Хімія. Повторне видання. 9 клас. Ярошенко

§ 31. Поняття про полімери на прикладі поліетилену

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

  • характеризувати склад і фізичні властивості поліетилену;
  • розрізняти поліетилен й етен за складом;
  • складати загальну схему полімеризації етену.

Під час хімічних реакцій подвійний зв’язок легко розривається (схема 20).

Схема 20. Розрив подвійного зв’язку в етені

Унаслідок розриву подвійного зв’язку з’являються дві вільні валентності, за рахунок яких і відбуваються реакції приєднання. Одна із цих реакцій — реакція полімеризації. Її назва походить від грецького слова полімерес — утворений з багатьох частин.

УЯВЛЕННЯ ПРО РЕАКЦІЮ ПОЛІМЕРИЗАЦІЇ. У чому полягає особливість реакції полімеризації? До цього часу вам були відомі реакції сполучення неорганічних речовин. Але в цих реакціях сполучались кілька формульних одиниць речовин. У реакціях полімеризації приєднуються одна до одної багато молекул з утворенням однієї макромолекули. Реакція полімеризації відбувається за певних умов (нагрівання, збільшення тиску, наявність каталізатора).

Пригадайте, з якими природними біополімерами ви ознайомилися на уроках біології.

Реакція полімеризації — це реакція сполучення багатьох однакових молекул в одну макромолекулу.

ПОЛІЕТИЛЕН. Продукт реакції полімеризації етену — поліетилен — уперше добули в 30-ті роки XX ст. Спочатку реакцію проводили за високого тиску й нагрівання. Згодом німецький учений Карл Вальдемар Ціглер та італійський учений Джуліо Натта розробили метод каталітичної полімеризації етену і пропілену. За це їм обом у 1963 р. присуджено Нобелівську премію.

СХЕМА ПОЛІМЕРИЗАЦІЇ ЕТЕНУ. У реакції полімеризації етену сполученню молекул передує розрив наявного між атомами Карбону подвійного зв’язку.

На схемі показано, що спершу молекули етену перетворюються на частинки з двома вільними валентностями. Завдяки їм частинки сполучаються між собою. На цьому приєднання не завершується, бо і після сполучення залишаються вільні валентності. Процес приєднання продовжується, і в такий спосіб сполучаються від кількох десятків до сотень тисяч молекул етену. У результаті багаторазового приєднання утворюється нова речовина із загальною назвою полімер. У розглянутому прикладі утворений полімер називається поліетилен. Вироби з нього вам добре відомі (мал. 35).

Мал. 35. Вироби з поліетилену

Речовина, взята для проведення будь-якої реакції полімеризації, називається мономером (з грец. моно — один), а частинка, на яку він перетворився і яка багаторазово повторюється у складі полімеру, — структурною ланкою. Кількість структурних ланок дорівнює кількості мономерів.

Кількість молекул мономера, що сполучилися між собою та утворили одну макромолекулу полімеру, називається ступенем полімеризації і позначається літерою n.

Записуючи схему реакції полімеризації, структурну ланку беруть у круглі дужки. Число п, записане в лівій частині схеми, вказує на кількість молекул мономера, що прореагували, а записане у правій її частині після дужки — на кількість структурних ланок у макромолекулі полімеру.

Схему полімеризації етену можна записати так:

Як уже зазначалося, в одну полімерну молекулу можуть об’єднатися десятки й навіть сотні тисяч мономерів, тому цю реакцію не записують хімічним рівнянням, а зображають схематично на зразок поданої схеми реакції полімеризації поліетилену. Оскільки в процесі полімеризації утворюються макромолекули з різною кількістю структурних ланок, то відносна молекулярна маса полімерів — число приблизне. Так, відносна молекулярна маса поліетилену може становити від 20 000 до 3 000 000. Ця величина визначається кількістю молекул етену, які сполучилися між собою.

ВИЯВЛЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОЛІЕТИЛЕНУ. Дослідним шляхом перевіримо деякі властивості поліетилену.

Демонстраційний дослід 1. Відношення поліетилену до нагрівання. Горіння поліетилену.

Шматочок поліетилену внесемо тигельними щипцями в полум’я і спостерігатимемо, як він починає плавитись, а потім горіти яскравим жовтим полум’ям (мал. 36).

Мал. 36. Горіння поліетилену

Отже, поліетилен — легкоплавка й горюча речовина.

Демонстраційний дослід 2. Відношення поліетилену до розчинів лугів і кислот.

Для цього в одну колбу наллємо розчину натрій гідроксиду та додамо поліетилен, а в другу — хлоридну чи якусь іншу кислоту й теж помістимо поліетилен. Спостереження показують, що поліетилен не взаємодіє ні з лугами, ні з кислотами у водних розчинах.

Проведене дослідження свідчить про низьку хімічну активність поліетилену.

Зверніть увагу на те, що у шкільному хімічному кабінеті луги й кислоти зберігають не лише у скляній, а й у поліетиленовій тарі.

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ Й ЗАСТОСУВАННЯ ПОЛІЕТИЛЕНУ. Коротко ознайомимося з фізичними властивостями поліетилену. Це тверда, легша за воду, жирна на дотик речовина, що зовні нагадує парафін. Поліетилен непрозорий (це не стосується виготовлених з нього тонких плівок), нетоксичний, термопластичний, тобто під час нагрівання розм’якшується.

Заводи з виробництва поліетилену випускають його у вигляді гранул (крихти) білуватого кольору (мал. 37).

Мал. 37. Гранули (крихти) поліетилену

З поліетилену виготовляють найрізноманітніші вироби, зокрема й кольорові (додають барвники). Поліетилен не проводить електричного струму, тому незамінний у виготовленні ізоляції для електрокабелів. Поліетилен не гниє й не піддається корозії. Завдяки цим властивостям з поліетилену виготовляють труби, тару для рідин, пакети й багато інших виробів.

Через низьку хімічну активність і розглянуті фізичні властивості поліетилен не руйнується під впливом чинників довкілля. Це призводить до накопичення величезної кількості використаних поліетиленових пляшок і пакувальних поліетиленових матеріалів. Люди часто викидають їх не у спеціально відведених місцях, а будь-де (мал. 38), спричинюючи забруднення довкілля.

Мал. 38. Забруднення довкілля виробами з поліетилену

Останнім часом усе більше людей усвідомлюють необхідність раціонального, а за можливості обмеженого використання поліетиленової тари. У великих містах встановлюють окремі контейнери для збору цих виробів з метою подальшої переробки на заводах. Учені працюють над винайденням способів розкладання полімерів за участі мікроорганізмів.

Стисло про основне

• Полімеризація — сполучення багатьох молекул ненасиченого вуглеводню в одну макромолекулу.

• У схемі полімеризації етену зазначають: мономер, ступінь полімеризації, полімер.

• Відносна молекулярна маса полімеру — число приблизне, оскільки в одну макромолекулу можуть сполучатися від кількох десятків до кількох сотень тисяч молекул мономера.

• Завдяки фізичним і хімічним властивостям поліетилен став широковживаним матеріалом для трубопроводів і з’єднань до них, медичного обладнання, посуду, пакувального матеріалу, різноманітної тари тощо.

Учнівський експеримент

Виконайте вдома

Завдання 1. Поцікавтеся, що у вашій оселі виготовлене з поліетилену. Поміркуйте, які властивості цього полімеру використані в цих пристроях і предметах.

Завдання 2. Розробіть план експерименту з визначення густини поліетилену. За розробленим планом виконайте дослід. Для цього вам знадобляться: вироби з поліетилену, терези, мірний циліндр, прозорий посуд, вода.

Сформулюйте та запишіть висновок про густину поліетилену.

Працюємо з медійними джерелами

Користуючись різними інформаційними джерелами, зокрема й мережею інтернет, розробіть проект на тему «Сьогодення і майбутнє полімерів», висвітливши питання сировинної бази, екологічної безпеки, практичного використання виготовленої з них продукції.

Сторінка ерудованих

Сировиною для добування полімеру політетрафлуороетилену (тефлону) є газоподібна, без кольору й запаху речовина тетрафлуороетилен (тетрафлуороетен) C2F4. У цій речовині, як і в етену, між атомами Карбону наявний подвійний зв’язок, але всі атоми Гідрогену заміщені атомами Флуору. Її полімеризація описується рівнянням:

Подібно до етену, під час полімеризації тетрафлуороетену подвійний зв’язок між атомами Карбону розривається й з’являються вільні одиниці валентності, за рахунок яких вибудовується ланцюг макромолекули політетрафлуороетилену.

... — CF2 — CF2 — CF2 — CF2 — ...

Відсутність у складі макромолекули утвореного полімеру атомів Гідрогену, наявність чотирьох атомів Флуору додають йому властивостей, відмінних від властивостей поліетилену. Так, на відміну від поліетилену, політетрафлуороетилен витримує нагрівання до 300 °С, негорючий, є однією з найміцніших органічних сполук. Додаванням до цього полімеру наповнювачів — графіту, скловати тощо отримують матеріали з високою механічною міцністю, теплопровідністю й температурою плавлення. Такі властивості полімеру забезпечили його застосування у виробництві тефлонового посуду, підшипників, різних деталей тощо (мал. 39).

Мал. 39. Вироби з тефлону

Знаємо, розуміємо

1. Дайте визначення реакції полімеризації, поясніть, чому для етену вона характерна, а для етану — ні.

2. Які властивості поліетилену забезпечили його широке використання?

Застосовуємо

123. На підставі матеріалу параграфа зробіть висновок про доцільність використання поліетилену для зберігання хімічно активних речовин, виготовлення посуду, у якому нагрівають або кип’ятять речовини.

124*. Обчисліть середню молекулярну масу поліетилену зі ступенем полімеризації 5000.

125*. Іноді поліетилен називають високомолекулярним насиченим вуглеводнем. Чим, на вашу думку, зумовлена така назва?