Высокомолекулярные соединения. Реакции полимеризации и поликонденсации. Полимеры. Пластмассы, волокна, каучуки.

 

Высокомолекулярные вещества, состоящие из больших молекул цепного строения, называются полимерами  (от греч. «поли» — много, «мерос» — часть). 

 

Например, полиэтилен, получаемый при полимеризации этилена CH2=CH2:     

  …-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-…  или   (-CH2CH2-)n  

 

 Молекула полимера называется макромолекулой (от греч. «макрос» — большой, длинный).   Молекулярная масса макромолекул достигает десятков — сотен тысяч (и даже миллионов) атомных единиц.

Соединения, из которых образуются полимеры, называются мономерами.

 

Например, пропилен (пропен) СН2=СH–CH3 является мономером полипропилена

Группа атомов, многократно повторяющаяся в цепной макромолекуле, называется ее структурным звеном.  

 

Мономеры – низкомолекулярные вещества, из которых образуются полимеры.

 

Степень полимеризации – число, показывающее количество элементарных звеньев в молекуле полимера.

Степень полимеризации обычно обозначается индексом «n» за скобками, включающими в себя структурное (мономерное) звено:  (–CH2–CH2–)n.

 

Классификация полимеров

 

Полимеры, макромолекулы которых построены строго определенным способом, называют регулярными.

Полимер называется стереорегулярным, если заместители R в основной цепи макромолекул (–CH2–CHR–)n расположены упорядоченно.

Стереорегулярные полимеры обладают гораздо лучшими свойствами – пластичностью, прочностью и теплостойкостью; они способны кристаллизоваться, в отличие от нерегулярных.

 

Классификация по структуре

 

По структуре полимеры делятся на: линейные, разветвленные и пространственные.

ЛинейныеРазветвленныеПространственные
Состоят из последовательности повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечному размеру.

Целлюлоза, полиэтилен низкого давления, капрон

Макромолекулы разветвленных имеют боковые ответвления от цепи, называемой главной или основной

Крахмал

 

Химические связи имеются и между цепями, образуя пространственную структуру

Резина, фенолформальдегидные смолы

 

Линейные — макромолекулы состоят из последовательности повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечному размеру (целлюлоза, полиэтилен низкого давления, капрон).

Разветвленные — макромолекулы которых имеют боковые ответвления от цепи, называемой главной или основной (крахмал).

Сетчатые (пространственные) — химические связи имеются и между цепями (резина, фенолформальдегидные смолы).

 

Классификация по происхождению

 

По способу получения полимеры делятся на: природные, синтетические и искусственные.

Природные волокнаСинтетические волокнаИскусственные
Непосредственно существуют в природе

  •  хлопок
  •  шерсть
  •  натуральный шелк
Получают полностью химическим путем в реакциях полимеризации и поликонденсации

  • капрон
  •  найлон
  •  лавсан
Получают модификацией натуральных полимеров

  • ацетатное волокно
  • целлулоид
  • вискоза

 

Природные полимеры непосредственно существуют в природе (крахмал, целлюлоза и др.).

Синтетические полимеры получают полностью химическим путем в реакциях полимеризации и поликонденсации (полиэтилен, полихлорвинил, фенол-формальдегидные смолы, метилметакрилат и т.д.). Не имеют аналогов в природе.

Искусственные – получают модификацией натуральных полимеров (вискоза –модифицированная целлюлоза, резина –модификация натурального каучука).

 

 

Классификация по химическому характеру

 

По химическому характеру и составу полимеры и химические волокна бывают: полиэфирные, полиамидные, элементоорганические (например, кремнийорганические полимеры).

 

Полиэфирные полимерыПолиамидные полимерыЭлементоорганические
Содержат группу -СОО-

Лавсан (полиэтилентерефталат)

Содержат группу -СО-NH2

Найлон, капрон

Содержат атомы других хим. элементов (кремний и др.).

Кремнийорганические полимеры

 

Полиэфирные полимеры — содержат группу сложных эфиров -СОО-.

Полиамидные полимеры — содержат пептидную связь -СО-NH2-.

Элементоорганические полимеры — содержат атомы других химических элементов (помимо С, Н, О, N).

 

 

 

Классификация по способу получения

 

Полимеры получают либо реакциями полимеризации, либо поликонденсацией.

 

ПолимеризацияПоликонденсация
Это присоединение одних молекул к другим за счет разрыва кратных связей. Побочные продукты, как правило, не образуются.

Полиэтилен, полипропилен и др.

Образование полимера происходит за счет реакции замещения. При этом образуется низкомолекулярный побочный продукт.

Фенолформальдегидная смола, капрон

 

Полимеризация — процесс образования высокомолекулярного вещества(полимера) путём многократного присоединения молекул мономера к активным центрам в растущей молекуле полимера.

 

Например, образование полиэтилена происходит по механизму полимеризации:

 

Поликонденсация – процесс образования высокомолекулярных соединений, протекающий по механизму замещения и сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных продуктов (обычно это вода).

 

Например, образование капрона протекает по механизму поликонденсации:

 

Свойства полимеров

 

По свойствам полимеры можно разделить на: термореактивные, термопластичные и эластомеры.

 

ТермореактивныеТермопластичныеЭластомеры
Неплавкие и неэластичные материалы.

Фенолформальдегидные смолы, полиуретан

Меняют форму при нагревании и сохраняют её.

Полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид

Эластичные вещества при разных температурах.

Натуральный каучук, полихлоропрен


Термореактивные полимеры
— пластмассы, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала.

Например, фенолформальдегидные смолы, полиуретан.

 

Термопластичные полимеры — меняют форму в нагретом состоянии и сохраняют её после охлаждения.

Например, полиэтилен, полистирол, полихлорвинил и т.д.

Эластомеры – обладают высокоэластичными свойствами в широком интервале температур.

Например, натуральный каучук.

 

Полимеризация и поликонденсация

 

Полимеризация

 

Степень полимеризации — это число, показывающее сколько молекул мономера соединилось в макромолекулу. 

Степень полимеризации обычно обозначается индексом «n» за скобками, включающими в себя структурное (мономерное) звено:  (–CH2CH2–)n

 

Характерные признаки полимеризации.

 

  1. В основе полимеризации лежит реакция присоединения.
  2. Полимеризация – цепная реакция, включает стадии инициирования, роста и обрыва цепи.
  3. Элементный состав (молекулярные формулы) мономера и полимера одинаков.

 

Катализаторами полимеризации могут быть: металлический натрий, пероксиды, кислород, металлоорганические соединения, комплексные соединения.

Процесс образования высокомолекулярных соединений при совместной полимеризации двух или более различных мономеров называют сополимеризацией.

Например, схема сополимеризации этилена с пропиленом:

 

Важнейшие синтетические полимеры

Изображение с портала orgchem.ru

 

Важнейшие синтетические полимеры, получаемые реакцией полимеризации, и области их применения:

ПолимерМономерХарактеристики полимераПрименение полимера
Полиэтилен

(–СН2–СН2–)n

Этилен

СН2=СН2

Синтетический, линейный, термопластичный, химически стойкийУпаковка, тара
Полипропилен

Пропилен

СН2=СН–СН3

Синтетический, линейный, термопластичный, химически стойкийТрубы, упаковка, ткань (нетканый материал)
Поливинилхлорид

Винилхлорид

СН2=СН–Сl

Синтетический линейный полимер, термопластичныйНатяжные потолки, окна, пленка, трубы, полы, изолента  и т.д
Полистирол

Стирол

Синтетический линейный полимер, термопластичныйУпаковка, посуда, потолочные панели
Полиметилметакрилат

Метиловый эфир метакриловой кислоты

 

Синтетический линейный полимер, термопластичныйОчки, корпуса фар и светильников, душевые кабины, мебель и т.д
Тефлон (политетрафторэтилен)

Тетрафторэтилен

Синтетический линейный полимер.

Термопластичный (t = 260-3200C)

Обладает очень высокой химической стойкостью

Посуда, пластины утюгов, ленты и скотч, упаковка, изоляция
Искусственный каучук

Мономер: бутадиен-1,3 (дивинил)

Синтетический, линейный,  эластомер, содержит двойные связиРезина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Натуральный каучук

Мономер: 2-метилбутадиен-1,3

Природный, линейный, эластомер, содержит двойные связиРезина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Хлоропреновый каучук

Мономер: 2-хлорбутадиен-1,3

Синтетический, линейный, эластомер, содержит двойные связиРезина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Бутадиен-стирольный каучук

Мономеры: бутадиен-1,3 и стирол

Синтетический, эластомерРезина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Полиакрилонитрил

Акрилонитрил

Синтетический, линейныйВолокна, пластмассы

 

 

Поликонденсация

 

Поликонденсация – процесс образования высокомолекулярных соединений, протекающий по механизму замещения и сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных продуктов, обычно это вода.

 

 

Характерные признаки поликонденсации.

  1. В основе поликонденсации лежит реакция замещения.
  2. Поликонденсация – процесс ступенчатый, т.к. образование макромолекул происходит в результате последовательного взаимодействия мономеров, димеров или n-меров как между собой, так и друг с другом.
  3. Помимо высокомолекулярного соединения, в реакции поликонденсации образуется второе, низкомолекулярное вещество (обычно это вода).

 

 

 

Важнейшие синтетические полимеры, получаемые реакцией поликонденсации, и области их применения:

Полимер и мономерХарактеристики полимераПрименение полимера
Капрон

 

 

 

Мономер: 6-аминокапроновая кислота (лактам)

Синтетический, линейный, термопластичный, очень эластичныйПолиамидные волокна (нитки, ткани, парашюты, втулки и т.д.)
Найлон

 

 

 

Мономер: 1,6-диаминогексан и адипиновая кислота (1,6-гександиовая)

Синтетический, полиамидный, линейный, термопластичныйИзготовление втулок, вкладышей, ниток, одежды, гитарных струн (полиамидное волокно)
Лавсан (полиэтилентерефталат)

Мономер: Этиленгликоль, терефталевая кислота

Синтетический линейный полимер, термопластичный, полиэфирныйНатяжные потолки, окна, пленка, трубы, полы, изолента  и т.д
Фенолформальдегидная смола

Мономеры: фенол и формальдегид

Синтетический, пространственный (сетчатый) полимерПроизводство ДСП, лаков, клея (БФ-6 применяется в медицине), часто используется с наполнителями
Крахмал

Мономер: α-глюкоза

Природный, полиэфирный, разветвленныйПищевая, текстильная, бумажная промышленность, фармацевтика и др.
Целлюлоза

 

Мономер: β-глюкоза

Природный, полиэфирный, линейныйПроизводство бумаги, искусственных волокон, пленок, пластмасс, лакокрасочных материалов, бездымного пороха, взрывчатки, твердого ракетного топлива, получение гидролизного спирта и др.
Белок

Мономер: Дезоксирибоза, ортофосфорная кислота, азотистые основания

Природный, полиэфирный, линейныйФункционирование живых организмов
РНК

Мономер:  Рибоза, ортофосфорная кислота, азотистые основания

 

Природный, полиэфирный, линейныйФункционирование живых организмов