Номер 23, страница 189 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

6.23. Некоторые полимеры способны растворяться. Чем процесс растворения полимера отличается от процесса растворения низкомолекулярного соединения?

Процесс растворения полимера существенно отличается от процесса растворения низкомолекулярного соединения (НМС) по нескольким ключевым аспектам: механизму, скорости, термодинамике и свойствам получаемого раствора.

1. Механизм и стадийность процесса
Растворение НМС — это, как правило, быстрый одностадийный процесс. Молекулы или ионы растворяемого вещества отрываются от основной массы (например, от кристаллической решетки) и диффундируют в растворитель, образуя гомогенный раствор.
Растворение полимера протекает в две четко выраженные стадии:

• Набухание: это первый и обязательный этап. Молекулы растворителя диффундируют вглубь полимерного образца, проникая в пространство между макромолекулами. Это приводит к ослаблению межмолекулярного взаимодействия между цепями полимера и значительному увеличению его объема и массы. Полимер превращается в гель — вязкую, студенистую систему. Если полимер имеет сетчатую (сшитую) структуру, процесс на этом и заканчивается (это называется ограниченным набуханием).
• Собственно растворение: для линейных и разветвленных полимеров после стадии неограниченного набухания начинается второй этап. Отдельные макромолекулы, окруженные оболочкой из молекул растворителя (сольватированные), начинают медленно отрываться от поверхности набухшего геля и переходить в объем растворителя. Этот процесс продолжается до тех пор, пока весь полимер не перейдет в раствор, образуя гомогенную систему.

2. Скорость процесса
Растворение НМС происходит быстро из-за высокой скорости диффузии малых и подвижных молекул. Растворение полимеров — чрезвычайно медленный процесс, который может длиться часами или даже сутками. Это связано с очень низкой скоростью диффузии гигантских и перепутанных между собой макромолекул.

3. Термодинамические особенности
Для самопроизвольного растворения необходимо, чтобы изменение энергии Гиббса системы было отрицательным (${\Delta}G < 0$). В уравнении ${\Delta}G = {\Delta}H - T{\Delta}S$:

• При растворении НМС происходит значительное увеличение энтропии (${\Delta}S \gg 0$), так как большое количество мелких частиц получает свободу движения. Этот энтропийный фактор является мощной движущей силой процесса, часто позволяя растворяться веществам даже с поглощением тепла (${\Delta}H > 0$).
• При растворении полимеров изменение энтропии (${\Delta}S$) очень мало. Это связано с тем, что мономерные звенья в длинной цепи связаны ковалентно и не могут перемещаться независимо друг от друга. Поэтому для растворения полимера решающее значение приобретает энтальпийный фактор (${\Delta}H$). Растворение возможно, только если энергия взаимодействия "полимер-растворитель" сопоставима или больше энергии взаимодействия "полимер-полимер" и "растворитель-растворитель", то есть когда ${\Delta}H$ близко к нулю или отрицательно. Отсюда вытекает строгая избирательность растворителей для полимеров (принцип "подобное растворяется в подобном").

4. Свойства получаемых растворов
Растворы НМС (при умеренных концентрациях) обычно имеют низкую вязкость, близкую к вязкости чистого растворителя. Растворы полимеров, напротив, характеризуются аномально высокой вязкостью даже при очень малых концентрациях. Это объясняется огромным размером и цепным строением макромолекул, которые образуют в растворе сетку зацеплений и сильно затрудняют течение жидкости.

Ответ: Процесс растворения полимера, в отличие от растворения низкомолекулярного соединения, является медленным, двухстадийным процессом, включающим стадию набухания и последующего перехода макромолекул в раствор. Движущей силой является преимущественно энтальпийный, а не энтропийный фактор, что обуславливает высокую избирательность растворителей. Получаемые растворы полимеров обладают аномально высокой вязкостью даже при низких концентрациях.