§ 23. Синтетические полимеры

Определения и обозначения

Синтетические полимеры — высокомолекулярные вещества, получаемые химическим синтезом. Их молекулы, называемые макромолекулами, могут включать множество повторяющихся частей. Это определение помогает отличать такие материалы от небольших молекул исходных веществ и объясняет, почему полимеры широко применяют в производстве.

Мономер — исходное небольшое вещество, молекулы которого способны соединяться друг с другом при химической реакции. Они служат «строительными деталями»: при образовании полимера много молекул мономера связываются в одну длинную цепь. Знание мономера позволяет понять, из какого сырья и каким способом получают полимер.

Структурное звено — повторяющаяся часть цепи, которая образуется из молекулы мономера в ходе реакции. В формуле полимера звено обычно заключают в квадратные скобки, а справа ставят индекс n, например [–CH₂–CH₂–]ₙ. По звену можно увидеть, какие атомы входят в цепь и как устроен полимер.

Степень полимеризации — число структурных звеньев в одной макромолекуле. Её обозначают переменной n, потому что цепи одного полимера могут содержать разное число звеньев и иметь неодинаковую длину. Чем больше n, тем больше молекулярная масса макромолекулы; обычно её оценивают как массу звена, умноженную на n.

Как это устроено

Во время получения полимера молекулы мономера вступают в реакцию и соединяются в длинную макромолекулу. Каждый мономер даёт вклад в состав цепи, а повторяющийся фрагмент становится структурным звеном. Чем больше звеньев вошло в цепь, тем больше её молекулярная масса, поэтому у полимера часто указывают не одно точное значение, а усреднённые характеристики.

Один из способов получить полимер — полимеризация алкена. У алкена есть двойная связь между атомами углерода: при реакции одна её часть превращается в связи, соединяющие соседние молекулы. Так мономеры выстраиваются в цепь, а отдельные малые вещества не отщепляются. Поэтому состав звена можно получить, раскрыв двойную связь в формуле алкена.

Иначе проходит поликонденсация: молекулы исходных веществ соединяются, но одновременно отщепляются небольшие молекулы. Например, при образовании некоторых полимеров выделяется вода. Причина в том, что при создании связей между фрагментами часть атомов исходных молекул не входит в цепь и образует побочный продукт. Поэтому поликонденсацию нельзя записывать как простое соединение мономеров без побочных веществ.

Полиэтилен получают полимеризацией этилена CH₂=CH₂. Двойная связь раскрывается, между молекулами образуются новые связи, и повторяющееся звено записывают как –CH₂–CH₂–. Формула макромолекулы — [–CH₂–CH₂–]ₙ: скобки показывают повтор звена, а n — сколько таких звеньев содержится в цепи.

Строение макромолекул влияет на свойства материала, потому что определяет, как цепи взаимодействуют и насколько легко им смещаться друг относительно друга. Длинные цепи могут обеспечивать прочность, а особенности их расположения и подвижности — эластичность или жёсткость. Состав звена также влияет на устойчивость к химическим воздействиям. Поэтому разные полимеры выбирают для разных задач: упаковки, труб, волокон, покрытий и деталей.

Синтетические полимеры: получение, строение и применение

Чтобы пользоваться таблицей, проследи путь от мономера через способ получения к структурному звену: это помогает связать исходное вещество с составом цепи. Последний столбец показывает, почему конкретный полимер подходит для определённых изделий. Названия и формулы мономеров здесь приведены в упрощённом учебном виде.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение полимеризации этилена и укажите структурное звено полиэтилена. В формуле этилена CH₂=CH₂ есть двойная связь, которая раскрывается при образовании цепи. Запись должна показывать множество молекул мономера и повторяющуюся часть макромолекулы.

1. Обозначаем число молекул этилена буквой n перед формулой: nCH₂=CH₂.
2. При реакции одна часть двойной связи используется для соединения молекул; в звене остаются группы –CH₂–CH₂–.
3. Записываем результат: nCH₂=CH₂ → [–CH₂–CH₂–]ₙ.

Ответ: структурное звено полиэтилена — –CH₂–CH₂–. Побочный продукт в уравнении не указывают, поскольку при полимеризации этилена молекулы соединяются без его выделения.

Задача 2. По структурному звену [–CH₂–CH(CH₃)–]ₙ определите мономер и название полимера. Чтобы восстановить исходное вещество, нужно понять, каким было звено до присоединения к соседним звеньям. При полимеризации алкена между двумя атомами углерода этого фрагмента была двойная связь.

1. Выделяем основную цепь из двух атомов углерода и замечаем боковую группу CH₃.
2. Восстанавливаем между атомами углерода двойную связь и получаем CH₂=CH–CH₃.
3. Определяем исходный алкен: CH₂=CH–CH₃ — пропен. Полимер, построенный из его звеньев, называется полипропиленом.

Ответ: мономер — пропен, полимер — полипропилен. Проверка: формула звена должна сохранять атомы углерода и водорода пропена, но без двойной связи между атомами основной цепи.

Задача 3. Молекулярная масса полимера равна 28 000, а масса его структурного звена — 28. Найдите степень полимеризации. Считаем, что масса макромолекулы приблизительно равна сумме масс её звеньев. Поэтому число звеньев можно найти делением общей молекулярной массы на массу одного звена.

1. Записываем зависимость: n ≈ M(полимера) / M(звена).
2. Подставляем значения: n ≈ 28 000 / 28.
3. Выполняем деление: n ≈ 1000.

Ответ: степень полимеризации приблизительно равна 1000. Это число звеньев в одной макромолекуле, а не количество молекул мономера во всей исходной порции вещества.

Типичные ошибки

Ошибка — считать мономер и структурное звено одним и тем же. Их путают, потому что звено происходит из мономера и часто похоже на него по составу; однако во время реакции меняется строение связей. Проверь себя: отдельно запиши исходную молекулу, а затем фрагмент, который повторяется в готовой цепи.

Ошибка — записывать выделение воды или другого побочного вещества при полимеризации алкена. Так происходит, если полимеризацию смешивают с поликонденсацией; при присоединении молекул алкена побочный продукт не образуется. Проверь уравнение: если мономеры лишь соединяются после раскрытия двойных связей, добавлять воду не нужно.

Ошибка — оставлять двойную связь в структурном звене полиэтилена. Её переносят из формулы этилена, не учитывая, что при реакции она раскрывается и помогает связать молекулы в цепь. Для проверки сравни формулу мономера CH₂=CH₂ со звеном: в нём записывают –CH₂–CH₂–.

Ошибка — принимать n за число молекул мономера в исходной порции вещества. Такое толкование возникает из-за коэффициента n перед мономером в уравнении; в формуле полимера n показывает число звеньев в одной макромолекуле. Проверь смысл обозначения по записи: индекс у скобок относится к повторению звена в цепи.

Связь с другими темами

Для понимания полимеризации нужно знать строение алкенов, различать одинарную и двойную связи и узнавать реакции присоединения. Также пригодятся молекулярные формулы органических веществ и умение составлять простые уравнения реакций: без этих навыков трудно перейти от мономера к звену.

Эта тема помогает объяснить свойства пластмасс, волокон и каучуков и понять, почему их выбирают для разных изделий. Синтетические материалы связаны и с экологическими вопросами: их производство требует сырья и энергии, а утилизация и переработка полимерных отходов нуждаются в специальных решениях.

Что запомнить

• Полимеры состоят из макромолекул, построенных из повторяющихся структурных звеньев.
• Мономер — исходное вещество для получения полимера.
• При полимеризации молекулы мономера соединяются в цепь без выделения побочных веществ.
• При поликонденсации образование полимера сопровождается выделением низкомолекулярных веществ.
• Степень полимеризации n показывает число структурных звеньев в макромолекуле.
• Свойства полимера связаны с его химическим строением и строением макромолекул.