Страница 394 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Какие вещества называют полимерами?

Какие вещества называют полимерами?

Полимеры (от греческих слов "поли" — много и "мерос" — часть) — это высокомолекулярные соединения (ВМС), то есть вещества, молекулы которых (макромолекулы) характеризуются очень большой молекулярной массой, варьирующейся от нескольких тысяч до многих миллионов. Ключевой особенностью полимеров является то, что их макромолекулы состоят из большого числа многократно повторяющихся структурных единиц, называемых мономерными звеньями. Эти звенья соединены между собой прочными химическими связями в длинные цепи.

Исходные низкомолекулярные вещества, из молекул которых образуются мономерные звенья, называются мономерами. Процесс образования полимера из мономеров называется реакцией полимеризации или поликонденсации. Число мономерных звеньев в макромолекуле называется степенью полимеризации и обозначается буквой $n$. Например, в полиэтилене, формула которого $ (-CH_2-CH_2-)_n $, мономером является этилен ($CH_2=CH_2$), мономерным звеном — группа $-CH_2-CH_2-$, а $n$ — это степень полимеризации.

Полимеры принято классифицировать по различным признакам. По происхождению они делятся на:
• Природные (биополимеры), которые существуют в природе. Примерами служат белки, нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), полисахариды (крахмал, целлюлоза), натуральный каучук.
• Искусственные, получаемые путем химической модификации (переработки) природных полимеров. Например, вискоза или ацетилцеллюлоза, получаемые из целлюлозы.
• Синтетические, которые получают в результате химического синтеза из низкомолекулярных веществ (мономеров). К ним относятся полиэтилен, поливинилхлорид (ПВХ), капрон, лавсан и многие другие пластмассы, каучуки и волокна.

По строению макромолекул различают:
• Линейные полимеры, макромолекулы которых представляют собой длинные открытые (незамкнутые) цепи.
• Разветвленные полимеры, макромолекулы которых имеют боковые ответвления от основной цепи.
• Пространственные (сетчатые) полимеры, в которых отдельные полимерные цепи соединены друг с другом поперечными химическими связями ("мостиками"), образуя единую трехмерную сетку.

Уникальное строение макромолекул придает полимерам комплекс особых свойств, таких как эластичность, прочность при низкой плотности, способность к образованию пленок и волокон, диэлектрические свойства. Это обуславливает их широчайшее применение в промышленности, технике, медицине, строительстве и быту.

Ответ: Полимерами называют высокомолекулярные вещества, макромолекулы которых состоят из большого числа повторяющихся одинаковых или разных по строению структурных звеньев (мономерных звеньев), соединенных между собой химическими связями в длинные цепи.

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

«полимер»

Термин «полимер» происходит от греческих слов «поли» (πολύς), что означает «много», и «мерос» (μέρος), что означает «часть». Полимеры – это высокомолекулярные соединения, то есть вещества с очень большой молярной массой, молекулы которых (называемые макромолекулами) состоят из большого числа повторяющихся структурных звеньев, соединенных между собой прочными ковалентными связями. Эти повторяющиеся звенья образуются из молекул мономеров в процессе реакции полимеризации или поликонденсации.
Структуру полимера можно представить в общем виде формулой:
$(–A–)_n$
где $A$ – это мономерное (структурное) звено, а $n$ – степень полимеризации, показывающая количество таких звеньев в цепи.
В зависимости от строения макромолекул полимеры могут иметь линейную, разветвленную или пространственную (сетчатую) структуру. Это строение определяет уникальные физические свойства полимеров, такие как прочность, эластичность, гибкость, способность образовывать волокна и плёнки.
Примеры полимеров многочисленны и разнообразны. Природные полимеры лежат в основе жизни (белки, ДНК, целлюлоза, крахмал). Синтетические полимеры широко используются в промышленности и быту (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, нейлон, каучуки).
Ответ: Полимер – это высокомолекулярное вещество, макромолекулы которого состоят из множества повторяющихся структурных звеньев, соединенных в длинные цепи.

«мономер»

Термин «мономер» происходит от греческих слов «моно» (μόνος), что означает «один», и «мерос» (μέρος), что означает «часть». Мономеры – это низкомолекулярные вещества, молекулы которых служат «строительными блоками» для синтеза полимеров. Молекула мономера способна реагировать с другими такими же или иными молекулами мономеров, образуя в результате длинную полимерную цепь.
Для того чтобы молекула могла выступать в роли мономера, она должна быть как минимум бифункциональной, то есть иметь способность образовывать не менее двух химических связей. Эта способность обычно обеспечивается наличием в молекуле кратных (двойных или тройных) углерод-углеродных связей или наличием двух и более функциональных групп (например, гидроксильной –OH, карбоксильной –COOH, аминогруппы –NH₂).
Например, мономер этилен ($CH_2=CH_2$) содержит двойную связь, которая разрывается в процессе полимеризации, позволяя молекулам соединяться в длинную цепь полиэтилена $(–CH_2–CH_2–)_n$. Аминокислоты, содержащие аминогруппу и карбоксильную группу, являются мономерами для синтеза белков (полипептидов).
Ответ: Мономер – это низкомолекулярное соединение, из молекул которого в процессе химической реакции образуются полимеры.

«степень полимеризации»

Степень полимеризации – это физическая величина, характеризующая длину полимерной цепи. Она показывает, сколько мономерных звеньев в среднем содержится в одной макромолекуле полимера. Степень полимеризации является безразмерной величиной и обычно обозначается латинской буквой $n$ или аббревиатурой $DP$ (от англ. degree of polymerization).
Степень полимеризации является одной из важнейших характеристик полимера, так как от неё напрямую зависят его физико-механические и эксплуатационные свойства. Как правило, с увеличением степени полимеризации возрастают механическая прочность, твёрдость, температура плавления и вязкость расплава полимера.
Так как в реальном образце полимера почти всегда присутствуют макромолекулы разной длины, на практике используют понятие средней степени полимеризации. Её можно рассчитать как отношение средней молярной массы полимера ($M_{полимера}$) к молярной массе одного мономерного звена ($M_{мономерного\;звена}$):
$n = \frac{M_{полимера}}{M_{мономерного\;звена}}$
Например, если средняя молярная масса образца поливинилхлорида составляет $62500$ г/моль, а молярная масса его мономерного звена $(–CH_2–CHCl–)$ равна $62,5$ г/моль, то средняя степень полимеризации этого образца $n = 62500 / 62,5 = 1000$.
Ответ: Степень полимеризации – это число, показывающее количество мономерных звеньев, входящих в состав одной макромолекулы полимера.

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

Полимеры, в отличие от низкомолекулярных соединений, не имеют определённой молекулярной массы из-за стохастической (статистической) природы процесса их синтеза — полимеризации.

Низкомолекулярные соединения, например, вода ($H_2O$) или бензол ($C_6H_6$), состоят из молекул, имеющих строго одинаковый атомный состав и структуру. Каждая молекула воды идентична другой, поэтому её молекулярная масса является точной и постоянной величиной (около 18 а.е.м.).

Процесс образования полимеров — это реакция, в ходе которой множество малых молекул (мономеров) соединяются в длинные цепи (макромолекулы). Этот процесс не протекает синхронно для всех образующихся цепей. Рост цепей начинается в разное время, и, что более важно, обрыв цепей (прекращение их роста) происходит случайным образом. В результате в конечном продукте всегда присутствует набор макромолекул разной длины: одни успели вырасти очень длинными, другие остались короткими.

Это явление называется полидисперсностью. Таким образом, любой образец синтетического полимера является смесью макромолекул с различным числом мономерных звеньев и, следовательно, с разной молекулярной массой.

Поскольку невозможно указать одну точную массу для всех молекул в образце, для характеристики полимеров используют усреднённые значения, такие как среднечисловая ($M_n$) и среднемассовая ($M_w$) молекулярные массы.

Ответ: Полимеры не имеют определённой молекулярной массы, поскольку процесс их синтеза (полимеризация) носит статистический характер, что приводит к образованию набора макромолекул разной длины и, соответственно, разной массы. Поэтому для полимеров используют понятие средней молекулярной массы.

4. По каким свойствам полимеры близки смесям веществ?

Полимеры проявляют сходство со смесями веществ по ряду ключевых характеристик, которые отличают их от индивидуальных низкомолекулярных соединений. Основные свойства, сближающие полимеры и смеси, следующие:

Непостоянство молекулярной массы
Подобно смесям, состоящим из разных веществ в переменных соотношениях, полимерный материал представляет собой совокупность макромолекул разной длины и, соответственно, разной массы. Это явление называется полидисперсностью. В отличие от чистого вещества со строго определенной молекулярной массой (например, у воды $H_2O$ она постоянна), для характеристики полимеров оперируют средними значениями молекулярной массы. Это главная причина, по которой полимеры часто рассматривают как гомологические смеси.

Отсутствие четкой температуры плавления
Большинство полимеров, как и многие смеси (например, стекло, сливочное масло или сплавы), не имеют определенной точки плавления. Вместо этого они размягчаются и переходят в вязкотекучее состояние в определенном интервале температур. У аморфных полимеров этот переход характеризуется температурой стеклования ($T_g$), при которой полимер переходит из твердого, хрупкого состояния в высокоэластическое. Чистые кристаллические вещества, напротив, плавятся при строго постоянной температуре.

Зависимость физических свойств от "состава"
Физические свойства смесей (плотность, вязкость, температура кипения) напрямую зависят от концентрации и соотношения их компонентов. Аналогично, физико-механические свойства полимеров (прочность, эластичность, твердость, вязкость расплава) зависят от средней молекулярной массы и от распределения макромолекул по массам (молекулярно-массового распределения). Изменяя условия синтеза, можно получать полимеры с разным распределением длин цепей и, следовательно, с разными свойствами, так же как можно приготовить смеси с разным составом.

Ответ: Полимеры близки смесям веществ главным образом из-за непостоянства молекулярной массы (полидисперсности), отсутствия четкой температуры плавления (наличие интервала плавления) и зависимости их физических свойств от среднего размера и распределения макромолекул, что аналогично зависимости свойств смесей от их компонентного состава.

5. Какие методы получения полимеров вы знаете? Приведите примеры.

Основными методами получения полимеров являются реакции полимеризации и поликонденсации. Также полимеры можно получать путем химической модификации природных полимеров.

1. Полимеризация

Полимеризация — это процесс образования высокомолекулярного соединения (полимера) путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) к активному центру на конце растущей цепи. Эта реакция протекает без выделения побочных продуктов. В реакцию полимеризации вступают мономеры, содержащие кратные (двойные или тройные) связи или способные раскрывать циклические группировки.

Общая схема реакции:

$n \text{M} \rightarrow (-\text{M}-)_n$

где $n$ — степень полимеризации, а $\text{M}$ — мономер.

Примеры:

• Получение полиэтилена из этилена:

  $n \text{CH}_2=\text{CH}_2 \xrightarrow{t, p, kat.} (-\text{CH}_2-\text{CH}_2-)_n$

• Получение полипропилена из пропилена:

  $n \text{CH}_2=\text{CH}(\text{CH}_3) \xrightarrow{t, p, kat.} (-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CH}_3)-)_n$

• Получение поливинилхлорида (ПВХ) из винилхлорида:

  $n \text{CH}_2=\text{CHCl} \xrightarrow{t, p, kat.} (-\text{CH}_2-\text{CHCl}-)_n$

Отдельно можно выделить сополимеризацию — это совместная полимеризация двух или более различных мономеров. Пример: получение бутадиен-стирольного каучука.

$n \text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}=\text{CH}_2 + m \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}=\text{CH}_2 \rightarrow (-\text{CH}_2-\text{CH}=\text{CH}-\text{CH}_2-)_n(-\text{CH}(\text{C}_6\text{H}_5)-\text{CH}_2-)_m$

Ответ: Полимеризация — метод получения полимеров путем соединения молекул мономеров без выделения побочных продуктов. Примеры: получение полиэтилена, полипропилена, ПВХ, бутадиен-стирольного каучука.

2. Поликонденсация

Поликонденсация — это процесс образования полимеров из мономеров, содержащих не менее двух функциональных групп, который сопровождается выделением низкомолекулярных побочных продуктов (например, воды, аммиака, спирта, хлороводорода).

Общая схема реакции:

$n \text{A-X-A} + n \text{B-Y-B} \rightarrow (-\text{X-Y}-)_n + 2n \text{AB}$

Примеры:

• Получение капрона (полиамида) из ε-аминокапроновой кислоты. Побочный продукт — вода:

  $n \text{H}_2\text{N}-(\text{CH}_2)_5-\text{COOH} \rightarrow (-\text{NH}-(\text{CH}_2)_5-\text{CO}-)_n + n \text{H}_2\text{O}$

• Получение полиэтилентерефталата (лавсана) из терефталевой кислоты и этиленгликоля. Побочный продукт — вода:

  $n \text{HOOC}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{COOH} + n \text{HO}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{OH} \rightarrow (-\text{OC}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CO-O}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{O}-)_n + 2n \text{H}_2\text{O}$

• Получение фенолформальдегидной смолы из фенола и формальдегида. Побочный продукт — вода:

  $n \text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + n \text{CH}_2\text{O} \rightarrow (-\text{C}_6\text{H}_2(\text{OH})-\text{CH}_2-)_n + n \text{H}_2\text{O}$

Ответ: Поликонденсация — метод получения полимеров, сопровождающийся выделением низкомолекулярных побочных продуктов. Примеры: получение капрона, лавсана, фенолформальдегидных смол.

3. Химическая модификация природных полимеров

Этот метод заключается в химической переработке природных полимеров (например, целлюлозы, крахмала, каучука) с целью придания им новых свойств. В результате получаются искусственные полимеры.

Примеры:

• Получение ацетатного волокна (ацетилцеллюлозы) путем обработки природной целлюлозы уксусным ангидридом.

• Получение нитроцеллюлозы (пироксилина) путем обработки целлюлозы смесью азотной и серной кислот.

• Вулканизация каучука — сшивание макромолекул каучука атомами серы для получения резины.

Ответ: Химическая модификация — метод получения искусственных полимеров путем химического воздействия на природные полимеры. Примеры: получение ацетатного волокна и нитроцеллюлозы из целлюлозы, вулканизация каучука.

6. Напишите уравнения реакций полимеризации этилена, пропена, бутена-2, стирола (фенилэтилена), метилового эфира 2-метилпропеновой кислоты (метилметакрилата).

Полимеризация — это процесс соединения множества молекул мономеров в длинные цепи, образуя полимер. В случае непредельных соединений (содержащих двойные связи), это происходит за счет разрыва π-связи и образования новых σ-связей между мономерами. Ниже приведены уравнения реакций полимеризации для указанных веществ.

Полимеризация этилена

Этилен (этен) является простейшим алкеном. В результате его полимеризации образуется полиэтилен — один из самых распространенных полимеров. Молекулы этилена соединяются "голова к хвосту", образуя линейную цепь.

Уравнение реакции:

$n \text{CH}_2=\text{CH}_2 \xrightarrow{t, p, kat.} (-\text{CH}_2-\text{CH}_2-)_n$

Продукт реакции — полиэтилен.

Ответ: $n \text{CH}_2=\text{CH}_2 \xrightarrow{t, p, kat.} (-\text{CH}_2-\text{CH}_2-)_n$

Полимеризация пропена

Пропен (пропилен) — следующий гомолог этилена. При его полимеризации также разрывается двойная связь, и образуется полипропилен. Метильная группа ($-\text{CH}_3$) оказывается боковым заместителем у каждого второго атома углерода в основной цепи.

Уравнение реакции:

$n \text{CH}_2=\underset{\text{CH}_3}{\underset{|}{ \text{CH}}} \xrightarrow{t, p, kat.} \left[-\text{CH}_2-\underset{\text{CH}_3}{\underset{|}{ \text{CH}}}-\right]_n$

Продукт реакции — полипропилен.

Ответ: $n \text{CH}_2=\text{CH}(\text{CH}_3) \xrightarrow{t, p, kat.} \left[-\text{CH}_2-\underset{\text{CH}_3}{\underset{|}{\text{CH}}}-\right]_n$

Полимеризация бутена-2

В молекуле бутена-2 двойная связь находится между вторым и третьим атомами углерода. При полимеризации эта связь разрывается, и мономеры соединяются, образуя полибутен-2. В основной цепи полимера у каждого атома углерода будет метильная группа в качестве заместителя.

Уравнение реакции:

$n \text{CH}_3-\text{CH}=\text{CH}-\text{CH}_3 \xrightarrow{t, p, kat.} \left[-\underset{\text{CH}_3}{\underset{|}{ \text{CH}}}-\underset{\text{CH}_3}{\underset{|}{ \text{CH}}}-\right]_n$

Продукт реакции — полибутен-2.

Ответ: $n \text{CH}_3-\text{CH}=\text{CH}-\text{CH}_3 \xrightarrow{t, p, kat.} \left[-\underset{\text{CH}_3}{\underset{|}{\text{CH}}}-\underset{\text{CH}_3}{\underset{|}{\text{CH}}}-\right]_n$

Полимеризация стирола (фенилэтилена)

Стирол (винилбензол или фенилэтилен) — это производное этилена, в котором один атом водорода замещен на фенильную группу ($-\text{C}_6\text{H}_5$). Полимеризация идет по двойной связи винильной группы, в результате чего образуется полистирол, где фенильные группы являются объемными боковыми заместителями.

Уравнение реакции:

$n \text{CH}_2=\underset{\text{C}_6\text{H}_5}{\underset{|}{ \text{CH}}} \xrightarrow{t, p, kat.} \left[-\text{CH}_2-\underset{\text{C}_6\text{H}_5}{\underset{|}{ \text{CH}}}-\right]_n$

Продукт реакции — полистирол.

Ответ: $n \text{CH}_2=\text{CH}(\text{C}_6\text{H}_5) \xrightarrow{t, p, kat.} \left[-\text{CH}_2-\underset{\text{C}_6\text{H}_5}{\underset{|}{\text{CH}}}-\right]_n$

Полимеризация метилового эфира 2-метилпропеновой кислоты (метилметакрилата)

Метилметакрилат является мономером для производства полиметилметакрилата, широко известного как органическое стекло (плексиглас). В его молекуле у одного из атомов углерода при двойной связи находятся два заместителя: метильная группа ($-\text{CH}_3$) и сложноэфирная группа ($-\text{COOCH}_3$).

Уравнение реакции:

$n \text{CH}_2=\underset{\text{CH}_3}{\underset{|}{\text{C}}}-\text{COOCH}_3 \xrightarrow{kat.} \left[-\text{CH}_2-\underset{\underset{\text{CH}_3}{|}}{\overset{\overset{\text{COOCH}_3}{|}}{\text{C}}}-\right]_n$

Продукт реакции — полиметилметакрилат.

Ответ: $n \text{CH}_2=\underset{\text{CH}_3}{\underset{|}{\text{C}}}-\text{COOCH}_3 \xrightarrow{kat.} \left[-\text{CH}_2-\underset{\underset{\text{CH}_3}{|}}{\overset{\overset{\text{COOCH}_3}{|}}{\text{C}}}-\right]_n$

7. Из $100 \text{ м}^3$ этилена (н. у.) получили 112,5 кг полиэтилена. Определите выход продукта полимеризации.

Дано:

Найти:

Решение:

1. Сначала запишем уравнение реакции полимеризации этилена, в результате которой образуется полиэтилен:

$nC_2H_4 \xrightarrow{t, p, kat} (-CH_2-CH_2-)_n$

2. Рассчитаем теоретически возможную массу полиэтилена, которую можно получить из 100 м³ этилена. Для этого сначала найдем количество вещества этилена. Поскольку объем газа дан при нормальных условиях (н. у.), мы используем молярный объем газов, который равен $V_m = 22,4 \text{ м}^3\text{/кмоль}$.

Количество вещества этилена:
$\nu(C_2H_4) = \frac{V(C_2H_4)}{V_m} = \frac{100 \text{ м}^3}{22,4 \text{ м}^3\text{/кмоль}} \approx 4,464 \text{ кмоль}$

3. Вычислим молярную массу этилена ($C_2H_4$), которая соответствует молярной массе мономерного звена полиэтилена ($-CH_2-CH_2-$):
$M(C_2H_4) = 2 \cdot 12 + 4 \cdot 1 = 28 \text{ г/моль} = 28 \text{ кг/кмоль}$

4. Согласно уравнению реакции, из n моль этилена образуется полимер, состоящий из n мономерных звеньев. Таким образом, теоретическая масса полиэтилена ($m_{теор.}$) рассчитывается следующим образом:

$m_{теор.}(\text{полиэтилена}) = \nu(C_2H_4) \cdot M(C_2H_4) = \frac{100 \text{ м}^3}{22,4 \text{ м}^3\text{/кмоль}} \cdot 28 \text{ кг/кмоль} = 125 \text{ кг}$

5. Выход продукта ($\eta$) — это отношение практически полученной массы продукта ($m_{практ.}$) к теоретически возможной массе ($m_{теор.}$), выраженное в процентах.

$\eta = \frac{m_{практ.}}{m_{теор.}} \cdot 100\% = \frac{112,5 \text{ кг}}{125 \text{ кг}} \cdot 100\% = 0,9 \cdot 100\% = 90\%$

Ответ: выход продукта полимеризации составляет 90%.

8. При полном разложении образца пластмассы массой 100 г получено 90 г стирола. Определите массовую долю полистирола в образце.

Дано:

$m(\text{образца}) = 100 \text{ г}$

$m(\text{стирола}) = 90 \text{ г}$

Перевод в систему СИ:
$m(\text{образца}) = 0.1 \text{ кг}$
$m(\text{стирола}) = 0.09 \text{ кг}$

Найти:

$\omega(\text{полистирола}) - ?$

Решение:

Полистирол является продуктом полимеризации стирола. При полном термическом разложении (деполимеризации) полистирола происходит обратный процесс — образование мономера, стирола. Уравнение реакции в общем виде:

$(-CH(C_6H_5)-CH_2-)_n \rightarrow n C_6H_5-CH=CH_2$

(Полистирол) $\rightarrow$ (Стирол)

Согласно закону сохранения массы, масса полистирола, подвергшегося разложению, равна массе образовавшегося стирола. Следовательно, в исходном образце пластмассы содержалось 90 г полистирола.

$m(\text{полистирола}) = m(\text{стирола}) = 90 \text{ г}$

Массовая доля ($\omega$) вещества в смеси — это отношение массы этого вещества к массе всей смеси. Она рассчитывается по формуле:

$\omega(\text{вещества}) = \frac{m(\text{вещества})}{m(\text{смеси})} \cdot 100\%$

Подставим наши значения для нахождения массовой доли полистирола в образце пластмассы:

$\omega(\text{полистирола}) = \frac{m(\text{полистирола})}{m(\text{образца})} \cdot 100\% = \frac{90 \text{ г}}{100 \text{ г}} \cdot 100\% = 0.9 \cdot 100\% = 90\%$

Ответ: массовая доля полистирола в образце составляет $90\%$.