Хімія. Рівень стандарту. 10 клас. Ярошенко

Тема 5. Синтетичні вискомолекулярні речовини і полімерні матеріали на їх основі

У цій темі ви дізнаєтеся про:

  • полімери, реакції полімеризації та поліконденсації;
  • пластмаси;
  • каучуки й гуму;
  • найпоширеніші полімери та сфери їхнього використання;
  • вплив полімерних матеріалів на здоров'я людини і довкілля;
  • проблеми утилізації полімерів і пластмас;
  • синтетичні волокна, їх фізичні властивості і застосування.

Після засвоєння матеріалу теми ви зможете:

  • пояснювати суть реакцій полімеризації та поліконденсації як способів добування полімерів;
  • наводити приклади синтетичних високомолекулярних речовин і полімерних матеріалів на їх основі, рівнянь реакцій полімеризації і поліконденсації;
  • розрізняти реакції полімеризації і поліконденсації; пластмаси, каучуки, гуму та синтетичні волокна;
  • описувати властивості полімерних матеріалів;
  • порівнювати природні, штучні й синтетичні волокна, пластмаси;
  • установлювати причиново-наслідкові зв'язки між складом, будовою, властивостями та застосуванням полімерів;
  • дотримуватися правил безпечного поводження із синтетичними матеріалами;
  • обґрунтовувати значення полімерів для створення нових матеріалів і синтетичних волокон.

§ 28. Полімери

Інформаційна довідка

• Термін «полімерія» був уведений у науку Йенсом Берцеліусом ще в 1833 р. для позначення особливого виду ізомерії, за якої речовини (полімери) з однаковим якісним складом мають різну молекулярну масу, наприклад етен С2Н4 і бутен С4Н8, кисень О2 й озон О3. Полімери в сучасному сенсі не були на той час відомі, але термін зберігся дотепер.

Макромолекула — молекула з високою відносною молекулярною масою (понад кілька тисяч), що структурно складається з багатократно повторюваних ланок.

• Макромолекул стосуються терміни: мономер, структурна ланка, ступінь полімеризації, відносна молекулярна маса.

Мономер — речовина з низькою відносною молекулярною масою, її молекули беруть участь в утворенні макромолекули полімеру.

Структурна ланка — група атомів, що багаторазово повторюється у структурі полімеру.

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

• На прикладі поліетилену структурні елементи полімеру показує запис:

Відносна молекулярна маса полімеру — величина приблизна (є винятки, наприклад, білки).

РІЗНОМАНІТНІСТЬ ПОЛІМЕРІВ. Дослівно з грецької: poli — це багато, meros — частина.

Вивчаючи етен, крохмаль, целюлозу, ви з'ясували, що полімер — ключове поняття хімії високомолекулярних речовин. Воно стосується всіх сполук, молекули яких складаються із багатьох, хімічно зв'язаних між собою, структурних ланок.

Молекулярна маса полімерів приблизна, вона може становити від кількох тисяч до кількох мільйонів.

Полімери бувають природні й синтетичні.

До відомих вам природних полімерів належать крохмаль, целюлоза, білок та деякі інші. Їх синтез здійснюється у клітинах живих істот. За допомогою різних методів полімери виділяють з рослинної чи тваринної сировини.

Синтетичні полімери (синтетичні високомолекулярні речовини) добувають на заводах, використовуючи відповідні низькомолекулярні реагенти в якості мономерів. Прикладами синтетичних полімерів є поліетилен, поліпропілен, синтетичний каучук.

За походженням полімери поділяються на природні (біополімери) й синтетичні. До природних полімерів належать крохмаль, целюлоза, білки, нуклеїнові кислоти. Синтетичні полімери — це продукція хімічної промисловості (пластмаси, каучуки, синтетичні волокна).

ХІМІЗМ ДОБУВАННЯ ПОЛІМЕРІВ. Полімери утворюються внаслідок реакцій полімеризації чи поліконденсації.

Полімеризація — процес перетворення мономера або суміші мономерів на полімер шляхом послідовного приєднання молекул мономерів до ланцюга, що збільшується, з утворенням високомолекулярної сполуки.

Тобто під час полімеризації всі атоми, що входили до складу молекул мономера (мономерів), переходять у склад макромолекули полімеру. Утворення поліетилену — приклад реакції полімеризації.

Поліконденсація — це процес утворення високомолекулярних сполук за рахунок взаємодії функціональних груп молекул мономера (мономерів), внаслідок чого утворюються полімер і низькомолекулярна речовина, наприклад, вода.

Тобто під час поліконденсації не всі атоми, що входять до складу молекул мономера (мономерів), переходять у склад полімеру. Частина з них утворює ще одну речовину — низькомолекулярний продукт реакції. Утворення крохмалю й целюлози — приклади реакцій поліконденсації: із молекул глюкози утворюється крохмаль чи целюлоза й вода.

Пригадайте схему утворення цих полісахаридів.

ФОРМА МАКРОМОЛЕКУЛ ПОЛІМЕРІВ. Вона буває: лінійною, розгалуженою, сітчастою. Про сітчасту дізнаєтесь, вивчаючи каучуки.

Лінійними називають полімери, які складаються з макромолекул, що не мають розгалужень або мають дуже малі розгалуження. З ними ви вже ознайомились, вивчаючи поліетилен і целюлозу. Полімери лінійної будови здатні утворювати високоміцні волокна і плівки.

Розгалуженими називають полімери, макромолекули яких мають великі розгалуження, наприклад крохмаль (в амілопектині). До сітчастих відносять полімери, у яких між макромолекулами існують хімічні зв'язки. Їх можуть забезпечувати атоми іншої речовини, як це відбувається в гуми.

ЯК РЕАГУЮТЬ ПОЛІМЕРИ НА ПІДВИЩЕННЯ ТЕМПЕРАТУРИ. На полімери по-різному впливає підвищення температури. За цією характеристикою їх поділяють на термопластичні (термопласти) та термореакційні (реактопласти).

Властивість тіл змінювати форму в нагрітому стані і зберігати її після охолодження називають термопластичністю.

Термопластичні полімери або термопласти можна багаторазово розм'якшувати нагріванням і виготовляти з них вироби іншої форми. Після охолодження набута форма зберігається. До термопластів (термопластичних пластмас) належать поліетилен, поліпропілен, полівінілхлорид, полістирен та інші.

На відміну від термопластичних, термореактивні полімери за нагрівання не розм'якшуються і не плавляться. Під впливом температури відбувається необоротне руйнування їх молекул. Прикладом реактопластів (термореактивних пластмас) є фенолформальдегідні смоли.

Поміркуйте, до фізичних чи хімічних явищ належить виготовлення виробів із пластмас.

СИРОВИННА БАЗА ВИРОБНИЦТВА СИНТЕТИЧНИХ ВИСОКОМОЛЕКУЛЯРНИХ РЕЧОВИН. Сучасне виробництво цієї групи полімерів здійснюється з використанням продуктів переробки нафти, попутного й природного газу. Частка вуглеводневої сировини в їх виробництві найбільша. Сировиною слугують також продукти переробки вугілля, рослини чи окремі їх частини.

Узагальнимо інформацію про полімери у такій схемі:

Сторінка ерудита

Елементоорганічні полімери. Ці сполуки в головному ланцюзі містять атоми, що не належать до елементів-органогенів, — це Силіцій, Титан, Алюміній та інші. Їх ланцюги містять вуглеводневі замісники.

Прикладом елементоорганічних полімерів є представник силіційорганічних полімерів — силікон. Головний ланцюг макромолекули цього полімеру складається з атомів Силіцію й Оксигену, в якому до атомів Силіцію приєднані вуглеводневі замісники: етил, метил, феніл.

Тобто атоми Карбону теж присутні, але вони входять до складу бічних ланцюгів полімеру. У наведеному фрагменті силіційорганічної речовини силікону вуглеводневі замісники позначені літерою R:

Через широке застосування в техніці, електроніці, пластичній хірургії, харчовій промисловості й багатьох інших галузях силікон називають матеріалом ХХІ століття.

Існують полімери й серед неорганічних речовин. Прикладами природних неорганічних полімерів є пластична сірка, чорний і червоний фосфор, силіцій(IV) оксид, силікати, поліфосфати, азбест (його ще називають гірський льон).

Стисло про основне

• Полімери — високомолекулярні сполуки, що утворюються з низькомолекулярних сполук під час реакцій полімеризації чи поліконденсації.

• Залежно від умов ступінь полімеризації може варіювати у значних межах.

• За формою основного ланцюга полімери бувають лінійні, розгалужені, сітчасті.

• За реакцією на збільшення температури полімери класифікують на термопластичні й термореактивні.

• Полімери поширені в природі, а також виробляються у великій кількості хімічною промисловістю. Основною сировинною для виробництва синтетичних високомолекулярних речовин служать вуглеводні.

Знаємо, розуміємо

  • 1. Поясніть суть понять: полімер, мономер, структурна ланка, ступінь полімеризації.
  • 2. Що спільного і чим відрізняються реакції полімеризації й поліконденсації?
  • 3. Наведіть приклади природних і синтетичних високомолекулярних сполук.
  • 4. Який із біополімерів — крохмаль чи білок — має постійну відносну молекулярну масу?

Застосовуємо

1. Укажіть природну високомолекулярну сполуку.

  • А поліетилен
  • Б глюкоза
  • В сахароза
  • Г целюлоза

2. Укажіть синтетичну високомолекулярну сполуку.

  • А етен
  • Б поліетилен
  • В гліцерол
  • Г крохмаль

3. Макромолекули полімерів є продуктом реакцій...

  • А заміщення
  • Б поліконденсації
  • В полімеризації
  • Г розкладу

4. Продуктом реакції поліконденсації є...

  • А поліетилен
  • Б глюкоза
  • В етанол
  • Г білок

5. Поліетилен добувають реакцією...

  • А полімеризації
  • Б поліконденсації
  • В гідратації
  • Г ізомеризації

6. Проаналізуйте твердження 1 і 2 та виберіть правильний варіант відповіді.

Твердження 1. Термопластичні полімери розкладаються за нагрівання.

Твердження 2. Під час реакції поліконденсації утворюються полімер і низькомолекулярна речовина.

  • А правильні обидва твердження
  • Б правильне лише твердження 1
  • В правильне лише твердження 2
  • Г неправильні обидва твердження