§ 42. Синтетические полимеры

Определения и обозначения

Полимер — высокомолекулярное вещество, состоящее из многократно повторяющихся звеньев. Его молекула может включать тысячи и даже миллионы атомов, поэтому её называют макромолекулой. Это понятие помогает связать строение вещества с его свойствами.

Мономер — исходное низкомолекулярное вещество, из которого образуется полимер. Например, этилен является мономером полиэтилена. Различение мономера и полимера нужно, чтобы правильно записывать уравнение реакции и понимать, какое вещество изменяется.

Структурное звено — повторяющаяся часть макромолекулы, соответствующая фрагменту мономера. В формуле полимера его обычно заключают в квадратные скобки, а индекс n показывает число повторений. По звену можно определить состав и исходный мономер полимера.

Синтетические полимеры — полимеры, получаемые искусственным химическим синтезом. Их производят из относительно простых веществ, используя заданные условия реакции и добавки. Это позволяет получать материалы с нужной прочностью, гибкостью, устойчивостью или прозрачностью.

Как это устроено

Множество молекул мономера соединяется в длинную цепь, потому что реакционноспособные участки одной молекулы взаимодействуют с такими же участками других молекул. Повторение этого процесса создаёт макромолекулу, а не отдельную большую молекулу исходного типа. Поэтому свойства полимера определяются всей цепью: её длиной, подвижностью и взаимодействием соседних цепей.

При полимеризации этилена раскрывается его двойная связь: одна связь превращается в две одинарные связи с соседними атомами. Так образуется цепь −CH₂−CH₂−, а уравнение записывают так: nCH₂=CH₂ → (−CH₂−CH₂−)ₙ. Аналогично получают полипропилен из пропена и полистирол из стирола; боковые группы этих мономеров остаются в цепи и влияют на свойства материала.

Полимеризация характерна для непредельных соединений, в которых есть двойная или тройная связь. В ходе реакции состав повторяющегося звена соответствует составу мономера, потому что побочные вещества не отделяются. Условия процесса, например температура, давление и катализатор, влияют на скорость реакции и строение получающейся цепи.

Поликонденсация проходит между мономерами, содержащими две или больше функциональных групп, способных реагировать друг с другом. При каждом акте соединения может отщепляться небольшая молекула воды, хлороводорода или другого вещества. Поэтому состав полимера не равен простому многократному повторению полного состава исходных мономеров.

Длинные неразветвлённые цепи могут укладываться плотнее и придавать материалу прочность, а разветвления обычно затрудняют такое расположение и повышают гибкость. Увеличение степени полимеризации часто повышает прочность и термостойкость, но слишком длинные цепи усложняют переработку. Боковые группы меняют подвижность цепей, поэтому полимер может быть эластичным, пластичным, жёстким или хрупким.

Основные синтетические полимеры, способы их получения и применение

При работе с таблицей сначала определяют мономер или исходные вещества, затем сопоставляют их функциональные группы с типом реакции. Свойства объясняют строением цепи, а применение — сочетанием этих свойств с требованиями к материалу.

Один и тот же полимер может использоваться по-разному, если изменить форму изделия, степень вспенивания или состав добавок. Например, полиэтилен применяют и для тонких плёнок, и для прочных труб.

Разбор задач

Задача 1. Записать уравнение полимеризации этилена и определить структурное звено образующегося полимера

Условие. Из этилена CH₂=CH₂ получают полиэтилен. Запишите уравнение реакции и укажите структурное звено.

1. Находим двойную связь в молекуле этилена: именно она участвует в присоединении.
2. Заменяем двойную связь на одинарную и соединяем освободившиеся связи молекул в цепь.
3. Записываем повторяющийся фрагмент в скобках и ставим индекс n: nCH₂=CH₂ → (−CH₂−CH₂−)ₙ.

Ответ: образуется полиэтилен, его структурное звено — −CH₂−CH₂−.

Задача 2. По формуле фрагмента макромолекулы определить мономер

Условие. Определите мономер для полимера со структурным звеном −CH₂−CHCl−.

1. В выделенном звене видим два атома углерода основной цепи: −CH₂−CHCl−.
2. Восстанавливаем между ними двойную связь, убирая один атом водорода у каждого углерода.
3. Получаем формулу CH₂=CHCl и узнаём хлорэтен, или винилхлорид.

Ответ: мономер — хлорэтен CH₂=CHCl; из него получают поливинилхлорид.

Задача 3. Рассчитать относительную молекулярную массу полимера

Условие. Относительная молекулярная масса структурного звена равна 28, а степень полимеризации n = 5000. Найдите относительную молекулярную массу макромолекулы.

1. Понимаем, что макромолекула содержит 5000 одинаковых звеньев.
2. Используем зависимость Mr(полимера) = Mr(звена) · n.
3. Подставляем данные: Mr = 28 · 5000 = 140 000.

Ответ: относительная молекулярная масса полимера равна 140 000.

Типичные ошибки

Полимер и мономер считают одним веществом из-за похожих названий. Ошибка возникает, если не различать небольшую исходную молекулу и длинную макромолекулу. Проверьте себя: мономер записывают слева от стрелки, а полимер — справа, обычно со скобками и индексом n.

В структурном звене продукта полимеризации оставляют двойную связь. Её забывают раскрыть, хотя именно по месту двойной связи мономеры соединяются в цепь. Для проверки сравните число связей: в звене полиэтилена должна быть цепь −CH₂−CH₂− без связи C=C.

Степень полимеризации путают с числом атомов углерода в молекуле мономера. На самом деле n показывает число повторяющихся звеньев во всей макромолекуле. Проверьте формулу расчётом: Mr полимера получают умножением Mr одного звена на n.

Любую реакцию соединения мономеров называют полимеризацией. При поликонденсации одновременно выделяется вода, хлороводород или другое низкомолекулярное вещество. Значит, нужно искать не только цепь полимера, но и побочный продукт реакции.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны строение органических веществ, двойная связь в алкенах, реакции присоединения и функциональные группы. Полимеры связывают расчёты по химическим уравнениям с определением состава макромолекулы и степени полимеризации. Эти знания пригодятся при изучении пластмасс, волокон, каучуков, материаловедения и экологических проблем утилизации.

Что запомнить

• Полимер состоит из повторяющихся структурных звеньев.
• Мономер является исходным веществом для получения полимера.
• При полимеризации мономеры соединяются без выделения низкомолекулярных веществ.
• При поликонденсации вместе с полимером образуется низкомолекулярный продукт.
• Свойства полимера зависят от строения цепи и степени полимеризации.
• Синтетические полимеры широко применяются для изготовления пластмасс, волокон, плёнок и изоляционных материалов.
• При использовании полимеров необходимо учитывать проблему их переработки и утилизации.