Какой продукт образуется при полимеризации этилена
Высокомолекулярные соединения, полимеры (ВМС) — вещества,
обладающие большим молекулярным весом (от нескольких тысяч до
нескольких миллионов). К природным высокомолекулярным соединениям
(биополимерам) относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и т. д. К
синтетическим — различные пластмассы, синтетические каучуки и волокна. Высокомолекулярные
соединения — продукты химического соединения (полимеризации или поликонденсации)
большого количества низкомолекулярных соединений (мономеров), играющих роль
отдельных звеньев в макромолекуле полимера; при этом мономеры могут быть
одинаковыми (например, из этилена — полиэтилен) или различными (например,
остатки разных аминокислот в белках).
Основные понятия
1). Низкомолекулярные соединения, из которых
образуются полимеры, называются мономерами.
Например,
пропилен СН2=СH–CH3
является мономером полипропилена:
2). 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 (-CH2-CH2-)n
Молекула
полимера называется макромолекулой (от греч. «макрос» — большой,
длинный).
Молекулярная
масса макромолекул достигает десятков — сотен тысяч (и даже миллионов) атомных
единиц.
3). Группа атомов, многократно повторяющаяся в
цепной макромолекуле, называется ее структурным звеном.
…-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-…
поливинилхлорид
В
формуле макромолекулы это звeно обычно выделяют скобками:
(-CH2-CHCl-)n
Строение
структурного звена соответствует строению исходного мономера, поэтому его
называют также мономерным звеном.
4).
Степень полимеризации — это число, показывающее сколько
молекул мономера соединилось в макромолекулу.
В
формуле макромолекулы степень полимеризации обычно обозначается индексом «n»
за скобками, включающими в себя структурное (мономерное) звено:
Для синтетических полимеров, как
правило, n ≈ 102-104;
а самые длинные из известных природных макромолекул – ДНК (полинуклеотидов) –
имеют степень полимеризации n ≈
109-1010.
5).
Молекулярная масса макромолекулы
связана со степенью полимеризации соотношением:
М(макромолекулы)
= M(звена) • n,
где n
— степень полимеризации,
M — относительная молекулярная масса
(подстрочный
индекс r в обозначении относительной молекулярной массы Мr
в химии полимеров обычно не используется).
Для полимера, состоящего из множества
макромолекул, понятие молекулярная масса и степень полимеризации имеют
несколько иной смысл. Дело в том, что когда в ходе реакции образуется полимер,
то в каждую макромолекулу входит не строго постоянное число молекул мономера.
Это зависит от того, в какой момент прекратится рост полимерной цепи.
Поэтому в одних макромолекулах
мономерных звеньев больше, а в других — меньше. То есть, образуются
макромолекулы с разной степенью полимеризации и, соответственно, с разной
молекулярной массой (так называемые полимергомологи).
Следовательно, молекулярная масса и
степень полимеризации полимера являются средними величинами:
Mср(полимера)
= M(звена) • nср
СВОЙСТВА
ПОЛИМЕРОВ
Наибольшие отличия полимеров от
низкомолекулярных соединений и веществ немолекулярного строения проявляются в
механических свойствах, в поведении растворов и в некоторых химических
свойствах.
Особые механические свойства:
·
эластичность— способность к высоким обратимым
деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);
·
малая хрупкость стеклообразных
и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);
·
способность
макромолекул к ориентации под
действием направленного механического поля (используется при изготовлении
волокон и пленок).
Особенности растворов полимеров:
·
высокая вязкость раствора при
малой концентрации полимера;
·
растворение
полимера происходит через стадию набухания.
Особые химические свойства:
·
способность
резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств
реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т.п.).
Особые свойства полимеров объясняются не
только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное
строение и обладают уникальным для неживой природы свойством — гибкостью.
Физические
состояния полимеров
В зависимости от строения и внешних
условий полимеры могут находиться в аморфном или кристаллическом состояниях.
·
Аморфное состояние полимера характеризуется
отсутствием упорядоченности в расположении макромолекул.
·
Кристаллическое состояние
возможно лишь для стереорегулярных полимеров. Причем оно значительно отличается
от упорядоченного кристаллического состояния низкомолекулярных веществ. Для
кристаллических полимеров характерна лишь частичная упорядоченность
макромолекул, т.к. процессу кристаллизации препятствует длинноцепное строение
макромолекул.
Под кристалличностью полимеров понимают
упорядоченное расположение некоторых отдельных участков цепных макромолекул.
В кристаллическом полимере всегда
имеются аморфные области и можно говорить лишь о степени его кристалличности.
Степень кристалличности может меняться у одного и того же полимера в
зависимости от внешних условий. Например, при растяжении полимерного образца
происходит взаимная ориентация макромолекул, способствующая их упорядоченному
параллельному расположению, и кристалличность полимера возрастает. Это свойство
полимеров используется при вытяжке волокон для придания им повышенной
прочности.
Применение полимеров
Благодаря механической прочности,
эластичности, электроизоляционным и другим свойствам изделия из полимеров
применяют в различных отраслях промышленности и в быту. Основные типы
полимерных материалов — пластические массы, резины, волокна, лаки, краски,
клеи, ионообменные смолы. В технике полимеры нашли широкое применение в
качестве электроизоляционных и конструкционных материалов. Полимеры – хорошие
электроизоляторы, широко используются в производстве разнообразных по
конструкции и назначению электрических конденсаторов, проводов, кабелей, Синтетические
полимеры используют либо в чистом виде, либо в сочетании с другими материалами
(наполнителями, красителями, стабилизаторами и т.п.), придающими им
специфические свойства. Так, например, сочетая фенолформальдегидную смолу с хлопчатобумажной тканью получают текстолит,
со стекловолокном – стеклопласт, с бумагой – гетинакс.
На основе полимеров получены материалы,
обладающие полупроводниковыми и магнитными свойствами. Значение биополимеров
определяется тем, что они составляют основу всех живых организмов и участвуют
практически во всех процессах жизнедеятельности.
Химия, 10 класс
Урок № 15. Синтетические полимеры. Конденсационные полимеры. Пенопласты
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме
Урок посвящён ознакомлению с разнообразием синтетических полимеров и пластмасс на их основе.
Глоссарий
Аминопласты – это термореактивные пластмассы на основе аминоальдегидных смол. Такие смолы в свою очередь получают путем взаимодействия аминосоединения, преимущественно меламина или мочевины, с формальдегидом.
Клеи – композиции на основе мономеров, олигомеров, полимеров или их смесей, а также включающие в себя отвердители, наполнители и пластификаторы. Они способны соединять различные материалы, вследствие образования прочных связей между их поверхностями и клеевой прослойкой.
Композиционные материалы или композиты – состоят из полимерной основы, укрепленной наполнителем в виде высокопрочных волокон и нитевидных кристаллов, которые в свою очередь могут быть металлическими, полимерными или неорганическими.
Лаки – это растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях. Помимо собственно полимеров лаки содержат вещества, повышающие пластичность (пластификаторы) и различные отвердители и красители.
Мономер – это структурная единица полимера, повторяющееся звено в составе полимерных молекул.
Пенопласты – это вспененные ячеистые пластические массы и похожи на застывшую пену. Они состоят из большого количества замкнутых пузырьков, заполненных азотом или воздухом.
Пластмасса – это материал, изготавливаемый на основе полимера и являющийся смесью нескольких веществ.
Полимер – это высокомолекулярное соединение, большая молекула или макромолекула, которая состоит из большого количества повторяющихся структурных звеньев.
Полимерные пленки – сплошные слои полимеров, которые получают путём продавливания расплавов полимеров через тонкие щелевидные отверстия или путем нанесения растворов полимеров на движущуюся ленту.
Полипропилен – это термопластичный продукт полимеризации пропилена.
Политетрафторэтилен – это термопластичный продукт полимеризации тетрафторэтилена, состоящий из цепочки атомов углерода и оболочки из атомов фтора.
Полиэтилен – это термопластичный продукт полимеризации этилена.
Реакция поликонденсации – это химический процесс соединения исходных молекул мономера в макромолекулы полимера, сопровождающийся образованием низкомолекулярного продукта, как правило, воды.
Реакция полимеризации – это химический процесс соединения большого количества исходных молекул мономера в макромолекулы полимера.
Синтетические волокна – это волокна, которые получают путем продавливания растворов или расплавов полимеров через тонкие отверстия в пластине с последующим затвердеванием.
Старение полимеров – это процесс ухудшения свойств полимеров во времени в результате деструкции макромолекул и уменьшения их молекулярной массы.
Степень полимеризации — число мономерных звеньев, образующих в процессе полимеризации полимер.
Стереорегулярные полимеры – это высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых состоят из соединенных между собой определенным образом звеньев с закономерно периодически повторяющимся расположением атомов в пространстве.
Структурное звено полимера – это повторяющаяся группа атомов в молекуле полимера.
Фенолформальдегидные смолы – это синтетические смолы, обладающие свойствами термореактопластов. Они являются жидкими или твердыми продуктами реакции поликонденсации фенола с формальдегидом в кислой или щелочной среде.
Фенопласты – это фенолформальдегидная пластмасса, получаемая из фенолформальдегидной смолы путем добавления в нее различных наполнителей, например, хлопчатобумажной ткани, стекловолокна или древесной муки и последующего отверждения данной композиции при повышенных температурах.
Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.
Дополнительная литература:
1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тестов по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.
2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.
Открытые электронные ресурсы:
- Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: https://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Полимер – это высокомолекулярное соединение, которое состоит из большого количества более мелких молекул, связанных друг с другом прочными ковалентными связями. Число мономерных звеньев — звеньев, повторяющихся в составе полимера, и образующих в процессе полимеризации полимер называется степенью полимеризации. Известны два основных способа получения полимеров – полимеризация и поликонденсация. Полимеры классифицируют по химическому составу, по происхождению, по реакции на нагревание и по степени разветвленности. Полимеры широко применимы в следующих отраслях: в машиностроении, сельском хозяйстве, медицине, строительстве.
У полимеров существуют особые механические свойства:
- эластичность – при небольшой нагрузке способны к высоким обратимым деформациям (каучуки);
- малая хрупкость — стеклообразные и кристаллические полимеров достаточно прочны и могут во многих сферах заменить обычное стекло (пластмассы, органическое стекло);
Свойства растворов полимеров:
- при малой концентрации полимера, его раствор будет обладать высокой вязкостью;
- при растворении полимера сначала происходит его набухание.
Особые химические свойства:
- полимеры способны резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.).
Особые свойства полимеров объясняются прежде всего тем, что макромолекулы имеют цепное строение, в следствие чего обладают гибкостью.
Биополимеры – класс полимеров, которые входят в состав живых организмов и встречаются в природе в естественном виде: полисахариды, нуклеиновые кислоты, белки. Биополимеры также как и вся группа полимеров состоят из одинаковых (или схожих) звеньев – мономеров. Для каждого типа биополимера характерны свои мономеры: для белков – аминокислоты, для полисахаридов – моносахариды, для нуклеиновых кислот – нуклеотиды. Многие биополимеры находят применение в пищевой, перерабатывающей и фармацевтической промышленности.
Механизм реакции образования полимеров
Реакция полимеризации состоит из трех основных стадий: инициирования полимеризации, дальнейшего роста цепи и реакции обрыва цепи. Реакция инициирования радикальной полимеризации заключается в образовании первичного свободного радикала из молекулы мономера в результате появления в ней неспаренного электрона. Свободные радикалы могут образовываться при действии тепла (термическая полимеризация), света (фотохимическая полимеризация), в результате облучения мономера высокой энергией (высокочастотная или микроволновая полимеризация, радиационная полимеризация), под влиянием инициаторов (полимеризация в присутствии инициаторов или инициированная полимеризация).
Обрыв цепи на последней стадии может произойти при взаимодействии двух растущих радикалов, растущего полимерного радикала с радикалом инициатора, дезактивации растущей полимерной цепи за счет взаимодействия с примесями в реакционной системе.
Полистирол – продукт радикальной полимеризации стирола (винилбензола), имеет линейную структуру. Полистирол термопластичен, степень полимеризации полистиролов, выпускаемых в промышленности составляет n = 600–2500. Полистирол – жёсткий хрупкий полимер, имеет невысокую механическую прочность. Полистирол обладает хорошими диэлектрическими свойствами и выдерживает морозы до −40 °C. Имеет невысокую химическую стойкость (кроме разбавленных кислот, спиртов и щелочей). Выпускается в виде прозрачных гранул цилиндрической формы, которым можно задать любую форму при температуре 190–230 °С.
Полиуретаны – гетероцепные полимеры, макромолекула которых содержит незамещённую и замещённую уретановую группу –N(R)–C(O)O–, где в качестве радикала R могут выступать Н, алкилы, арил или ацил. Используются в качестве заменителей резины при производстве изделий, работающих в агрессивных средах, в условиях больших нагрузок и температур, диапазон которых может варьироваться от −60 °С до +80 °С. Полиуретаны могут быть вязкими жидкостями или являться твёрдыми веществами в кристаллическом состоянии. Благодаря разнообразию механических свойств, полиуретаны могут применяться для производства клеев, лаков, пружин, защитных уплотнений и т.д.
Поливинилхлорид (ПВХ) – термопластичный полимер винилхлорида, бесцветная, прозрачная пластмасса. ПВХ устойчив к щелочам, минеральным маслам и некоторым видам кислот. Не горит на воздухе. Температурные границы для данного полимера от -15 до 66 °С. Применяется для изготовления труб, линолеума, натяжных потолков, используется в качестве уплотнителя в бытовых холодильниках. Также часто применяется для изготовления одежды, так как внешним видом напоминает кожу. Может терять свои свойства на солнце и становиться хрупким — для предотвращения этого в ПВХ вводят светопоглощающие краски, что позволяет уменьшить деструкцию материала.
Утилизация полимеров
Среди крупнейших потребителей полимерных материалов на одном из первых мест стоит строительная индустрия. Широкому применению полимерных материалов в строительстве способствуют не только высокая химическая стойкость, хорошие декоративные свойства многих из них, но и сравнительная простота применения, технологичность и другие свойства. Также из всех выпускаемых пластиков 41 % используется в упаковке, из этого количества 47 % расходуется на упаковку пищевых продуктов. Вследствие этого образуется большое количество отходов полимеров, которые можно разделить на три группы:
а) технологические отходы производства, которые возникают при синтезе и переработке термопластов; бывают неустранимые и устранимые технологические отходы. Неустранимые – остатки при производстве продукции. Устранимые – технологический брак, который образуется при несоблюдении технических условий работы.
б) отходы производственного потребления – накапливаются в результате неисправности и выхода из строя изделий из полимерных материалов, которые используются в различных отраслях народного хозяйства. Данный тип отходов лучше всего предназначен для вторичной переработки.
в) отходы общественного потребления, которые накапливаются в домах, на предприятиях общественного питания и т.д.
К основным способам утилизации отходов пластических масс относятся:
- термическое разложение путем пиролиза (разложение органических продуктов в присутствие кислорода или без него);
- разложение с получением исходных низкомолекулярных продуктов (мономеров, олигомеров);
- вторичная переработка.
Примеры и разбор решения задач тренировочного модуля
Задание №1.
Вопрос. Расставьте по порядку реакции, участвующие в процессе полимеризации.
- Тепловое воздействие на молекулу.
- Присоединение к радикалам образующихся мономеров.
- Образование радикалов.
- Образование макрорадикалов.
- Перенос активного центра на другую молекулу.
Решение. Известно, что реакции полимеризации начинаются с воздействия на молекулу различных инициаторов, тепла, света и облучения, поэтому из всех представленных пунктов нам подходит «1) Тепловое воздействие на молекулу». Дальнейшее инициирование заключается в образовании свободных радикалов и макрорадикалов (не путать с ростом цепи), соответственно по очереди идут пункты «3) Образование радикалов» и «4) Образование макрорадикалов». Далее уже происходит стадия роста цепи – взаимодействие уже образовавшихся мономеров и радикалов – «2) Присоединение к радикалам образующихся мономеров». И в итоге, когда полимер собран, происходит обрыв цепи, который заключается в «5)Переносе активного центра на другую молекулу», в результате чего молекула больше не взаимодействует с образующимися радикалами и молекулярная цепь не растет.
Следовательно, правильный ответ:
1)Тепловое воздействие на молекулу
3) Образование радикалов.
4) Образование макрорадикалов.
2) Присоединение к радикалам образующихся мономеров.
5) Перенос активного центра на другую молекулу.
Задание №2.
Вопрос. Подставьте в окошки представленного соединения группы –СН3 и –Н таким образом, чтобы получился цис-изомер.
Решение. Цис-транс-изомерия –вид стереоизомерии, который заключается в возможности расположения заместителей по одну или по разные стороны плоскости двойной связи (в данном случае). Обозначения «цис» и «транс» произошли из латыни, в переводе с этого языка цис означает «на одной стороне», а транс – «на другой стороне» или «напротив». Так как нам необходима цис форма, то расположить две одинаковые группы необходимо по одну сторону, следовательно, правильный вариант выглядит так:
