15. Знакомство с образцами пластмасс, волокон и каучуков

Определения и обозначения

Полимеры — высокомолекулярные вещества, состоящие из повторяющихся структурных звеньев. Такие звенья многократно соединены в длинные цепи, поэтому молекулы полимеров называют макромолекулами. Это понятие нужно, чтобы связывать свойства материала с длиной, формой и расположением его молекул.

Пластмассы — материалы на основе полимеров, способные формоваться при нагревании или давлении. Кроме полимера, они обычно содержат специальные добавки, а после формования превращаются в удобные изделия. Определение помогает отличать саму полимерную основу от готового материала с заданными свойствами.

Волокна — полимерные материалы в виде длинных тонких нитей, используемые для изготовления текстиля. Их получают так, чтобы макромолекулы вытянулись и расположились преимущественно вдоль нити. Поэтому понятие волокна связывает не только химический состав, но и особую форму материала.

Каучуки — эластичные полимеры, способные к значительной обратимой деформации. После растяжения или сжатия их цепи стремятся вернуться к исходному расположению. Это определение нужно, чтобы отличать каучуки от твёрдых пластмасс и от прочной вулканизированной резины.

Как это устроено

Мономеры — небольшие молекулы, из которых строятся полимеры. При полимеризации они соединяются в цепь, не изменяя общий принцип повторения звеньев. Длина и разветвлённость цепей влияют на прочность, гибкость и температуру размягчения материала. Поэтому одинаковые по составу звенья могут давать разные свойства при разном строении макромолекул.

В пластмассу входит не только полимерная основа. Наполнители удешевляют материал или повышают его твёрдость, пластификаторы делают его более гибким, красители придают цвет, а стабилизаторы защищают от света, кислорода и нагревания. Состав добавок подбирают потому, что чистый полимер не всегда обладает всеми свойствами, необходимыми для изделия. Так получают материалы для упаковки, деталей, труб и других целей.

Волокно прочное не из-за большой толщины, а из-за внутренней организации. При вытягивании макромолекулы ориентируются вдоль нити, сближаются и сильнее взаимодействуют друг с другом. Нагрузка тогда передаётся по множеству цепей в одном направлении. Если цепи расположены беспорядочно, волокно легче растягивается и разрывается.

Каучук эластичен, потому что его длинные цепи могут распрямляться при растяжении, а затем возвращаться в более свёрнутое состояние. Между цепями сначала мало связей, поэтому материал легко деформируется, но может быть недостаточно прочным. При вулканизации возникают поперечные связи между цепями. Они ограничивают их скольжение, повышают прочность и упругость, а также улучшают устойчивость резины к нагреванию.

Образцы различают по нескольким внешним и физическим признакам. Сначала оценивают форму: изделие, нить или эластичный слой; затем проверяют гибкость, упругость и способность сохранять форму. В учебной лаборатории дополнительно наблюдают поведение при осторожном нагревании или горении: появление расплава, обугливание, запах и характер пламени. Одного признака недостаточно, а опасные пробы проводят только с учителем.

Сравнение пластмасс, волокон и каучуков

Таблица помогает сначала определить общую группу по форме и основному свойству, а затем уточнить различия в строении и поведении. Признаки при распознавании нужно сопоставлять, а не использовать изолированно. Особенно осторожно следует относиться к пробам нагреванием и горением.

Разбор задач

Задача 1

По описанию внешнего вида и свойств распределите образцы полиэтилена, хлопка, шерсти и резины по группам: пластмассы, волокна, каучуки. Сначала определите форму каждого образца, затем учтите его главное свойство.

1. Полиэтилен обычно представлен плёнкой, гранулами или твёрдым формованным изделием и не имеет нитевидной формы.
2. Хлопок и шерсть состоят из волокон: хлопок образован растительными целлюлозными волокнами, а шерсть — белковыми волокнами.
3. Резина легко растягивается и частично возвращается к исходной форме, поэтому её относят к материалам на основе каучука.

Ответ: полиэтилен — пластмасса; хлопок и шерсть — волокна; резина — вулканизированный каучук, то есть каучуковый материал.

Задача 2

Сравните поведение хлопка, шерсти и синтетического волокна при осторожном нагревании или поджигании и предположите их состав. Наблюдения проводят только в лаборатории, поскольку запах и дым могут быть опасными.

1. Для хлопка ожидают горение по типу целлюлозы: образуется запах горящей бумаги и остаётся светлая зола.
2. Шерсть, состоящая из белка, обычно медленно горит, может тлеть и даёт характерный запах жжёных волос.
3. Синтетическое волокно часто плавится, скручивается в шарик или образует расплав; точная картина зависит от состава полимера.
4. Сопоставляют сразу несколько признаков и не делают вывод только по запаху.

Ответ: хлопок предположительно целлюлозный, шерсть — белковая, синтетическое волокно — полимерное искусственного или синтетического происхождения. Окончательный вывод делают по совокупности наблюдений.

Задача 3

Имеются неизвестные образцы пластмассы, волокна и резины. Составьте последовательность безопасных проб и обоснуйте идентификацию каждого образца.

1. Рассмотрите образцы и разделите их по форме: твёрдое изделие, тонкая нить или растягивающийся материал.
2. Проверьте механическое поведение без разрушения: волокно сгибается и вытягивается, резина заметно растягивается и восстанавливается, пластмасса чаще сохраняет форму.
3. Если это разрешено учителем, сравните реакцию на осторожное нагревание, используя вытяжку и защитные средства.
4. Сопоставьте результаты с таблицей и проверьте, согласуются ли независимые признаки.

Ответ: твёрдый формуемый образец относят к пластмассам, нитевидный — к волокнам, эластично растягивающийся — к каучукам или резине. Проба горением не заменяет остальные наблюдения.

Типичные ошибки

Считать все полимеры пластмассами. Ошибка возникает из-за того, что пластмассы наиболее привычны в быту, но волокна и каучуки тоже имеют полимерную основу. Проверьте себя: определите форму и главное свойство образца, а не только его состав.

Отождествлять полимер с готовым материалом. Полимер является основой, тогда как пластмасса может содержать наполнители, пластификаторы, красители и стабилизаторы. Чтобы избежать ошибки, выясните, какие добавки изменяют твёрдость, гибкость, цвет или устойчивость изделия.

Определять состав только по цвету или виду. Одинаково окрашенные предметы могут быть сделаны из разных веществ, а внешний вид зависит от формы и обработки. Сравните несколько признаков: упругость, прочность, реакцию на нагревание и строение образца.

Проводить пробу горением без правил безопасности. При этом возможны токсичный дым, едкие продукты и горячий расплав, поэтому самостоятельный опыт опасен. Проверяйте себя так: есть ли разрешение учителя, вытяжка, защитные средства и возможность безопасно прекратить опыт.

Связь с другими темами

До этой темы нужно знать строение органических веществ, понятия мономера, полимера и полимеризации, а также свойства углеводородов. Эти знания объясняют, как из небольших молекул возникают макромолекулы. Без них трудно связать состав полимера с его свойствами.

Тема связана с изучением химических волокон. Строение и расположение макромолекул определяют прочность, гигроскопичность и область применения волокна.

Дальше знания пригодятся при изучении синтетических материалов и экологических проблем полимерных отходов. Понимание состава помогает выбирать материалы рационально и оценивать возможности их повторного использования.

Что запомнить

• Полимеры состоят из повторяющихся структурных звеньев.
• Пластмассы получают на основе полимеров и формуют в изделия.
• Волокна имеют нитевидную форму и применяются главным образом в текстильной промышленности.
• Каучуки отличаются высокой эластичностью.
• Свойства материала зависят от строения макромолекул и состава добавок.
• Распознавать образцы нужно по совокупности признаков.
• При нагревании и горении полимеров необходимо соблюдать правила безопасности.