15.2. Разнообразие и физические свойства

Определения и обозначения

Полимер — вещество, состоящее из макромолекул, образованных повторяющимися структурными звеньями. Макромолекула настолько велика, что её свойства зависят от множества связанных фрагментов. Это определение помогает отличать полимеры от обычных низкомолекулярных веществ.

Мономер — исходное низкомолекулярное вещество, из которого получают полимер. Его молекулы вступают в реакцию и соединяются друг с другом. Знание мономера позволяет понять, из каких фрагментов построена будущая цепь.

Структурное звено — повторяющаяся часть макромолекулы, соответствующая фрагменту мономера. Оно показывает, какой участок цепи многократно повторяется. Мономер и звено не всегда имеют одинаковый состав, потому что при реакции могут отщепляться небольшие молекулы.

Степень полимеризации — число структурных звеньев в одной макромолекуле; обычно обозначается n. Её находят как отношение относительной молекулярной массы полимера к молекулярной массе звена: n = Mполимера / Mзвена. Чем больше n, тем длиннее цепь при прочих равных условиях.

Как это устроено

При полимеризации множество молекул мономера последовательно соединяется химическими связями. Если у мономера раскрывается кратная связь или есть две функциональные группы, одна молекула присоединяется к другой, а затем цепь продолжает расти. Поэтому из маленьких исходных молекул возникают длинные макромолекулы, а их масса становится во много раз больше массы мономера.

У линейного полимера звенья образуют одну длинную цепь без боковых ответвлений. В разветвлённом полимере от основной цепи отходят боковые цепи, поэтому макромолекулы хуже укладываются и слабее сближаются. В пространственном полимере соседние цепи соединены поперечными связями в сетку; она ограничивает движение цепей, повышает жёсткость и обычно препятствует плавлению.

Гомополимер построен из звеньев одного типа, происходящих от одного мономера. Сополимер содержит звенья двух или нескольких мономеров, причём они могут чередоваться, располагаться беспорядочно или образовывать блоки. Разный состав позволяет целенаправленно сочетать свойства исходных полимеров.

По происхождению полимеры делят на природные, например белки и целлюлозу, и синтетические, например полиэтилен. По составу различают органические, неорганические и элементоорганические соединения, а по способу получения — полимеры реакции присоединения и поликонденсации. Область применения зависит от набора свойств: из одних материалов делают упаковку, из других — волокна, резину или конструкционные детали.

Молекулярная масса влияет на длину цепей и обычно на прочность, но не определяет её единолично. Гибкие цепи легче распрямляются, поэтому материал может быть эластичным, а жёсткие цепи повышают сопротивление деформации. Разветвлённость ухудшает упаковку, тогда как упорядоченное расположение и сильное межмолекулярное взаимодействие увеличивают плотность, твёрдость и температуру размягчения.

Классификация полимеров и связь строения с физическими свойствами

Сначала определите, по какому признаку сравниваются вещества, а затем найдите соответствующую строку. Один и тот же полимер может одновременно иметь несколько характеристик: например, быть синтетическим, гомополимером и термопластом. Связь строения со свойствами удобнее устанавливать через подвижность цепей и возможность их плотной упаковки.

Разбор задач

Задача 1. Происхождение полимеров

Распределите полиэтилен, белок, целлюлозу и поливинилхлорид по группам природных и синтетических полимеров. Нужно определить не состав вещества, а способ его появления. Природными считают полимеры, образующиеся в организмах или природных процессах.

1. Белок и целлюлоза синтезируются живыми организмами, поэтому относятся к природным полимерам.
2. Полиэтилен и поливинилхлорид получают химическим синтезом из низкомолекулярных мономеров.
3. Записываем вещества в две группы, не смешивая происхождение с формой цепи или областью применения.

Ответ: природные — белок и целлюлоза; синтетические — полиэтилен и поливинилхлорид.

Задача 2. Строение и свойства

Сравните ожидаемые прочность, эластичность и способность к размягчению у линейного, разветвлённого и пространственного полимеров. Рассуждаем при одинаковом химическом составе, чтобы выделить влияние именно формы макромолекул. Это качественная задача, поэтому важнее объяснить тенденцию, чем назвать точные значения.

1. Линейные цепи могут сближаться и скользить друг относительно друга, поэтому материал обычно достаточно прочен и способен размягчаться при нагревании.
2. Разветвлённые цепи хуже упаковываются, что часто уменьшает плотность и прочность, но повышает гибкость и эластичность.
3. Пространственная сетка ограничивает движение цепей: прочность и жёсткость возрастают, эластичность становится ограниченной, а обычное плавление невозможно.

Ответ: линейный полимер обычно сочетает прочность с размягчением, разветвлённый более гибок, а пространственный наиболее жёсток и термостоек, но не переплавляется.

Задача 3. Степень полимеризации полиэтилена

Относительная молекулярная масса образца полиэтилена равна 28 000, а молекулярная масса структурного звена — 28. Найдите степень полимеризации. Сначала выбираем формулу, затем проверяем, что результат показывает число звеньев, а не массу.

1. Используем соотношение n = Mполимера / Mзвена.
2. Подставляем данные: n = 28 000 / 28 = 1000.
3. Единицы измерения сокращаются, поскольку обе величины относительные и выражены в одинаковых единицах.

Ответ: степень полимеризации равна 1000, то есть в данной макромолекуле в среднем содержится около 1000 структурных звеньев.

Типичные ошибки

Считать мономер и структурное звено одним и тем же веществом неправильно. Ошибка возникает из-за похожего названия исходного вещества и фрагмента цепи, но при реакции состав может измениться. Проверьте себя: сравните формулу мономера с формулой повторяющегося участка и учтите отщепление небольших молекул.

Высокая молекулярная масса не означает автоматически высокую прочность. Длинные цепи могут быть гибкими, плохо упаковываться или слабо взаимодействовать друг с другом. При проверке учитывайте не только длину, но и форму цепи, её упорядоченность и межмолекулярные силы.

Линейные, разветвлённые и пространственные полимеры иногда путают по схеме. У линейного полимера нет боковых ответвлений, у разветвлённого они отходят от основной цепи, а у пространственного есть поперечные связи между цепями. Для проверки проследите, можно ли пройти по одной цепи без перехода на соседнюю.

Нельзя считать, что всякая пластмасса многократно плавится и формуется. Такое поведение характерно для термопластов, а термореактивные полимеры после образования сетки при нагревании не переходят обратно в расплав. Уточните, есть ли между макромолекулами постоянные поперечные связи.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении органических веществ, химических связях, реакциях полимеризации и относительной молекулярной массе. Эти сведения позволяют объяснить образование цепей и вычислить степень полимеризации.

Тема служит основой для изучения получения и химических свойств полимеров, а также применения пластмасс, каучуков и волокон. В биологии она помогает связать строение белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот с их функциями.

Что запомнить

• Полимеры состоят из макромолекул, построенных из повторяющихся структурных звеньев.
• Мономер является исходным веществом, а структурное звено — частью макромолекулы.
• Макромолекулы могут иметь линейное, разветвлённое или пространственное строение.
• Свойства полимера зависят не только от состава, но и от строения и длины цепей.
• Термопласты при нагревании размягчаются обратимо, а термореактивные полимеры образуют пространственную сетку.
• Природные и синтетические полимеры различаются происхождением, но могут иметь сходные типы строения.