6.1. Общая характеристика

Определения и обозначения

Высокомолекулярное соединение — вещество, состоящее из макромолекул с большой относительной молекулярной массой. Макромолекула — очень крупная молекула, которую удобно представлять длинной цепью. Этот термин помогает отличать полимеры от обычных веществ с небольшими молекулами.

Мономер — низкомолекулярное вещество, из остатков которого построена макромолекула. Он служит исходным материалом для получения полимера. Зная мономер, можно понять, из каких атомов и связей образуется цепь.

Полимер — высокомолекулярное соединение, образованное повторяющимися структурными звеньями. Такие соединения встречаются в природных материалах и широко используются человеком. Понятие полимера позволяет объединить вещества с разным составом, но сходным принципом строения.

Структурное звено — повторяющаяся часть цепи полимера. Число звеньев в макромолекуле называют степенью полимеризации и обозначают n. Зная состав звена и n, можно оценить относительную молекулярную массу цепи.

Как это устроено

Длинная макромолекула возникает, когда многие молекулы мономера соединяются друг с другом. При этом в исходных молекулах могут изменяться связи, а их атомы выстраиваются в повторяющийся фрагмент цепи. Например, при образовании полиэтилена раскрывается двойная связь этена, и молекулы соединяются в последовательность звеньев –CH₂–CH₂–.

У полимера нет одной точно заданной молекулярной массы для всех его частиц. Во время образования и обработки вещества цепи растут неодинаково: одни включают больше звеньев, другие — меньше. Поэтому относительную молекулярную массу часто указывают диапазоном или средним значением, а не числом для единственной молекулы.

Макромолекулы могут иметь линейное, разветвлённое или пространственное строение. В линейной цепи звенья соединены последовательно, в разветвлённой от основной цепи отходят боковые участки, а в пространственной цепи связаны между собой в разных направлениях. Разветвления и поперечные связи мешают цепям свободно перемещаться, поэтому влияют на твёрдость, эластичность и поведение при нагревании.

Малая плотность многих полимеров связана с тем, что их вещества состоят главным образом из лёгких атомов, например углерода и водорода. Прочность возникает благодаря длинным цепям и взаимодействию между ними: нагрузка может распределяться между множеством участков. Химическая устойчивость объясняется прочными связями в цепях и зависит от их состава; это не означает, что любой полимер устойчив ко всем реагентам.

Природные полимеры образуются в живых организмах: к ним относятся белки, крахмал и целлюлоза. Синтетические полимеры получают химическим синтезом из исходных веществ, а искусственные создают переработкой природных полимеров. Такое различие говорит о происхождении материала, а не само по себе о его прочности или безопасности.

Сравнение низкомолекулярных веществ и полимеров

Сравнивайте вещества по всему набору признаков: один показатель сам по себе не определяет, является ли вещество полимером. Указанные свойства типичны, но зависят от конкретного состава и строения. Например, способность растворяться определяется не только размером молекул, но и взаимодействием вещества с растворителем.

Разбор задач

Определите мономер и структурное звено полиэтилена по формуле макромолекулы [–CH₂–CH₂–]ₙ. Нужно отделить повторяющуюся часть уже образованной цепи от исходного вещества, из которого она могла возникнуть. При полимеризации алкена двойная связь превращается в одинарную, а атомы углерода соединяются в цепь.

1. Выделяем фрагмент, который повторяется в скобках: –CH₂–CH₂–.
2. Это структурное звено полиэтилена. В нём два атома углерода и четыре атома водорода, то есть состав C₂H₄.
3. Чтобы восстановить мономер, учитываем образование полимера из алкена: у исходного этена между атомами углерода была двойная связь. Его формула CH₂=CH₂.

Ответ: мономер — этен CH₂=CH₂, структурное звено — –CH₂–CH₂–. Проверка: при соединении молекул этена двойная связь раскрывается, а состав повторяющегося фрагмента сохраняется.

Рассчитайте относительную молекулярную массу макромолекулы полиэтилена со степенью полимеризации 500. Степень полимеризации показывает, сколько звеньев входит в одну цепь. Предполагаем, что цепь состоит из 500 одинаковых звеньев и при расчёте учитываем их суммарный вклад.

1. Записываем состав звена полиэтилена: –CH₂–CH₂–, то есть C₂H₄.
2. Вычисляем относительную молекулярную массу звена: Mr = 2 × 12 + 4 × 1 = 28.
3. Умножаем массу одного звена на число звеньев: Mr(макромолекулы) ≈ 28 × 500 = 14 000.

Ответ: относительная молекулярная масса равна примерно 14 000. Знак приближения уместен, поскольку в реальных расчётах могут учитывать концевые группы цепи, а степень полимеризации указывает число повторяющихся звеньев.

Сравните линейный, разветвлённый и пространственный полимеры и объясните различия их свойств. Здесь нужно связать форму макромолекул с их подвижностью и возможностью перемещаться относительно друг друга. Чем больше связей между отдельными цепями, тем труднее им сдвигаться.

1. У линейного полимера цепи не имеют боковых ответвлений; они могут скользить друг относительно друга. Поэтому такой материал может быть гибким, а при нагревании — размягчаться и плавиться.
2. В разветвлённом полимере боковые цепи затрудняют плотную упаковку основных цепей. Это меняет прочность и гибкость материала; точный результат зависит от числа и длины разветвлений.
3. В пространственном полимере цепи связаны поперечными связями. Такая структура ограничивает их движение, поэтому материал часто прочен и упруг, но обычно не плавится как линейный полимер, а при сильном нагревании разрушается.

Ответ: линейные цепи обычно подвижнее, разветвления мешают их плотной упаковке, а пространственные связи фиксируют цепи. По этой причине пространственные полимеры часто сохраняют форму и хуже поддаются плавлению. Однако прочность и эластичность зависят также от состава, количества связей и условий обработки.

Типичные ошибки

Считать мономер и структурное звено одним и тем же — ошибка: первый является исходным веществом, второе входит в готовую цепь. Путаница возникает потому, что их атомный состав иногда совпадает, как у этена и звена полиэтилена. Проверьте себя: мономер записывают до полимеризации, а звено — внутри скобок формулы полимера.

Записывать для полимера формулу отдельного мономера вместо повторяющегося звена неправильно. Так делают, если замечают лишь исходное вещество и не учитывают, что после реакции его связи меняются. Проверьте формулу: звено должно показывать фрагмент цепи с продолжением связей влево и вправо, например [–CH₂–CH₂–]ₙ.

Нельзя считать, что все макромолекулы одного полимера имеют одинаковую молекулярную массу. При образовании вещества цепи получают разную длину, поэтому число звеньев в них отличается. Проверка простая: если степень полимеризации не задана для конкретной цепи, одного точного значения массы обычно недостаточно.

Переносить свойства мономера на полимер без проверки тоже неверно. После реакции меняются связи и строение вещества, а вместе с ними могут измениться растворимость, агрегатное состояние и другие свойства. Сравнивайте формулы и строение исходного вещества и готового материала, а свойства устанавливайте для каждого из них отдельно.

Связь с другими темами

Для понимания полимеров нужны знания о строении органических веществ, валентности углерода и двойной связи. Они помогают увидеть, как молекулы мономера соединяются и как получается повторяющееся звено. Позже эти представления пригодятся при изучении полимеризации и поликонденсации — способов образования полимеров.

Понятия о макромолекулах помогают объяснять свойства пластмасс, каучуков и волокон. Они важны и при изучении биополимеров — белков, крахмала и целлюлозы. Сопоставляя строение этих материалов, можно понять, почему вещества с цепями разного состава и формы ведут себя неодинаково.

Что запомнить

• Полимер состоит из повторяющихся структурных звеньев.
• Мономер является исходным веществом для получения полимера.
• Макромолекулы имеют большую относительную молекулярную массу.
• Степень полимеризации показывает число структурных звеньев в цепи.
• Цепи полимеров могут быть линейными, разветвлёнными и пространственными.
• Строение макромолекул определяет физические свойства полимера.