Страница 187 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

6.1. Почему полимеры называют высокомолекулярными соединениями? Какие типы полимеров можно выделить?

Почему полимеры называют высокомолекулярными соединениями?

Полимеры называют высокомолекулярными соединениями (ВМС) из-за их чрезвычайно большой молекулярной массы. Молекулы полимеров, называемые макромолекулами, состоят из огромного числа многократно повторяющихся структурных звеньев – мономеров, соединенных между собой химическими связями в длинные цепи.

Слово "полимер" происходит от греческих слов "поли" (πολύς), что означает "много", и "мерос" (μέρος) – "часть" или "звено". Количество мономерных звеньев в макромолекуле, называемое степенью полимеризации ($n$), может достигать от нескольких сотен до сотен тысяч и даже миллионов. Вследствие этого молекулярная масса полимеров варьируется в широком диапазоне – от нескольких тысяч до нескольких миллионов атомных единиц массы (дальтон).

Например, мономер этилен ($CH_2=CH_2$) имеет молекулярную массу 28 а.е.м. Полиэтилен, состоящий из $n$ звеньев этилена, будет иметь молекулярную массу $28 \times n$. При $n = 10000$ масса макромолекулы составит уже 280 000 а.е.м.

Именно эта гигантская молекулярная масса определяет уникальные физико-химические и механические свойства полимеров, такие как прочность, эластичность, вязкость расплавов, способность к образованию волокон и пленок, которые кардинально отличают их от низкомолекулярных веществ.

Ответ: Полимеры называют высокомолекулярными соединениями, потому что их молекулы (макромолекулы) состоят из очень большого числа повторяющихся структурных единиц (мономеров) и, как следствие, обладают очень высокой молекулярной массой, достигающей от тысяч до миллионов атомных единиц.

Какие типы полимеров можно выделить?

Полимеры можно классифицировать по разным признакам. Основные классификации следующие:

1. По происхождению:
   • Природные (биополимеры) – образуются в живых организмах. Примеры: белки, нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), полисахариды (крахмал, целлюлоза), натуральный каучук.
   • Искусственные – получают путем химической модификации природных полимеров. Примеры: нитроцеллюлоза, ацетатное волокно (получают из целлюлозы).
   • Синтетические – производят путем синтеза из низкомолекулярных веществ (мономеров). Это самая многочисленная группа. Примеры: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид (ПВХ), капрон, лавсан.
2. По строению макромолекул:
   • Линейные – макромолекулы представляют собой длинные неразветвленные цепи. Пример: полиэтилен низкого давления (ПЭНД).
   • Разветвленные – макромолекулы имеют боковые ответвления от основной цепи. Пример: полиэтилен высокого давления (ПЭВД).
   • Сетчатые (пространственные) – линейные цепи соединены между собой поперечными химическими связями ("мостиками"), образуя трехмерную сетку. Примеры: вулканизированный каучук (резина), эпоксидные смолы.
3. По отношению к нагреванию:
   • Термопласты (термопластичные полимеры) – при нагревании размягчаются или плавятся, а при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим. Примеры: полиэтилен, полистирол, ПВХ.
   • Реактопласты (термореактивные полимеры) – при нагревании подвергаются необратимым химическим превращениям с образованием жесткой сетчатой структуры. При повторном нагревании они не плавятся, а разрушаются. Примеры: фенолформальдегидные и эпоксидные смолы.
4. По химическому составу основной цепи:
   • Карбоцепные – главная цепь макромолекулы состоит только из атомов углерода. Примеры: полиэтилен, полипропилен.
   • Гетероцепные – главная цепь, кроме атомов углерода, содержит атомы других элементов (гетероатомы), например, кислорода, азота, серы. Примеры: полиэфиры (лавсан), полиамиды (капрон, нейлон), полиуретаны.

Ответ: Полимеры можно классифицировать по происхождению (природные, искусственные, синтетические), по строению макромолекул (линейные, разветвленные, сетчатые), по отношению к нагреванию (термопласты, реактопласты) и по химическому составу основной цепи (карбоцепные, гетероцепные).

6.2. Почему у полимеров нет определённой молекулярной массы?

Решение

У полимеров нет определённой, фиксированной молекулярной массы, в отличие от низкомолекулярных соединений (например, молекулы воды $H_2O$), по причине статистического (вероятностного) характера процесса их получения — полимеризации.

Полимеры — это макромолекулы, состоящие из большого числа повторяющихся структурных звеньев (мономеров), соединенных в длинные цепи. Процессы синтеза полимеров, такие как цепная полимеризация или поликонденсация, протекают по вероятностным законам. Это означает, что образование и рост каждой отдельной макромолекулы являются случайными событиями.

Ключевые факторы, обуславливающие различие в массах макромолекул:

1. Случайное инициирование роста цепи. Процесс роста цепей начинается в разные моменты времени и в разных точках реакционной смеси.
2. Случайный обрыв цепи. Рост цепи также прекращается (обрывается) в случайный момент времени. Обрыв может произойти из-за различных химических реакций: например, соединения двух растущих цепей, взаимодействия с примесями или специальными агентами.

Из-за того, что моменты начала и обрыва роста для каждой цепи индивидуальны и случайны, конечные макромолекулы в одном и том же образце полимера будут иметь разную длину, а следовательно, и разную молекулярную массу. Такое явление называется полидисперсностью.

Поэтому для характеристики ансамбля макромолекул в образце полимера вместо единственного значения молекулярной массы используют её средние значения и понятие молекулярно-массового распределения. Наиболее часто используют:

• Среднечисловую молекулярную массу ($M_n$), которая определяется как общая масса всех молекул, делённая на их общее число: $M_n = \frac{\sum N_i M_i}{\sum N_i}$, где $N_i$ — число молекул с массой $M_i$.
• Среднемассовую молекулярную массу ($M_w$), где вклад каждой молекулы пропорционален её массе, поэтому более тяжёлые молекулы влияют на значение сильнее: $M_w = \frac{\sum N_i M_i^2}{\sum N_i M_i}$.

Таким образом, говорить об определённой молекулярной массе для полимеров некорректно. Исключение составляют лишь некоторые природные биополимеры (например, белки), синтез которых в живых организмах происходит по точной программе (матрице), что обеспечивает идентичность всех молекул.

Ответ: У полимеров нет определённой молекулярной массы, поскольку процесс их синтеза (полимеризация) является статистическим по своей природе. Это приводит к тому, что в любом образце полимера образуются макромолекулы разной длины и, соответственно, разной массы. Такой образец является полидисперсным (состоит из смеси макромолекул разной массы), и для его характеристики используют усреднённые значения молекулярной массы (например, среднечисловую и среднемассовую).

6.3. В чём отличие полимеризации и поликонденсации? Приведите по два примера полимеров, полученных каждым методом.

Решение

В чём отличие полимеризации и поликонденсации?

Основное отличие заключается в том, что полимеризация — это процесс соединения молекул мономеров в макромолекулы, который протекает без выделения побочных продуктов. В результате элементный состав структурного звена полимера полностью совпадает с элементным составом мономера. Для полимеризации необходимы мономеры, содержащие кратные связи (например, $CH_2=CH_2$) или способные к раскрытию цикла.

Поликонденсация, напротив, — это процесс, при котором соединение мономеров в полимерную цепь сопровождается выделением низкомолекулярных побочных продуктов (чаще всего воды $H_2O$). Из-за этого элементный состав полимерного звена отличается от суммы составов исходных мономеров. В поликонденсацию вступают мономеры, имеющие не менее двух функциональных групп (например, $-COOH$, $-OH$, $-NH_2$).

Примеры полимеров, полученных каждым методом

Полимеры, полученные полимеризацией:

1. Полиэтилен, получаемый из этилена:
$n CH_2=CH_2 \xrightarrow{t, p, cat} (–CH_2–CH_2–)_n$

2. Полипропилен, получаемый из пропилена:
$n CH_2=CH(CH_3) \xrightarrow{t, p, cat} (–CH_2–CH(CH_3)–)_n$

Полимеры, полученные поликонденсацией:

1. Капрон (полиамид), получаемый из ε-аминокапроновой кислоты:
$n H_2N–(CH_2)_5–COOH \rightarrow (–HN–(CH_2)_5–CO–)_n + n H_2O$

2. Лавсан (полиэфир), получаемый из терефталевой кислоты и этиленгликоля:
$n HOOC–C_6H_4–COOH + n HO–CH_2–CH_2–OH \rightarrow (–CO–C_6H_4–CO–O–CH_2–CH_2–O–)_n + 2n H_2O$

Ответ:

Главное отличие полимеризации от поликонденсации в том, что полимеризация — это реакция присоединения без побочных продуктов, а поликонденсация — реакция замещения с выделением низкомолекулярных побочных продуктов (например, воды). Поэтому при полимеризации состав звена полимера и мономера идентичен, а при поликонденсации — нет.
Два примера полимеров, полученных полимеризацией: полиэтилен, полипропилен.
Два примера полимеров, полученных поликонденсацией: капрон, лавсан.

6.4. Какие полимеры называют термопластами? Приведите примеры термопластичных полимеров и изделий из них.

Какие полимеры называют термопластами?

Термопластами, или термопластичными полимерами, называют полимеры, которые при нагревании до определенной температуры размягчаются или плавятся, переходя в вязкотекучее состояние, а при последующем охлаждении вновь затвердевают, сохраняя приданную им форму. Этот процесс является обратимым, что позволяет многократно перерабатывать такие материалы методами литья, экструзии, прессования и т.д. без существенного изменения их химической структуры и свойств.

Структурной особенностью термопластов является то, что их макромолекулы имеют линейное или разветвленное, но не сшитое (не сетчатое) строение. Связи между отдельными полимерными цепями — это слабые межмолекулярные силы (силы Ван-дер-Ваальса, диполь-дипольные взаимодействия), которые легко преодолеваются при повышении температуры. В отличие от них, реактопласты (термореактивные полимеры) при нагревании образуют прочную трехмерную сетчатую структуру за счет необратимых химических реакций и после отверждения не могут быть повторно расплавлены.

Ответ: Термопласты — это полимеры, способные многократно размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении, что позволяет их повторно перерабатывать. Это свойство обусловлено их линейным или разветвленным строением макромолекул, связанных слабыми межмолекулярными силами.

Приведите примеры термопластичных полимеров и изделий из них.

Существует большое разнообразие термопластичных полимеров, которые широко применяются в различных отраслях. Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных примеров:

• Полиэтилен (ПЭ): один из самых массовых полимеров.
  • Изделия: упаковочные пленки и пакеты, трубы для водо- и газоснабжения, емкости (канистры, бочки), детские игрушки, изоляция кабелей.
• Полипропилен (ПП): обладает высокой прочностью, химической стойкостью и термостойкостью.
  • Изделия: одноразовая посуда, пищевые контейнеры, детали автомобилей (бамперы, панели приборов), корпуса бытовой техники, волокна для ковров и нетканых материалов, медицинские изделия (шприцы).
• Поливинилхлорид (ПВХ): может быть как жестким, так и гибким (пластифицированным).
  • Изделия: оконные рамы, трубы, напольные покрытия (линолеум), натяжные потолки, искусственная кожа, изоляция проводов.
• Полистирол (ПС): прозрачный, но хрупкий материал; в вспененном виде (пенополистирол) — отличный теплоизолятор.
  • Изделия: одноразовые стаканчики, упаковка для пищевых продуктов (лотки), корпуса CD/DVD-дисков, теплоизоляционные плиты (пенопласт).
• Полиэтилентерефталат (ПЭТ, ПЭТФ): прочный, прозрачный полимер, устойчивый к действию кислот и щелочей.
  • Изделия: пластиковые бутылки для напитков, упаковка для пищевых продуктов, волокна для одежды (полиэстер), пленки.
• Поликарбонат (ПК): отличается высокой прочностью, ударостойкостью и прозрачностью.
  • Изделия: компакт-диски, защитные очки и шлемы, листы для теплиц и навесов, корпуса мобильных телефонов.
• Акрилонитрилбутадиенстирол (АБС-пластик): ударопрочный и эластичный термопласт.
  • Изделия: детали конструкторов (например, LEGO), корпуса оргтехники и бытовых приборов, детали автомобилей, 3D-печать.

Ответ: Примерами термопластов являются полиэтилен (пакеты, трубы), полипропилен (пищевые контейнеры, бамперы), ПВХ (оконные рамы, линолеум), полистирол (одноразовая посуда, пенопласт), ПЭТ (бутылки для напитков), поликарбонат (CD-диски, очки). Из них изготавливают широкий спектр изделий: от упаковки и товаров народного потребления до деталей автомобилей и строительных материалов.

6.5. Изобразите структуру натурального каучука. Какими специфическими физическими свойствами он обладает?

Изобразите структуру натурального каучука

Натуральный каучук — это природный полимер, мономером которого является изопрен (2-метилбута-1,3-диен). Химическая формула изопрена — $C_5H_8$.

Структурная формула мономера (изопрена):

$CH_2=C(CH_3)-CH=CH_2$

Макромолекулы натурального каучука образуются в результате реакции 1,4-полимеризации изопрена. При этом в каждом мономерном звене полимерной цепи сохраняется одна двойная связь.

Уравнение реакции полимеризации:

$n(CH_2=C(CH_3)-CH=CH_2) \xrightarrow{полимеризация} [-CH_2-C(CH_3)=CH-CH_2-]_n$

Важнейшей особенностью структуры натурального каучука является его стереорегулярное строение. Все мономерные звенья в цепи соединены в цис-положении относительно двойной связи. Это означает, что фрагменты полимерной цепи (группы $-CH_2-$) находятся по одну сторону от плоскости двойной связи. Такая цис-конфигурация заставляет макромолекулы изгибаться и в свободном состоянии сворачиваться в клубки.

Таким образом, натуральный каучук — это цис-1,4-полиизопрен.

Ответ: Натуральный каучук является стереорегулярным полимером, цис-1,4-полиизопреном. Его мономер — изопрен ($CH_2=C(CH_3)-CH=CH_2$), а формула полимера — $[-CH_2-C(CH_3)=CH-CH_2-]_n$, где все звенья имеют цис-конфигурацию.

Какими специфическими физическими свойствами он обладает?

Натуральный (сырой) каучук обладает рядом специфических физических свойств, определяемых его химической структурой:

• Эластичность: Это наиболее уникальное свойство. Каучук способен к очень большим обратимым деформациям (растяжение до 1000%) при комнатной температуре. При растяжении скрученные в клубки макромолекулы распрямляются, а после снятия нагрузки благодаря тепловому движению возвращаются в исходное свернутое состояние.
• Растворимость: Каучук нерастворим в воде, спиртах, ацетоне и других полярных растворителях. Однако он хорошо набухает и растворяется во многих органических растворителях, таких как бензин, бензол, хлороформ, сероуглерод.
• Пластичность и липкость: При нагревании (выше 60-80 °C) каучук становится мягким, пластичным и липким. Это свойство ограничивает его прямое применение.
• Хрупкость на холоде: При сильном охлаждении (ниже –70 °C) каучук теряет эластичность и становится твёрдым и хрупким, как стекло (явление стеклования).
• Плотность: Имеет низкую плотность, около 920 кг/м³ ($0.92$ г/см³), поэтому не тонет в воде.
• Водонепроницаемость: Является водонепроницаемым материалом.
• Диэлектрические свойства: Натуральный каучук — хороший изолятор, он не проводит электрический ток.

Из-за сильной зависимости свойств от температуры и низкой прочности в чистом виде натуральный каучук редко используется. Его свойства значительно улучшают путем вулканизации (сшивания цепей атомами серы), в результате чего получают резину.

Ответ: Специфическими физическими свойствами натурального каучука являются высокая эластичность, нерастворимость в воде, но растворимость в органических растворителях, а также сильная зависимость свойств от температуры: он становится хрупким при низких температурах и липким и пластичным — при высоких.

6.6. Чем каучук отличается от резины? В чём заключается процедура вулканизации?

Решение

Чем каучук отличается от резины?

Каучук и резина — это полимерные материалы, которые кардинально различаются по своим свойствам из-за разницы в молекулярной структуре.

Каучук (натуральный или синтетический) — это полимер, состоящий из длинных, гибких, но не связанных друг с другом макромолекул (в случае натурального каучука — полиизопрена). Такая структура обуславливает его основные недостатки: он имеет низкую прочность, липкость (особенно при нагреве), высокую пластичность (то есть после снятия нагрузки не полностью восстанавливает форму), а также чувствителен к перепадам температур — становится хрупким на холоде и чрезмерно мягким, липким при нагревании. Кроме того, каучук растворяется в некоторых органических растворителях, например, в бензине.

Резина — это продукт, получаемый из каучука в результате процесса вулканизации. Главное отличие резины заключается в том, что её линейные макромолекулы "сшиты" между собой прочными поперечными химическими связями (чаще всего это дисульфидные мостики $—S—S—$) в единую трёхмерную пространственную сетку. Эта сетчатая структура придаёт резине совершенно новые, ценные свойства: высокую эластичность (способность к большим обратимым деформациям), значительно большую прочность и износостойкость, широкий температурный диапазон эксплуатации и химическую стойкость (резина не растворяется, а лишь набухает в растворителях).

Ответ: Каучук состоит из отдельных длинных и гибких макромолекул, что делает его непрочным, липким и чувствительным к температуре. Резина — это вулканизированный каучук, в котором эти макромолекулы сшиты в единую пространственную сетку, благодаря чему резина становится прочной, эластичной и термостойкой.

В чём заключается процедура вулканизации?

Вулканизация — это технологический процесс превращения сырого каучука в резину. Суть процесса заключается в создании поперечных химических связей между макромолекулами каучука с помощью вулканизующего агента.

Процедура вулканизации состоит из нескольких этапов. Вначале готовят резиновую смесь: к сырому каучуку добавляют вулканизующий агент (чаще всего это сера $S$), а также ряд других компонентов. Среди них ускорители и активаторы (например, оксид цинка $ZnO$) для ускорения реакции, наполнители (например, сажа или диоксид кремния $SiO_2$) для улучшения прочности и снижения стоимости, пластификаторы для придания мягкости и облегчения переработки, а также противостарители для защиты от разрушающего действия кислорода и тепла.

Затем из полученной резиновой смеси формуют изделие нужной конфигурации. Финальный и ключевой этап — это собственно вулканизация. Сформованное изделие помещают в специальные прессы или автоклавы и нагревают под давлением до температуры порядка 130–200°C. При этой температуре атомы серы реагируют с двойными связями в молекулах каучука, образуя прочные "мостики" между полимерными цепями. В результате этого сшивания и формируется трёхмерная сетчатая структура, характерная для резины.

Ответ: Процедура вулканизации заключается в нагревании смеси каучука с серой (и другими добавками), в результате чего между длинными молекулами каучука образуются поперечные химические (сульфидные) мостики. Этот процесс превращает пластичный каучук в прочную и эластичную резину.