Хімія. Рівень стандарту. 10 клас. Ярошенко

§ 29. Пластмаси

ОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ ЯК ОСНОВА СУЧАСНИХ МАТЕРІАЛІВ. Розглядаючи білки, жири, вуглеводи, ми акцентували увагу на їх біологічній ролі. Але органічні речовини відіграють у житті людини й інші функції. Зокрема, їх широко використовують як матеріали.

Матеріали — речовини чи їх суміші, з яких будують дороги, будинки, мости, виготовляють різні предмети (машини, посуд, меблі, одяг) тощо.

Матеріали людина використовувала здавна. Спершу вони були природного походження (шкіра, деревина, камінь, глина). Завдяки розвитку хімії та хімічної промисловості нині створено багато сучасних синтетичних матеріалів, які мають важливі для людини властивості, але не існують у природі. Нині зростання їхнього виробництва набагато випереджає зростання виробництва металів. Важливими представниками полімерних матеріалів є пластмаси, каучуки, волокна.

ПОНЯТТЯ ПРО ПЛАСТМАСИ. За масштабами виробництва серед полімерних матеріалів пластмаси посідають перше місце.

Пластмаси — матеріали на основі полімерів, які здатні за нагрівання набувати заданої форми та зберігати її після охолодження.

Основою пластмас є високомолекулярна сполука — полімер. Крім нього, до складу пластмас входять стабілізатори (антиоксиданти, світлостабілізатори), які сприяють зберіганню властивостей пластмас у процесі їх переробки й використання; пластифікатори, що підвищують еластичність і знижують крихкість пластмас; барвники, які надають матеріалу забарвлення; наповнювачі (деревне та кварцове борошно, тканина, скловолокно, азбест, папір, мелена слюда тощо). Наповнювачі поліпшують механічні властивості матеріалу й роблять його промислове виробництво дешевшим. Зокрема, використовуючи скловолокно, одержують матеріали, що за механічною міцністю не поступаються сталі. Наповнення повітрям або азотом робить пластмаси легким теплоізоляційним матеріалом.

Молекули полімерів можуть мати лінійну, розгалужену й сітчасту (зшиту у площині чи просторі) будову. Це позначається на властивостях пластмас, зокрема на термопластичності й термореактивності.

НАЙПОШИРЕНІШІ ПЛАСТМАСИ.

це тверда, напівпрозора, термопластична, дещо жирна на дотик (нагадує парафін) речовина. Поліетилен горить ледь блакитним тьмяним полум'ям, без запаху, він легший за воду, не розчиняється в ній, нетоксичний. Як матеріал може бути будь-якого кольору за рахунок доданих барвників (мал. 44).

Мал. 44. Поліетилен і вироби з нього

З-поміж відомих полімерів поліетилен має найпростішу будову. Його добувають полімеризацією етену, створюючи відповідні умови (тиск, температура, каталізатор):

Як бачимо з рівняння реакції, утворення макромолекули поліетилену відбулося за рахунок розриву подвійних зв'язків у молекулах мономера етену. Тому в макромолекулі полімеру присутні лише одинарні зв'язки, і за хімічною будовою поліетилен належить до насичених сполук.

Вам відомо, що насичені вуглеводні від ненасичених можна відрізнити за допомогою якісних реакцій. Так, ненасичені вуглеводні за звичайних умов вступають у реакції приєднання та окиснення, насичені — ні. Поліетилен не приєднує бром і не змінює забарвлення його водного розчину, не окиснюється розчином калій перманганату, тому забарвлення розчину залишається незмінними. Це доводить насичений характер поліетилену.

Попрацюйте з малюнком 45, на якому зображено кулестрижневу модель фрагмента полімерного ланцюга поліетилену, і переконайтесь, що подвійні зв'язки відсутні, усі зв'язки одинарні, що характерно для насичених сполук.

Мал. 45. Кулестрижнева модель фрагмента макромолекули поліетилену

Щоб з'ясувати, до термопластичних чи термореактивних пластмас належить поліетилен, можна виконати такий дослід. Шматок зразка поліетилену помістити на предметне скло й нагрівати. Через деякий час спробувати скляною паличкою змінити форму зразка — і це легко вдасться. Після охолодження набута форма залишиться. Робимо висновок, що поліетилен належить до термопластичних пластмас.

Поліетилен горить. Щоб дослідити горіння поліетилену, закріпимо шматок поліетиленового зразка та підпалимо його (мал. 46). Спостерігатимемо, як поліетилен швидко спалахує і горить світним полум'ям без кіптяви.

Мал. 46. Згорання поліетиленового виробу

Поліетилен, як і всі насичені сполуки, стійкий до дії кислот і лугів, тому з нього виготовляють ємкості для зберігання і транспортування цих речовин. Однак гаряча концентрована нітратна кислота руйнує його.

Поліетилен, на відміну від свого мономера етену, — стійка до дії кислот, лугів, окисників високомолекулярна речовина, що належить до пластмас.

Стійкість поліетилену за кімнатної температури до дії органічних розчинників забезпечує йому широке використання у виготовленні посуду, труб. Майже половина всього поліетилену використовується у виробництві поліетиленової плівки та як пакувальний матеріал. Завдяки нетоксичності поліетилен використовують як матеріал для виготовлення водопровідних труб, зручних виробів домашнього вжитку. Високі діелектричні показники поліетилену дають змогу використовувати його для ізоляції дротів.

Широке застосування поліетилену забезпечують його властивості: легкість, простота переробки, висока хімічна стійкість, термопластичність, відсутність електропровідності.

ІНШІ ТЕРМОПЛАСТИ ТА ЇХ ВЛАСТИВОСТІ. Такі полімери, як поліпропілен, полівінілхлорид та полістирен утворюються за схожою з етеном схемою полімеризації. З'ясувати їх утворення допоможуть наведені нижче схеми реакцій полімеризації.

Зважаючи на хімічну будову поліпропілену, поліхлорвінілу, полістирену, спрогнозуйте, якою буде їхня реакція на підвищення температури, дію розчинів кислот, лугів, окисників.

— твердий, жирний на дотик, молочно-білого кольору, термопластичний, легший за воду, нерозчинний у ній. Поліпропілен також характеризується високою стійкістю до дії кислот, лугів, розчинів солей та інших агресивних середовищ. Горить кіптявим полум'ям.

Вироби з поліпропілену витримують нагрівання до вищих температур, ніж поліетиленові. Велика стійкість до численних згинань і стирання забезпечує високу міцність поліпропіленових канатів, сіток, технічних тканин. Крім того, його застосовують у виробництві взуття й одягу, іграшок, гребінців, футлярів тощо (мал. 47).

Мал. 47. Вироби з поліпропілену

— білий порошок, стійкий до дії кислот і лугів, легко фарбується, діелектрик, не горить, проте порівняно легко розкладається за нагрівання, виділяючи гідроген хлорид. Застосовується як ізолятор електричного дроту, у виробництві лінолеуму, штучної шкіри для взуття, металопластикових вікон, клейонки, деталей хімічної апаратури, труб, акумуляторних банок (мал. 48). З полівінілхлориду виготовляють плащі від дощу тощо.

Мал. 48. Вироби з полівінілхлориду

— твердий, прозорий, скловидний матеріал. Він досить стійкий до дії лугів і кислот, окрім гарячої нітратної кислоти; розчиняється в багатьох органічних розчинниках. Полістирен розм'якшується за температури 85 °С і, на відміну від уже розглянутих полімерів, за нагрівання досить легко деполімеризується, тобто розкладається з утворенням молекул мономера. Полістирен легко займається і горить на повітрі з виділенням великої кількості кіптяви.

Як досить термопластичний матеріал полістирен легко піддається формуванню виробів, що не потребують великих механічних навантажень, наприклад, декоративно-оздоблювальні матеріали, облицювальна плитка тощо (мал. 49, с. 168). Полістирен — нетоксичний матеріал, його використовують для виготовлення посуду, галантерейних виробів, іграшок, освітлювальної апаратури і т. д. Оскільки полістирен — діелектрик, то з нього виготовляють деталі електро- і радіоапаратури, кабельну ізоляцію.

Мал. 49. Полістирен та вироби з нього

Різновидом полістирену є пінополістирен, або пінопласт. Кожний з вас його добре знає, варто лише нагадати, що побутову техніку (телевізор, холодильник тощо) ми купуємо запакованими у пінопласт. У процесі виготовлення цього матеріалу до полістирену додають спінювачі, зокрема повітря, від чого полістирен набуває структури застиглої піни із закритими порами. Такий матеріал дуже легкий, міцний, стійкий до деформацій.

На сьогодні полістирен — ефективний та універсальний тепло-, звукоізоляційний, а також пакувальний матеріал (мал. 49, с. 168).

ПЛАСТМАСИ І ДОВКІЛЛЯ. Пластмаси є довговічним матеріалом. З одного боку, це добре — пластмасові вироби служать нам тривалий час. З іншого, пластмасова тара — це ще й сміття, якого з роками стає дедалі більше і більше. У населенних пунктах почали використовувати окремі контейнери для відпрацьованих пластмасових пакувальних матеріалів, пластмасових пляшок, посуду тощо. Обов'язково викидайте туди вироби з полімерних матеріалів, ніколи не спалюйте їх. Цим ви збережете повітря від забруднення, а виробництво збагатите вторинною сировиною.

Сторінка ерудита

Порівняно з розглянутими полімерами випускається у менших кількостях, проте здобув широке визнання завдяки своїм властивостям — високій температурі плавлення, великій твердості, термічній і хімічній стійкості, низькому коефіцієнту тертя. На нього не діють органічні розчинники, розчини гарячих концентрованих кислот, лугів тощо. Що більше, не існує жодного розчинника, у якому б політетрафлуороетен хоча б набухав. Специфічна структура молекул зумовлює унікальні фізичні й хімічні властивості фторопластів, які відсутні в інших матеріалів. Ці властивості забезпечили полімеру широке застосування в авіації, радіотехніці, харчовій, фармацевтичній промисловості. Інертність тефлону до кислот і жирів дає змогу виготовляти з нього посуд для зберігання харчових продуктів і лікарських препаратів (мал. 50). Тефлон не впливає на фізіологічні процеси, тому застосовується у виготовленні штучних хрящів і кісток.

Мал. 50. Вироби з тефлону

— продукт поліконденсації відразу двох мономерів — фенолу С₆Н₅ОН і формальдегіду (метаналю) НСНО. Характер взаємодії речовин залежить від їх кількісного співвідношення й від природи каталізатора. Може утворитися полімер лінійної будови, а може бути тривимірний полімер. Просторова структура робить полімер термореактивним.

Фенолоформальдегідні смоли і пластмаси на їх основі — одні з найпоширеніших термореактивних пластмас.

Стисло про основне

• Сучасний науково-технічний прогрес неможливий без виробництва і застосування пластмас.

• Широке використання пластмас і матеріалів на їх основі зумовлене їхніми властивостями: легкістю; міцністю; термопластичністю чи термореактивністю; стійкістю до дії окисників, кислот і лугів; газонепроникністю та нерозчинністю у воді.

• Найпоширеніші пластмаси:

Знаємо, розуміємо

1. Назвіть відомі вам пластмаси.

2. За допомогою яких дослідів можна підтвердити властивості пластмас?

3. Наведіть приклади полімерів:

• а) що підлягають повторній переробці;
• б) що не підлягають повторній переробці.

4. Поясніть, завдяки яким властивостям пластмас їх широко застосовують.

Застосовуємо

1. Розташуйте мономери пластмас за збільшенням відносної молекулярної маси структурної ланки.

• А пропен
• Б етен
• В стирен
• Г тетрафлуороетен

2*. Порівняйте хімічний склад поліетилену й полістирену, масові частки Карбону в їх молекулах. На основі результатів порівняння поясніть, чому поліетилен згорає тьмяним полум'ям, тоді як горіння полістирену супроводжується утворенням кіптяви.

3. З'ясуйте, як застосовуються у вашому побуті пластмаси та матеріали на їх основі.

4. Якби вам довелося вирішувати, якими трубами — металевими чи пластмасовими — підвести воду в дім, то якому з цих матеріалів ви б віддали перевагу? Поясніть чому.

5. Обчисліть ступінь полімеризації полівінілхлориду з відносною молекулярною масою 170 000.

6. Обчисліть відносну молекулярну масу полістирену зі ступенем полімеризації 2500.