13.1. Общая характеристика

Определения и обозначения

Полимер — высокомолекулярное соединение, состоящее из многократно повторяющихся структурных звеньев. Иначе говоря, одна его молекула представляет собой очень длинную цепь или сетку из связанных фрагментов. Это понятие нужно, чтобы отличать такие вещества от соединений с небольшими молекулами и понимать, почему свойства материала определяются строением целой макромолекулы.

Мономер — низкомолекулярное вещество, из которого образуется полимер. Во время химической реакции молекулы мономера соединяются друг с другом, формируя длинную цепь или другую макромолекулу. Знание мономера позволяет представить, из какого исходного вещества получают полимер и какие изменения происходят при его образовании.

Структурное звено — повторяющаяся часть макромолекулы, соответствующая остатку мономера. Это не обязательно точная копия исходной молекулы: при реакции некоторые связи или группы мономера расходуются. Структурное звено удобно изображать в скобках, чтобы показать повторяющийся фрагмент и состав полимерной цепи.

Степень полимеризации — число структурных звеньев в макромолекуле. Её обозначают буквой n, например в записи (−CH₂−CH₂−)ₙ. Она показывает длину цепи в единицах повторяющегося фрагмента, а не массу молекулы; если известна масса одного звена, по n можно оценить относительную молекулярную массу полимера.

Как это устроено

Молекулы полимеров имеют огромную относительную молекулярную массу по сравнению с молекулами низкомолекулярных веществ. Причина в том, что в одной макромолекуле соединено множество небольших фрагментов, а связи между ними образуют длинные цепи. Такие цепи могут переплетаться и взаимодействовать, поэтому поведение всего материала не сводится к поведению отдельного небольшого соединения.

Макромолекула растёт, когда молекулы мономера последовательно соединяются, а один и тот же фрагмент повторяется много раз. Если повторяется одно структурное звено, цепь можно условно записать как (звено)ₙ; если звенья различаются, они тоже могут входить в одну макромолекулу в определённом порядке. Повторение и химическое соединение фрагментов превращают множество малых молекул в крупную молекулярную систему.

Состав структурного звена может отличаться от состава молекулы мономера, потому что при реакции расходуются связи или функциональные группы, обеспечивающие соединение молекул. Например, у этилена CH₂=CH₂ двойная связь раскрывается: атомы углерода образуют новые одинарные связи с соседними фрагментами цепи. Поэтому мономер — этилен, а структурное звено полиэтилена — −CH₂−CH₂−; записывать вместо них одно и то же нельзя.

По форме макромолекулы бывают линейными, разветвлёнными и пространственными. Линейная цепь не имеет боковых ответвлений, у разветвлённой от основной цепи отходят боковые участки, а в пространственной структуре цепи связаны друг с другом поперечными связями. Форма влияет на то, насколько плотно цепи упакованы и могут ли они перемещаться: это отражается на гибкости, прочности, растворимости и поведении при нагревании.

Химический состав не задаёт все свойства полимера, поскольку одинаковые по составу цепи могут иметь разную длину и форму, а также по-разному взаимодействовать между собой. Длинные цепи и прочные связи между ними способны сделать материал прочнее, но затруднить его растворение или размягчение. Поэтому при объяснении свойств учитывают степень полимеризации, пространственное строение и силы взаимодействия между макромолекулами, а не только формулу звена.

Зависимость свойств полимера от строения макромолекул

Сравнивайте сначала строение цепей, а затем связывайте его с упаковкой и подвижностью макромолекул. Таблица описывает общие закономерности: конкретные свойства зависят также от состава полимера и условий обработки.

Разбор задач

Мономер, звено и степень полимеризации полиэтилена

Условие. Укажите мономер, структурное звено и степень полимеризации полиэтилена, если его формулу записывают как (−CH₂−CH₂−)ₙ. Здесь требуется различить исходную молекулу и фрагмент, повторяющийся в макромолекуле. Индекс n задаёт число таких фрагментов.

1. Структурное звено видно внутри скобок: −CH₂−CH₂−.
2. Полиэтилен образуется из этилена CH₂=CH₂: его двойная связь раскрывается при соединении молекул.
3. Буква n обозначает число звеньев в рассматриваемой макромолекуле.

Ответ. Мономер — этилен CH₂=CH₂; структурное звено — −CH₂−CH₂−; степень полимеризации равна n. Мономер и звено различаются, поскольку двойная связь этилена при образовании цепи превращается в одинарную.

Средняя степень полимеризации полиэтилена

Условие. Средняя относительная молекулярная масса полиэтилена равна 28 000, а относительная молекулярная масса структурного звена равна 28. Нужно найти среднее число звеньев в макромолекуле. Используем связь между массой всей цепи и массой повторяющегося фрагмента.

1. Записываем соотношение Mr(полимера) = n · Mr(структурного звена).
2. Выражаем неизвестное: n = Mr(полимера) / Mr(структурного звена).
3. Подставляем значения: n = 28 000 / 28 = 1000.

Ответ. Средняя степень полимеризации равна 1000. Это оценка среднего числа звеньев, потому что в образце могут присутствовать макромолекулы разной длины.

Полиэтилен и фенолоформальдегидная смола

Условие. Сравните полиэтилен и фенолоформальдегидную смолу по строению макромолекул и объясните, почему первый размягчается при нагревании, а вторая после отверждения не плавится. Важно связать способность материала течь с тем, насколько свободно цепи перемещаются друг относительно друга. Одного сравнения химического состава для ответа недостаточно.

1. У полиэтилена макромолекулы преимущественно линейные; между цепями нет единой жёсткой пространственной сетки.
2. При нагревании цепи полиэтилена становятся подвижнее, могут смещаться, поэтому материал размягчается.
3. При отверждении смолы между макромолекулами возникают поперечные связи, образующие пространственную сетку.
4. Такая сетка не может свободно растекаться при нагревании; при достаточно высокой температуре она разрушается.

Ответ. Полиэтилен — преимущественно линейный термопластичный полимер, поэтому при нагревании он размягчается. Отверждённая фенолоформальдегидная смола имеет пространственное строение и не плавится; при сильном нагревании она разрушается.

Типичные ошибки

Называть мономер структурным звеном — значит смешивать исходное вещество с частью уже образованной цепи. Такую ошибку допускают, когда не учитывают, что при полимеризации кратная связь или функциональная группа может измениться. Проверьте себя: отдельно запишите формулу мономера и фрагмент полимера в скобках, затем сравните связи между атомами.

Степень полимеризации — не молекулярная масса, а количество структурных звеньев. Путаница возникает из-за того, что увеличение n обычно увеличивает и массу макромолекулы. Чтобы проверить ответ, вспомните соотношение Mr(полимера) ≈ n · Mr(звена): n является числом, а не массой.

Не каждый полимер представляет собой прямую линейную цепь: макромолекулы могут разветвляться или соединяться в пространственную сетку. Линейную формулу часто принимают за универсальную модель, потому что её проще изобразить. Проверьте вывод по описанию материала: наличие боковых ветвей или поперечных связей меняет тип строения.

Нельзя надёжно предсказать свойства полимера только по составу мономера. Ошибка появляется, если забыть о длине цепей, их форме и взаимодействиях между ними. Перед выводом о прочности, растворимости или нагревании проверьте, учтены ли степень полимеризации, упаковка макромолекул и наличие связей между цепями.

Связь с другими темами

Для понимания полимеров пригодятся знания о строении органических молекул, двойной связи, реакциях присоединения и относительной молекулярной массе. Эти идеи помогают объяснить образование цепи и рассчитывать число повторяющихся звеньев. Дальше тема понадобится при изучении полимеризации и поликонденсации, а также пластмасс, каучуков, волокон и биополимеров. На практике представление о строении помогает объяснять свойства и способы переработки полиэтилена, резины, синтетических волокон и смол.

Что запомнить

• Полимер состоит из многократно повторяющихся структурных звеньев.
• Мономер является исходным веществом для получения полимера.
• Степень полимеризации показывает число структурных звеньев в макромолекуле.
• Макромолекулы бывают линейными, разветвлёнными и пространственными.
• Свойства полимера зависят от длины и строения макромолекул.
• Линейные и разветвлённые полимеры обычно способны размягчаться при нагревании, а пространственные — после отверждения не плавятся.