Какое вещество является продуктом реакции полимеризации этена
Высокомолекулярными соединениями (ВМС) называют соединения с молекулярной массой более 10000.
Практически все высокомолекулярные вещества являются полимерами.
Полимеры — это вещества, молекулы которых состоят из огромного числа повторяющихся структурных звеньев, соединенных между собой химическими связями.
Полимеры могут быть получены с помощью реакций, которые можно разделить на два основных типа: это реакции полимеризации и реакции поликонденсации.
Реакции полимеризации
Реакции полимеризации — это реакции образования полимера путем объединения огромного числа молекул низкомолекулярного вещества (мономера).
Количество молекул мономера (n), объединяющихся в одну молекулу полимера, называют степенью полимеризации.
В реакцию полимеризации могут вступать соединения с кратными связями в молекулах. Если молекулы мономера одинаковы, то процесс называют гомополимеризацией, а если различны — сополимеризацией.
Примерами реакций гомополимеризации, в частности, является реакция образования полиэтилена из этилена:
Примером реакции сополимеризации является синтез бутадиен-стирольного каучука из бутадиена-1,3 и стирола:
Полимеры, получаемые реакцией полимеризации, и исходные мономеры
Мономер | Получаемый из него полимер | ||
Структурная формула | Варианты названия | Структурная формула | Варианты названия |
 | этилен, этен |  | полиэтилен |
 | пропилен, пропен |  | полипропилен |
 | стирол, винилбензол |  | полистирол, поливинилбензол |
 | винилхлорид, хлористый винил, хлорэтилен, хлорэтен |  | поливинилхлорид (ПВХ) |
 | тетрафторэтилен (перфторэтилен) |  | тефлон, политетрафторэтилен |
 | изопрен (2-метилбутадиен-1,3) |  | изопреновый каучук (натуральный) |
 | бутадиен-1,3 (дивинил) |  | бутадиеновый каучук, полибутадиен-1,3 |
 | хлоропрен(2-хлорбутадиен-1,3) |  | хлоропреновый каучук |
| и
| бутадиен-1,3 (дивинил) и стирол (винилбензол) |  | бутадиенстирольный каучук |
Реакции поликонденсации
Реакции поликонденсации — это реакции образования полимеров из мономеров, в ходе которых, помимо полимера, побочно образуется также низкомолекулярное вещество (чаще всего вода).
В реакции поликонденсации вступают соединения, в состав молекул которых входят какие-либо функциональные группы. При этом реакции поликонденсации по тому, один используется мономер или больше, аналогично реакциям полимеризации делятся на реакции гомополиконденсации и сополиконденсации.
К реакциям гомополиконденсации относятся:
* образование (в природе) молекул полисахарида (крахмала, целлюлозы) из молекул глюкозы:
* реакция образования капрона из ε-аминокапроновой кислоты:
К реакциям сополиконденсации относятся:
* реакция образования фенолформальдегидной смолы:
* реакция образования лавсана (полиэфирного волокна):
Материалы на основе полимеров
Пластмассы
Пластмассы — материалы на основе полимеров, которые способны под действием нагревания и давления формоваться и сохранять заданную форму после охлаждения.
Помимо высокомолекулярного вещества в состав пластмасс входят также и другие вещества, однако основным компонентом все же является полимер. Благодаря своим свойствам он связывает все компоненты в единую целую массу, в связи с чем его называют связующим.
Пластмассы в зависимости от их отношения к нагреванию делят на термопластичные полимеры (термопласты) и реактопласты.
Термопласты — вид пластмасс, способных многократно плавиться при нагревании и застывать при охлаждении, благодаря чему возможно многоразовое изменение их изначальной формы.
Реактопласты — пластмассы, молекулы которых при нагревании «сшиваются» в единую трехмерную сетчатую структуру, после чего изменить их форму уже нельзя.
Так, например, термопластами являются пластмассы на основе полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида (ПВХ) и т.д.
Реактопластами, в частности, являются пластмассы на основе фенолформальдегидных смол.
Каучуки
Каучуки — высокоэлластичные полимеры, углеродный скелет которых можно представить следующим образом:
Как мы видим, в молекулах каучуков имеются двойные C=C связи, т.е. каучуки являются непредельными соединениями.
Каучуки получают полимеризацией сопряженных диенов, т.е. соединений, у которых две двойные C=C связи, разделены друг от друга одной одинарной С-С связью.
Так например, особо зарекомендовавшими себя мономерами для получения каучуков являются:
1) бутадиен:
2) изопрен:
3) хлоропрен:
В общем виде (с демонстрацией только углеродного скелета) полимеризация таких соединений с образованием каучуков может быть выражена схемой:
Таким образом, исходя из представленной схемы, уравнение полимеризации изопрена будет выглядеть следующим образом:
Весьма интересным является тот факт, что впервые с каучуком познакомились не самые продвинутые в плане прогресса страны, а племена индейцев, у которых промышленность и научно-технический прогресс отсутствовали как таковые. Естественно, индейцы не получали каучук искусственным путем, а пользовались тем, что давала им природа: в местности, где они проживали (Южная Америка), произрастало дерево гевея, сок которого содержит до 40-50% изопренового каучука. По этой причине изопреновый каучук называют также натуральным, однако он может быть получен и синтетическим путем.
Все остальные виды каучука (хлоропреновый, бутадиеновый) в природе не встречаются, поэтому всех их можно охарактеризовать как синтетические.
Однако каучук, не смотря на свои преимущества, имеет и ряд недостатков. Так, например, из-за того что каучук состоит из длинных, химически не связанных между собой молекул, его свойства делают его пригодным для использования только в узком интервале температур. На жаре каучук становится липким, даже немного текучим и неприятно пахнет, а при низких температурах подвержен затвердеванию и растрескиванию.
Технические характеристики каучука могут быть существенно улучшены его вулканизацией. Вулканизацией каучука называют процесс его нагревания с серой, в результате которого отдельные, изначально не связанные друг с другом, молекулы каучука «сшиваются» друг с другом цепочками из атомов серы (полисульфидными «мостиками»). Схему превращения каучуков в резину на примере синтетического бутадиенового каучука можно продемонстрировать следующим образом:
Волокна
Волокнами называют материалы на основе полимеров линейного строения, пригодные для изготовления нитей, жгутов, текстильных материалов.
Классификация волокон по их происхождению
Искусственные волокна (вискозу, ацетатное волокно) получают химической обработкой уже существующих природных волокон (хлопка и льна).
Синтетические волокна получаются преимущественно реакциями поликонденсации (лавсан, капрон, нейлон).
Формула – С2Н4 (СН2 = СН2). Молекулярная масса (масса одного моль) – 28 г/моль.
Углеводородный радикал, образованный от этилена называется винил (-CH = CH2). Атомы углерода в молекуле этилена находятся в sp2-гибридизации.
Химические свойства этилена
Для этилена характерны реакции, протекающщие по механизму электрофильного, присоединения, реакции радикального замещения, окисления, восстановления, полимеризации.
Галогенирование
(электрофильное присоединение) — взаимодействие этилена с галогенами, например, с бромом, при котором происходит обесцвечивание бромной воды:
CH2 = CH2 + Br2 = Br-CH2-CH2Br.
Галогенирование этилена возможно также при нагревании (300
С), в этом случае разрыва двойной связи не происходит – реакция протекает по механизму радикального замещения:
CH2 = CH2 + Cl2 → CH2 = CH-Cl + HCl.
Гидрогалогенирование
— взаимодействие этилена с галогенводородами (HCl, HBr) с образование галогенпроизводных алканов:
CH2 = CH2 + HCl → CH3-CH2-Cl.
Гидратация
— взаимодействие этилена с водой в присутствии минеральных кислот (серной, фосфорной) с образованием предельного одноатомного спирта – этанола:
CH2 = CH2 + H2О → CH3-CH2-ОН.
Среди реакций электрофильного присоединения выделяют присоединение хлорноватистой кислоты (1), реакции гидрокси- и алкоксимеркурирования (2, 3) (получение ртутьорганических соединений) и гидроборирование (4):
CH2 = CH2 + HClO → CH2(OH)-CH2-Cl (1);
CH2 = CH2 + (CH3COO)2Hg + H2O → CH2(OH)-CH2-Hg-OCOCH3 + CH3COOH (2);
CH2 = CH2 + (CH3COO)2Hg + R-OH → R-CH2(OCH3)-CH2-Hg-OCOCH3 + CH3COOH (3);
CH2 = CH2 + BH3 → CH3-CH2-BH2 (4).
Реакции нуклеофильного присоединения характерны для производных этилена, содержащих электроноакцепторные заместители. Среди реакций нуклеофильного присоединения особое место занимают реакции присоединения циановодородной кислоты, аммиака, этанола. Например,
2ON-CH = CH2 + HCN →2ON-CH2-CH2-CN.
В ходе реакций окисления этилена возможно образование различных продуктов, причем состав определяется условиями проведения окисления. Так, при окислении этилена в мягких условиях (окислитель – перманганат калия) происходит разрыв π-связи и образование двухатомного спирта — этиленгликоля:
3CH2 = CH2 + 2KMnO4 +4H2O = 3CH2(OH)-CH2(OH) +2MnO2 + 2KOH.
При жестком окислении этилена кипящим раствором перманганата калия в кислой среде происходит полный разрыв связи (σ-связи) с образованием муравьиной кислоты и углекислого газа:
Окисление
этилена кислородом при 200С в присутствии CuCl2 и PdCl2 приводит к образованию ацетальдегида:
CH2 = CH2 +1/2O2 = CH3-CH = O.
При восстановлении этилена происходит образование этана, представителя класса алканов. Реакция восстановления (реакция гидрирования) этилена протекает по радикальному механизму. Условием протекания реакции является наличие катализаторов (Ni, Pd, Pt), а также нагревание реакционной смеси:
CH2 = CH2 + H2 = CH3-CH3.
Этилен вступает в реакцию полимеризации. Полимеризация — процесс образования высокомолекулярного соединения – полимера-путем соединения друг с другом с помощью главных валентностей молекул исходного низкомолекулярного вещества – мономера. Полимеризация этилена происходит под действием кислот
(катионный механизм) или радикалов (радикальный механизм):
n CH2 = CH2 = -(-CH2-CH2-)n-.
Физические свойства этилена
Этилен – бесцветный газ со слабым запахом, малорастворимый в воде, растворим в спирте, хорошо растворим в диэтиловом эфире. При смешении с воздухом образует взрывоопасную смесь
Получение этилена
Основные способы получения этилена:
— дегидрогалогенирование галогенпроизводных алканов под действием спиртовых растворов щелочей
CH3-CH2-Br + KOH → CH2 = CH2 + KBr + H2O;
— дегалогенирование дигалогенпроизводных алканов под действием активных металлов
Сl-CH2-CH2-Cl + Zn → ZnCl2 + CH2 = CH2;
— дегидратация этилена при его нагревании с серной кислотой (t >150 C) или пропускании его паров над катализатором
CH3-CH2-OH → CH2 = CH2 + H2O;
— дегидрирование этана при нагревании (500С) в присутствии катализатора (Ni, Pt, Pd)
CH3-CH3 → CH2 = CH2 + H2↑.
Применение этилена
Этилен является одним из важнейших соединений, производимых в огромных промышленных масштабах. Его используют в качестве сырья для производства целого спектра различных органических соединений (этанол, этиленгликоль, уксусная кислота и т.д.). Этилен служит исходным сырьем для производства полимеров
(полиэтилен и др.). Его применяют в качестве вещества, ускоряющего рост и созревание овощей и фруктов.
Примеры решения задач
Прочитайте соответствующие разделы учебника.
Ключевые слова: алкен, геометрическая изомерия, двойная связь, качественные реакции, ненасыщенный, олефины, строение, этиленовый углеводород, этен, этилен, sp2-гибридизация.
Задачи и упражнения.
1. Закончите определение.
Алкенаминазывают _________________________________________
________________________________________________________________________________________________________________________
2. Заполните таблицу по образцу
| Алкен | Структурная формула | Число атомов углерода | Число атомов водорода |
| 1-пентен | |||
| Изобутилен | | ||
| 2-бутен | | ||
| 2-метил-2-гексен | |||
| Метилизопропил- этилен | |
3. Какие виды изомерии характерны для алкенов?
А) _________________________, Б) ________________________
4. Приведите примеры геометрических изомеров для 2-пентена.
5. Составьте структурные формулы изомеров углеводорода состава С5Н10 и назовите их.
6. Массовая доля углерода в углеводороде равна 85,71%. !0 литров паров этого вещества имеют массу 18,75 г. К какому классу относится углеводород, если он вступает в реакцию с разбавленным пеманганатом калия при комнатной температуре? Определите плотность этого вещества по воздуху.
7. Смесь пентена и циклопентана пропустили через бромную воду. Какая реакция произошла? Напишите уравнение реакции.
8. Составьте уравнение реакции полимеризации метилэтилена. Назовите полимер.
9. Какой объем (V) воздуха потребуется для сжигания 8,4 кг пропена?
10. Закончите уравнение реакции:
С3Н4Cl2 + O2 →
11. Напишите уравнения реакций получения 2-метилпропена из соответствующих:
А) алкана
Б) спирта
В) алкилгалогенида
12. Осуществите следующие превращения и назовите продукты реакций:
1)
2)
3)
4)
1)
2)
3)
4)
13. Разгадайте ключевое слово кроссворда. Ответы записывайте по вертикали.
- Какое вещество является продуктом реакции полимеризации этена?
- Для углеводородов ряда этилена характерны реакции полимеризации и _______________________.
- Как по международной номенклатуре называеся углеводород ряда этилена?
- Назовите гомолог этилена, формула которого C4H8?
- Как называется связь в молекуле углеводорода ряда этилена?
| Э | ||||||||
ЗАНЯТИЕ № 4
Тема: Непредельные углеводороды. Алкины.
Прочитайте соответствующие разделы учебника.
Ключевые слова: алкин, ацетилен, ацетиленовые углеводороды, гомолог, линейный, качественные реакции, кратные связи, реакция Кучерова, тройная связь, sp-гибридизация.
Задачи и упражнения.
1. Напишите общую формулу для алкинов: _____________________
2. Заполните таблицу простейших гомологов ацетилена и их структурных изомеров:
| Молекулярная формула | Структурная формула | Название |
| С2Н2 | Н-С≡С-Н | Ацетилен (этин) |
| С3Н4 | Метилацетилен (____________) | |
| С4Н6 | А) Б) | 1-бутин ______________ |
| С5Н8 | А) Б) В) |
3. Закончите уравнения реакций получения ацетилена из карбида кальция (А) и природного газа (Б):
А) СаС2 + 2НОН
Б) 2СН4
4. Где применяют ацетилен и его соединения?
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________________________________________
5. Перед Вами ряд превращений. Составьте уравнения реакций, соответствующих данным превращениям:
Н3С-СН2ОН → СН2=СН2 → СН2Br-СН2Br → С2Н2→ CН3-СНСI2
А)
Б)
В)
Г)
6. Напишите уравнения реакций этина и пропина с водой в присутствии HgSO4 (реакция Кучерова). Назовите продукты реакций.
А)
Б)
7. Как с помощью качественных реакций различить пропан, пропен и пропин? Напишите уравнения реакций.
8. Как с помощью качественных реакций различить 1-бутин и 2-бутин?
9. Осуществите превращения и назовите продукты реакций:
1)
2)
3)
4)
1)
2)
3)
4)
1)
2)
3)
4)
10. Составьте словосочетания по образцу.
| 1-е слово | 2-е слово | Словосочетание |
| Функциональная | строение | Функциональная группа |
| Гомологический | замещения | |
| Пространственная | углеводороды | |
| Реакции | соединения | |
| Предельные | группа | |
| Нециклическое | ряд | |
| Реакция | изомерия | |
| Структурная | углеводороды | |
| Высокомолекулярные | полимеризации | |
| Непредельные | изомерия |
ЗАНЯТИЕ № 5
Реакция полимеризации – это реакция, приводящая к образованию молекул полимера из низкомолекулярного вещества без выделения каких-либо побочных низкомолекулярных продуктов. Состав полимера, получаемого в результате такой реакции, равен составу низкомолекулярного исходного вещества (мономера). Если в образовании полимера участвует один мономер, то такой полимер называется гомополимером, если несколько – сополимером (реакция получения такого полимера называется реакций сополимеризации).
Сокращённо реакцию полимеризации записывают, как показано ниже, на примере полимеризации этилена:
где индекс «n» – степень полимеризации, которая может достигать нескольких тысяч.
Реакция полимеризации может протекать по различным механизмам, основным из которых является цепной радикальный механизм. Многие промышленно важные полимеры получают по реакции с этим механизмом. Рассмотрим протекание этого процесса на примере полимеризации этилена. Реакция состоит из нескольких стадий.
1-я стадия – инициирование
Здесь R–R – какое-нибудь соединение, распадающееся под действием температуры или излучения на свободные радикалы R·, то есть частицы, имеющие хотя бы один неспаренный электрон. Свободные радикалы очень реакционноспособны, так как стремятся спаривать свой электрон с электронами, имеющимися в других частицах – молекулах или радикалах. В качестве соединений R–R часто используют органические производные перекиси водорода, например перекись бензоила, которая распадается на свободные радикалы по схеме:
Вещества, вызывающие протекание реакции полимеризации по радикальному механизму, называют инициаторами полимеризации. В качестве инициаторов можно использовать и радикальные частицы, существующие в свободном состоянии, например молекулярный кислород, который является бирадикалом О2··, или оксиды азота NO· и NO2·, молекулы которых являются свободными радикалами.
2-я стадия – рост цепи
Реакция начинается с присоединения радикальной частицы R· к молекуле мономера
в результате чего образуется новая радикальная частица, к которой опять присоединяется молекула мономера, и процесс многократно повторяется:
3-я стадия – обрыв цепи
Процесс роста цепи может в любой момент оборваться в результате взаимодействия радикалов между собой:
или
По этой причине в процессе синтеза полимера образуются макромолекулы различной длины. Таким образом синтезируется не индивидуальное вещество, у которого все молекулы одинаковы, а смесь, состоящая из большого числа самых различных макромолекул, что называют полидисперсностью полимера. Полидисперсность присуща полимерам независимо от механизма реакции, и это явление в значительной мере определяет физические свойства полимерных веществ. Так, при их нагревании не обнаруживается чётких температур плавления, как у низкомолекулярных веществ. Полимерное вещество при нагревании плавно проходит через последовательность определённых состояний, разделённых размытыми температурными промежутками:
стеклообразное ® высокоэластичное ® вязкотекучее.
Радикал R· может вступить во взаимодействие с боковой частью как растущей цепи, так и с цепью, завершившей свой рост (уравнение а); такая возможность развития процесса называется переносом цепи. В результате в цепи полимерной молекулы образуется активный центр -H·-, который может стать инициатором для образования новой полимерной цепи (уравнение б), которая будет присоединена к цепи первоначальной молекулы, то есть на цепи полимерной молекулы могут образоваться ответвления, и она станет разветвлённой:
Реакция полимеризации протекает в том случае, если молекулы мономера содержат кратные (двойные, тройные) связи, или циклы, которые раскрываются при реакции:
Полимеризация диеновых углеводородов с сопряженными связями протекает преимущественно по положениям 1,4 молекулы; в результате образуется полимер, содержащий двойную связь в элементарном звене: