Хімія. Рівень стандарту. 10 клас. Величко

Синтетичні високомолекулярні сполуки

Розрізняють полімери натуральні (природні), штучні та синтетичні. Серед органічних речовин, що ви їх вивчали, були представники ycix 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 із целюлози. Треті є продуктами органічного синтезу, вони утворюються з речовин неполімерної будови, наприклад поліетилен.

Пригадайте:

  • що таке реакція полімеризації;
  • як називають вихідні низькомолекулярнї речовини в реакції полімеризації;
  • як називають групи атомів, що повторюються і становлять основу хімічної будови полімерного ланцюга;
  • що таке ступінь полімеризації.

Наприкінці вивчення теми ви зможете:

  • назвати найважливіші полімери;
  • скласти їхні загальні формули;
  • навести приклади пластичних мас, синтетичних волокон, синтетичних каучуків;
  • класифікувати полімери;
  • пояснити застосування синтетичних високомолекулярних сполук;
  • порівняти натуральні й синтетичні волокна, природний і синтетичний каучуки;
  • засвоїти терміни: термопластичні, термореактивні полімери, вулканізація каучуку, поліамідні волокна.

§ 24. Загальна характеристика полімерів. Пластичні маси

БУДОВА ПОЛІМЕРІВ. За будовою полімерного ланцюга розрізняють лінійні, розгалужені й просторові (сітчасті) полімери (мал. 51). До перших належать поліетилен, поліпропілен і целюлоза. Лінійну й розгалужену будову має крохмаль, сітчасту — вулканізований каучук.

Залежно від розміщення бічних відгалужень чи функціональних груп у полімерному ланцюзі розрізняють регулярні (переважно стереорегулярні) та 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. 52).

Мал. 51. Схема будови: лінійного (а), розгалуженого (б) і просторового, або сітчастого, (в) полімерних ланцюгів

Мал. 52. Схема регулярної (а, б) і нерегулярної (в) будови поліпропілену

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

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

ВЛАСТИВОСТІ полімерів залежать від наявності в речовині молекул різної довжини, а отже, різної маси. Насамперед це стосується плавлення полімерів. Процес плавления має свої особливості, зумовлені взаємодією між молекулами, що мають значну довжину. У процесі нагрівання в розплавлений стан спершу переходять коротші молекули, потім — довші, отже, плавлення відбувається в широкому діапазоні температур.

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

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

На відміну від них термореактивні полімери внаслідок нагрівання втрачають пластичність, і після тверднення їх неможливо повернути до початкового стану.

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

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

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

ПЛАСТИЧНІ МАСИ. Щоб виготовити пластмасу, до полімерної маси добавляють спеціальні речовини.

  • З’ясуйте, з якою метою використовують у пластмасах пластифікатори, стабілізатори, піноутворювачі, антиоксиданти, антистатики, наповнювачі, пігменти.

Цінні властивості пластмас: низька густина (легкість) і теплопровідність,

Мал. 53. Виготовлення пластмасових виробів методом лиття

Мал. 54. «Витягування» полімерних ланцюгів під час виготовлення плівок і волокон хімічна стійкість, здатність до забарвлювання, високі оптичні якості, а також можливість змінювати ці властивості в широких межах унаслідок зміни структури полімерів роблять їх використання економічно вигідним і зручним.

Виготовлення пластмасових виробів відзначається технічною й технологічною простотою — від складних за формою до плівок (мал. 53, 54, 55).

Зразки виробів із пластмас зображено на мал. 56.

Поліетилен (—СН2—СН2—)n добувають у промисловості полімеризацією етилену (етену), яку можна проводити за різних умов — високого і низького тиску. Властивості полімерів залежать від умов добування. Поліетилен низького тиску (0,2—2,5 МПа, 80—100 °С) має лінійну структуру, молекули в масі полімеру щільно упаковані, через те зростає ступінь кристалічності. Поліетилен високого тиску (150—300 МПа, 200—280 °С) має розгалужену структуру.

Поліетилен — тверда речовина білого кольору, легко забарвлюється в різні кольори, не тоне у воді. Поліетилен високого тиску плавиться за температури 102—105 С, низького — 125—137 °С.

За хімічною будовою поліетилен подібний до парафіну — суміші вищих вуглеводнів складу С18—С35. Пригадайте, що у структурі таких речовин повторюються групи —СН2—СН2—. Цим пояснюється подібність речовин: поліетилен масний на дотик, як і парафін.

Мал. 55. Установка з виробництва поліетиленової плівки

Мал. 56. Зразки виробів із пластмас

Як і насичені вуглеводні, поліетилен не проводить електричного струму, стійкий проти дії кислот, лугів, бромної води, окисників.

Поліетилен — термопластичний полімер. У розплавленому стані йому можна надати будь-якої форми, що зберігається після охолодження.

Завдяки описаним властивостям поліетилен набув широкого застосування.

  • Наведіть приклади застосування поліетилену, відомі вам з побуту.

  • За фрагментом молекули поліпропілену визначте мономер, мономерну ланку полімеру; напишіть їхні структурні формули.

За участі каталізаторів добувають поліпропілен стереорегулярної будови (див. мал. 52). Цей полімер високоміцний, тому з нього виготовляють деталі машин, труби, плівку, риболовні сітки, побутові вироби, волокна. Недоліками його є чутливість до світла, кисню, крихкість на холоді.

Поліхлоровініл добувають з хлоровінілу:

Пластмаси, що їх вироблено на основі поліхлорвінілу, використовують як замінники шкіри, з них виготовляють газо- й водогінні труби, технічні волокна, лінолеум, клейонку тощо. Ці матеріали стійкі проти дії кислот, лугів, легко забарвлюються і водночас важко займаються, здатні до самогасіння.

  • Якими властивостями, на вашу думку, зумовлене використання поліхлорвінілу для виготовлення лінолеуму?

Мал. 57. Полістирен використовують як пакувальний матеріал

Це термопластичний матеріал, хімічно стійкий, діелектрик, хоча досить крихкий. З нього виготовляють пакувальні, оздоблювальні матеріали тощо (мал. 57).

Поліметилметакрилат — полімер, який добувають з метилового естеру метакрилової кислоти.

Завдяки своїй прозорості цей полімер дістав назву «органічне скло» (інша назва — «плексиглас»). Він стійкий проти ударів, тому ним склять вікна автомобілів, ілюмінатори літаків, теплоходів, виготовляють скло для годинників тощо (мал. 58).

Тефлон, що його виробляють з 1,1,2,2-тетрафлуороетену CF2=CF2, має унікальні властивості. Загальна формула полімеру:

(—CF2—CF2—)n

За особливу хімічну стійкість його називають «органічною платиною». Він не розчиняється ні в «царській воді» (суміші нітратної та хлоридної кислот), ні в органічних розчинниках, стійкий проти холоду, нагрівання та світла, неотруйний.

Завдяки цим властивостям з тефлону виготовляють деталі машин і приладів, апаратів, що працюють у хімічно агресивних середовищах та в харчовій промисловості (мал. 59).

  • Пригадайте, де в побуті використовують вироби з тефлоновим покриттям.

Феноло-формальдегідні пластмаси були добуті в XIX ст. й дістали назву «бакеліт» (від прізвища американського хіміка Л. X. Бакеланда, який на початку XX ст. здійснив цю реакцію у промислових умовах). Хоча це перші в історії пластмаси, їх використовують донині.

Мал. 58. Куленепробивне скло виготовляють із полімерних матеріалів

Мал. 59. Моделі молекули тетрафлуороетену (а), фрагмента молекули політетрафлуороетену (б) і виріб з тефлоновим покриттям (в)

Полімер

утворюється в результаті реакції поліконденсації між фенолом і фольмальдегідом (метаналем):

Побічним продуктом реакції поліконденсації є низькомолекулярна сполука, в цьому разі — вода.

Спершу утворюється полімер лінійної будови, а в міру подальшої обробки формується сітчастий полімер, що має термореактивні властивості. Феноло-формальдегідні пластмаси виготовляють з різними наповнювачами: текстоліт наповнюють бавовняною тканиною, склопластики — скловолокном.

Ці матеріали застосовують у ракето- і машинобудуванні, будівництві. Відходи деревини, що їх оброблено феноло-формальдегідною смолою, перетворюються на матеріал, придатний для виготовлення меблів.

Для безпечного використання пластмасових виробів розроблено систему їх маркування. На виробах ставлять позначки у формі трикутника, утвореного трьома стрілками, всередині якого розміщені літери, що позначають вид пластмаси:

  • 1 — ПЕТ (PET, PETE) - поліетилентерефталат. Виріб можна використовувати для тимчасового зберігання холодних харчових продуктів і напоїв.
  • 2 — PEHD (HDPE) — поліетилен високої густини. Безпечний пластик, придатний для пакування харчових продуктів і косметичних виробів, напоїв, виготовлення водопровідних труб тощо.
  • 3 — ПВХ (PVC) — полівінілхлорид. Його використання заборонено в харчовій промисловості. Придатний для виробництва покриття підлоги, труб, меблів, тари для хімічних сполук.
  • 4 — ПЕНП (LDPE, PELD) — поліетилен низької густини (плівка). Безпечний пластик, з нього виготовляють харчову плівку, пакети.
  • 5 — ПП (РР) — поліпропілен. Цей безпечний пластик використовують для виробництва дитячих іграшок і харчової тари.
  • 6 — ПС (PS) — полістирен. Потенційно небезпечний матеріал, особливо в разі горіння. Придатний для виготовлення тари для нехарчових продуктів.
  • 7 — OTHER (О) — інші види пластику, в т. ч. полікарбонат. Він нетоксичний, хоча може містити токсичні домішки, що робить його непридатним для пакування харчових продуктів.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

  • 1. Що таке синтетичні полімери?
  • 2. Яка відмінність між реакціями полімеризації та поліконденсації?
  • 3. Поясніть вплив структури полімерів на їхні фізичні властивості.
  • 4. На які групи поділяють полімери за відношенням до нагрівання?
  • 5. Що таке пластмаси?
  • 6. Назвіть основні галузі застосування пластмас.
  • 7. Схарактеризуйте відомі вам полімери, з яких виготовляють пластмаси (мономер, реакція добування, мономерна ланка).
  • 8. Схарактеризуйте поліетилен високого і низького тиску.
  • 9. Поліпропілен стереорегулярної будови — кристалічна, високоплавка речовина, що утворює міцні волокна, а нестереорегуляний полімер м’який, еластичний. Поясніть це з погляду теорії будови.

Додаткове завдання

  • Складіть рівняння послідовних реакцій, за допомогою яких можна добути бакеліт, виходячи з коксу.