Підручник з Хімії. 9 клас. Григорович - Нова програма

§ 28. Поняття про полімери. Поліетилен

Реакція полімеризації

Як ви пам’ятаєте з попереднього параграфа, етен — це ненасичений вуглеводень. Завдяки цьому атоми Карбону в його молекулах можуть приєднувати інші атоми. Однією з хімічних реакцій, у яких реалізується така властивість етену, є реакція полімеризації (від грец. polymeres — той, що складається з багатьох частин).

Під дією певних речовин (ініціаторів) подвійний зв’язок у молекулі етену може розриватися й атоми Карбону можуть приєднувати інші атоми, зокрема атоми Карбону іншої молекули етену:

Частинка, що утворилася, також здатна приєднати молекулу етену:

І так може тривати, поки за певних причин приєднання не зупиниться. У результаті реакції утворюються дуже великі молекули, в яких однаковий фрагмент повторюється багато разів:

Умовно рівняння реакції полімеризації записують так:

Зміст реакції полімеризації полягає в об’єднанні великої кількості молекул ненасичених вуглеводнів — мономерів — один з одним (мал. 28.1). Продукти реакції полімеризації називають полімерами, у їхніх молекулах багато разів повторюється фрагмент молекули мономеру.

Мал. 28.1. Молекули мономеру об'єднуються в молекулу полімеру

Полімеризація — процес сполучення багатьох молекул низькомолекулярної речовини (мономеру) у молекулу полімеру.

Фрагмент у молекулі полімеру, що повторюється, називають елементарною ланкою, число n — ступенем полімеризації:

Ступінь полімеризації показує число молекул мономеру, що об’єдналися в одну молекулу полімеру. Він може бути від тисячі до сотень тисяч. Оскільки молекули полімерів складаються з великої кількості фрагментів, вони мають дуже великі молекулярні маси. Саме тому інша назва полімерів — високомолекулярні сполуки.

У формулах полімерів не зазначено, чим закінчується карбоновий ланцюг. На кінцях молекули полімеру перебувають фрагменти молекул розчинника або ініціатора полімеризації. Ці атоми майже не впливають на властивості полімеру.

Назви полімерів походять від назви мономерів. У нашому випадку в реакцію полімеризації вступив етилен (етен), тому продукт реакції називають поліетиленом:

Зверніть увагу, що етилен і поліетилен мають однаковий якісний і кількісний склад: обидва складаються з атомів Карбону й Гідрогену, причому в обох речовинах на один атом Карбону припадає два атоми Гідрогену. Важливою відмінністю між ними є те, що в молекулі етену існує подвійний зв’язок — це ненасичений вуглеводень, а в поліетилені всі зв’язки одинарні. Фактично поліетилен — це алкан з високою молекулярною масою, тому хімічно він досить інертний. Поліетилен не взаємодіє ані з кислотами, ані з лугами, стійкий до дії окисників. Саме хімічною стійкістю поліетилену пояснюється його широке застосування.

Елементарна ланка поліетилену -CH₂-CH₂- складається з двох однакових груп атомів -CH₂-. Чому ж формулу поліетилену не записують у спрощеному вигляді [-CH₂-]? Це робити не прийнято, тому що формула полімеру має відображати його зв'язок з початковою речовиною — мономером, у цьому випадку — етиленом CH₂=CH₂.

Більшість полімерів (крім деяких біополімерів) відрізняються від низькомолекулярних речовин тим, що не мають визначеної молекулярної маси. У кожному зразку поліетилену всі молекули мають різну довжину й масу, тому, коли говорять про полімери, використовують поняття середньої молекулярної маси.

Фізичні властивості та застосування поліетилену

Найпоширенішим з полімерів є поліетилен. Це малопрозора речовина, що погано проводить теплоту й електричний струм, жирна на дотик і нагадує парафін. Іноді в побуті його неправильно називають целофаном (целофан — це зовсім інший матеріал, що виготовляють із целюлози, він тільки зовні нагадує поліетиленову плівку).

Чисті полімери на практиці зазвичай не використовують. На їхній основі виготовляють різноманітні матеріали, які називають пластмасами або пластиками. Для їх виготовлення до полімерів додають різні речовини: стабілізатори, пластифікатори, барвники, спінювачі тощо. Із досить невеликого числа полімерів виготовляють величезну кількість різних пластмас.

У більшості полімерів є також і недоліки — термічна нестійкість, горючість і хрупкість, але завдяки досягненням науки останнім часом винайдено багато нових полімерних матеріалів. Можливо, що незабаром пластмаси стануть єдиним матеріалом, який людство буде використовувати, зберігаючи тим самим природні матеріали.

У промисловості поліетилен виготовляють у вигляді гранул, що потім піддають термічній обробці (мал. 28.2). Молекулярна маса поліетилену коливається від 30 тис. до 3 млн залежно від тиску, за якого відбувається реакція полімеризації (табл. 11).

Мал. 28.2. Гранули поліетилену

Таблиця 11. Порівняння різних видів поліетилену

Ознака для порівняння	Поліетилен низької густини LDPE (добутий за тиску бл. 2000 атмосфер)	Поліетилен високої густини HDPE (добутий за тиску бл. 40 атмосфер)
Молекулярна маса	Низька	Висока
Температурарозм’якшення	Вища за 100 °С	Вища за 120 °С
Температураплавлення	Вища за 120 °С	Вища за 125 °С
Густина	Близько 0,90 г/см3	Близько 0,95 г/см3
Характеристика	Досить пластичний, м’який, пакети, виготовлені з нього, не шарудять, глянцеві, воскоподібні	Більш жорсткий, міцніший, стійкіший до високих температур і дії хімікатів, має кращі механічні властивості
Застосування	Пакувальні матеріали: плівка для обгортання, контейнери, пакети, що витримують навантаження до 4 кг	Труби великого діаметра, каністри, посудини для розчинників, пакети, що витримують навантаження до 20 кг

1882 року американський хімік Чарлз Макінтош під час дослідів з натуральним каучуком необережно пролив на халат розчин каучуку в бензині. Через деякий час він помітив, що бризки води стікають по халату, а не просочують його. Халат став водонепроникним. Через рік Макінтош організував виробництво дощових плащів, які назвали його ім'ям — «макінтоші».

Мал. 28.3. Застосування поліетилену

Ключова ідея

Поліетилен — синтетична органічна сполука, що не трапляється в живій природи. Він є основою багатьох цінних матеріалів, які замінили природні матеріали.

Контрольні запитання

321. Які речовини називають полімерами? Які їхні відмінні ознаки від інших матеріалів?

322. Що спільного між мономером і елементарною ланкою полімеру? Чим вони відрізняються?

323. Дайте визначення поняттям «реакція полімеризації», «мономер», «полімер», «ступінь полімеризації» та «елементарна ланка».

324. Схарактеризуйте фізичні властивості поліетилену.

325. Назвіть сфери застосування поліетилену.

326. Поясніть, чому хімічні властивості поліетилену відрізняються від властивостей етилену.

Завдання для засвоєння матеріалу

327. Визначте спільні й відмінні ознаки між: а) алканами та поліетиленом; б) етеном і поліетиленом.

328. З § 2 пригадайте особливості фізичних властивостей аморфних та кристалічних речовин. За фізичними властивостями поліетилену зробіть висновок, до яких речовин він належить: кристалічних чи аморфних.

329. Перелічіть сфери застосування поліетилену. Обґрунтуйте, завдяки яким фізичним властивостям поліетилен застосовують саме так і чи є виправданою заміна природних матеріалів на поліетилен.

330. Середня відносна молекулярна маса поліетилену, отриманого за низького тиску, дорівнює 280 тис. Скільки молекул етилену витрачається в середньому на утворення однієї молекули полімеру?

331. Обчисліть та порівняйте масові частки Карбону й Гідрогену: а) в етені; б) у поліетилені складу [-CH₂-CH₂-]₁₀₀₀.

332^*. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про способи добування, хімічні й фізичні властивості та застосування пластмас.

333^*. Як ви вважаєте, чи може людство повністю відмовитися від використання природних матеріалів на користь пластмас? Поясніть «за» і «проти» такої заміни.