§ 7. Полимеры

Определения и обозначения

Полимер — вещество с высокой молекулярной массой, молекулы которого состоят из многократно повторяющихся звеньев. Такие молекулы называют макромолекулами: они могут содержать сотни и тысячи звеньев. Чем длиннее цепь, тем больше её молекулярная масса и тем заметнее свойства, связанные с размером молекул, например прочность и низкая летучесть.

Мономер — исходное низкомолекулярное вещество, из молекул которого образуется полимер. Мономерами могут быть этилен CH₂=CH₂, пропилен CH₂=CH–CH₃, а также аминокислоты. Зная мономер, можно понять, из каких атомов построен полимер и какая реакция приведёт к образованию его цепи.

Структурное звено — повторяющаяся часть цепи полимера. Его записывают в квадратных скобках, а за скобками указывают индекс n: например, [–CH₂–CH₂–]ₙ. Скобки выделяют фрагмент, который повторяется, а n показывает, сколько таких фрагментов входит в макромолекулу.

Степень полимеризации — число структурных звеньев в одной макромолекуле; в записи формулы ему соответствует n. Если звенья одинаковы, относительную молекулярную массу полимера приближённо находят умножением массы одного звена на n: Mr(полимера) ≈ Mr(звена) × n. Это позволяет оценить размер макромолекулы, даже если точное число звеньев неизвестно.

Как это устроено

Во время полимеризации молекулы мономера соединяются в длинную цепь. Для этого в подходящих мономерах, например алкенах, раскрывается двойная связь: атомы углерода могут образовать новые связи с соседними молекулами. У этилена из связи CH₂=CH₂ получается повторяющийся фрагмент –CH₂–CH₂–, поэтому уравнение записывают так: nCH₂=CH₂ → [–CH₂–CH₂–]ₙ. Этилен здесь мономер, а –CH₂–CH₂– — структурное звено полиэтилена.

Полимеризация отличается от поликонденсации тем, что при полимеризации в цепь входят молекулы мономера без отделения побочного продукта. При поликонденсации реагируют молекулы с функциональными группами, а часть их атомов образует низкомолекулярное вещество. Например, при соединении аминокислот возникают связи между остатками молекул, а вода отделяется. Поэтому одной записи длинной цепи недостаточно: для поликонденсации важно показать и выделение воды или другого продукта.

Макромолекулы полимеров имеют цепное строение, а их масса намного больше массы обычных небольших молекул. Длинные цепи могут переплетаться и удерживаться рядом, поэтому материалу трудно разорваться: этим объясняется прочность многих полимеров. Из-за большой массы молекулы плохо переходят в газообразное состояние, поэтому полимеры обычно малолетучи. Конкретные свойства зависят также от строения цепи и взаимодействия между её участками.

Полимеры бывают природными и синтетическими. К природным относятся крахмал, целлюлоза, белки и натуральный каучук: они образуются в живых организмах. Синтетические полимеры получают химическими реакциями из подготовленных мономеров, например полиэтилен — из этилена, а некоторые волокна — из соединений с подходящими функциональными группами. Из синтетических полимеров производят пластмассы, волокна и другие материалы, свойства которых выбирают для нужного применения.

По поведению при нагревании различают термопластичные и термореактивные полимеры. У термопластов цепи не соединены в единую жёсткую пространственную сеть, поэтому при нагревании они могут перемещаться относительно друг друга: материал размягчается, а при охлаждении снова твердеет. У термореактивных полимеров при отверждении образуются связи между цепями, формирующие прочную пространственную структуру. Повторный нагрев не возвращает такой материал в состояние расплава.

Сравнение полимеризации и поликонденсации

Сначала посмотрите, какие группы веществ реагируют, а затем проверьте, появляется ли низкомолекулярный продукт. Его отсутствие характерно для полимеризации, а выделение воды или другого небольшого вещества — для поликонденсации. Схемы показывают общий принцип; конкретный продукт зависит от строения исходных веществ.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение полимеризации этилена и назовите мономер и структурное звено полученного полимера. Нужно проследить, что происходит с двойной связью: она превращается в одинарную, а освободившиеся связи соединяют соседние молекулы. Затем повторяющийся фрагмент заключают в квадратные скобки.

1. Записываем формулу этилена: CH₂=CH₂. Это мономер, то есть исходная молекула для получения полимера.
2. При реакции двойная связь раскрывается, и молекулы объединяются в цепь. Образуется фрагмент –CH₂–CH₂–, который повторяется много раз.
3. Записываем уравнение с числом повторений n: nCH₂=CH₂ → [–CH₂–CH₂–]ₙ. Индекс n относится ко всему звену в скобках.

Ответ: мономер — этилен CH₂=CH₂, структурное звено полиэтилена — –CH₂–CH₂–; формула полимера [–CH₂–CH₂–]ₙ.

Задача 2. По формуле структурного звена полиэтилена определите относительную молекулярную массу макромолекулы, если степень полимеризации равна 500. Важно найти массу именно одного повторяющегося звена, а не умножать массу всего этилена вместе с индексом n. Затем результат для одного звена умножается на число звеньев.

1. Структурное звено полиэтилена –CH₂–CH₂– имеет состав C₂H₄. Его относительная масса равна 2 × 12 + 4 × 1 = 28.
2. Степень полимеризации n = 500, то есть в макромолекуле 500 таких звеньев. Приближённо вычисляем: Mr = 28 × 500.
3. Получаем Mr = 14 000. При такой оценке не учитывают возможные небольшие различия, связанные с концами цепи.

Ответ: относительная молекулярная масса макромолекулы приблизительно равна 14 000.

Задача 3. При поликонденсации аминокислоты образуется полимер и выделяется вода. Запишите схему образования фрагмента цепи и укажите, чем этот процесс отличается от полимеризации этилена. Для ответа нужно найти функциональные группы аминокислоты и учесть, что при соединении от них отщепляются атомы, образующие воду.

1. Записываем общую формулу аминокислоты: H₂N–CHR–COOH. Аминогруппа –NH₂ одной молекулы взаимодействует с карбоксильной группой –COOH другой.
2. Между остатками образуется связь –CO–NH–, а атомы водорода и кислорода уходят в составе воды. Повторяющийся фрагмент цепи можно представить как [–NH–CHR–CO–]ₙ.
3. Схематично процесс записывается так: nH₂N–CHR–COOH → [–NH–CHR–CO–]ₙ + вода. Запись условная: при образовании цепи выделяется вода, поэтому важно не трактовать её как точное уравнение для любого числа молекул.

Ответ: возникает цепь из остатков аминокислот и выделяется вода. В отличие от этого, при полимеризации этилена звенья соединяются без выделения низкомолекулярного продукта.

Типичные ошибки

Ошибка — считать мономер и структурное звено одним и тем же. Их путают, потому что звено образуется из молекулы мономера и сохраняет часть её состава; однако при реакции строение или состав могут измениться. Проверка: сопоставьте формулы до и после реакции, как у этилена CH₂=CH₂ и звена –CH₂–CH₂–.

Ошибка — воспринимать n как часть формулы одного звена. Индекс стоит рядом со скобками, поэтому кажется, что он меняет состав фрагмента, но на самом деле показывает число его повторений в макромолекуле. Проверка: отделите запись внутри скобок от индекса и назовите звено отдельно.

Ошибка — называть любой процесс образования полимера полимеризацией. В обоих случаях формируется длинная цепь, поэтому легко не заметить различие в механизме. Проверка: посмотрите, выделяется ли вместе с полимером вода или другое низкомолекулярное вещество; если да, речь идёт о поликонденсации.

Ошибка — путать термопластичные и термореактивные полимеры. Оба материала меняются при нагревании, но только термопласты размягчаются так, что их можно снова сформовать. Проверка: выясните, можно ли после охлаждения и нового нагрева получить расплав; отверждённый термореактивный материал повторно не плавится.

Связь с другими темами

Для понимания строения полимеров нужны знания об органических веществах: как атомы углерода образуют цепи, что означает их валентность и чем двойная связь отличается от одинарной. Эти представления помогают проследить превращение этилена в звено полиэтилена и правильно составить формулу цепи. Понимание функциональных групп также необходимо, чтобы разбирать поликонденсацию.

Полимеры служат основой пластмасс, волокон и каучуков, поэтому знания о них помогают объяснить свойства и применение этих материалов. Различия в строении цепей и поведении при нагревании важны при выборе способа обработки. Эти же сведения нужны, чтобы обсуждать переработку и утилизацию полимерных изделий.

Что запомнить

• Полимеры состоят из макромолекул, построенных из повторяющихся структурных звеньев.
• Мономер — исходное вещество для получения полимера.
• При полимеризации мономеры соединяются без выделения низкомолекулярного продукта.
• При поликонденсации вместе с полимером образуется низкомолекулярное вещество.
• Степень полимеризации показывает число структурных звеньев в макромолекуле.
• Полимеры бывают природными и синтетическими.
• Термопластичные полимеры размягчаются при нагревании, термореактивные после отверждения повторно не плавятся.