§ 54. Полимеры

Определения и обозначения

Полимер — высокомолекулярное соединение, молекулы которого состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Крупную молекулу такого вещества называют макромолекулой. Её относительная молекулярная масса показывает, во сколько раз масса молекулы больше 1/12 массы атома углерода-12. Понятие помогает понять, почему свойства полимеров отличаются от свойств небольших молекул.

Мономер — исходное низкомолекулярное вещество, из молекул которого образуется полимер. Например, этилен служит мономером для получения полиэтилена. Название и формула мономера нужны, чтобы записать реакцию получения полимера. По ним можно проследить, какие атомы входят в цепь.

Структурное звено — повторяющаяся часть цепи полимера. При полимеризации оно образуется из молекулы мономера, но связь между атомами может измениться. Так, из этилена CH₂=CH₂ получается звено –CH₂–CH₂–. Звено позволяет показать устройство цепи, не выписывая огромную формулу целиком.

Полимеризация — реакция соединения молекул мономера в макромолекулу без выделения побочных веществ. При таком превращении молекулы становятся частями одной длинной цепи. Это понятие описывает способ получения многих распространённых пластмасс. Оно также помогает отличать полимеризацию от реакций, в которых образуются дополнительные вещества.

Как это устроено

Полимеры называют высокомолекулярными, потому что одна их молекула включает множество атомов и повторяющихся звеньев. Чем больше звеньев в цепи, тем больше размер макромолекулы и её относительная молекулярная масса. Число звеньев не обязательно одинаково у всех молекул одного вещества, поэтому обычно указывают n, а не точное значение. Благодаря длинным цепям полимеры могут обладать свойствами, нехарактерными для маленьких молекул.

В молекуле этилена CH₂=CH₂ между атомами углерода есть двойная связь. При полимеризации одна её составляющая перестраивается, и у атомов появляются возможности соединиться с соседними молекулами. Так возникает непрерывная цепь с одинарными связями между атомами углерода: –CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–. Двойная связь нужна мономеру для реакции, а после соединения молекул она уже не сохраняется в звеньях полиэтилена.

Уравнение полимеризации записывают так: nCH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)ₙ. Слева находится формула мономера, а справа — структурное звено в скобках с индексом n. Скобки показывают, что указанная часть повторяется, а индекс обозначает число таких частей в макромолекуле. Отдельный знак n не является частью формулы одного звена и не задаёт точное число для каждой цепи.

Связь между исходным веществом и продуктом видна на нескольких примерах: этилен превращается в полиэтилен, пропилен — в полипропилен, винилхлорид — в поливинилхлорид. Стирол служит мономером для получения полистирола. Во всех случаях мономер содержит атомы, которые войдут в цепь, а при полимеризации его молекула перестраивается. Сопоставление названий и формул помогает не перепутать исходное вещество с полученным материалом.

Свойства полимера зависят от того, какие атомы входят в цепь и как они расположены. Состав и строение влияют, например, на прочность, гибкость и устойчивость материала к нагреванию или химическим воздействиям. Поэтому из разных полимеров изготавливают изделия с разными задачами: упаковку, трубы, волокна или детали. Подбирая полимер, учитывают, какие свойства нужны готовому изделию.

Мономеры и полимеры: состав и получение

Чтобы пользоваться таблицей, проследи строку слева направо: сначала указан мономер, затем полимер и повторяющееся звено. Применение приведено как примеры изделий, а не как полный перечень возможных использований. Сравнение строк показывает, что боковые группы в звене могут различаться, хотя принцип получения остаётся сходным.

Разбор задач

1. Определите мономер, из которого получают полиэтилен, если его структурное звено имеет вид –CH₂–CH₂–.

В условии дано повторяющееся звено, а требуется восстановить исходную молекулу. При полимеризации алкена двойная связь раскрывается, поэтому для обратного перехода её нужно вернуть между двумя атомами углерода звена. Это позволяет получить формулу мономера, не меняя состав атомов. Затем остаётся назвать полученное вещество.

1. Найдём в звене два соседних атома углерода: –CH₂–CH₂–.
2. Восстановим между ними двойную связь и запишем CH₂=CH₂.
3. По формуле определим название вещества — этилен.

Ответ: мономер полиэтилена — этилен CH₂=CH₂.

2. Запишите уравнение полимеризации пропилена и обозначьте структурное звено полученного полимера.

Формула пропилена — CH₂=CH–CH₃. В ходе реакции двойная связь между первыми двумя атомами углерода раскрывается, а эти атомы соединяются с соседними молекулами. Группа CH₃ остаётся присоединённой к одному из атомов углерода цепи. Поэтому сначала составим звено, сохранив все атомы исходного мономера, а затем запишем его повторение.

1. Запишем исходный мономер: CH₂=CH–CH₃.
2. Заменим двойную связь в цепи на одинарную и обозначим связи с соседними звеньями: –CH₂–CH(CH₃)–.
3. Поставим n перед мономером и заключим звено в скобки: nCH₂=CH–CH₃ → (–CH₂–CH(CH₃)–)ₙ.

Ответ: структурное звено полипропилена — –CH₂–CH(CH₃)–.

3. Относительная молекулярная масса одной макромолекулы полиэтилена равна 28 000. Оцените число структурных звеньев в ней.

Макромолекула полиэтилена состоит из звеньев –CH₂–CH₂–, каждое из которых имеет состав C₂H₄. Найдём относительную молекулярную массу одного звена по относительным атомным массам углерода и водорода. Затем разделим массу всей макромолекулы на массу звена. Получится оценка числа повторов, поскольку величина молекулярной массы и количество звеньев обычно рассматриваются приближённо.

1. В звене два атома углерода и четыре атома водорода: Mr(C₂H₄) = 2 · 12 + 4 · 1 = 28.
2. Разделим массу макромолекулы на массу одного звена: 28 000 : 28 = 1000.
3. Полученное число и есть примерное количество повторяющихся звеньев.

Ответ: в макромолекуле около 1000 структурных звеньев.

Типичные ошибки

Путать мономер и структурное звено. Мономер — исходная отдельная молекула, а звено — повторяющаяся часть уже образованной цепи. Путаница возникает потому, что у них часто одинаковый набор атомов. Проверь себя: мономер записывается до реакции, а звено — внутри скобок в формуле полимера.

Оставлять двойную связь в звене полиэтилена. Так происходит, если перенести формулу этилена в цепь, не учитывая ход реакции. При полимеризации двойная связь раскрывается, а атомы углерода получают связи с соседними звеньями. Проверь формулу: в –CH₂–CH₂– между атомами углерода должна быть одинарная связь.

Считать n частью формулы отдельного звена. Индекс ставят рядом со скобками, потому что он показывает число повторов целого звена. Ошибка появляется, когда n принимают за обозначение атома или группы. Чтобы проверить себя, прочитай запись (–CH₂–CH₂–)ₙ как «звено повторяется n раз».

Записывать побочные продукты при полимеризации алкенов. Их могут ошибочно добавлять по аналогии с другими типами реакций. При полимеризации молекулы алкена соединяются, не выделяя побочное вещество, поэтому все атомы мономера входят в полимер. Проверь уравнение: состав звена должен соответствовать составу одной молекулы мономера.

Связь с другими темами

Для понимания полимеризации нужны знания о строении органических молекул, валентности углерода и водорода и формулах алкенов. Особенно важно уметь находить двойную связь: именно её изменение помогает объяснить образование цепи. Позже понятие пригодится при изучении пластмасс, синтетических волокон и каучуков. Оно также связано со способами переработки полимерных материалов и выбором их применения.

Что запомнить

• Полимер состоит из множества повторяющихся структурных звеньев.
• Мономер — исходное вещество для получения полимера.
• При полимеризации молекулы мономера соединяются в макромолекулу.
• У алкенов при полимеризации раскрывается двойная связь.
• Индекс n обозначает число структурных звеньев в макромолекуле.
• Свойства полимера связаны с его строением и составом.