§ 29. Полимеры — высокомолекулярные соединения

Определения и обозначения

Высокомолекулярное соединение — вещество, состоящее из макромолекул с очень большой относительной молекулярной массой. Макромолекула — отдельная молекула-гигант, содержащая множество атомов. Такое определение помогает отличить полимеры от веществ с небольшими молекулами.

Полимер — высокомолекулярное соединение, построенное из многократно повторяющихся структурных звеньев. Повторение звеньев делает длинную молекулу похожей на цепь из одинаковых фрагментов. Это понятие позволяет описывать строение вещества, не выписывая формулу всей макромолекулы.

Мономер — низкомолекулярное вещество, из молекул которого образуется полимер. При реакции молекулы мономера связываются друг с другом, и возникает длинная цепь. Зная мономер, можно предсказать состав звена и записать получение полимера.

Структурное звено — повторяющаяся часть цепи полимера, а степень полимеризации — число таких звеньев в макромолекуле. Звено записывают в скобках, а рядом ставят индекс n, например (–CH₂–CH₂–)ₙ. Эта запись показывает устройство цепи и позволяет рассчитать примерную относительную молекулярную массу.

Как это устроено

Много молекул мономера соединяются последовательно, поэтому вместо отдельных небольших частиц получается длинная макромолекула. При этом основная часть состава сохраняется: атомы мономеров входят в цепь, а не исчезают. Например, молекулы этилена соединяются в полиэтилен, состоящий из повторяющихся углеродных фрагментов с атомами водорода.

Структурное звено не всегда выглядит так же, как исходный мономер, потому что во время соединения меняются связи между атомами. У алкена двойная связь раскрывается: одинарные связи образуются с соседними молекулами, и участок цепи удлиняется. Поэтому формулу полимера записывают как повтор звена в скобках с индексом n, а не просто копируют формулу мономера.

Полимеризация — реакция, в которой молекулы мономера объединяются в полимер. Для алкенов она начинается с раскрытия двойной связи: освободившиеся связи соединяют молекулы в цепь. Поскольку атомы мономера переходят в макромолекулу, побочные вещества обычно не выделяются; это отличает такой процесс от реакций, при которых отщепляется, например, вода.

Степень полимеризации показывает, сколько звеньев вошло в макромолекулу, поэтому её относительная молекулярная масса приблизительно равна массе звена, умноженной на n. Например, чем больше звеньев полиэтилена в цепи, тем больше масса макромолекулы. Реальный образец обычно содержит цепи неодинаковой длины: столкновения и условия роста не дают всем молекулам остановиться в один и тот же момент, поэтому значения n различаются.

В линейном полимере цепи вытянуты, в разветвлённом от основной цепи отходят боковые участки, а в пространственном цепи соединены поперечными связями. Эти различия влияют на то, насколько легко цепи скользят друг относительно друга и меняют форму. Линейные и некоторые разветвлённые полимеры часто размягчаются при нагревании и поддаются переработке, а пространственная сетка обычно делает материал жёстким и мешает ему плавиться; гибкость и прочность также зависят от плотности упаковки цепей.

Основные полимеры, их мономеры и применение

Чтобы пользоваться таблицей, сначала сопоставьте название полимера с мономером, а затем сравните их формулы. При полимеризации кратная связь мономера превращается в связи цепи, поэтому звено обычно имеет иной вид. Последний столбец показывает, как свойства материала связаны с его применением.

Разбор задач

Задача 1. По фрагменту макромолекулы –CH₂–CHCl– определить мономер и назвать полимер. Нужно понять, какие связи образовались при соединении молекул. Для этого восстановим двойную связь между атомами углерода и получим исходное вещество.

1. Выделяем в звене два соседних атома углерода: CH₂–CHCl.
2. Восстанавливаем между ними двойную связь, сохраняя заместитель Cl: CH₂=CHCl.
3. Это хлорэтилен, его полимер называется поливинилхлоридом, или ПВХ.

Ответ: мономер — хлорэтилен CH₂=CHCl, полимер — поливинилхлорид.

Задача 2. Составить уравнение полимеризации пропена и определить структурное звено. У пропена формула CH₂=CH–CH₃, а двойная связь служит местом соединения молекул. При её раскрытии к цепи присоединяются соседние молекулы, а группа CH₃ остаётся боковым заместителем.

1. Записываем n молекул пропена: nCH₂=CH–CH₃.
2. Заменяем двойную связь в повторяющемся фрагменте одинарной и соединяем фрагменты в цепь.
3. Указываем звено в скобках и индекс n: nCH₂=CH–CH₃ → (–CH₂–CH(CH₃)–)ₙ.

Ответ: образуется полипропилен; структурное звено — –CH₂–CH(CH₃)–.

Задача 3. Относительная молекулярная масса полиэтилена равна 140 000. Найти среднюю степень полимеризации. В полиэтилене повторяется звено –CH₂–CH₂–, поэтому сначала находим его относительную молекулярную массу, а затем делим массу макромолекулы на массу одного звена.

1. В звене C₂H₄: Mr = 2 × 12 + 4 × 1 = 28.
2. Используем связь Mr макромолекулы ≈ n × Mr звена, откуда n ≈ 140 000 ÷ 28.
3. Выполняем деление: n ≈ 5000.

Ответ: средняя степень полимеризации составляет примерно 5000. Значение приближённое, так как у молекул полимера в образце длина цепи может отличаться.

Типичные ошибки

Ошибка — называть мономером структурное звено. Звено уже входит в цепь полимера, а мономер — исходная молекула до реакции; их путают, потому что атомный состав часто похож. Проверьте себя: восстановите связь в звене и посмотрите, получается ли молекула с кратной связью.

Ошибка — оставлять двойную связь мономера в формуле полимера. При полимеризации она раскрывается и участвует в создании связей цепи, но её сохраняют по привычке, копируя формулу алкена. Самопроверка проста: в звене, образованном полимеризацией алкена, между атомами углерода цепи должна быть одинарная связь.

Ошибка — считать степень полимеризации равной относительной молекулярной массе полимера. Степень полимеризации — число звеньев, поэтому нужно учесть массу одного звена и разделить на неё массу макромолекулы. Проверьте расчёт обратным действием: n, умноженное на Mr звена, должно дать примерную Mr всей молекулы.

Ошибка — полагать, что все полимеры одинаково плавятся и растворяются. Свойства зависят от строения цепей: пространственные связи мешают их перемещению, тогда как линейные цепи могут скользить друг относительно друга. Перед выводом о поведении материала при нагревании или переработке выясните, линейное у него, разветвлённое или пространственное строение.

Связь с другими темами

Для понимания полимеров нужны знания о строении органических молекул, валентности углерода, кратных связях и номенклатуре алкенов. Они помогают восстановить мономер по звену и понять, какие связи меняются при реакции. Также пригодятся относительная молекулярная масса и умение составлять уравнения химических реакций.

Дальше эти знания применяются при изучении пластмасс, синтетических волокон и каучуков: состав и строение цепей объясняют свойства материалов. Тема связана и с материаловедением, где подбирают полимер под нужную нагрузку, нагревание или условия эксплуатации. Понимание состава полимеров помогает обсуждать экологические проблемы отходов и способы обращения с ними.

Что запомнить

• Полимер состоит из повторяющихся структурных звеньев.
• Мономер — исходное низкомолекулярное вещество для получения полимера.
• При полимеризации молекулы мономера соединяются в цепь, обычно без выделения побочных веществ.
• Формулу полимера записывают в виде структурного звена в скобках с индексом n.
• Степень полимеризации показывает число структурных звеньев в макромолекуле.
• Свойства полимера зависят не только от состава, но и от строения его макромолекул.