заключают в квадратные скобки, например [–CH₂–CH₂–]ₙ. Звено показывает, какой фрагмент многократно повторяется в составе полимера.

Степень полимеризации — число структурных звеньев в одной макромолекуле, его обозначают индексом n. В реальном образце цепи обычно имеют разную длину, поэтому чаще рассматривают среднее значение степени полимеризации. Чем больше это значение, тем длиннее цепи и обычно выше молекулярная масса полимера.

Как это устроено

Мономеры соединяются последовательно или разветвлённо в длинные цепи, поэтому из небольших молекул получаются макромолекулы с большой молекулярной массой. Длинные цепи могут переплетаться между собой, как нити в клубке. Такое переплетение затрудняет перемещение отдельных участков и придаёт материалу заметную прочность.

При полимеризации молекулы мономера объединяются без выделения низкомолекулярного побочного продукта. Обычно у мономера разрывается кратная связь или раскрывается цикл, после чего освободившиеся связи соединяют соседние молекулы. Поэтому состав структурного звена складывается из состава мономера, а формула полимера показывает этот фрагмент в скобках с индексом n.

При поликонденсации макромолекула образуется из веществ, содержащих несколько реакционноспособных групп. При соединении таких молекул отщепляются небольшие части, например вода, хлороводород или аммиак. Значит, в отличие от полимеризации, состав повторяющегося звена не равен простому составу исходного мономера, потому что часть атомов уходит в побочный продукт.

Состав и строение цепей влияют на то, как материал сопротивляется нагрузке и нагреванию. Линейные цепи могут придавать гибкость, а разветвления и поперечные связи — жёсткость и устойчивость формы. Степень упорядоченности цепей также важна: более плотная упаковка участков обычно повышает прочность и термостойкость, но может уменьшать гибкость.

По поведению при нагревании пластмассы делят на термопластичные и термореактивные. У термопластов цепи удерживаются сравнительно слабыми взаимодействиями, поэтому при нагревании они легче перемещаются, а после охлаждения снова фиксируются. В термореактивных материалах при отверждении возникают многочисленные поперечные связи, образующие сетку, поэтому повторное размягчение и формование становятся невозможными.

Типы полимерных материалов и их особенности

В таблице сначала определите тип материала, затем сопоставьте его свойства со строением цепей. Примеры помогают связать теоретические признаки с изделиями, которые встречаются в быту и технике. Один и тот же полимер может использоваться по-разному после изменения состава или способа обработки.

Разбор задач

Задача 1

В формуле полимера указано звено [–CH₂–CH₂–]ₙ. Назовите структурное звено и определите, сколько звеньев содержит макромолекула при n = 1200. Индекс n относится ко всему фрагменту в квадратных скобках. Значит, нужно определить повторяющуюся часть и прочитать значение индекса.

1. Структурное звено — [–CH₂–CH₂–], то есть фрагмент –CH₂–CH₂– без учёта скобок.
2. Индекс n показывает количество повторений этого звена в макромолекуле.
3. Подставляем заданное значение: n = 1200, следовательно, звено повторяется 1200 раз.

Ответ: структурное звено — –CH₂–CH₂–; макромолекула содержит 1200 звеньев. Скобки нужны для обозначения границ повторяющегося фрагмента.

Задача 2

При полимеризации этилена образуется полиэтилен. Нужно записать схему превращения мономера в полимер и назвать тип реакции. Этилен содержит двойную связь, которая раскрывается при соединении молекул в цепь. При этом атомы исходного мономера входят в состав повторяющегося звена.

1. Записываем мономер: CH₂=CH₂.
2. Заменяем двойную связь на одинарные связи, которыми соседние фрагменты соединяются в цепь.
3. Заключаем структурное звено в скобки и ставим индекс n: nCH₂=CH₂ → [–CH₂–CH₂–]ₙ.

Ответ: nCH₂=CH₂ → [–CH₂–CH₂–]ₙ; реакция называется полимеризацией. Низкомолекулярный побочный продукт при этом не выделяется.

Задача 3

Одно изделие при нагревании размягчается и после охлаждения сохраняет новую форму, а другое после отверждения не плавится и при сильном нагревании разрушается. Нужно сопоставить наблюдаемое поведение с типом пластмассы. Решение основано на том, может ли структура материала обратимо изменяться при нагревании.

1. Размягчение с последующим повторным формованием характерно для термопластичной пластмассы.
2. Неспособность плавиться после отверждения указывает на наличие прочной пространственной сетки.
3. Такая сетка характерна для термореактивной пластмассы, которая при сильном нагревании разрушается.

Ответ: первое изделие изготовлено из термопласта, второе — из термореактивной пластмассы. Их различие объясняется строением макромолекул и наличием поперечных связей.

Типичные ошибки

Считать мономер и структурное звено одним и тем же — ошибка. Мономер является исходной молекулой, а звено — частью цепи полимера, причём при реакции его запись может измениться. Проверяйте себя так: сначала найдите исходное вещество, затем выделите фрагмент, повторяющийся в формуле полимера.

Иногда в формуле забывают квадратные скобки или индекс n. Тогда не видно, какая часть повторяется и сколько раз она входит в макромолекулу. Проверьте запись: структурное звено должно быть ограничено скобками, а рядом должен стоять индекс повторения.

Полимеризацию и поликонденсацию нельзя считать одинаковыми реакциями. При поликонденсации выделяется низкомолекулярное вещество, например вода, а при полимеризации такого продукта нет. Для проверки найдите в схеме реакции отдельную небольшую молекулу среди продуктов.

Неверно утверждать, что все пластмассы можно расплавить и сформовать заново. Это относится к термопластам, тогда как термореактивные материалы после отверждения имеют сетчатую структуру. Если при сильном нагревании изделие разрушается, а не размягчается, перед вами термореактивная пластмасса.

Связь с другими темами

Для понимания полимеров нужны знания о строении молекул органических веществ, ковалентной связи и формулах органических соединений. Двойные связи, функциональные группы и способность атомов образовывать цепи помогают объяснить превращение мономера в структурное звено. Поэтому перед изучением темы полезно повторить строение углеводородов и основные типы химических связей.

Знания о полимерах пригодятся при изучении органического синтеза, химических волокон, каучуков и переработки отходов. По строению материала можно объяснить свойства упаковки, тканей, шин и пластмассовых деталей. Понимание различий между термопластами и термореактивными материалами важно также для выбора способов повторного использования и утилизации изделий.

Что запомнить

• Полимер состоит из макромолекул с повторяющимися структурными звеньями.
• Мономеры служат исходными веществами для получения полимеров.
• При полимеризации низкомолекулярный побочный продукт не выделяется.
• При поликонденсации выделяется небольшая молекула, например вода.
• Свойства полимерного материала зависят от строения и состава макромолекул.
• Термопласты размягчаются при нагревании, а термореактивные пластмассы после отверждения не плавятся.