Страница 145 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Какие вещества называют полимерами?

Какие вещества называют полимерами?

Полимеры (от греческих слов poly – много и meros – часть) – это высокомолекулярные соединения, то есть вещества, состоящие из очень больших молекул, называемых макромолекулами. Молекулярная масса полимеров может варьироваться от нескольких тысяч до многих миллионов атомных единиц массы.

Главная особенность строения макромолекул заключается в том, что они состоят из большого числа многократно повторяющихся структурных звеньев, соединенных в длинные цепи. Эти повторяющиеся звенья называются мономерными звеньями.

Вещества, из молекул которых образуются мономерные звенья, называются мономерами. Процесс соединения множества молекул мономера в одну длинную макромолекулу полимера называется реакцией полимеризации. Число мономерных звеньев в одной макромолекуле называется степенью полимеризации и обозначается буквой $n$.

Например, полиэтилен получают из мономера этилена. Реакцию полимеризации можно схематически представить следующим образом:
$n(\text{CH}_2=\text{CH}_2) \rightarrow -(-\text{CH}_2-\text{CH}_2-)-_n$
В данной схеме $\text{CH}_2=\text{CH}_2$ – это молекула мономера этилена, $-(-\text{CH}_2-\text{CH}_2-)-$ – это мономерное звено, а $n$ – степень полимеризации.

Полимеры классифицируют по различным признакам:

По происхождению их делят на три группы. Природные (биополимеры) существуют в природе и являются основой жизни (белки, нуклеиновые кислоты ДНК и РНК, полисахариды, такие как крахмал и целлюлоза, натуральный каучук). Искусственные получают путем химической обработки (модификации) природных полимеров (например, вискозное волокно из целлюлозы). Синтетические получают в результате химического синтеза из мономеров (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, капрон, тефлон и многие другие).

По строению макромолекул различают линейные (макромолекулы представляют собой длинные неразветвленные цепи), разветвленные (макромолекулы имеют боковые ответвления от основной цепи) и сетчатые или пространственные (макромолекулы соединены друг с другом поперечными химическими связями, образуя трехмерную сетку).

Благодаря своему уникальному строению полимеры обладают широким спектром ценных свойств (прочность, эластичность, легкость, диэлектрические свойства, химическая стойкость), что обуславливает их повсеместное применение в современной жизни.

Ответ: Полимерами называют высокомолекулярные вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся структурных единиц (мономерных звеньев), соединенных между собой химическими связями. Они образуются из низкомолекулярных веществ (мономеров) в результате реакций полимеризации или поликонденсации.

2. Объясните смысл терминов «полимер», «мономер», «степень полимеризации».

полимер

Термин «полимер» происходит от греческих слов «поли» (πολύς), что означает «много», и «мерос» (μέρος) — «часть». Полимеры — это высокомолекулярные соединения, то есть вещества с очень большой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов). Их молекулы, называемые макромолекулами, состоят из большого числа повторяющихся структурных единиц (мономерных звеньев), соединенных между собой химическими связями в длинные цепи.

Полимеры могут быть природными (например, белки, нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), целлюлоза, крахмал, натуральный каучук) и синтетическими (например, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, нейлон). Свойства полимеров, такие как прочность, эластичность, термостойкость, зависят от строения их макромолекул, их длины и способа соединения звеньев. Например, полиэтилен, получаемый из мономера этилена, имеет общую формулу $(-CH_2-CH_2-)_n$, где $(-CH_2-CH_2-)$ — это и есть повторяющееся структурное звено.

Ответ: Полимер — это высокомолекулярное вещество, макромолекулы которого состоят из множества повторяющихся структурных звеньев.

мономер

Термин «мономер» происходит от греческих слов «моно» (μόνος), что означает «один», и «мерос» (μέρος) — «часть». Мономер — это низкомолекулярное вещество, молекулы которого способны вступать в реакцию друг с другом (или с молекулами других веществ) с образованием полимера. Мономеры являются «строительными блоками», из которых строятся длинные полимерные цепи.

Чтобы вещество могло быть мономером, его молекула, как правило, должна содержать либо кратные (двойные или тройные) ковалентные связи, либо две или более функциональные группы, способные к химическому взаимодействию.

Примерами мономеров служат: этилен ($CH_2=CH_2$), из которого получают полиэтилен; винилхлорид ($CH_2=CHCl$), из которого получают поливинилхлорид (ПВХ); аминокислоты, являющиеся мономерами для белков; нуклеотиды, являющиеся мономерами для нуклеиновых кислот (ДНК и РНК).

Ответ: Мономер — это низкомолекулярное соединение, из молекул которого в результате реакции полимеризации или поликонденсации образуется полимер.

степень полимеризации

Степень полимеризации — это физическая величина, показывающая число мономерных звеньев, входящих в состав одной макромолекулы полимера. Обычно обозначается буквой $n$ или $DP$ (от англ. Degree of Polymerization).

Например, в общей формуле полиэтилена $(-CH_2-CH_2-)_n$ индекс $n$ и есть степень полимеризации. Это одна из важнейших характеристик полимера, так как от неё напрямую зависят его молекулярная масса и, следовательно, многие физико-механические свойства (прочность, вязкость, температура плавления и т.д.). Чем выше степень полимеризации, тем, как правило, выше прочность и температура плавления полимера.

Молекулярная масса полимера ($M_{полимера}$) связана со степенью полимеризации ($n$) и молекулярной массой мономерного звена ($M_{звена}$) следующим соотношением: $M_{полимера} = n \cdot M_{звена}$

Так как в реальных синтетических полимерах макромолекулы почти никогда не имеют одинаковой длины, для таких полимеров обычно говорят о средней степени полимеризации.

Ответ: Степень полимеризации — это количество мономерных звеньев в одной молекуле полимера.

3. Почему полимеры, в отличие от низкомолекулярных соединений, не имеют определённой молекулярной массы?

Решение

Полимеры, в отличие от низкомолекулярных соединений, не имеют определённой молекулярной массы из-за статистического характера процесса их образования.

Низкомолекулярные соединения, например, вода ($H_2O$) или этанол ($C_2H_5OH$), состоят из идентичных молекул, каждая из которых имеет строго определённый атомный состав. Поэтому их молекулярная масса является постоянной и точно известной величиной.

Процесс синтеза полимеров (полимеризация или поликонденсация) заключается в последовательном соединении множества малых молекул (мономеров) в длинные цепи (макромолекулы). Этот процесс является стохастическим, то есть случайным. Рост цепи и её обрыв (завершение реакции) происходят в случайные моменты для разных молекул. В результате в конечном продукте всегда присутствует смесь макромолекул различной длины и, следовательно, различной массы. Такое состояние называется полидисперсностью.

Поскольку образец полимера представляет собой смесь макромолекул с разной массой, для его характеристики используют усреднённые значения молекулярной массы. Основные из них:

1. Среднечисловая молекулярная масса ($M_n$) — это общая масса всех макромолекул в образце, делённая на их общее число. Она чувствительна к наличию низкомолекулярных фракций.
Формула: $M_n = \frac{\sum N_i M_i}{\sum N_i}$, где $N_i$ — число молекул с массой $M_i$.

2. Среднемассовая молекулярная масса ($M_w$) — это среднее значение, в котором вклад макромолекул с большей массой является более весомым. Она лучше отражает влияние крупных молекул на свойства полимера, такие как прочность или вязкость.
Формула: $M_w = \frac{\sum N_i M_i^2}{\sum N_i M_i}$.

Для идеального, монодисперсного образца, где все молекулы одинаковы, $M_w = M_n$. Для реальных синтетических полимеров $M_w > M_n$. Их отношение, называемое индексом полидисперсности ($PDI = M_w/M_n$), показывает, насколько широк разброс молекулярных масс в образце.

Ответ: Полимеры не имеют определённой молекулярной массы, так как процесс их синтеза носит статистический характер, что приводит к образованию макромолекул разной длины. В результате любой образец полимера является полидисперсным — смесью молекул с разной массой. Поэтому для их характеристики используют средние значения молекулярной массы (например, среднечисловую и среднемассовую).

4. По каким свойствам полимеры близки смесям веществ?

Полимеры, хотя и являются индивидуальными веществами с точки зрения химической структуры (состоят из повторяющихся мономерных звеньев, соединенных ковалентными связями), по ряду физических и физико-химических свойств проявляют сходство со смесями веществ. Это сходство обусловлено в первую очередь их полидисперсностью.

Ключевые свойства, по которым полимеры близки смесям, следующие:

Отсутствие постоянной молекулярной массы.
Каждое индивидуальное низкомолекулярное вещество (например, вода $H_2O$ или этанол $C_2H_5OH$) характеризуется строго определенной химической формулой и, следовательно, постоянной молекулярной (молярной) массой. Смеси веществ (например, раствор спирта в воде) не имеют определенной молекулярной массы; для них можно рассчитать лишь среднюю молярную массу, которая зависит от состава смеси.
Полимеры состоят из макромолекул разной длины, то есть с разным числом мономерных звеньев (разной степенью полимеризации). Такой набор макромолекул разной массы называется полидисперсным. Поэтому для характеристики полимера используют средние значения молекулярной массы (например, среднечисловую $M_n$ и среднемассовую $M_w$). В этом полимеры ведут себя подобно смесям, для которых свойство также является усредненным по составу, а не характеристикой отдельной молекулы.

Отсутствие четкой температуры плавления.
Чистые кристаллические вещества имеют строго определенную, постоянную температуру плавления. Смеси веществ, как правило, плавятся в некотором интервале температур. Начало плавления соответствует температуре плавления наиболее легкоплавкой эвтектики, а конец — температуре, при которой исчезает последняя порция твердой фазы.
Полимеры также не имеют четкой температуры плавления. Аморфные полимеры при нагревании не плавятся, а переходят из твердого стеклообразного состояния в вязкотекучее в некотором интервале температур (этот переход характеризуется температурой стеклования $T_g$). Кристаллические и частично-кристаллические полимеры плавятся в определенном диапазоне температур. Это связано с тем, что макромолекулы разной длины и различной степени упорядоченности требуют разной энергии для разрушения кристаллической структуры и перехода в расплав. Таким образом, отсутствие фиксированной точки плавления и наличие температурного интервала фазового перехода — это еще одно свойство, сближающее полимеры со смесями.

Ответ: Полимеры близки смесям веществ по двум основным свойствам, которые являются следствием их полидисперсности: 1) отсутствие строго определенной молекулярной массы и использование средних значений для ее характеристики; 2) отсутствие четкой температуры плавления и наличие температурного интервала для фазового перехода (плавления или стеклования).

5. Какие методы получения полимеров вы знаете? Приведите при-меры.

Основными методами синтеза полимеров являются реакции полимеризации и поликонденсации. Они различаются по механизму протекания и составу конечных продуктов.

1. Полимеризация

Полимеризация — это процесс образования высокомолекулярного соединения (полимера) путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) к активному центру на конце растущей цепи. Важной особенностью этой реакции является то, что состав мономерного звена полимера не отличается от состава исходного мономера, так как реакция протекает без выделения побочных низкомолекулярных продуктов. В реакцию полимеризации вступают мономеры, содержащие кратные (двойные или тройные) связи или способные раскрывать цикл.

Пример 1: Получение полиэтилена.
Полиэтилен получают полимеризацией этилена (этена). В ходе реакции происходит разрыв двойной связи в молекуле мономера.
Мономер: этилен $CH_2=CH_2$.
Уравнение реакции:
$n(CH_2=CH_2) \xrightarrow{t, p, kat} -(CH_2-CH_2)_n-$

Пример 2: Получение поливинилхлорида (ПВХ).
Поливинилхлорид получают из мономера винилхлорида.
Мономер: винилхлорид $CH_2=CHCl$.
Уравнение реакции:
$n(CH_2=CHCl) \xrightarrow{kat} -(CH_2-CHCl)_n-$

Разновидностью полимеризации является сополимеризация — совместная полимеризация двух или более различных мономеров. Например, получение бутадиен-стирольного каучука из бутадиена-1,3 и стирола.

Ответ: Полимеризация — это метод получения полимеров путем соединения молекул мономеров, содержащих кратные связи, без выделения побочных продуктов. Примеры: получение полиэтилена из этилена, поливинилхлорида из винилхлорида.

2. Поликонденсация

Поликонденсация — это процесс образования полимеров из би- или полифункциональных мономеров, который сопровождается выделением низкомолекулярных побочных продуктов (например, воды, аммиака, спирта). В отличие от полимеризации, элементный состав мономерного звена полимера отличается от состава исходных мономеров. В реакцию вступают мономеры, содержащие не менее двух функциональных групп (например, $-OH$, $-COOH$, $-NH_2$), способных реагировать друг с другом.

Пример 1: Получение полиэфира (лавсана).
Лавсан (полиэтилентерефталат) синтезируют путем поликонденсации этиленгликоля и терефталевой кислоты.
Мономеры: этиленгликоль $HO-CH_2-CH_2-OH$ и терефталевая кислота $HOOC-C_6H_4-COOH$.
Уравнение реакции:
$n(HO-CH_2-CH_2-OH) + n(HOOC-C_6H_4-COOH) \rightarrow H-[-O-CH_2-CH_2-O-C(O)-C_6H_4-C(O)-]_n-OH + (2n-1)H_2O$
Побочным продуктом при образовании сложноэфирной связи является вода.

Пример 2: Получение полиамида (нейлона).
Нейлон-6,6 получают поликонденсацией гексаметилендиамина и адипиновой кислоты.
Мономеры: гексаметилендиамин $H_2N-(CH_2)_6-NH_2$ и адипиновая кислота $HOOC-(CH_2)_4-COOH$.
Уравнение реакции:
$n(H_2N-(CH_2)_6-NH_2) + n(HOOC-(CH_2)_4-COOH) \rightarrow H-[-NH-(CH_2)_6-NH-C(O)-(CH_2)_4-C(O)-]_n-OH + (2n-1)H_2O$
Здесь также выделяется вода при образовании амидной связи.

Ответ: Поликонденсация — это метод получения полимеров, при котором мономеры с несколькими функциональными группами реагируют друг с другом, образуя полимер и побочный низкомолекулярный продукт (чаще всего воду). Примеры: получение лавсана (полиэфир) из терефталевой кислоты и этиленгликоля, получение нейлона (полиамид) из адипиновой кислоты и гексаметилендиамина.