10.1. Общие представления

Определения и обозначения

Полимер — высокомолекулярное соединение, молекулы которого состоят из многократно повторяющихся звеньев. В отличие от низкомолекулярного вещества, его макромолекула содержит много связанных между собой фрагментов, поэтому имеет большую молекулярную массу. Именно такое строение лежит в основе многих свойств полимерных материалов.

Мономер — исходное низкомолекулярное вещество, из которого образуется полимер. Его молекулы вступают в химическую реакцию и соединяются в длинные цепи или сетки. Зная мономер, можно понять, из каких исходных частиц получают полимер.

Структурное звено — повторяющаяся часть цепи макромолекулы. В формуле полимера это фрагмент в квадратных скобках, например [–CH₂–CH₂–]ₙ. Выделение звена позволяет увидеть, какое строение многократно повторяется.

Степень полимеризации — число структурных звеньев в одной макромолекуле. Его обозначают n и записывают у скобок с повторяющимся звеном. Для реального образца обычно указывают среднюю степень полимеризации, поскольку отдельные цепи имеют неодинаковую длину.

Как это устроено

При образовании полимера небольшие молекулы мономера соединяются друг с другом, и их фрагменты становятся частью одной длинной макромолекулы. Так в цепи много раз повторяется определённый структурный фрагмент. Поскольку в ней объединено множество таких фрагментов, молекулярная масса полимера значительно превосходит массу одной молекулы мономера. Число повторов зависит от того, насколько длинной выросла каждая цепь.

Чтобы записать формулу полимера, сначала рассматривают формулу мономера и выясняют, какие атомы и связи сохраняются в цепи после реакции. Затем выделяют повторяющийся фрагмент и заключают его в квадратные скобки, а рядом ставят индекс n. Например, этилен CH₂=CH₂ образует полиэтилен с повторяющимся звеном –CH₂–CH₂–; двойная связь превращается в простую, а атомы углерода входят в цепь. Поэтому состав звена устанавливают с учётом превращения мономера, а не простым копированием его формулы.

В ходе получения материала не все молекулы растут одинаково долго: одни цепи прекращают удлиняться раньше, другие продолжают присоединять звенья. В результате образец содержит макромолекулы с разным числом повторов. Запись [звено]ₙ показывает общий принцип строения, но n не следует считать одним и тем же точным числом для каждой молекулы. Для характеристики образца используют среднюю степень полимеризации и среднюю молекулярную массу.

По происхождению полимеры делят на природные, искусственные и синтетические. Природные существуют в организмах и природе: к ним относятся крахмал, целлюлоза, белки и природный каучук. Искусственные получают химической переработкой природных полимеров, например из целлюлозы производят некоторые волокна. Синтетические создают из низкомолекулярных исходных веществ; примеры — полиэтилен и поливинилхлорид.

Цепи полимеров могут быть линейными, разветвлёнными или соединёнными в пространственную сетку. Линейные макромолекулы способны сближаться и перепутываться, а боковые ответвления меняют плотность их упаковки и взаимодействие. В пространственном полимере цепи связаны поперечными связями, поэтому материал может быть жёстким и не плавиться как обычный термопласт. Различия в устройстве цепей отражаются на прочности, гибкости и поведении материала при нагревании.

Общие характеристики полимеров

Сначала по таблице определяют, какой именно признак полимера рассматривается: состав звена, длина цепи, происхождение или устройство макромолекулы. Затем сопоставляют вариант с пояснением и примером. Это помогает не смешивать разные основания классификации.

Разбор задач

Задача 1. Для полиэтилена с повторяющимся звеном –CH₂–CH₂– запишите формулу макромолекулы и назовите структурное звено.

1. Выделяем фрагмент, который повторяется в цепи: –CH₂–CH₂–.
2. Заключаем его в квадратные скобки, чтобы показать повторение, и ставим индекс n: [–CH₂–CH₂–]ₙ.
3. Называем повторяющийся фрагмент структурным звеном полиэтилена.

Ответ: формула макромолекулы — [–CH₂–CH₂–]ₙ; структурное звено — –CH₂–CH₂–.

Задача 2. Средняя молекулярная масса полимера равна 28 000, а молекулярная масса его структурного звена — 28. Найдите среднюю степень полимеризации.

1. Одно звено вносит в макромолекулу массу 28, а вся средняя макромолекула — 28 000.
2. Чтобы определить число звеньев, делим массу макромолекулы на массу одного звена: n = 28 000 / 28.
3. Вычисляем частное: n = 1000. Так как исходная молекулярная масса средняя, результат также характеризует среднее число звеньев.

Ответ: средняя степень полимеризации равна 1000.

Задача 3. У образца A средняя степень полимеризации 500, у образца B — 800. Сравните среднюю длину цепей и среднюю молекулярную массу, если звено у них одинаковое.

1. Сопоставляем числа повторов: 800 больше 500, значит, в среднем в цепи B больше звеньев.
2. При одинаковом звене цепь с большим числом повторов длиннее, поэтому средняя длина макромолекул B больше.
3. Среднюю молекулярную массу можно оценить как n, умноженное на массу звена. Масса звена одинакова, следовательно, большая степень полимеризации означает большую среднюю молекулярную массу.

Ответ: более длинные цепи и большая средняя молекулярная масса у образца B.

Типичные ошибки

Не следует считать мономер и структурное звено одним и тем же. Мономер — исходная молекула, а звено — фрагмент, который оказался в цепи после реакции; при этом состав или характер связей может измениться. Путаница возникает, если формулу полимера получают механическим повторением формулы мономера. Проверьте себя: проследите, какие связи изменились и какие атомы вошли в цепь.

Индекс n в записи полимера не означает, что все молекулы образца имеют одинаковую длину. Он показывает повторение звена, а для реального материала чаще всего соответствует усреднённому числу звеньев. Ошибка возникает из-за привычки воспринимать индекс как точное значение для каждой молекулы. Проверка проста: вспомните, что образец состоит из множества отдельных макромолекул, которые могли вырасти до разной длины.

Искусственные и синтетические полимеры различаются способом происхождения. Искусственные получают химической переработкой природного полимера, а синтетические — синтезом из низкомолекулярных веществ. Их часто путают, потому что оба типа производят с участием химических процессов. Для проверки выясните, было ли исходное вещество природным полимером или небольшими молекулами-мономерами.

Полимер не обязательно имеет только линейные цепи. Возможны ответвления и пространственные связи между макромолекулами, которые образуют сетчатую структуру. Линейную схему проще представить и нарисовать, поэтому её ошибочно принимают за единственный вариант. Проверьте себя: уточните, есть ли боковые ветви или поперечные связи, соединяющие цепи.

Связь с другими темами

Для понимания строения полимеров нужны знания о строении органических веществ, ковалентной связи и структурных формулах: они помогают проследить, как соединяются атомы в цепь. Понятия мономера и структурного звена понадобятся при изучении полимеризации и поликонденсации, то есть способов получения полимеров. Представления о макромолекулах также объясняют, почему пластмассы, волокна и каучуки обладают разными свойствами и находят разное применение.

Что запомнить

• Полимер состоит из макромолекул, построенных из повторяющихся структурных звеньев.
• Мономер — исходное вещество для получения полимера.
• Формулу повторяющегося звена обычно заключают в скобки и указывают индекс n.
• Степень полимеризации показывает число звеньев в цепи; для образца приводят среднее значение.
• Полимеры различают по происхождению и по строению макромолекул.
• Свойства полимера зависят, в частности, от длины и строения его цепей.