§ 40. Общие понятия о синтетических высокомолекулярных соединениях

Определения и обозначения

Высокомолекулярное соединение (полимер) — вещество, молекулы которого имеют большую относительную молекулярную массу и состоят из множества повторяющихся фрагментов. Проще говоря, полимер похож на длинную цепь из одинаковых или сходных участков. Это понятие помогает отличать полимеры от небольших молекул исходных веществ.

Макромолекула — отдельная очень крупная молекула полимера, построенная из повторяющихся структурных звеньев. В одном образце вещества находится множество таких макромолекул. Термин нужен, чтобы говорить о строении одной полимерной цепи, а не обо всём материале сразу.

Мономер — исходное низкомолекулярное вещество, из молекул которого образуется полимер. Его молекулы соединяются друг с другом во время реакции полимеризации. Знание мономера позволяет понять, из каких атомов и связей построено звено полимерной цепи.

Структурное звено — повторяющийся фрагмент цепи макромолекулы. Его заключают в квадратные скобки: [–CH₂–CH₂–]ₙ; запись показывает состав одного повторяющегося участка и всю цепь. Такое обозначение удобно, потому что не приходится рисовать сотни одинаковых фрагментов.

Степень полимеризации — число структурных звеньев в одной макромолекуле; её обозначают буквой n. Для полимера это число обычно велико, поскольку именно многократное повторение звеньев создаёт большую молекулу и нужные свойства материала.

Как это устроено

При полимеризации множество молекул мономера соединяется в одну длинную цепь. У каждой молекулы мономера изменяется реакционноспособный участок, поэтому она связывается с соседними молекулами. В результате образуется макромолекула, а её повторяющийся фрагмент записывают в скобках с индексом n.

Структурное звено находят по формуле мономера, рассматривая связь, за счёт которой идёт соединение. Например, в этилене CH₂=CH₂ есть двойная связь между атомами углерода. При её раскрытии образуются одинарные связи с соседними молекулами, поэтому звено полиэтилена имеет вид [–CH₂–CH₂–]ₙ, а не сохраняет двойную связь.

Макромолекулы одного и того же полимера обычно растут не абсолютно одинаково. Одни цепи заканчивают рост раньше, другие включают больше мономерных звеньев, поэтому их длина различается. По этой причине для полимера указывают среднюю степень полимеризации и среднюю относительную молекулярную массу, а не одно строгое значение для каждой частицы.

Свойства материала зависят не только от состава звена, но и от строения всей цепи. Длинные цепи обычно сильнее взаимодействуют друг с другом, а разветвления могут изменять плотность, гибкость и способность к упаковке. Взаимное расположение звеньев также влияет на кристалличность, прочность, температуру размягчения и другие характеристики.

Синтетические полимеры получают химическим синтезом из сравнительно простых веществ, тогда как природные полимеры образуются в живых организмах: например, белки и целлюлоза. Синтез позволяет выбирать мономеры и условия реакции, чтобы заранее изменить свойства материала. Поэтому создают полимеры для конкретных задач: лёгкие упаковочные плёнки, прочные волокна, изоляцию, детали и защитные покрытия.

Примеры синтетических полимеров и их структурных звеньев

В таблице мономер сопоставлен с повторяющимся звеном и областью применения полученного материала. Скобки и индекс n показывают, что звено многократно повторяется. Сравнивая строки, можно увидеть, как изменение мономера приводит к изменению состава и свойств полимера.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Объясните, почему полиэтилен относят к высокомолекулярным соединениям, и укажите его мономер. Нужно связать название вещества с его строением, а не просто назвать формулу.

1. Полиэтилен состоит из макромолекул, в которых многократно повторяется звено –CH₂–CH₂–.
2. Большое число звеньев делает молекулы длинными и увеличивает их относительную молекулярную массу.
3. Исходное вещество для получения этого полимера — этилен CH₂=CH₂.

Ответ: полиэтилен является полимером, потому что его макромолекулы содержат много повторяющихся звеньев. Мономер полиэтилена — этилен.

Задача 2

Условие. Запишите структурное звено полиэтилена, образующегося из этилена, и укажите, какие связи изменяются. Сначала нужно найти связь, участвующую в соединении молекул.

1. Формула этилена — CH₂=CH₂, поэтому между атомами углерода есть двойная связь.
2. При полимеризации π-связь двойной связи разрывается, а между соседними атомами углерода образуются новые одинарные связи.
3. Повторяющийся фрагмент записывают как [–CH₂–CH₂–]ₙ.

Ответ: структурное звено полиэтилена — [–CH₂–CH₂–]. При образовании цепи двойная связь C=C превращается в одинарную связь C–C, а освободившиеся связи соединяют соседние звенья.

Задача 3

Условие. Макромолекула содержит в среднем 500 структурных звеньев полиэтилена. Относительная молекулярная масса звена равна 28. Найдите среднюю относительную молекулярную массу макромолекулы.

1. Используем формулу Mᵣ ≈ n · Mᵣ(звена), где n — степень полимеризации.
2. Подставим данные: Mᵣ ≈ 500 · 28.
3. Выполним умножение: 500 · 28 = 14 000.

Ответ: средняя относительная молекулярная масса макромолекулы равна примерно 14 000. Значок приблизительного равенства уместен, потому что в реальном образце длина цепей неодинакова.

Типичные ошибки

Ошибка: считать мономер и структурное звено одним и тем же. Мономер существует до реакции как исходное вещество, а звено является его фрагментом в составе уже образованной цепи. Проверка: спросите себя, находится ли объект до полимеризации или внутри макромолекулы.

Ошибка: оставлять двойную связь в звене полиэтилена. Её допускают, если механически переписывают формулу этилена, но при полимеризации она раскрывается. Проверка: убедитесь, что в записи [–CH₂–CH₂–] нет связи C=C.

Ошибка: приравнивать число молекул полимера к числу структурных звеньев. Одна макромолекула содержит много звеньев, а образец вещества включает множество макромолекул. Проверка: различайте число цепей и число повторов внутри одной цепи.

Ошибка: считать все макромолекулы одинаковыми по длине. В действительности степень полимеризации колеблется, поэтому используют средние значения. Проверка: если в условии сказано «в среднем», результат следует считать средней молекулярной массой.

Связь с другими темами

Для понимания полимеров нужны знания о строении органических веществ, ковалентной связи и кратных связях в молекулах непредельных углеводородов. Именно изменение кратной связи объясняет, как мономеры соединяются в цепь. Формулы этилена, пропилена и других мономеров помогают правильно выделять структурное звено.

Тема пригодится при изучении способов получения пластмасс и волокон, свойств полимерных материалов и их переработки. Связь между строением цепи и свойствами объясняет выбор материала для упаковки, труб, изоляции или волокна. Эти знания также помогают оценивать повторное использование и переработку полимеров.

Что запомнить

• Полимер состоит из макромолекул, построенных из повторяющихся структурных звеньев.
• Мономер — исходное вещество для получения полимера.
• Структурное звено записывают как повторяющийся фрагмент макромолекулы.
• Степень полимеризации показывает число звеньев в макромолекуле.
• Молекулярная масса полимера связана с массой звена и степенью полимеризации.
• Строение макромолекул влияет на свойства полимерного материала.