§ 43. Конденсационные полимеры. Пенопласты

Определения и обозначения

Поликонденсация — образование полимера из мономеров, содержащих несколько функциональных групп, при котором выделяются низкомолекулярные вещества. Функциональные группы — участки молекул, способные вступать в химические реакции. Это определение помогает отличить поликонденсацию от других способов получения полимеров.

Конденсационный полимер — полимер, полученный поликонденсацией; его звенья соединены в длинную цепь. При образовании цепи отщепляются небольшие молекулы, например вода или хлороводород. Поэтому, зная состав исходных веществ и побочного продукта, можно распознать такой способ получения.

Фенолформальдегидная смола — продукт поликонденсации фенола с формальдегидом. В процессе молекулы соединяются в крупную структуру, которая после отверждения становится твёрдой. Смолу используют как основу пластмасс, поскольку из неё можно получать изделия с нужными формой и свойствами.

Пенопласт — пористый материал, состоящий из полимерной основы и множества ячеек, заполненных газом. Газ заключён внутри материала, а не образует его полимерные цепи. Такое строение объясняет, почему пенопласт отличается от сплошного пластика плотностью и теплоизоляционными свойствами.

Как это устроено

Для роста полимерной цепи молекула должна иметь возможность присоединиться к другим молекулам. Поэтому мономеры поликонденсации содержат не менее двух функциональных групп: одна группа может образовать связь с одним соседом, а другая — со следующим. Если у молекулы только одна подходящая группа, она обычно завершает цепь, а не продолжает её. Мономеры с тремя и более группами способны формировать разветвлённые или пространственные структуры.

При реакции функциональные группы превращаются в новые связи между мономерами. Одновременно часть атомов отщепляется и образует небольшую молекулу, поэтому массу всех звеньев цепи нельзя считать равной массе исходных веществ. Например, при соединении карбоксильной группы –COOH с аминогруппой –NH₂ образуется амидная связь –CO–NH– и выделяется вода. Упрощённая схема: n HOOC–R–COOH + n H₂N–R′–NH₂ → [–CO–R–CO–NH–R′–NH–]ₙ + 2n H₂O; R и R′ обозначают части молекул, а повторяющийся фрагмент в скобках — звено полимера. При образовании полиэфиров соединяются карбоксильные и гидроксильные группы, возникает сложноэфирная связь –CO–O– и также может выделяться вода.

Фенол и формальдегид вступают в реакцию благодаря своим реакционноспособным участкам. Молекулы постепенно связываются друг с другом, образуя крупную структуру смолы; конкретное строение зависит от условий получения и соотношения веществ. По мере формирования связей материал становится менее подвижным и может отвердеть. Поэтому смола подходит для изготовления пластмасс и связующих материалов, но её свойства зависят от состава и способа обработки.

Пенопласт получают, создавая в полимерной основе большое количество газовых ячеек. Для этого основу вспенивают либо смешивают с газообразователем — веществом, выделяющим газ при обработке. Когда материал затвердевает, ячейки сохраняются внутри него. Значит, газ занимает часть объёма изделия, но не становится частью полимерной цепи.

Ячеистое строение уменьшает количество полимерного вещества в заданном объёме, поэтому плотность пенопласта невелика. Газ в замкнутых ячейках замедляет перенос тепла, что делает материал полезным для упаковки и теплоизоляции. Однако пористая структура обычно не обеспечивает высокой механической прочности: материал может ломаться или сминаться, а его характеристики зависят от вида полимера и устройства ячеек. При утилизации важно учитывать, что пенопласт — полимерный отход, который может долго сохраняться в окружающей среде.

Примеры конденсационных полимеров и материалов на их основе

Сначала сопоставьте исходные вещества с функциональными группами и способом образования связей. Затем обратите внимание на строение материала: именно оно помогает объяснить его свойства. Последний столбец показывает, где эти свойства полезны на практике.

Разбор задач

1. Как определить тип реакции

Условие. Полимер образуется из бифункциональных мономеров, при этом выделяется вода. Нужно определить, относится ли процесс к поликонденсации, и назвать признак. Решать следует по способу образования продукта, а не только по тому, что возникает длинная цепь.

1. Проверяем, что мономеры бифункциональны: каждая молекула имеет две группы, способные реагировать.
2. Устанавливаем, что мономерные звенья соединяются в цепь, то есть образуется полимер.
3. Учитываем выделение воды при соединении звеньев: это низкомолекулярный побочный продукт.

Ответ. Это поликонденсация. Определяющий признак — при образовании полимерной цепи вместе с ней выделяется низкомолекулярное вещество, в данном случае вода.

2. Схема образования полиамида

Условие. Запишите схему получения полиамида из дикарбоновой кислоты HOOC–R–COOH и диамина H₂N–R′–NH₂. Обозначьте повторяющееся звено и выделяющуюся молекулу. Буквы R и R′ здесь обозначают углеводородные части молекул.

1. Находим реакционные группы: кислота содержит две группы –COOH, а диамин — две группы –NH₂.
2. При соединении карбоксильной и аминогруппы образуется амидная связь –CO–NH–; часть атомов отщепляется в составе H₂O.
3. Чередуем фрагменты кислоты и диамина в цепи и заключаем повторяющееся звено в скобки с индексом n.

Схема: n HOOC–R–COOH + n H₂N–R′–NH₂ → [–CO–R–CO–NH–R′–NH–]ₙ + 2n H₂O. Ответ. Повторяющееся звено — фрагмент в квадратных скобках, выделяющееся вещество — вода. Число молекул воды в этой записи соответствует двум концевым реакционным группам на одну пару мономеров в выбранной схеме.

3. Выбор материала для упаковки

Условие. Для упаковки нужен лёгкий теплоизоляционный материал. Требуется объяснить, почему подходит пенопласт, и связать его строение со свойствами. При этом нельзя считать, что материал обязательно выдержит сильную нагрузку.

1. Вспоминаем строение пенопласта: полимерная основа содержит множество заполненных газом ячеек.
2. Газовые ячейки занимают часть объёма, поэтому материала в заданном объёме меньше и плотность невелика.
3. Газ замедляет перенос тепла, но пористая структура может снижать устойчивость к смятию и удару.

Ответ. Пенопласт подходит, потому что он лёгкий и помогает замедлить потерю тепла. Эти свойства связаны с газонаполненными ячейками, однако материал не следует считать высокопрочным или полностью непроницаемым для тепла.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любой полимер получают поликонденсацией. Такое заблуждение возникает потому, что оба процесса приводят к образованию длинных молекул, но полимеры могут образовываться и полимеризацией. Проверьте себя: выясните, выделяется ли при росте цепи низкомолекулярное вещество. Если такого признака нет, одного факта образования полимера недостаточно, чтобы назвать процесс поликонденсацией.

При разборе реакции иногда забывают указать побочный продукт или называют его без учёта строения мономеров. Это происходит, если запоминать только общую формулировку, не прослеживая судьбу функциональных групп. Проверьте, какие группы соединяются и какие атомы отщепляются; например, при образовании амидной связи из карбоксильной и аминогруппы выделяется вода. Формула должна соответствовать реакции, а не быть догадкой.

Неверно считать газ в ячейках частью полимера. Такое представление возникает, потому что газ находится внутри материала и не виден снаружи. Разделяйте полимерную основу, образующую стенки ячеек, и газ, заполняющий поры. Именно основа является полимером, а газ влияет на плотность и теплоизоляционные свойства.

Ещё одна ошибка — считать пенопласт прочным при любой нагрузке и полностью непроницаемым для тепла. Лёгкость и способность сохранять тепло не означают, что материал выдерживает смятие или совсем не пропускает тепловую энергию. Проверяйте, для какого именно свойства используется материал и как устроены его ячейки. Прочность и теплоизоляция зависят от состава и строения, а тепло передаётся медленнее, но не прекращается полностью.

Связь с другими темами

Для понимания поликонденсации нужно знать строение органических веществ и функциональные группы карбоновых кислот, спиртов и аминов. Эти знания позволяют проследить, какие части молекул соединяются и что выделяется при реакции. Тема продолжает изучение полимеров и способов их получения: сравнение поликонденсации с полимеризацией помогает объяснить состав цепей. Связь строения со свойствами пригодится при изучении пластмасс, композиционных материалов и вопросов переработки полимерных отходов.

Что запомнить

• Поликонденсация соединяет мономеры с несколькими функциональными группами.
• При поликонденсации вместе с ростом цепи выделяются низкомолекулярные вещества.
• Полиамиды и полиэфиры могут быть продуктами поликонденсации.
• Фенолформальдегидная смола образуется из фенола и формальдегида.
• Пенопласт — полимерный материал с газонаполненными ячейками.
• Ячеистое строение делает пенопласт лёгким и способствует теплоизоляции.