Синтетичні високомолекулярні сполуки

Нові поняття й терміни:

поліконденсація, деполімеризація, термопластичні, термореактивні полімери, поліамідні волокна.

§ 46. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА

Розрізняють полімери натуральні (природні), штучні й синтетичні. Серед органічних речовин, що ви їх вивчали, були представники всіх цих груп. До перших належать полісахариди, білки, нуклеїнові кислоти — їх створює сама природа без втручання людини. Другі — це видозмінені природні полімери, наприклад штучний шовк, добутий з целюлози. Треті є продуктами органічного синтезу й створюються з речовин неполімерної будови, наприклад відомий вам з 9 класу поліетилен.

Реакції полімеризації та поліконденсації. Є два основні способи утворення полімерів: реакція полімеризації та реакція поліконденсації. Обидві реакції вам відомі в загальному вигляді. Розглянемо їх докладніше.

Реакція полімеризації властива ненасиченим речовинам, які здатні до сполучення одна з одною. Власне реакція полімеризації є різновидом реакції сполучення.

З’ясовано, що полімеризація етену відбувається за радикальним механізмом. Ви можете пригадати радикальну реакцію хлорування метану. У цій реакції радикали, що є надзвичайно активними частинками, утворювалися під дією світла. Полімеризація етену розпочинається завдяки спеціальним речовинам — ініціаторам, які розщеплюються з утворенням радикалів, тобто активних частинок з неспареним електроном (R·)

Радикал взаємодіє з π-електронною системою подвійного зв’язку й приєднується до молекули етену. У результаті утворюється новий радикал, який так само діє на іншу молекулу етену:

З кожною стадією довжина радикала зростає, аж доки не «зустрінуться» два радикали й не відбудеться обривання ланцюга:

Реакція поліконденсації відрізняється тим, що вона відбувається з утворенням побічного продукту, яким найчастіше буває вода або інша низькомолекулярна сполука. У цьому разі молекули сполучаються не за рахунок розриву кратних зв’язків, а в результаті взаємодії функціональних груп, як у відомій вам реакції між фенолом і формальдегідом (метаналем):

Отже, у результаті цих реакцій утворюються полімери.

Пригадайте, як називають вихідні низькомолекулярні речовини в реакції полімеризації.

Як називають групи атомів, які повторюються і становлять основу хімічної будови полімерного ланцюга?

Що таке ступінь полімеризації?

У масі полімеру є молекули довші й коротші, з вищим і нижчим ступенями полімеризації і відповідно з більшою і меншою відносними молекулярними масами. Тому прийнято говорити про середню відносну молекулярну масу полімеру.

Будова полімерів. За будовою полімерного ланцюга полімери бувають лінійні, розгалужені й просторові, або сітчасті (мал. 151).

Мал. 151. Схема будови: лінійного (а), розгалуженого (б) і просторового, або сітчастого, (в) полімерних ланцюгів

До перших належать поліетилен, поліпропілен і целюлоза. Лінійну й розгалужену будову має крохмаль, сітчасту — вулканізований каучук. Залежно від розміщення бічних чи функціональних груп у полімерному ланцюзі розрізняють регулярні (переважно стереорегулярні) й нерегулярні полімери. Наприклад, у ланцюзі поліпропілену метильні групи можуть розміщуватися з одного чи з двох боків карбонового ланцюга. Розміщення з різних боків може чергуватися через однакові проміжки або бути хаотичним (мал. 152).

Мал. 152. Схема регулярної (а, б) і нерегулярної (в) будови поліпропілену

Від упорядкованості (регулярності) полімеру залежить, перебуватиме він у кристалічному чи аморфному стані. Більшість полімерів мають одночасно впорядковані й невпорядковані ділянки; їх відповідно називають кристалічними та аморфними (мал. 153).

Мал. 153. Кристалічна й аморфна будова полімеру

Характеризуючи будову полімерів, слід брати до уваги також взаємодію між полімерними ланцюгами в масі полімеру. Між молекулами значної довжини виникає міжмолекулярна взаємодія, у тому числі встановлюються водневі зв’язки.

Ступінь полімеризації, розгалуженість, упорядкованість структури, міжмолекулярні зв’язки — все це позначається на властивостях полімерів.

Властивості полімерів. Полімерна речовина складається з молекул різної довжини, а отже, різної маси. Це позначається на процесі плавлення полімерів. Під час нагрівання в розплавлений стан спершу переходять коротші молекули, потім — довші, отже, плавлення відбувається в широкому інтервалі температур.

За відношенням до нагрівання полімери поділяються на дві групи: термопластичні й термореактивні.

Термопластичні полімери під час нагрівання розм’якшуються, у цьому стані їм можна надати будь-якої форми, що зберігається й після охолодження (мал. 154). Важливо, що цей процес оборотний, тобто сформований полімер можна знову нагріти й надати йому іншої форми. Інакше кажучи, термопластичні полімери не втрачають пластичності за багаторазового нагрівання.

Мал. 154. Виготовлення пластмасових виробів методом лиття

На відміну від них термореактивні полімери в результаті нагрівання втрачають пластичність, після тверднення їх неможливо повернути до первісного стану.

Утилізація полімерів має важливе екологічне та економічне значення. Схарактеризуйте з цих позицій термопластичні й термореактивні полімери.

Лінійні полімери можуть розчинятися з утворенням в’язких розчинів. Просторові полімери набрякають у розчинниках, не розчиняючись, оскільки «зшиті» молекули важко розділити на фрагменти за допомогою розчинника. Розчини полімерів відомі вам у вигляді клеїв.

Полімери регулярної будови й просторові мають більшу механічну міцність і хімічну стійкість.

Полімерні ланцюги можуть хімічно розщеплюватися на мономери під дією високої температури. Цей процес називають деполімеризацією. Деполімеризацією каучуку було з’ясовано, що він є полімером ізопрену.

Деякі полімери, що утворюються внаслідок реакції поліконденсації, здатні гідролізувати. Вам уже відомо, що крохмаль гідролізує до глюкози, а білки — до амінокислот.

Під упливом зовнішніх чинників (нагрівання, радіації, світла, вологи, механічного напруження тощо) може відбуватися деструкція (від лат. destructio — руйнування) полімеру з розривом хімічних зв’язків у макромолекулах. Цей процес призводить до старіння полімерів, вони стають непридатними для експлуатації.

Завдання для самоконтролю

1. Що таке синтетичні полімери?

2. Які основні методи добування синтетичних полімерів? Наведіть конкретні приклади.

3. За яким механізмом відбувається реакція полімеризації?

4. У чому полягає особливість реакції поліконденсації?

5. Наведіть приклади лінійного, розгалуженого й просторового полімеру.

6. Поясніть уплив структури полімерів на їхні фізичні властивості.

7. На які групи поділяють полімери за відношенням до нагрівання?

8. Як відбувається плавлення полімерів?

9. Поясніть відношення полімерів до розчинення.

10. Як було з’ясовано склад природного каучуку?

11. Укажіть, що з наведеного переліку належить до розчинів полімерів.