"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Полимеры — вещества, молекулы которых состоят из множества повторяющихся звеньев. К ним относятся природные белки и целлюлоза, а также искусственные и синтетические материалы, например волокна и пластмассы. Длина и строение цепей определяют прочность, эластичность и стойкость полимера, поэтому такие материалы используют в быту, медицине, строительстве и технике. Их свойства полезны, но отходы важно сортировать и перерабатывать.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Полимер — вещество, состоящее из макромолекул, построенных из многократно повторяющихся звеньев. Макромолекула — очень крупная молекула, похожая на длинную цепь. Это понятие помогает отличать полимеры от веществ с небольшими молекулами и объяснять их необычные свойства.
Мономер — исходное низкомолекулярное вещество, из которого образуется полимер. Мономеры соединяются друг с другом при химической реакции. Зная мономер, можно понять, из какого сырья получают полимер и как записать его образование.
Структурное звено — повторяющаяся часть цепи макромолекулы, происходящая из молекулы мономера. В формуле полимера это звено заключают в скобки, а индекс n показывает число его повторений. Понятие нужно, чтобы описывать строение цепи и рассчитывать её относительную молекулярную массу.
Полимеризация — реакция соединения молекул мономера в длинные цепи полимера. При ней мономеры объединяются, а их атомы входят в состав макромолекулы. Это определение позволяет записывать уравнения получения полимеров и выполнять расчёты по ним.
При полимеризации подходящие молекулы мономера связываются одна за другой, образуя длинную цепь — макромолекулу. Например, у этилена есть двойная связь между атомами углерода; она раскрывается, и возникшие связи соединяют соседние молекулы. Поэтому звено полиэтилена записывают как –CH₂–CH₂–, а всю цепь — как (–CH₂–CH₂–)ₙ. Формула звена отличается от формулы этилена CH₂=CH₂: в ней нет двойной связи, зато показаны связи с соседними звеньями.
Число звеньев в макромолекуле называют степенью полимеризации и обозначают n. Чем больше n, тем длиннее цепь и, как правило, тем больше относительная молекулярная масса полимера. Для расчёта массу макромолекулы делят на относительную молекулярную массу одного звена: n = Mr полимера / Mr звена. Это отношение приближённое, поскольку образец полимера может содержать цепи разной длины.
Полимеры различают по происхождению. Природные образуются в живой природе: это, например, белки, крахмал и целлюлоза. Искусственные получают из природных полимеров, выделяя или изменяя их; к примерам относят целлюлозные волокна. Синтетические создают химическим путём из мономеров, среди них полиэтилен и некоторые каучуки. Такое деление показывает не просто состав, а источник материала и способ его получения.
Свойства зависят от того, как устроены макромолекулы. Длинные цепи могут переплетаться, а связи между ними мешают цепям смещаться — так материал становится прочнее. Если цепи способны изгибаться и распрямляться, полимер может быть эластичным; небольшая плотность многих полимеров делает изделия лёгкими. Состав и характер связей влияют также на стойкость к нагреванию и химическим веществам, поэтому разные полимеры ведут себя неодинаково.
Сочетание лёгкости, прочности и возможности придавать материалу нужную форму объясняет широкое применение полимеров. Из них делают упаковку, детали техники и строительные материалы, медицинские изделия и волокна для тканей; конкретный выбор зависит от требуемых свойств. Но многие изделия долго сохраняются после использования, а загрязнённые или смешанные отходы сложно переработать. Сортировка помогает отделить подходящие материалы, а переработка и повторное использование сокращают количество отходов и расход сырья.
| Признак | Природные полимеры | Искусственные полимеры | Синтетические полимеры |
|---|---|---|---|
| Источник получения | Образуются в живых организмах или встречаются в природе | Получают переработкой природного полимерного сырья | Синтезируют из низкомолекулярных веществ — мономеров |
| Примеры | Белки, крахмал, целлюлоза, природный каучук | Вискозное волокно, ацетатное волокно | Полиэтилен, полипропилен, синтетический каучук |
| Строительные структурные звенья | Различаются: например, аминокислотные остатки в белках, звенья глюкозы в целлюлозе | Зависят от исходного природного полимера и его обработки | Зависят от мономера; у полиэтилена это –CH₂–CH₂– |
| Основные свойства | Зависят от вида вещества; часто биологически разлагаются | Зависят от сырья и способа обработки; могут образовывать волокна | Разнообразны: возможны лёгкость, прочность, эластичность и химическая стойкость |
| Области применения | Пища, ткани, бумага и другие природные материалы | Текстильные волокна и материалы для изделий | Упаковка, детали, трубы, изоляция, волокна и шины |
| Проблемы утилизации и способы переработки | Некоторые разлагаются биологически; важно не загрязнять среду | Состав и добавки могут затруднять переработку; нужна сортировка | Многие медленно разлагаются; применяют раздельный сбор, переработку и повторное использование |
Сначала определите источник получения материала: так можно различить природную, искусственную и синтетическую группы. Затем сопоставьте строение и свойства с применением, помня, что внутри одной группы материалы могут отличаться. Последняя строка помогает оценить, как обращаться с изделием после использования.
Задача 1. Для полиэтилена запишите формулу мономера, структурное звено и уравнение полимеризации. Нужно увидеть, какая часть молекулы мономера сохраняется в цепи, а что меняется при реакции. Исходное вещество — этилен с двойной связью между атомами углерода.
Ответ: мономер — этилен CH₂=CH₂, структурное звено — –CH₂–CH₂–, уравнение — nCH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)ₙ. Индекс n относится ко всей цепи, а не к отдельному звену.
Задача 2. Относительная молекулярная масса полиэтилена равна 28 000. Определите степень полимеризации. Сначала находим массу одного звена: в –CH₂–CH₂– содержится два атома углерода и четыре атома водорода, поэтому Mr звена = 2 × 12 + 4 × 1 = 28.
Ответ: степень полимеризации равна 1000. Она показывает число структурных звеньев в макромолекуле, а не число молекул мономера в сосуде.
Задача 3. Найдите массу полиэтилена, полученного из заданного объёма этилена при нормальных условиях, если выход составляет 85%. Числовое значение объёма в условии не приведено, поэтому обозначим его V л и выразим ответ через V. При полимеризации один моль этилена даёт массу полиэтилена, равную массе этого количества мономера.
Ответ: m = 0,85 × 28V / 22,4 г. Учитывать выход нужно после теоретического расчёта: в реальности получают только 85% от рассчитанной массы.
Мономер и структурное звено считают одним и тем же, потому что их формулы похожи. Но при полимеризации двойная связь, например у этилена, раскрывается, и в цепи появляется звено с одинарными связями и продолжением в обе стороны. Проверьте, что в формуле мономера показана исходная двойная связь, а в звене — связи с соседними частями цепи.
Индекс n иногда записывают внутри формулы структурного звена, хотя он относится ко всей макромолекуле. Это происходит потому, что в записи (–CH₂–CH₂–)ₙ звено и индекс стоят рядом. Для самопроверки мысленно прочитайте формулу: «звено повторяется n раз»; само звено остаётся –CH₂–CH₂–.
Природные, искусственные и синтетические полимеры смешивают, если ориентируются только на материал или его название. Различие определяется происхождением: природный образуется в природе, искусственный получают переработкой природного полимера, синтетический создают химическим синтезом. Проверьте, откуда взялось сырьё и каким способом получен материал.
Ошибочно утверждать, что все полимеры одинаково вредны для природы. Экологические последствия зависят от состава, токсичности, срока разложения и возможности переработки, а также от обращения с отходами. Проверяйте вывод по конкретному материалу: выясните, можно ли его сортировать, переработать или использовать повторно.
Для работы с полимерами пригодятся знания о строении органических веществ, валентности углерода и двойной связи: они помогают понять, как мономеры соединяются в цепь. Относительная молекулярная масса и расчёты по уравнениям реакций нужны для определения степени полимеризации и выхода продукта. Дальше тема связана с пластмассами, волокнами, каучуками и охраной окружающей среды. В биологии белки, полисахариды и нуклеиновые кислоты рассматривают как природные биополимеры.
Чем мономер отличается от структурного звена?
Мономер — исходная молекула, из которой получают полимер. Структурное звено — повторяющаяся часть цепи, которая образуется из мономера при полимеризации. Например, этилен CH₂=CH₂ превращается в звено –CH₂–CH₂–.
Почему полимеры называют высокомолекулярными веществами?
Их макромолекулы состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Поэтому относительная молекулярная масса полимера обычно намного больше, чем у исходного мономера.
Как определить степень полимеризации?
Нужно разделить относительную молекулярную массу полимера на относительную молекулярную массу одного структурного звена. Полученное число показывает, сколько звеньев в среднем входит в макромолекулу.
Чем искусственные полимеры отличаются от синтетических?
Искусственные полимеры получают переработкой природного полимерного сырья, изменяя его или выделяя из него материал. Синтетические полимеры создают химическим синтезом из низкомолекулярных веществ, например из этилена.
Почему полимерные отходы трудно утилизировать?
Многие полимеры разлагаются в природе очень медленно, а разные виды пластмасс требуют разных способов переработки. Загрязнение и смешивание материалов затрудняют сортировку, поэтому отходы нужно собирать раздельно и направлять на переработку, если она возможна.
§ 56. Полимеры и жизнь
