§ 22. Классификация полимеров. Искусственные полимеры

Определения и обозначения

Полимер — вещество, молекулы которого состоят из большого числа повторяющихся звеньев; такую молекулу называют макромолекулой. Длинные цепи и способ их расположения влияют на прочность, гибкость и другие свойства материала. Поэтому, зная только состав полимера, нельзя полностью предсказать его поведение.

Мономер — исходное низкомолекулярное вещество, из молекул которого образуется полимер. При полимеризации молекулы мономера соединяются друг с другом, формируя длинную цепь. Это понятие помогает проследить, из каких исходных частиц построена макромолекула.

Степень полимеризации — число повторяющихся звеньев в макромолекуле; её обычно обозначают n. Чем больше n, тем больше относительная молекулярная масса полимера: приблизительно Mᵣ = n × Mᵣ звена. Эта связь позволяет оценить длину цепи по массе звена и всего полимера.

Искусственный полимер — материал, полученный химической переработкой природного полимера. При этом природная макромолекула не просто очищается, а изменяется химически. Это отличает искусственный материал и от исходного природного вещества, и от синтетического полимера, созданного из мономеров.

Как это устроено

По происхождению полимеры делят на природные, искусственные и синтетические. Природные образуются в живых организмах и встречаются в природе, например целлюлоза и натуральный каучук. Искусственные получают, изменяя природные макромолекулы, а синтетические создают из низкомолекулярного сырья; такое деление показывает, откуда берётся сам полимер, а не только энергия или оборудование для его производства.

Классификация по строению описывает форму цепей. Линейные макромолекулы похожи на длинные цепи, разветвлённые имеют боковые ответвления, а пространственные соединены поперечными связями в объёмную сетку. Разная форма влияет на то, насколько легко цепи перемещаются и насколько прочно они сцеплены друг с другом, поэтому полимеры могут различаться гибкостью, твёрдостью и способностью деформироваться.

При полимеризации множество молекул мономера соединяется в одну макромолекулу. Реакция происходит потому, что в исходных молекулах есть участки, способные образовывать новые связи между собой. Повторяющееся звено сохраняет основные атомы исходного вещества, хотя связи между атомами могут перестроиться; число звеньев в цепи характеризует степень полимеризации.

Искусственный полимер получают не сборкой макромолекулы из мономеров, а изменением уже существующей природной цепи. Для этого исходный полимер подвергают химическим реакциям, преобразующим его отдельные группы или участки. Так целлюлоза остаётся основой материала, но её химически модифицированное строение придаёт продукту другие свойства и позволяет использовать его иначе.

Производные целлюлозы показывают, как переработка природного сырья даёт новые материалы. Для получения ацетатного волокна целлюлозу химически обрабатывают и превращают в растворимое производное, из которого формуют волокна; их применяют для изготовления тканей и других изделий. Целлулоид также получают на основе химически переработанной целлюлозы, превращая её в формуемый пластический материал. В обоих случаях происхождение от природного полимера не отменяет искусственного характера полученного материала.

Классификация полимеров и примеры искусственных полимеров

Сначала определите, о чём говорит строка: о происхождении, строении или конкретном материале. Затем сопоставьте характеристику и пример, а в последнем столбце проверьте, из какого сырья получен полимер. Это помогает не путать происхождение исходного сырья с классификацией готового материала.

Разбор задач

Задача 1. Распределите целлюлозу, каучук, полиэтилен и ацетатное волокно по группам: природные, искусственные и синтетические полимеры. Здесь важно выяснить не только, какое сырьё использовали, но и как был получен каждый материал. Природные полимеры встречаются в природе, искусственные получают химической переработкой природных, синтетические — синтезируют из низкомолекулярных веществ.

1. Целлюлоза и каучук существуют в природе как полимеры, поэтому это природные полимеры.
2. Полиэтилен образуется при соединении молекул низкомолекулярного мономера, значит, он синтетический.
3. Ацетатное волокно получают химической переработкой целлюлозы, поэтому оно искусственное.

Ответ: природные — целлюлоза и каучук; искусственные — ацетатное волокно; синтетические — полиэтилен. Определяющим признаком служит способ получения самого полимера, а не только природное или промышленное происхождение сырья.

Задача 2. Относительная молекулярная масса макромолекулы равна 28 000, масса повторяющегося звена — 28. Найдите степень полимеризации. Нужно выяснить, сколько одинаковых по массе звеньев составляют макромолекулу. Для этого общую относительную молекулярную массу делят на массу одного звена.

1. Записываем связь: n = Mᵣ полимера ÷ Mᵣ звена.
2. Подставляем данные: n = 28 000 ÷ 28.
3. Выполняем деление: n = 1000.

Ответ: степень полимеризации равна 1000. Проверка: 1000 звеньев массой 28 каждое дают общую относительную молекулярную массу 28 000. Такое вычисление предполагает, что вкладом концевых групп макромолекулы можно пренебречь.

Задача 3. Какой природный полимер служит сырьём для ацетатного волокна и почему волокно относят к искусственным полимерам? Чтобы ответить, нужно назвать исходное вещество и установить, меняют ли его химически или строят новую цепь из мономеров. Именно способ получения отделяет искусственный материал от природного и синтетического.

1. Вспоминаем, что целлюлоза — природный полимер, широко распространённый в растениях.
2. При производстве ацетатного волокна целлюлозу химически обрабатывают, получая её производное.
3. Поскольку исходную природную макромолекулу модифицируют, а не синтезируют новую из мономеров, продукт относят к искусственным.

Ответ: сырьё — целлюлоза; ацетатное волокно искусственное, потому что его получают химической переработкой природного полимера. Наличие природного сырья не превращает готовый материал в природный полимер.

Типичные ошибки

Ошибка — считать искусственные и синтетические полимеры синонимами. Их путают, потому что оба вида получают промышленным способом, но для искусственных химически изменяют природную макромолекулу, а синтетические строят из низкомолекулярных веществ. Проверьте себя вопросом: существовала ли исходная полимерная цепь до обработки? Если да, речь может идти об искусственном полимере.

Ошибка — относить материал к природным только потому, что сырьё было природным. Такое рассуждение смешивает происхождение исходного вещества и способ получения готового продукта. Уточните, сохранился ли исходный полимер без химических изменений: целлюлоза природная, но ацетатное волокно, полученное из неё переработкой, — искусственное.

Ошибка — путать мономер с повторяющимся звеном. Мономер — исходная молекула до реакции, а звено — часть уже образовавшейся макромолекулы; их строение может различаться из-за перестройки связей. Для проверки изобразите цепочку: до реакции обозначьте отдельные молекулы, после реакции — повторяющийся фрагмент общей цепи.

Ошибка — считать, что одинаковый химический состав обязательно означает одинаковые свойства. Такое заключение кажется логичным, если учитывать только набор атомов, но длина цепей и их пространственное расположение тоже влияют на свойства. Сравнивая материалы, проверяйте не только состав, но и степень полимеризации, ветвление и наличие связей между цепями.

Связь с другими темами

Для понимания полимеров нужны знания о строении органических веществ, функциональных группах и химических связях: именно связи соединяют частицы в макромолекулу, а группы могут участвовать в её изменении. Тема продолжает изучение мономеров и полимеризации в разделе о высокомолекулярных соединениях. Классификация пригодится при знакомстве с пластмассами, волокнами и каучуками, а также при обсуждении экологических проблем использования полимерных материалов.

Что запомнить

• Полимеры состоят из макромолекул, построенных из повторяющихся звеньев.
• По происхождению полимеры делят на природные, искусственные и синтетические.
• Искусственные полимеры получают химической переработкой природных полимеров.
• Синтетические полимеры получают из низкомолекулярных исходных веществ.
• Целлюлоза — природный полимер и сырьё для ряда искусственных материалов.
• Строение макромолекул влияет на свойства полимера.