Особую и очень важную группу органических веществ составляют высокомолекулярные соединения (ВМС), или полимеры. Они играют огромную роль в современном мире и становятся все более востребованными. Масса их молекул может достигать нескольких десятков тысяч и даже миллионов а. е. м.
Основные понятия
Чтобы начать изучение темы «Полимеры», необходимо ознакомиться с основными понятиями, которые в ней встречаются. Это упростит процесс понимания теоретического материала.
o Высокомолекулярные соединения (полимеры) — это вещества, молекулы которых имеют большую молекулярную массу и состоят из большого числа повторяющихся структурных звеньев, связанных между собой химическими связями.
o Макромолекула — молекула полимера.
o Мономер — низкомолекулярные соединения, из которых идёт образование полимеров.
o Структурное звено — группа атомов, многократно повторяющаяся в цепной макромолекуле.
o Степень полимеризации — число, показывающее количество элементарных звеньев в молекуле полимера, т.е. сколько молекул мономера содержится в молекуле полимера (макромолекуле).
Относительная молекулярная масса полимеров обычно не имеет постоянного значения, так как в состав одного и того же образца полимера входят макромолекулы различной длины. Молекулярная масса полимера представляет собой среднюю массу всех макромолекул, образующих его.
Полимеры отличаются следующими характеристиками:
- Прочными химическими связями вдоль цепи макромолекул;
- Относительно слабыми связями между макромолекулами, за исключением случаев пространственного сшивания полимеров.
Классификация
Существует несколько способов классификации полимеров, рассмотрим один из них, а именно: по происхождению. Они бывают природными, синтетическими (полученными из мономеров) и искусственными (полученными в результате химической обработки природных полимеров).
Способы получения
Также классифицировать полимеры можно по способу получения. Их существует два:
Полимеризация — процесс образования высокомолекулярного вещества (полимера) путём многократного присоединения молекул мономера к активным центрам в растущей молекуле полимера без образования побочного продукта.
Количество молекул мономера, которые объединяются в молекулу полимера, называют степенью полимеризации. Она обозначается буквой n и указывается в индексе после формулы полимера в скобках:
В реакцию полимеризации вступают соединения, в составе которых присутствуют кратные связи. В случае, когда все молекулы в составе полимера (мономеры) одинаковые, то процесс называется гомополимеризацией, а если мономеры различны – сополимеризацией.
Пример гомополимеризации:
Пример сополимеризации:
Подводя итог, полимеризация характеризуется следующими признаками:
- Основана на реакции присоединения, протекающей за счет разрыва π-связи и не сопровождающейся выделением побочного продукта;
- Является цепной реакцией, которая включает в себя три стадии: инициирование, рост и обрыв цепи;
- Одинаковый элементный состав (молекулярные формулы мономера и полимера идентичны).
Полимеры, получаемые реакцией полимеризации, и исходные мономеры:
Поликонденсация — процесс образования высокомолекулярных соединений из мономеров, сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных продуктов (чаще всего вода).
В реакцию вступают соединения, в состав которых входят функциональные группы. В основе реакции поликонденсации большинства синтетических полимеров лежат реакции образования амидов или сложных эфиров.
Аналогично реакциям полимеризации реакции поликонденсации делятся на гомополиконденсацию и сополиконденсацию.
Пример гомополиконденсации:
Пример сополиконденсации:
Характерными признаками поликонденсации являются:
- Поликонденсация основана на реакции замещения.
- Поликонденсация ступенчатый процесс, т.е. макромолекулы образовываются в результате последовательного взаимодействия мономеров, димеров или n-меров как между собой, так и друг с другом.
- Помимо высокомолекулярного соединения в реакции поликонденсации образуется побочное низкомолекулярное соединение (обычно это вода, может быть хлороводород).
Полимеры, получаемые реакцией полимеризации, и исходные мономеры:
Материалы на основе полимеров
Пластмассы представляют собой материалы, созданные на основе полимеров. Они обладают уникальной способностью принимать заданную форму под воздействием тепла и давления, а после охлаждения сохранять ее.
Кроме полимера, который является основным компонентом, в состав пластмасс входят и другие вещества. Высокомолекулярное вещество благодаря своим уникальным свойствам, объединяет все остальные компоненты в единую массу, поэтому его часто называют связующим.
В зависимости от того, как пластмассы реагируют на нагревание, их можно разделить на два основных типа: термопласты и реактопласты.
К термопластам относятся такие материалы, как полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид (ПВХ) и многие другие. Реактопластами же являются пластмассы на основе фенолформальдегидных смол.
Каучуки — высокоэластичные полимеры, углеродный скелет которых можно представить следующим образом: (–C–C=C–C–)n.
Как видно из этого структурного представления, в молекулах каучуков присутствуют двойные С=С связи, т.е. каучуки являются непредельными соединениями.
Каучуки получают путем полимеризации сопряженных диенов — соединений, в которых две двойные С=С связи разделены одной одинарной С-С связью.
Широко известными мономерами для получения каучуков являются:
- бутадиен: CH2=CH–CH=CH2
- изопрен: CH2=C(CH3)–CH=CH2
- хлоропрен: CH2=C(Cl)–CH=CH2
В общем виде полимеризация таких соединений с образованием каучуков может быть выражена схемой:
Несмотря на множество преимуществ, каучук также обладает рядом недостатков. Каучук состоит из длинных, химически не связанных между собой молекул, что делает его пригодным для использования только в определенном интервале температур. При высокой температуре каучук становится липким и даже немного текучим, появляется неприятный запах. При низких температурах он может затвердеть и потрескаться.
Однако, технические характеристики каучука можно значительно улучшить с помощью процесса вулканизации, т. е. процесса нагревания каучука в присутствии серы. В результате этого процесса отдельные, изначально не связанные между собой молекулы каучука «сшиваются» друг с другом, образуя цепочки из атомов серы, известные как полисульфидные «мостики». Это значительно улучшает свойства каучука, делая его более прочным и устойчивым к различным воздействиям окружающей среды.
Волокна — материалы на основе полимеров линейного строения, макромолекулы которых ориентированы почти параллельно друг другу. Их широко используют в быту и промышленности.
Рассмотрим классификацию волокон:
Природные (натуральные) волокна могут быть растительного или животного происхождения. Растительного происхождения — состоят из целлюлозы, животного происхождения — из белка. В природных волокнах (таких, как хлопковое, льняное) ориентация макромолекул полимера вдоль оси волокна осуществляется во время их роста.
Химические волокна получают химическими методами. Их производят из доступного сырья (древесина, сельскохозяйственные отходы, нефть и природный газ). Затраты на получение десятков и сотен тысяч тонн химических волокон в год во много раз меньше, чем при производстве натуральных волокон.
В химических волокнах необходимая ориентация макромолекул полимера достигается в процессе получения (формования) волокна из расплава или раствора. В зависимости от используемого сырья химические волокна подразделяют на искусственные и синтетические.
Искусственные волокна получают из природных полимеров (обычно целлюлозы) посредством химической обработки. Наибольшее значение среди искусственных волокон имеют ацетатное и вискозное, получаемые из древесной целлюлозы. Для получения волокна нужно все макромолекулы целлюлозы соориентировать параллельно друг другу. При производстве ацетатного волокна для того чтобы сделать молекулы подвижными, целлюлозу превращают в ацетаты, которые растворяют в смеси дихлорметана и этанола. Следовательно, ацетатное волокно представляет собой сложный эфир целлюлозы.
Синтетические волокна получают из синтетических полимеров.
Применение
Памятку по реакциям полимеризации и поликонденсации можно скачать по ссылке.
Чтобы закрепить теоретический материал по данной теме, можно пройти тест:
Загрузка…