§ 7. Полимеры

Определения и обозначения

Полимер — высокомолекулярное соединение, молекулы которого состоят из многократно повторяющихся звеньев. Такая гигантская молекула называется макромолекулой. Термин нужен, чтобы отличать вещества с длинными цепями от обычных низкомолекулярных соединений.

Мономер — низкомолекулярное вещество, из молекул которого получают полимер. Мономеры соединяются друг с другом во время химической реакции. По мономеру можно понять, какие атомы и группы войдут в состав будущей цепи.

Структурное звено — повторяющаяся часть макромолекулы, соответствующая фрагменту исходного мономера. Оно уже является частью полимерной цепи, а не отдельной исходной молекулой. Запись звена помогает кратко показать строение всей макромолекулы.

Степень полимеризации — число структурных звеньев в макромолекуле; её обозначают n. Чем больше n, тем длиннее цепь и обычно выше относительная молекулярная масса. В формуле полимера n записывают за скобками: [–CH₂–CH₂–]ₙ.

Как это устроено

При полимеризации множество молекул мономера последовательно присоединяется друг к другу, образуя одну длинную цепь. У каждой молекулы должны быть участки, способные образовать новые связи с соседями. Поэтому исходные частицы расходуются, а отдельные молекулы мономера превращаются в единую макромолекулу без выделения побочных продуктов.

Алкены особенно удобны для полимеризации благодаря двойной связи C=C. Её π-связь разрывается, и у двух атомов углерода появляются свободные возможности для соединения с соседними молекулами. Поэтому из этилена получают полиэтилен по схеме: n CH₂=CH₂ → [–CH₂–CH₂–]ₙ, где скобки показывают повторение звена, а индекс n — их количество.

При поликонденсации мономеры соединяются не просто присоединением, а реакцией между функциональными группами. Когда образуется новая связь, часть атомов или групп отщепляется в виде небольшой молекулы: воды, хлороводорода или другого вещества. Например, взаимодействие веществ с группами –OH и –COOH может сопровождаться выделением воды, а оставшиеся фрагменты образуют цепь.

Физические свойства полимера зависят от длины его цепей и их строения. Линейные макромолекулы могут плотнее укладываться, разветвлённые обычно легче деформируются, а поперечные связи между цепями делают материал более упругим или жёстким. На результат также влияют степень упорядоченности, гибкость цепей и сила межмолекулярного взаимодействия.

Природные полимеры возникают в живых организмах или природных процессах: к ним относят целлюлозу, крахмал, белки и натуральный каучук. Искусственные получают химической обработкой природных полимеров, например производные целлюлозы. Синтетические создают из низкомолекулярных веществ: полиэтилен используют для плёнок и упаковки, поливинилхлорид — для труб и изоляции, синтетические волокна — для тканей.

Сравнение полимеризации и поликонденсации

Сначала определите, сохраняются ли все атомы исходных мономеров в цепи. Если ничего не отщепляется и раскрывается кратная связь, это признак полимеризации; появление воды или другой небольшой молекулы указывает на поликонденсацию.

Схемы в таблице являются обобщёнными: реальные формулы зависят от строения мономеров. Особенно внимательно сравнивайте не название полимера, а состав повторяющегося звена и продукты реакции.

Разбор задач

Задача 1. Получение полиэтилена

Условие: запишите уравнение получения полиэтилена из этилена и укажите структурное звено. Нужно определить, какая часть двойной связи изменяется при соединении молекул.

1. Записываем мономер: CH₂=CH₂.
2. Раскрываем двойную связь, потому что её π-связь используется для образования связей между соседними молекулами.
3. Заключаем получившееся звено –CH₂–CH₂– в скобки и ставим индекс n.

Ответ: n CH₂=CH₂ → [–CH₂–CH₂–]ₙ; структурное звено полиэтилена — –CH₂–CH₂–.

Задача 2. Определение мономера

Условие: для полимера [–CH₂–CHCl–]ₙ найдите мономер и запишите уравнение получения. Обратное восстановление означает, что между двумя атомами углерода звена нужно вернуть двойную связь.

1. Выделяем два главных атома углерода в звене: –CH₂–CHCl–.
2. Заменяем одинарную связь между ними на двойную, не меняя заместитель Cl.
3. Получаем CH₂=CHCl, или винилхлорид, и записываем его полимеризацию.

Ответ: мономер — винилхлорид CH₂=CHCl; n CH₂=CHCl → [–CH₂–CHCl–]ₙ.

Задача 3. Степень полимеризации

Условие: относительная молекулярная масса полиэтилена равна 28 000, массой концевых групп пренебрегают. Нужно сравнить массу всей макромолекулы с массой одного звена.

1. Находим относительную молекулярную массу звена –CH₂–CH₂–: 2·12 + 4·1 = 28.
2. Используем соотношение n = Mᵣ(полимера) / Mᵣ(звена).
3. Подставляем значения: n = 28 000 / 28 = 1000.

Ответ: степень полимеризации полиэтилена равна 1000.

Типичные ошибки

Мономер путают со структурным звеном, потому что их состав часто похож. Мономер — отдельная исходная молекула, а звено — её изменённый фрагмент внутри цепи. Проверка проста: мономер записывают до стрелки, звено — в скобках после неё.

В формуле полимера иногда оставляют двойную связь алкена. Так происходит, если воспринимать реакцию как простое смешивание молекул, хотя π-связь расходуется на соединение цепи. Проверьте, что между атомами углерода повторяющегося звена осталась одинарная связь.

Некоторые считают, что при поликонденсации побочных продуктов нет. Ошибка возникает из-за общего результата — образования макромолекулы, но при этом теряется небольшая молекула, например вода. Ищите в уравнении отщепившееся низкомолекулярное вещество.

Нельзя считать, что все полимеры одинаково прочны, гибки или термостойки. Эти свойства зависят от состава, длины и формы цепей, разветвления и их взаимного расположения. Сопоставляйте свойства материала с его строением, а не только с принадлежностью к полимерам.

Связь с другими темами

Для понимания полимеров нужны знания о строении органических веществ, валентности углерода и двойной связи в алкенах. Именно они позволяют объяснить, почему молекулы мономера могут соединяться в цепь.

Мономер и структурное звено пригодятся при изучении органического синтеза. Степень полимеризации связывает строение макромолекулы с её относительной молекулярной массой и помогает решать расчётные задачи.

Строение полимеров объясняет свойства пластмасс, волокон и каучуков. Это позволяет выбирать материал для упаковки, одежды, изоляции, деталей и других практических целей.

Что запомнить

• Полимер состоит из повторяющихся структурных звеньев.
• Мономеры — исходные вещества для получения полимеров.
• В формуле полимера повторяющееся звено записывают в скобках с индексом n.
• При полимеризации мономеры соединяются без отщепления побочных продуктов.
• При поликонденсации выделяются низкомолекулярные вещества.
• Свойства полимера связаны со строением и длиной его макромолекул.