Хімія. 9 клас. Березан

§ 29. Поняття про полімери на прикладі поліетилену

Ознайомившись із матеріалом параграфа, ви:

• дізнаєтесь, що таке полімери;
• з'ясуєте зміст реакції полімеризації, понять «мономер», «ступінь полімеризації», «мономерна ланка»;
• довідаєтесь про властивості поліетилену та його застосування.

Полімеризація етилену

Молекули етилену С₂Н_4, як і молекули інших ненасичених вуглеводнів, що містять подвійний зв'язок, мають здатність сполучатися одна з одною. За певних умов одна ковалентна пара, що є між атомами Карбону в молекулі етену, може розриватися. За рахунок не спарених електронів утворені частинки сполучаються одна з одною (відбувається реакція полімеризації):

Речовину, яку використовують для проведення реакції полімеризації, називають мономером.

Так сполучаються сотні й тисячі молекул етилену. Утворену речовину (продукт реакції) називають полімером. Його відносна молекулярна маса може становити від 80 000 до 500 000. Скорочений запис реакції полімеризації етилену можна зобразити схемою:

Полімер — сполука, макромолекула якої складається з великої кількості однакових груп атомів (мономерних ланок).

Мономерна ланка — це група атомів, яка повторюється n разів у молекулі полімеру.

Ступінь полімеризації (n) — це кількість мономерних ланок у молекулі полімеру.

Реакцію добування полімерів з ненасичених вуглеводнів, що супроводжується розривом кратних зв'язків, називають реакцією полімеризації.

Не всі макромолекули полімеру мають однакову довжину (і відповідно відносну молекулярну масу). Це залежить від значення n (ступеня полімеризації). Інтервал значень n залежить від умов здійснення реакції — температури, тиску, каталізатора:

Отже, відносна молекулярна маса полімеру має значення:

M_r[(-CH₂-CH₂-)_n] = n · М_r(СН₂=СН₂)

Зазвичай користуються значенням середньої відносної молекулярної маси.

Рис. 29.1. Поліетиленова плівка, гранули поліетилену

Властивості поліетилену

Поліетилен — безбарвна прозора або напівпрозора тверда речовина. Він легший за воду, жирний на дотик і зовні нагадує парафін. Під час нагрівання він розм’якшується і за температури 115-135 °С плавиться, утворюючи в’язку безбарвну рідину.

На поліетилен не діють вода, розчини кислот (за винятком концентрованої нітратної), а також розчини лугів, тобто поліетилен хімічно інертна речовина. Поліетилен за звичайних умов не розчиняється в органічних розчинниках. На повітрі горить кіптявим полум’ям. Поліетилен — нетоксична речовина.

Застосування поліетилену

Поліетилен через його властивості використовують дуже широко:

Рис. 29.2. Застосування поліетилену

Поліетилен також використовують як термоізолятор (пінополіетилен), конструкційний матеріал (різноманітні деталі для механізмів і приладів, корпуси човнів тощо). Порошковий поліетилен застосовують як термоклей.

Поліетиленова плівка дуже добре пропускає світло, а тому нею вкривають теплиці для вирощування овочів, квітів. Вироби з поліетилену є морозостійкими, однак не витримують температури понад 60 °С.

Якщо вироби треба зробити кольоровими, додають барвники.

Демонстрація. Ознайомлення зі зразками виробів з поліетилену.

Розгляньмо колекцію виробів з поліетилену.

Звернімо увагу, чи є на деяких виробах марковання («поліетилен низького тиску», «поліетилен високого тиску»).

Проведемо досліди з поліетиленовою плівкою:

а) перевіримо розчинність поліетилену у воді;

б) перевіримо дію гарячої води на поліетилен.

Розгляньмо таблицю «Властивості поліетилену».

Таблиця 29.1. Властивості поліетилену

Ознака	Фізичні властивості поліетилену
агрегатний стан	тверда речовина
колір	білий, легко забарвлюється
на дотик	жирний
міцність	важко розірвати, міцний
розчинність у воді	нерозчинний
температура плавлення	легкоплавкий
пластичність	термопластичний

Для тих, хто хоче знати хімію глибше

Останні десятиліття людство використовує полімер, який називають політетрафлуороетеном, або тефлоном (-CF₂-CF₂-)_n. Мономером для добування тефлону є малотоксична газоподібна речовина, без кольору і запаху — тетрафлуороетен CF₂=CF₂. Основна подібність до етилену — це наявність двох атомів Карбону, сполучених подвійним зв'язком. Тому ця речовина може полімеризуватися. Реакція відбувається згідно зі схемою:

Тефлон можна розглядати як похідну поліетилену: як видно з формули, у його молекулі відсутні атоми Гідрогену — вони повністю заміщені на атоми Флуору. Тому в тефлону з'являються нові, притаманні лише йому властивості:

• зберігає еластичність і гнучкість за температур від -70 до +270 °С;
• не змочується жирами, водою, має дуже низький поверхневий натяг;
• не горить, хімічно інертний¹, дуже міцний;
• не руйнується під дією концентрованих кислот;
• не розчиняється в більшості органічних розчинників.

¹ Має найбільшу серед усіх відомих матеріалів хімічну стійкість. Взаємодіє лише з розплавами лужних металів, фтором і хлоротрифлуоридом.

Рис. 29.3. Вироби з тефлону

Якщо до полімеру додати графіт, скловату чи інший наповнювач, то одержують так звані композитні матеріали, властивості яких відрізняються від властивостей окремих компонентів. Вони мають високу зносостійкість, високу температуру плавлення, низьку теплопровідність. З тефлону виготовляють підшипники, фільтри, протези, посуд¹, сучасний високотехнологічний одяг (віндстопер²), обладнання для хімічної промисловості, мастила³, наповнювачі для фарб тощо.

¹ Останнім часом тефлон широко використовують, створюючи антипригарне покриття для посуду. Слід зауважити, що під час нагрівання понад 200 °С тефлон починає повільно розкладатись, виділяючи токсичні та канцерогенні речовини!

² Від англ. windstopper — вітронепроникний.

³ Має найменший серед відомих матеріалів коефіцієнт тертя ковзання.

Підсумки

• 1. Молекули етену за певних умов можуть сполучатися одна з одною, утворюючи макромолекули. Одержаний продукт називають поліетиленом.
• 2. Полімер — це сполука, макромолекула якої складається з великої кількості однакових груп молекул.
• 3. Реакція полімеризації — це реакція добування полімерів з ненасичених вуглеводнів.
• 4. Мономер — вихідна речовина для проведення реакції полімеризації. Мономерна ланка — це група атомів, що повторюється п разів у молекулі полімеру.
• 5. Ступінь полімеризації (n) — це кількість мономерних ланок у молекулі полімеру.
• 6. Поліетилен — хімічно інертна сполука, яка не розчиняється у воді, плавиться за температури 115-135 °С.
• 7. З поліетилену виготовляють плівки для теплиць, пакувальні плівки, тару, іграшки, труби, посуд, електроізоляційні матеріали.

Контрольні запитання

• 1. Дайте визначення поняттям: полімер, полімеризація, мономер, мономерна ланка.
• 2. Назвіть мономер, з якого добувають поліетилен.
• 3. Чому молекули етилену можуть сполучатися одна з одною?
• 4. Поясніть, чому насиченим вуглеводням не властива реакція полімеризації.
• 5. Що таке ступінь полімеризації?
• 6. Опишіть фізичні властивості поліетилену.
• 7. Як визначають відносну молекулярну масу полімеру?
• 8. Завдяки яким фізичним властивостями поліетилен став широковживаним матеріалом?

Вправи та задачі

1. Одна з макромолекул у зразку поліетилену має відносну молекулярну масу 50 400. Обчисліть ступінь полімеризації для цієї молекули.

2. Розгляньте схему утворення поліпропілену:

Прокоментуйте її та вкажіть:

• а) мономер, який використали для реакції полімеризації;
• б) групу атомів, яка повторюється;
• в) відносну молекулярну масу мономеру.

3. Тефлон за його особливу хімічну стійкість називають органічною платиною. Як ви вважаєте, чому його так назвали?

4. Установіть значення середньої відносної молекулярної маси поліпропілену, ступінь полімеризації якого 950. Мономером поліпропілену є пропен — С₃Н₆.

5. Середня відносна молекулярна маса поліпропілену 42 000. Визначте ступінь полімеризації цього полімеру.

6. Один з полімерів — полівінілхлорид — має формулу

Укажіть, яку структурну формулу має мономер для добування цього полімеру.

7. Порівняйте хімічний склад поліпропілену зі складом поліетилену. Укажіть спільні та відмінні ознаки цих речовин і їх мономерів.

За матеріалами Інтернету та інших додаткових джерел підготуйте інформаційні проекти:

• 1. Економічні проблеми, пов'язані з використання полімерних матеріалів.
• 2. Полімерні матеріали, що становлять загрозу для екології.
• 3. Полівінілхлорид, його використання. Проблеми утилізації.