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
	бутадиен-1,3 (дивинил) 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.

1) бутадиен:

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).

Синтетические полимеры

В ХХ веке появление синтетических высокомолекулярных соединений – полимеров - было технической революцией. Полимеры получили очень широкое применение в самых различных практических областях. На их основе были созданы материалы с новыми во многом необычными свойствами, значительно превосходящими ранее известные материалы.

Полимеры – это соединения, молекулы которых состоят из повторяющихся единиц - мономеров.

Известны природные полимеры . К ним относятся полипептиды и белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты.

Синтетические полимеры получаются путем полимеризации и поликонденсации (см. дальше) низкомолекулярных мономеров.

Структурная классификация полимеров

а) линейные полимеры

Имеют линейное строение цепи. Их названия производятся от названия мономера с добавлением приставки поли -:

б) сетчатые полимеры:

в) сетчатые трехмерные полимеры:

Совместной полимеризацией различных мономеров получают сополимеры . Например:

Физико-химические свойства полимеров определяются степенью полимеризации (величина n) и пространственной структурой полимера. Это могут быть жидкости, смолообразные или твердые вещества.

Твердые полимеры по-разному ведут себя при нагревании.

Термопластичные полимеры – при нагревании расплавляются и после охлаждения принимают любую заданную форму. Это можно повторять неограниченное число раз.

Термореактивные полимеры – это жидкие или пластичные вещества, которые при нагревании затвердевают в заданной форме и при дальнейшем нагревании не расплавляются.

Реакции образования полимеров полимеризация

Полимеризация – это последовательное присоединение молекул мономера к концу растущей цепи. При этом все атомы мономера входят в состав цепи, и в процессе реакции ничего не выделяется.

Для начала реакции полимеризации необходимо активировать молекулы мономера с помощью инициатора. В зависимости от типа инициатора различают

радикальную,

катионную и

анионную полимеризацию.

Радикальная полимеризация

В качестве инициаторов радикальной полимеризации применяют вещества, способные при термолизе или фотолизе образовывать свободные радикалы, чаще всего это органические перекиси или азосоединения, например:

При нагревании или освещении УФ-светом эти соединения образуют радикалы:

Реакция полимеризации включается в себя три стадии:

Инициирование,

Рост цепи,

Обрыв цепи.

Пример – полимеризация стирола:

Механизм реакции

а) инициирование:

б) рост цепи:

в) обрыв цепи:

Радикальная полимеризация легче всего идет с теми мономерами, у которых образующиеся радикалы стабилизированы влиянием заместителей у двойной связи. В приведенном примере образуется радикал бензильного типа.

Радикальной полимеризацией получают полиэтилен, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, полистирол и их сополимеры.

Катионная полимеризация

В этом случае активация мономерных алкенов производится протонными кислотами или кислотами Льюиса (BF 3 , AlCl 3 , FeCl 3) в присутствии воды. Реакция идет как электрофильное присоединение по двойной связи.

Например, полимеризация изобутилена:

Механизм реакции

а) инициирование:

б) рост цепи:

в) обрыв цепи:

Катионная полимеризация характерна для винильных соединений с электронодонорными заместителями: изобутилена, бутилвинилового эфира, α-метилстирола.

Задание 449 (ш)
Как получают в промышленности стирол? Приведите схему его полимеризации. Изобразите с помощью схем линейную и трехмерную структуры полимеров.
Решение:

Получение и полимеризация стирола

Большую часть стирола (около 85 %) в промышленности получают дегидрирование м этилбензола при температуре 600-650°С, атмосферном давлении и разбавлении перегретым водяным паром в 3 - 10 раз. Используются оксидные железо-хромовые катализаторы с добавкой карбоната калия.

Другой промышленный способ, которым получают оставшиеся 15 %, заключается в дегидратации метилфенилкарбинола , образующегося в процессе получения оксида пропилена из гидропероксида этилбензола. Гидропероксид этилбензола получают из этилбензола некаталитическим окислением воздуха.

Схехма анионоидной полимеризации стирола :

Полистирол – термопластичный аморфный полимер с формулой:

[СН 2 =С(С 6 Н 5)Н]n ------------> [-СН 2 - С(С 6 Н 5)Н -]n
стирол полистирол

Полимеризация стирола происходит при действии амидов натрия или калия в жидком аммиаке.

Структуры полимеров:

Особенность линейных и разветвленных полимеров - отсутствие первичных (химических) связей между макромолекулярными цепями; между ними действуют особые вторичные межмолекулярные силы.

Линейные молекулы полимеров:

Разветвленные линейные молекулы:

Если макромолекулярные цепи соединены между собой химическими связями, образующими ряд поперечных мостиков (трехмерный каркас), то структура такой сложной макромолекулы носит название пространственной. Валентные связи в пространственных полимерах расходятся во все стороны беспорядочно. Среди них выделяют полимеры с редким расположением поперечных связей. Эти полимеры называют сетчатыми.

Трехмерные структуры полимеров:

Сетчатая структура полимера:

Полистирол

Рис. 1. Линейная структура полистирола

Полиорганосилоксан

Рис. 2. Трехмерная структура полиорганосилоксана

Что же такое полимеризация?

Рассмотрим основные

и связанные с ними процессы, ведь, оказывается, почти весь наш мир — полимерный.

Полимеризация – это реакция образования высокомолекулярного соединения из низкомолекулярного. Высокомолекулярное соединение (полимер) – это вещество с большой молекулярной массой, состоящее из многократно повторяющихся сегментов (структурных звеньев), связанных между собой.

Где мы в повседневной жизни можем встретить полимеры?

Везде. Куда бы вы ни поглядели. Полимеры глубоко связались с нашей жизнью, собственно и образовали ее.

Ткани (как синтетические, так и натуральные), пластмассы, резина образованны полимерами. Кроме того, мы сами – тоже состоим из полимеров.

Вспомним определение жизни по Энгельсу:

«Жизнь есть способ существования белковых тел…».

Белки – это природные биополимеры, так же к биополимерам относятся нуклеиновые кислоты и полисахариды .

Какие вещества могут вступать в реакцию полимеризации?

Ответ простой: вещества, содержащие кратные (двойные, тройные) связи .

Давайте рассмотрим первое — схему реакции образования полиэтилена (из него делают пакеты, бутылки, упаковочную пленку и многое другое):

Как мы видим, π-связь рвется, и атомы углерода одной молекулы связываются с атомами углерода соседних молекул. Так образуется длинная цепь полимера. Так как длина полимера может достигать нескольких сотен структурных звеньев, точное число которых, предсказать невозможно, так как в разных молекулах она различная и чтобы не записывать целиком эту цепь, реакцию полимеризации записывают следующим образом:

Где, n – число структурных звеньев в молекуле.

Исходное низкомолекулярное вещество, вступающее в реакцию полимеризации, называется мономер.

Не следует путать структурное звено с мономером.

Мономер и структурное звено имеют одинаковый качественный и количественный состав, но разное химическое строение (отличаются друг от друга количеством кратных связей).

Уравнения полимеризации:

Реакции получения наиболее часто встречающихся полимеров:

1. Образование изопренового каучука (природный каучук тоже изопреновый, но строго цис- строения) из 2-метилбутадиена-1,3 (изопрена):

1. Образование полистирола (пластмасса) из винилбензола (стирола):

1. Образование полипропилена из пропена (пропилена):

Каучуки – это группа полимеров, объединенные общими качествами (эластичность, электроизоляция и т.д.), сырье для производства резины. Раньше для этого использовали натуральный каучук из сока так называемых каучуконосных растений. Позже стали изготавливать искусственные каучуки.

В СССР в 1926 году был объявлен конкурс на лучший способ получения синтетического каучука. Конкурс выиграл Лебедев С.В.

Его метод заключался в следующем:

из этилового спирта производили бутадиен-1,3. Этиловый спирт получали брожением из растительного сырья, которого в СССР было предостаточно, это делало производство дешевле. Бутадиен-1,3 после полимеризации образовывал синтетический каучук:

Чтобы превратить каучук в резину, его подвергают вулканизации.

Вулканизация – это процесс сшивания нитей полимера-каучука в единую сеть, вследствие чего улучшается эластичность, прочность, устойчивость к органическим растворителям .

На схеме ни же показан процесс вулканизации бутадиеновго каучука, путем образования между молекулами полимера дисульфидных мостиков:

Следует отличать реакции полимеризации от реакций поликонденсации.

Реакция поликонденсации – это реакця образования высокомолекулярного соединения из низкомолекулярного, при которой выделяется побочный продукт (вода, аммиак, слороводород и др.)

Способность вещества вступать в реакцию поликонденсации обучлавливается у него наличием покрайней мере двух разных функциональных групп .

Рассмотрим на примере аминокислот :

Две аминокислоты соединились друг с другом, образовав пептидную связь, с выделением побочного продукта – воды. Если процесс продолжить – присоединять к этой цепи остатки аминокислот – по получим белок. Способность аминокислот вступать в реакцию поликонденсации обуславливает наличие в их строение двух функциональных групп: карбоксильной и аминогруппы. В результате реакции поликонденсации помимо полипептидов (белков), образуются нуклеиновые кислоты и полисахариды.

В погоне за качеством продукции, человек научился создавать такие стойкие полимеры, что они не разлагаются несколько тысяч лет. А иногда при разложении выделяют в окружающую среду опасные вещества. Это большая экологическая проблема. Сейчас открываются пункты переработки пластмасс.

Если мы все вместе будет сдавать туда пластмассовые отходы, то внесем огромный вклад в сохранение нашего общего дома – планеты Земля и ее природы.

Еще на эту тему:

Лабораторная работа 1

Полимеризация стирола в растворе

Теоретическая часть

Различают два варианта полимеризации в растворе :

1. полимер и мономер растворимы в растворителе;

2. в растворителе растворим только мономер, а полимер осаждается по мере образования.

Практическая часть

Задание.

Написать уравнения химических реакций, протекающих при полимеризации стирола в растворе Провести полимеризацию стирола при 90-95°С в течение 4 часов по двум рецептурам (г) : а) стирол -20,0; пероксид бензоила - 0,4; бензол-10,0 г; б) стирол-20,0; пероксид бензоила-0,4; четыреххлористый углерод-10,0 Выделить полимер и определить его выход (в граммах и %) для каждой рецептуры Определить скорость полимеризации в разных растворителях Проверить растворимость полученного полимера в органических растворителях, отношение его к нагреванию, действию кислот и оснований Провести деполимеризацию полистирола. Рассчитать выход стирола

1 этап работы. Синтез полистирола в разных растворителях.

Реактивы

Стирол (свежеперегнанный), 20,0 г

Пероксид бензоила, 0,4 г

Бензол, 10,0 г

Четыреххлористый углерод, 10,0 г

Петролейный эфир, 100 мл

Спирт этиловый

Серная кислота концентрированная

Азотная кислота концентрированная

Гидроксид натрия, концентрированный раствор

Приборы

Круглодонная колба со шлифом вместимостью 100 мл - 2 шт

Обратный холодильник шариковый – 2 шт

Насос вакуумный

Стакан химический, 200 мл

Выпарительная чашка фарфоровая – 2 шт

Чашка Петри - 2 шт

Водяная баня или колбонагреватель

Электроплитка

Проведение эксперимента

Навески стирола по 10,0 г помещают в две колбы, добавляют в них по 0,2 г пероксида бензоила, а также растворители: в одну 10,0 г бензола, в другую - 10,0 г четыреххлористого углерода. Каждую колбу соединяют с обратным холодильником и нагревают на водяной бане или колбонагревателе при 90-95°С в течение 4 часов. Затем отключают нагрев, содержимое каждой колбы охлаждают. Добавляют петролейный эфир или этанол. Выпадает осадок полимера. Проверяют полноту осаждения. Полимер промывают осадителем. Осадок отделяют от жидкости, переносят во взвешенную фарфоровую чашку (чашку Петри) и высушивают сначала при комнатной температуре на воздухе, а затем в термостате при 60-70°С или в вакуумном сушильном шкафу при температуре 30-40°С до постоянной массы.*

* все операции: синтез, осаждение и высушивание полимера можно проводить в одной колбе (предварительно взвешенной). Полученный полимер использовать для дальнейших опытов.

Результаты оформить в виде таблиц.

Таблица 1

Таблица 2

Пример расчета. Проведена полимеризация стирола (молекулярная масса 104,14 г/моль; плотность ρ = 0,906 г/мл) в циклогексане с инициатором ДАК (молекулярная масса 164,20 г/моль). Суммарный объем загрузки 30 мл: 20 мл стирола и 10 мл циклогексана. Масса инициатора 0,6 г. Время полимеризации 4 часа. Масса полученного полистирола 13,2 г.

1. Рассчитаем массу и количество вещества стирол :

mстирол = 20·0,906 = 18,12 г

ncтирол = 18,12/104,14 = 0,174 моль

2. Рассчитаем % мас инициатора по отношению к мономеру:

ωДАК = (0,6/18,12)·100 = 3,31% мас (от стирола)

3. Находим концентрацию мономера в растворе:

с (стирол) = (18,12/30)·1000 = 604 г/л или 604/104,14 = 5,80 моль/л

4. Находим концентрацию инициатора в растворе:

с(ДАК) = (0,6/30)·1000 = 20 г/л или 20/164,20 = 0,122 моль/л

5.Рассчитаем выход полистирола :

Выход полистирола = (13,2/18,12) ·100 = 72,8%

6.Рассчитаем скорость полимеризации:

υ = 72,8/4 = 18,2 %/ч или 18,2/60 = 0,303 %/мин

υ = (5,80·0,728)/(4·3600) = 29,32·10-5моль/л·сек

2 этап работы. Определение физических и химических свойств полистирола.

Опыт 1. Внешний вид. Прочность.

Внимательно рассмотрите образцы полистирола, обратите внимание на окраску, испытайте их на ломкость.

*Полистирол прозрачен, может быть различной окраски, хрупкий. Пленки полистирола издают при встряхивании звон, подобно тонкой металлической ленте.

Опыт 2. Отношение к нагреванию

На термостойкую сетку помещают тонкий кусок полистирола и слегка нагревают. При температуре 80-90°С полистирол размягчается, а при >250°С начинает разлагаться. Размягченный кусок полистирола под внешним воздействием легко меняет свою форму. Из размягченного полистирола можно вытягивать нити. Если соединить два размягченных куска полистирола, то они свариваются.

*Полистирол относится к термопластам (обратимым пластмассам).

Опыт 3. Теплоизоляционные свойства.

Для изучения теплоизоляционных свойств используют пенопласт. На железный стержень или проволоку длиной 10 см нужно насадить кусок пенопласта (длина 6-7 см. толщина 4 см). Держа рукой пенопласт, вносят на 1-2 минуты железный стержень в пламя. Нагревание стержня и пенопласта (он немного нагревается) устанавливают термометром. Сначала подносят к нему пенопласт, затем стержень.

Опыт 4. Действие растворителей.

Мелкие кусочки полистирола или пленки помещают в отдельные пробирки с бензолом, ацетоном , четыреххлористым углеродом. Получаются вязкие растворы.

Изделия из полистирола можно склеивать вязким раствором или растворителем.

Опыт 5. Горение полистирола

*Опыт проводят в вытяжном шкафу!!

В пламя вносят кусочек полистирола и держат его до воспламенения.

*Полистирол горит коптящим пламенем, распространяя резкий запах. Вне пламени продолжает гореть.

Опыт 6. Действие кислот и оснований

Кусочки полистирола помещают в концентрированные кислоты: серную (плотность 1,84 г/мл), азотную (плотность 1,4 г/мл), а затем в концентрированный раствор гидроксида натрия. Наблюдают, что происходит с полистиролом при комнатной температуре, а затем при нагревании.

*Полистирол при комнатной температуре в концентрированных кислотах и щелочах остается без изменения. При нагревании он обугливается в серной кислоте, в щелочи и азотной кислоте не изменяется.

Опыт 7. Деполимеризация полистирола

В пробирку помещают более чем на 1/5 её объема кусочки полистирола. К отверстию пробирки присоединяют газоотводную трубку с пробкой. Приемником служит другая пробирка, помещенная в холодную воду и прикрытая сверху ватой. Пробирку с полистиролом укрепляют в штативе наклонно (для стекания жидкости). Отверстие в резиновой пробке лучше сделать ближе к краю для удаления образующейся жидкости (мономера с примесями). В приемник собирается бесцветная или желтоватая жидкость со специфическим запахом. Стирол кипит при температуре 141-146°С.