§ 9. Полимеры

Определения и обозначения

Полимер — высокомолекулярное соединение, молекулы которого состоят из многократно повторяющихся звеньев. Его молекула называется макромолекулой и может быть длинной цепью, разветвлённой или пространственной сеткой. Такое строение объясняет сочетание прочности, гибкости и других особых свойств.

Мономер — исходное низкомолекулярное вещество, из которого образуются макромолекулы. Во время реакции его молекулы соединяются между собой или взаимодействуют функциональными группами. Зная мономер, можно предсказать состав повторяющегося звена и способ получения полимера.

Структурное звено — повторяющаяся часть цепи полимера. При полимеризации его получают из молекулы мономера после перестройки связей, например из этилена образуется звено –CH₂–CH₂–. В формуле звено заключают в скобки, а повторение обозначают индексом n: [–CH₂–CH₂–]ₙ.

Степень полимеризации — число структурных звеньев в одной макромолекуле. Её обозначают буквой n и используют для оценки размера цепи. При одинаковом составе звена относительная молекулярная масса полимера равна примерно произведению массы звена на n: Mᵣ = n · Mᵣ(звена).

Как это устроено

Полимеры называют высокомолекулярными веществами, потому что одна их молекула включает большое число повторяющихся звеньев. Если звеньев сотни или тысячи, масса макромолекулы во столько же раз превосходит массу небольшой исходной молекулы. Длинная цепь может изгибаться, переплетаться и взаимодействовать с соседними цепями, поэтому свойства полимера не сводятся к свойствам одного мономера.

При полимеризации мономеры с двойной или тройной связью присоединяются друг к другу. Например, в этилене связь C=C раскрывается: одна её часть используется для соединения соседних атомов углерода, а другая превращается в одинарные связи цепи. Поэтому из n молекул CH₂=CH₂ получают [–CH₂–CH₂–]ₙ, причём низкомолекулярный побочный продукт не выделяется.

Полимеризация отличается от поликонденсации не только названием, но и механизмом образования цепи. При поликонденсации реагируют мономеры с двумя или несколькими функциональными группами, а вместе с каждым актом соединения обычно отщепляется вода, хлороводород или другое небольшое соединение. Полимеризацией получают полиэтилен и поливинилхлорид, а поликонденсацией — полиэфиры, полиамиды и белки.

Состав и строение структурного звена определяют, какие взаимодействия возможны между цепями. Полярные группы могут усиливать притяжение и повышать прочность, гибкие фрагменты делают материал эластичнее, а поперечные связи препятствуют течению и нагреванию. Поэтому изменение мономера или условий реакции позволяет получать упаковочные плёнки, волокна, покрытия, клеи и конструкционные материалы.

Природные полимеры создаются живыми организмами: целлюлоза образует стенки растительных клеток, белки выполняют множество функций, а натуральный каучук служит эластичным материалом. Синтетические полимеры получают химическим синтезом из доступного сырья и могут специально проектироваться под нужные свойства. Их значение определяется лёгкостью, долговечностью, химической стойкостью и возможностью массового производства, хотя после использования многие из них требуют переработки.

Способы получения и примеры полимеров

В таблице сначала определяют, как соединяются исходные вещества, а затем проверяют, выделяется ли побочный продукт. Если мономер присоединяется по кратной связи без образования небольшой молекулы, это полимеризация. Если отщепляется вода или другое низкомолекулярное вещество, процесс относят к поликонденсации; две последние строки показывают происхождение полимера.

Разбор задач

1. Структурное звено полиэтилена

Условие: запишите структурное звено полиэтилена, полученного из этилена, и укажите, какие связи изменяются. Этилен имеет формулу CH₂=CH₂. Нужно перейти от формулы мономера к повторяющемуся фрагменту цепи.

1. Записываем двойную связь между атомами углерода: CH₂=CH₂.
2. При присоединении одна π-связь двойной связи разрывается, а между соседними молекулами возникают новые одинарные C–C-связи.
3. Внутри повторяющегося фрагмента остаются одинарные связи, поэтому звено записывают как –CH₂–CH₂–.

Ответ: структурное звено полиэтилена — [–CH₂–CH₂–]. При реакции двойная связь C=C превращается в одинарную связь, а между мономерами образуются новые связи C–C. Полная формула полимера имеет вид [–CH₂–CH₂–]ₙ.

2. Степень полимеризации полиэтилена

Условие: Mᵣ полимерной молекулы равна 28 000, а масса структурного звена равна 28. Требуется найти n. Поскольку макромолекула состоит из одинаковых звеньев, её массу делят на массу одного звена.

1. Используем формулу n = Mᵣ(полимера) / Mᵣ(звена).
2. Подставляем данные: n = 28 000 / 28.
3. Выполняем деление: n = 1000.

Ответ: степень полимеризации равна 1000. Это означает, что в рассматриваемой макромолекуле примерно тысяча структурных звеньев –CH₂–CH₂–. Чем больше n при неизменной массе звена, тем выше относительная молекулярная масса цепи.

3. Реакция аминокислоты

Условие: аминокислота соединяется в полимерную цепь, при этом выделяется вода. Нужно определить тип реакции. Для классификации достаточно установить, появился ли низкомолекулярный побочный продукт.

1. Аминокислота содержит функциональные группы –NH₂ и –COOH, способные вступать в реакцию друг с другом.
2. При образовании пептидной связи отщепляются H₂O от фрагментов –OH и –H.
3. Так как вместе с цепью образуется вода, процесс относят к поликонденсации.

Ответ: это поликонденсация. Её признак — выделение воды, то есть низкомолекулярного вещества. Получаемая цепь содержит повторяющиеся пептидные фрагменты, как в белках.

Типичные ошибки

Ошибка: считать мономер и структурное звено одним и тем же. Её допускают, потому что звено сохраняет часть состава исходной молекулы, но при реакции связи перестраиваются. Проверьте себя: сравните формулу мономера и фрагмент в скобках, особенно наличие кратной связи.

Ошибка: записывать формулу полимера без скобок и индекса n. Так поступают, когда воспринимают полимер как одну обычную молекулу, а не повторяющуюся цепь. Проверка проста: должны быть видны границы звена и число его повторений, например [–CH₂–CH₂–]ₙ.

Ошибка: смешивать полимеризацию с поликонденсацией. Причина — у обеих реакций образуются длинные цепи, однако решающим признаком является выделение низкомолекулярного вещества. Проверьте уравнение: есть H₂O, HCl или другая небольшая молекула — это поликонденсация.

Ошибка: при расчёте n делить массу звена на массу макромолекулы. Такой порядок даёт число меньше единицы и противоречит смыслу степени полимеризации. Используйте обратное отношение: n = Mᵣ макромолекулы / Mᵣ структурного звена.

Связь с другими темами

Для понимания полимеров нужны знания о строении органических молекул, валентности углерода и кратных связях. Они помогают увидеть, какие атомы соединяются при раскрытии двойной связи и как формируется цепь. Без этого трудно правильно вывести структурное звено.

Реакции присоединения объясняют полимеризацию, а функциональные группы — поликонденсацию. По группам –COOH, –NH₂ и другим можно определить, способен ли мономер образовывать цепь с отщеплением небольших молекул. Эти связи между темами помогают классифицировать незнакомые реакции.

Тема используется при изучении пластмасс, волокон, каучуков, белков и других материалов. Строение полимера связывает химическую формулу с практическими свойствами изделия. Поэтому знания о полимерах нужны для понимания материалов быта, медицины и техники.

Что запомнить

• Полимер состоит из макромолекул с повторяющимися структурными звеньями.
• Мономер — исходное вещество для получения полимера.
• Структурное звено записывают в скобках, а число повторений обозначают индексом n.
• При полимеризации мономеры соединяются без выделения низкомолекулярного побочного продукта.
• При поликонденсации обычно выделяется низкомолекулярное вещество, например вода.
• Степень полимеризации показывает число звеньев в макромолекуле.