"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Полимеры — вещества, макромолекулы которых построены из множества повторяющихся звеньев. Они нужны для изготовления пластмасс, волокон, резины и многих других материалов. Их свойства определяются не только составом звеньев, но и длиной цепей, их разветвлённостью и связями между ними. Понимание строения полимера помогает объяснить, как из небольших молекул получают материалы с заданной прочностью, эластичностью или термостойкостью.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Полимер — высокомолекулярное соединение, молекулы которого состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Такие молекулы называют макромолекулами. Их большой размер и устройство цепей влияют на прочность, гибкость и другие свойства вещества.
Мономер — исходное низкомолекулярное вещество, из молекул которого образуется полимер. Например, этен служит мономером для полиэтилена, а пропен — для полипропилена. Название и строение мономера помогают предсказать состав будущей цепи.
Структурное звено — повторяющийся фрагмент цепи полимера. Его обычно заключают в квадратные скобки, например [–CH₂–CH₂–]ₙ для полиэтилена. Эта запись показывает, какая часть макромолекулы многократно повторяется.
Степень полимеризации — число структурных звеньев в макромолекуле. Её обозначают индексом n у скобок, а для оценки находят отношение молекулярной массы полимера к массе звена. В образце полимера цепи различаются по длине, поэтому рассчитанное значение обычно среднее.
При образовании полимера множество молекул мономера соединяется в длинную цепь — макромолекулу. Если в мономере есть кратная связь, она часто раскрывается, и освободившиеся валентности связывают соседние молекулы. Число повторов показывают индексом n за квадратными скобками, а не перечисляют каждое звено отдельно.
Полимеризация и поликонденсация — разные способы образования полимеров. При полимеризации молекулы мономера объединяются, но их атомы входят в цепь без выделения воды или другого малого продукта. При поликонденсации связи между исходными молекулами образуются с выделением низкомолекулярного вещества, поэтому состав звена и уравнение реакции нужно записывать с учётом этого продукта.
Покажем связь формулы мономера со звеном на примере этена CH₂=CH₂. При полимеризации его двойная связь становится одинарной, а атомы углерода связываются с соседними звеньями. Уравнение записывают так: nCH₂=CH₂ → [–CH₂–CH₂–]ₙ; продукт — полиэтилен, а звено имеет состав C₂H₄.
Состав исходных веществ задаёт, какие атомы и группы окажутся в цепи, а условия и способ получения могут влиять на расположение звеньев и соединение цепей. В линейном полимере цепи не имеют боковых ответвлений, поэтому могут сравнительно плотно упаковываться. Разветвления мешают плотному расположению, а пространственные связи между цепями ограничивают их движение и обычно делают материал жёстче.
Природные полимеры образуются в живых организмах: к ним относятся белки, крахмал, целлюлоза и натуральный каучук. Искусственные получают химической переработкой природных полимеров, например целлюлозы; к таким материалам относят вискозное волокно. Синтетические полимеры создают из мономеров промышленным способом, например полиэтилен и поливинилхлорид.
В таблице сопоставлены исходное вещество, повторяющийся фрагмент и способ получения нескольких полимеров. Для полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида и полистирола мономер присоединяется при раскрытии двойной связи; натуральный каучук получают из изопрена. Используйте формулы звеньев, чтобы увидеть, какие части молекул сохраняются в цепи, а сведения о применении связывают строение материала с его ролью.
| Полимер | Мономер или исходное вещество | Структурное звено | Способ получения | Применение или значение |
|---|---|---|---|---|
| Полиэтилен | Этен CH₂=CH₂ | [–CH₂–CH₂–]ₙ | Полимеризация этена | Плёнки, упаковка, трубы |
| Полипропилен | Пропен CH₂=CH–CH₃ | [–CH₂–CH(CH₃)–]ₙ | Полимеризация пропена | Упаковка, волокна, детали изделий |
| Поливинилхлорид | Винилхлорид CH₂=CHCl | [–CH₂–CHCl–]ₙ | Полимеризация винилхлорида | Трубы, изоляция кабелей, покрытия |
| Полистирол | Стирол CH₂=CH–C₆H₅ | [–CH₂–CH(C₆H₅)–]ₙ | Полимеризация стирола | Упаковка, теплоизоляционные материалы |
| Натуральный каучук | Изопрен CH₂=C(CH₃)–CH=CH₂ | [–CH₂–C(CH₃)=CH–CH₂–]ₙ | Природная полимеризация изопрена в растениях | Эластичный материал, сырьё для резины |
Задача 1. Запишите структурное звено и уравнение полимеризации этена. При составлении ответа нужно показать, какая часть исходной молекулы повторяется в цепи. Главное — не оставить двойную связь между атомами углерода, участвующими в образовании цепи.
Ответ: звено полиэтилена — [–CH₂–CH₂–], уравнение: nCH₂=CH₂ → [–CH₂–CH₂–]ₙ.
Задача 2. Определите мономер для полимера со звеном [–CH₂–CHCl–]ₙ и назовите полимер. Сначала найдём атомы, составляющие звено, а затем восстановим исходную кратную связь. Атом хлора остаётся присоединённым к одному из атомов углерода.
Ответ: мономер — CH₂=CHCl, винилхлорид; полимер — поливинилхлорид.
Задача 3. Средняя относительная молекулярная масса полиэтилена равна 28 000. Оцените степень полимеризации, если звено имеет состав C₂H₄. Сравним массу всей макромолекулы с массой одного повторяющегося фрагмента. Полученное значение будет приближённым, поскольку образец содержит цепи разной длины.
Ответ: средняя степень полимеризации полиэтилена составляет примерно 1000.
Мономер иногда принимают за структурное звено, потому что оба понятия связаны с повторяющимся строением полимера. Но мономер — отдельная исходная молекула, а звено — часть уже сформированной цепи. Проверьте себя: можно ли показать звено внутри скобок с индексом n, а мономер записать отдельно как реагент?
При составлении звена нередко сохраняют двойную связь мономера. Ошибка возникает, если формулу переносят в скобки, не учитывая изменение связей при полимеризации. Проверьте, что между атомами углерода цепи обычно остаётся одинарная связь, а у каждого атома есть возможность соединиться с соседним звеном.
Полимеризацию путают с реакциями, при которых выделяется вода, поскольку оба процесса приводят к крупным молекулам. Однако выделение низкомолекулярного продукта обычно характерно для поликонденсации, а не для обычной полимеризации. Проверка проста: проследите, входят ли атомы мономера в цепь без образования отдельного продукта.
Индекс n иногда считают точным числом молекул во всякой макромолекуле. Такое прочтение не учитывает, что реальный образец обычно содержит цепи разной длины и n используют как среднюю характеристику. При решении задачи проверьте формулировку: если дана средняя молекулярная масса, то и полученная степень полимеризации будет приближённой средней оценкой.
Для понимания полимеров нужны знания о строении органических молекул, кратных связях и структурных формулах: именно изменение связей помогает составить звено. Эти понятия пригодятся при изучении пластмасс, каучуков, волокон и способов переработки полимерных материалов. Связь между строением макромолекул и свойствами позволяет объяснять выбор материала для конкретного изделия и оценивать его влияние на окружающую среду.
Чем мономер отличается от структурного звена?
Мономер — исходная молекула, из которой получают полимер. Структурное звено — повторяющийся фрагмент уже образовавшейся макромолекулы. При полимеризации их формулы могут различаться, например двойная связь этена превращается в одинарные связи цепи.
Как по структурному звену определить исходный мономер?
Нужно восстановить в звене связь, которая была изменена при образовании цепи, и вернуть молекуле исходное строение. Для звена [–CH₂–CHCl–] мономером будет CH₂=CHCl — винилхлорид. Из него получают поливинилхлорид.
В чём главное различие полимеризации и поликонденсации?
При полимеризации мономеры соединяются в цепь без выделения низкомолекулярного продукта. При поликонденсации вместе с полимером обычно образуются вода или другие небольшие молекулы. Поэтому при записи уравнения поликонденсации нужно учитывать эти продукты.
Что показывает степень полимеризации?
Она показывает, сколько структурных звеньев в среднем приходится на одну макромолекулу. Её можно оценить, разделив относительную молекулярную массу полимера на относительную массу звена. Для реального образца результат обычно не является точным числом для каждой цепи.
Почему полимеры с разным строением цепей могут иметь разные свойства?
Линейные цепи могут плотнее располагаться и сильнее взаимодействовать друг с другом, а разветвления мешают плотной упаковке. Пространственные связи между цепями ограничивают их движение и часто делают материал более твёрдым и термостойким. Поэтому свойства зависят от того, как устроены и соединены макромолекулы.
§ 62. Полиме
