Страница 188 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

6.7. Изобразите строение следующих полимеров: а) полиэтилен; б) полипропилен; в) политетрафторэтилен; а) поливинилхлорид; б) полиметилметакрилат; е) полистирол; ж) полиэтилентерефталат.

а) полиэтилен

Полиэтилен получают реакцией полимеризации этилена (этена). В процессе реакции происходит разрыв двойной связи в молекулах мономера $CH_2=CH_2$, и они соединяются в длинные макромолекулярные цепи.

Структурное звено полиэтилена выглядит следующим образом:

$$[-CH_2-CH_2-]_n$$

Ответ: $[-CH_2-CH_2-]_n$.

б) полипропилен

Полипропилен является продуктом полимеризации пропилена (пропена), мономером которого является $CH_2=CH(CH_3)$. Каждый второй атом углерода в основной цепи связан с метильной группой $(–CH_3)$.

Структурное звено полипропилена:

$$[-CH_2-CH(CH_3)-]_n$$

Ответ: $[-CH_2-CH(CH_3)-]_n$.

в) политетрафторэтилен

Политетрафторэтилен (также известный как тефлон или фторопласт-4) получают полимеризацией тетрафторэтилена $CF_2=CF_2$. Это полимер, в котором все атомы водорода в основной цепи замещены на атомы фтора.

Структурное звено политетрафторэтилена:

$$[-CF_2-CF_2-]_n$$

Ответ: $[-CF_2-CF_2-]_n$.

г) поливинилхлорид

Поливинилхлорид (ПВХ) — продукт полимеризации винилхлорида (хлорэтена), формула мономера $CH_2=CHCl$. В полимерной цепи к каждому второму атому углерода присоединен атом хлора.

Структурное звено поливинилхлорида:

$$[-CH_2-CHCl-]_n$$

Ответ: $[-CH_2-CHCl-]_n$.

д) полиметилметакрилат

Полиметилметакрилат (оргстекло) образуется в результате полимеризации метилметакрилата, который является метиловым эфиром метакриловой кислоты $CH_2=C(CH_3)COOCH_3$.

Структурное звено полиметилметакрилата:

$$[-CH_2-C(CH_3)(COOCH_3)-]_n$$

Ответ: $[-CH_2-C(CH_3)(COOCH_3)-]_n$.

е) полистирол

Полистирол получают полимеризацией стирола (винилбензола), мономер $CH_2=CH(C_6H_5)$. Боковой заместитель в цепи — фенильная группа $(–C_6H_5)$.

Структурное звено полистирола:

$$[-CH_2-CH(C_6H_5)-]_n$$

Ответ: $[-CH_2-CH(C_6H_5)-]_n$.

ж) полиэтилентерефталат

Полиэтилентерефталат (ПЭТ, лавсан) — это сложный полиэфир, получаемый в результате реакции поликонденсации двух мономеров: двухатомного спирта этиленгликоля $HO-CH_2-CH_2-OH$ и двухосновной ароматической терефталевой кислоты $HOOC-C_6H_4-COOH$. В ходе реакции образуется сложноэфирная связь и выделяется вода.

Структурное звено полиэтилентерефталата:

$$[-O-CH_2-CH_2-O-CO-C_6H_4-CO-]_n$$

Ответ: $[-O-CH_2-CH_2-O-CO-C_6H_4-CO-]_n$.

6.8. Что придаёт автомобильным покрышкам чёрный цвет?

Автомобильным покрышкам чёрный цвет придаёт специальный компонент, который добавляют в резиновую смесь при производстве — технический углерод, также известный как сажа. Это вещество представляет собой мелкодисперсный порошок, состоящий из аморфного углерода.

Изначально натуральный каучук имеет молочно-белый или светло-жёлтый цвет. Добавление технического углерода в состав шины выполняет несколько важнейших функций, а не только окрашивание:

1. Повышение прочности и износостойкости. Технический углерод является активным наполнителем. Его частицы создают прочную связь с молекулами каучука, образуя армирующую структуру. Это делает резину значительно более прочной, твёрдой и устойчивой к истиранию. Шины с добавлением сажи служат намного дольше, чем шины из чистого каучука.
2. Защита от ультрафиолетового излучения. Сажа является отличным поглотителем УФ-лучей. Ультрафиолет разрушает полимерные цепи в резине, что приводит к её старению, потере эластичности, появлению трещин (так называемое "озоновое растрескивание"). Чёрный цвет защищает покрышку от этого негативного воздействия, существенно продлевая срок её службы.
3. Отвод тепла. Во время движения автомобиля шины сильно нагреваются из-за трения о дорогу и внутренних деформаций. Технический углерод обладает хорошей теплопроводностью и помогает равномерно распределять и отводить тепло от протектора и боковин, предотвращая перегрев и возможное разрушение шины.

Таким образом, чёрный цвет шин — это не эстетический выбор, а побочный эффект от добавления ключевого технологического компонента, который обеспечивает безопасность, надёжность и долговечность автомобильных покрышек.

Ответ: Чёрный цвет автомобильным покрышкам придаёт технический углерод (сажа), который добавляется в резиновую смесь в качестве усиливающего наполнителя для повышения прочности, износостойкости и защиты от ультрафиолетового излучения.

6.9. Какой полимер используется для изготовления линолеума, ламината и ЛДСП? Назовите ещё две области применения этого полимера.

Полимером, который находит применение в производстве линолеума, ламината и ЛДСП, является поливинилхлорид (ПВХ). Хотя основной состав этих материалов различается, ПВХ используется в каждом из них в том или ином качестве:

- В линолеуме: большинство современных бытовых линолеумов, по сути, являются виниловыми покрытиями, где ПВХ выступает основным, структурообразующим полимером. Он обеспечивает материалу гибкость, водостойкость и долговечность.
- В ламинате: ПВХ может применяться в качестве нижнего стабилизирующего слоя для защиты древесноволокнистой плиты от влаги. Кроме того, существует отдельный вид напольного покрытия — кварц-виниловый или ПВХ-ламинат, который полностью состоит из поливинилхлорида и минеральных добавок, но внешне имитирует обычный ламинат.
- В ЛДСП (Ламинированной древесно-стружечной плите): для облицовки (ламинирования) древесной плиты наряду с традиционными бумажно-смоляными покрытиями широко используются и декоративные плёнки из ПВХ. Они придают мебельным фасадам и панелям нужный цвет, текстуру и защищают их от повреждений.

Таким образом, поливинилхлорид является полимером, который объединяет все три указанных материала.

Помимо строительных и отделочных материалов, ПВХ имеет множество других сфер применения. Две другие значимые области применения этого полимера:
1. Производство оконных профилей и труб. Жёсткий ПВХ используется для изготовления рам пластиковых окон, а также водопроводных, канализационных и дренажных труб благодаря своей прочности, химической стойкости и долговечности.
2. Электротехническая изоляция. Пластифицированный (гибкий) ПВХ является одним из самых распространённых материалов для изоляции электрических проводов и кабелей, так как он хороший диэлектрик, не поддерживает горение и достаточно эластичен.

Ответ: для изготовления линолеума, ламината и ЛДСП используется поливинилхлорид (ПВХ). Две другие области его применения: производство оконных профилей и труб, изоляция электрических кабелей.

6.10. Очень популярным пластиком является сополимер с аббревиатурой АБС (ABS). Какие мономеры входят в его состав?

Решение

АБС (ABS) — это аббревиатура, образованная от названий мономеров, из которых состоит данный сополимер: Акрилонитрил, Бутадиен и Стирол. АБС-пластик является термопластичным тройным сополимером, получаемым в процессе эмульсионной сополимеризации этих трех мономеров. Каждый из мономеров придает конечному продукту определенные свойства.

Мономеры, входящие в состав АБС-пластика:

1. Акрилонитрил (нитрил акриловой кислоты). Это органическое соединение с химической формулой $CH_2=CH-C \equiv N$. В полимере звенья акрилонитрила отвечают за химическую стойкость, термостабильность и прочность.

2. Бутадиен (точнее, бутадиен-1,3 или дивинил). Это непредельный углеводород с формулой $CH_2=CH-CH=CH_2$. Звенья бутадиена, представляющие собой эластомер (каучук), придают материалу ударопрочность, эластичность и стойкость к низким температурам.

3. Стирол (винилбензол). Ароматический углеводород с формулой $C_6H_5CH=CH_2$. Стирол обеспечивает пластику жесткость, твердость, глянцевую поверхность и легкость переработки.

Соотношение этих мономеров в сополимере может варьироваться, что позволяет получать марки АБС с различными свойствами. Например, типичное соотношение составляет около 20% акрилонитрила, 25% бутадиена и 55% стирола.

Ответ: В состав сополимера АБС (акрилонитрилбутадиенстирола) входят три мономера: акрилонитрил, бутадиен и стирол.

6.11. Изобразите структуру найлона. Почему его волокна имеют высокую прочность?

Изобразите структуру найлона

Найлон — это общее название для семейства синтетических полимеров, относящихся к классу полиамидов. Наиболее известным и широко используемым представителем является найлон-6,6. Его получают в результате реакции поликонденсации двух типов мономеров: гексаметилендиамина ($H_2N-(CH_2)_6-NH_2$) и адипиновой кислоты ($HOOC-(CH_2)_4-COOH$).

В ходе этой реакции аминогруппа ($-NH_2$) одного мономера реагирует с карбоксильной группой ($-COOH$) другого с образованием амидной связи ($-CO-NH-$) и выделением молекулы воды. Этот процесс многократно повторяется, формируя длинные полимерные цепи.

Структурная формула повторяющегося звена найлона-6,6 выглядит следующим образом:

$[-CO-(CH_2)_4-CO-NH-(CH_2)_6-NH-]_n$

где n обозначает степень полимеризации, то есть количество таких звеньев в макромолекуле.

Ответ: Структура найлона представляет собой длинную полимерную цепь, состоящую из повторяющихся звеньев, соединенных амидными группами ($-CO-NH-$). Для найлона-6,6 формула повторяющегося звена: $[-CO-(CH_2)_4-CO-NH-(CH_2)_6-NH-]_n$.

Почему его волокна имеют высокую прочность?

Высокая прочность волокон найлона является следствием сильных межмолекулярных взаимодействий, а именно — водородных связей, которые образуются между соседними полимерными цепями.

1. Полярность амидных групп: Амидная группа ($-CO-NH-$) очень полярна. Атом кислорода в карбонильной группе ($C=O$) несет на себе частичный отрицательный заряд ($\delta-$), а атом водорода, связанный с атомом азота ($-N-H$), — частичный положительный заряд ($\delta+$).
2. Образование водородных связей: Благодаря этой полярности между атомом кислорода одной цепи и атомом водорода другой цепи возникает сильное электростатическое притяжение — водородная связь. Схематически это можно изобразить так (пунктиром показана водородная связь):
   ...-C=O ··· H-N-...
   ...-N-H ··· O=C-...
3. Ориентация цепей: В процессе производства волокна (при его вытягивании из расплава или раствора) макромолекулы найлона ориентируются, выстраиваясь параллельно друг другу вдоль оси волокна. Это создает упорядоченные, кристаллические области.
4. Суммарный эффект: В этих упорядоченных областях образуется огромное количество водородных связей. Эта плотная трехмерная сетка связей прочно удерживает полимерные цепи вместе, препятствуя их проскальзыванию друг относительно друга под действием внешней силы. Чтобы разорвать такое волокно, необходимо преодолеть энергию не только прочных ковалентных связей внутри цепей, но и многочисленных водородных связей между ними.

Именно сочетание упорядоченной структуры и сильных межмолекулярных водородных связей придает найлоновым волокнам их знаменитую высокую прочность на разрыв и износостойкость.

Ответ: Высокая прочность волокон найлона обусловлена образованием большого числа водородных связей между параллельно ориентированными полимерными цепями. Эти связи создают прочную и упорядоченную структуру, которая эффективно сопротивляется деформации и разрыву.

6.12. Какие вещества называют пластификаторами? Какую функцию они выполняют?

Какие вещества называют пластификаторами?

Пластификаторами называют вещества, которые вводят в состав полимерных материалов (например, пластмасс или каучуков) для придания им эластичности, гибкости и пластичности, а также для облегчения их переработки. Как правило, это низкомолекулярные органические соединения, которые хорошо растворяются в полимере, но имеют низкую летучесть и химически инертны по отношению к основному материалу. Наиболее распространенными классами пластификаторов являются сложные эфиры, такие как фталаты (например, диоктилфталат, ДОФ), адипинаты, себацинаты и фосфаты.

Какую функцию они выполняют?

Основная функция пластификаторов заключается в изменении физико-механических свойств полимера. Механизм их действия состоит в следующем: молекулы пластификатора располагаются между длинными цепями макромолекул полимера. Это приводит к увеличению расстояния между полимерными цепями и, как следствие, к ослаблению межмолекулярных сил притяжения (сил Ван-дер-Ваальса) между ними.

В результате такого воздействия:

• Повышается гибкость и эластичность материала. Полимерные цепи получают большую свободу движения, что позволяет материалу легче изгибаться без разрушения.
• Снижается температура стеклования ($T_с$). Это температура, при которой полимер переходит из твердого и хрупкого (стеклообразного) состояния в более мягкое и эластичное. Снижение $T_с$ расширяет температурный диапазон эксплуатации изделия, в частности, повышает его морозостойкость.
• Уменьшается хрупкость. Материал становится более устойчивым к ударным нагрузкам.
• Облегчается переработка. Введение пластификатора снижает вязкость расплава полимера, что делает процессы литья, экструзии и формования менее энергозатратными и более технологичными.

Таким образом, пластификаторы превращают жесткие и хрупкие полимеры, такие как непластифицированный ПВХ, в гибкие и эластичные материалы, пригодные для производства кабельной изоляции, напольных покрытий, медицинских изделий, искусственной кожи, натяжных потолков и многого другого.

Ответ:

Пластификаторы — это низкомолекулярные органические вещества, добавляемые в полимеры для повышения их эластичности и гибкости. Их функция заключается в ослаблении межмолекулярного взаимодействия между цепями полимера. Молекулы пластификатора внедряются между макромолекулами, увеличивая их подвижность, что приводит к снижению температуры стеклования ($T_с$), уменьшению хрупкости и облегчению переработки материала.

6.13. Определите и назовите мономеры, использовавшиеся для синтеза полимеров, структуры которых приведены ниже:

$(-CH(CH_3)-CH_2-)_{n}$

Решение:

Данный полимер, полипропилен, является продуктом реакции полимеризации присоединения. Мономерное звено имеет структуру $-CH(CH_3)-CH_2-$. Чтобы определить мономер, необходимо восстановить двойную связь в основной цепи, которая разрывается в ходе полимеризации. Двойная связь образуется между двумя атомами углерода мономерного звена. В результате получаем алкен.

Структура мономера: $CH_2=CH-CH_3$.

Название мономера: пропен (или пропилен).

Ответ: Мономером является пропен (пропилен) со структурной формулой $CH_2=CH-CH_3$.

$(-CH(Cl)-CH_2-)_{n}$

Решение:

Этот полимер, поливинилхлорид (ПВХ), также получен в результате реакции полимеризации присоединения. Повторяющееся звено имеет структуру $-CH(Cl)-CH_2-$. Аналогично предыдущему примеру, для нахождения мономера восстанавливаем двойную связь между атомами углерода в основной цепи.

Структура мономера: $CH_2=CH-Cl$.

Название мономера: хлорэтен (или винилхлорид).

Ответ: Мономером является хлорэтен (винилхлорид) со структурной формулой $CH_2=CH-Cl$.

$(-NH-(CH_2)_5-CO-)_{n}$

Решение:

Этот полимер, полиамид (известный как капрон или найлон-6), образуется в результате реакции поликонденсации или полимеризации с раскрытием цикла. Наличие амидной группы $(-NH-CO-)$ в основной цепи указывает на тип полимера. Повторяющееся звено имеет структуру $-NH-(CH_2)_5-CO-$. Такой полимер может быть синтезирован из одного мономера, который содержит и аминную, и карбоксильную функциональные группы, либо из циклического амида (лактама).

В промышленности его получают полимеризацией ε-капролактама (циклический амид, содержащий 6 атомов углерода и 1 атом азота в кольце). Также он может быть получен поликонденсацией 6-аминогексановой кислоты.

Структура мономеров:
1. ε-капролактам (циклический).
2. 6-аминогексановая кислота: $H_2N-(CH_2)_5-COOH$.

Ответ: Мономером является ε-капролактам (основной промышленный способ) или 6-аминогексановая кислота ($H_2N-(CH_2)_5-COOH$).

$(-CH_2-CH=C(CH_3)-CH_2-)_{n}$

Решение:

Этот полимер, полиизопрен, является продуктом 1,4-полимеризации сопряженного диена. Наличие двойной связи внутри мономерного звена $-CH_2-CH=C(CH_3)-CH_2-$ является характерным признаком такого типа полимеризации. Для определения мономера необходимо мысленно переместить двойную связь из центра звена ($C_2-C_3$) к его концам ($C_1-C_2$ и $C_3-C_4$), формируя таким образом сопряженную систему из двух двойных связей.

Структура мономера: $CH_2=C(CH_3)-CH=CH_2$.

Название мономера: 2-метилбута-1,3-диен (или изопрен).

Ответ: Мономером является 2-метилбута-1,3-диен (изопрен) со структурной формулой $CH_2=C(CH_3)-CH=CH_2$.

$(-C(CH_3)(COOCH_3)-CH_2-)_{n}$

Решение:

Данный полимер, полиметилметакрилат (ПММА, оргстекло), является продуктом полимеризации сложного эфира ненасыщенной кислоты. Мономерное звено имеет структуру $-C(CH_3)(COOCH_3)-CH_2-$. Восстановление двойной связи между атомами углерода в основной цепи приводит к исходному мономеру.

Структура мономера: $CH_2=C(CH_3)-COOCH_3$.

Название мономера: метиловый эфир 2-метилпропеновой кислоты (или метилметакрилат).

Ответ: Мономером является метилметакрилат со структурной формулой $CH_2=C(CH_3)-COOCH_3$.

$(-CO-C_6H_4-CO-O-CH_2-CH_2-O-)_{n}$

Решение:

Этот полимер, полиэтилентерефталат (ПЭТ, лавсан), является сложным полиэфиром, который получают в реакции поликонденсации. Повторяющееся звено содержит сложноэфирную группу $(-CO-O-)$. Чтобы определить исходные мономеры, необходимо мысленно провести гидролиз этой связи.

Разрыв сложноэфирной связи дает два фрагмента: кислотный остаток $-CO-C_6H_4-CO-$ и спиртовой остаток $-O-CH_2-CH_2-O-$. Присоединяя к кислотному остатку две гидроксильные группы $(-OH)$, а к спиртовому — два атома водорода $(H)$, получаем исходные мономеры: двухосновную кислоту и двухатомный спирт.

Структуры мономеров:
1. Кислота: $HOOC-C_6H_4-COOH$ (бензол-1,4-дикарбоновая или терефталевая кислота).
2. Спирт: $HO-CH_2-CH_2-OH$ (этан-1,2-диол или этиленгликоль).

Ответ: Мономерами являются терефталевая кислота ($HOOC-C_6H_4-COOH$) и этиленгликоль ($HO-CH_2-CH_2-OH$).

6.14. Какие полимеры лежат в основе следующих волокон: а) хлопок; б) вискоза; в) полиэстер; г) капрон; д) найлон; е) лавсан?

а) хлопок
Хлопок — это натуральное волокно растительного происхождения. Полимер, составляющий его основу, — это целлюлоза. Целлюлоза является природным высокомолекулярным углеводом (полисахаридом), элементарным звеном которого является остаток молекулы β-глюкозы. Общая формула целлюлозы: $(C_6H_{10}O_5)_n$.
Ответ: целлюлоза.

б) вискоза
Вискоза, или вискозное волокно, относится к искусственным волокнам. Его получают путем химической переработки природного полимера — древесной целлюлозы. В ходе процесса целлюлозу растворяют и затем регенерируют (восстанавливают) в виде волокон. Таким образом, полимером в основе вискозы является гидратцеллюлоза — та же целлюлоза, но с несколько измененной структурой и меньшей степенью полимеризации.
Ответ: гидратцеллюлоза (регенерированная целлюлоза).

в) полиэстер
Полиэстер — это общее название целого класса синтетических полимеров. Наиболее распространенным полимером, используемым для производства полиэстеровых волокон, является полиэтилентерефталат (ПЭТФ). Это сложный полиэфир, получаемый реакцией поликонденсации этиленгликоля и терефталевой кислоты.
Ответ: полиэтилентерефталат.

г) капрон
Капрон — это синтетическое волокно, относящееся к классу полиамидов. Полимер, из которого состоит капрон, — это поликапроамид, также известный как полиамид-6 или нейлон-6. Его получают в результате реакции полимеризации ε-капролактама.
Ответ: поликапроамид (нейлон-6).

д) найлон
Найлон — это общее торговое название для группы синтетических полиамидных волокон. Существует много типов найлона. Учитывая, что капрон (нейлон-6) вынесен в отдельный пункт, под "найлоном" чаще всего подразумевают самый первый и один из самых распространенных его видов — найлон-6,6. Этот полимер, полигексаметиленадипинамид, синтезируют из двух мономеров: гексаметилендиамина и адипиновой кислоты.
Ответ: полиамид (чаще всего полигексаметиленадипинамид, или найлон-6,6).

е) лавсан
Лавсан — это советское и российское торговое название для синтетического полиэфирного волокна. По химической природе лавсан идентичен полиэстеру. В его основе лежит полимер полиэтилентерефталат (ПЭТФ). Аналогичные волокна в других странах известны под названиями дакрон, терилен, тетерон.
Ответ: полиэтилентерефталат.

6.15. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие синтезы: а) полиэтилена из метана; б) поливинилхлорида из метана; в) полистирола из бензола; г) фенолформальдегидной смолы из угля; д) капрона из фенола; е) полиметилметакрилата из изомасляной кислоты; ж) синтетического каучука из глюкозы.

а) полиэтилена из метана

Синтез полиэтилена из метана осуществляется в несколько стадий. Сначала метан подвергают высокотемпературному пиролизу для получения ацетилена. Затем ацетилен частично гидрируют до этилена с использованием катализатора Линдлара, чтобы предотвратить полное гидрирование до этана. На заключительном этапе этилен полимеризуют.

1. Получение ацетилена из метана (пиролиз):

$2CH_4 \xrightarrow{1500^\circ C} C_2H_2 + 3H_2$

2. Получение этилена из ацетилена (гидрирование):

$C_2H_2 + H_2 \xrightarrow{Pd/Pb^{2+}, CaCO_3} C_2H_4$

3. Получение полиэтилена (полимеризация):

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

Ответ:

Цепочка превращений: $CH_4 \rightarrow C_2H_2 \rightarrow C_2H_4 \rightarrow$ полиэтилен. Уравнения реакций:

$2CH_4 \xrightarrow{1500^\circ C} C_2H_2 + 3H_2$

$C_2H_2 + H_2 \xrightarrow{Pd/Pb^{2+}, CaCO_3} C_2H_4$

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

б) поливинилхлорида из метана

Синтез поливинилхлорида из метана также начинается с получения ацетилена путем пиролиза метана. Далее ацетилен вступает в реакцию гидрохлорирования, образуя мономер — винилхлорид. Полимеризация винилхлорида приводит к образованию поливинилхлорида (ПВХ).

1. Получение ацетилена из метана:

$2CH_4 \xrightarrow{1500^\circ C} C_2H_2 + 3H_2$

2. Получение винилхлорида из ацетилена:

$C_2H_2 + HCl \xrightarrow{HgCl_2, t} CH_2=CHCl$

3. Получение поливинилхлорида (полимеризация):

$n CH_2=CHCl \xrightarrow{kat} (-CH_2-CHCl-)_n$

Ответ:

Цепочка превращений: $CH_4 \rightarrow C_2H_2 \rightarrow CH_2=CHCl \rightarrow$ поливинилхлорид. Уравнения реакций:

$2CH_4 \xrightarrow{1500^\circ C} C_2H_2 + 3H_2$

$CH \equiv CH + HCl \xrightarrow{HgCl_2, t} CH_2=CHCl$

$n CH_2=CHCl \xrightarrow{kat} (-CH_2-CHCl-)_n$

в) полистирола из бензола

Для синтеза полистирола из бензола сначала необходимо получить мономер — стирол (винилбензол). Это достигается путем алкилирования бензола этиленом по реакции Фриделя-Крафтса с образованием этилбензола. Затем этилбензол дегидрируют до стирола, который далее полимеризуют.

1. Получение этилбензола (алкилирование бензола):

$C_6H_6 + CH_2=CH_2 \xrightarrow{AlCl_3/H_3PO_4} C_6H_5CH_2CH_3$

2. Получение стирола (дегидрирование этилбензола):

$C_6H_5CH_2CH_3 \xrightarrow{kat (Fe_2O_3), 600-650^\circ C} C_6H_5CH=CH_2 + H_2$

3. Получение полистирола (полимеризация стирола):

$n C_6H_5CH=CH_2 \xrightarrow{kat} [-CH_2-CH(C_6H_5)-]_n$

Ответ:

Цепочка превращений: бензол $\rightarrow$ этилбензол $\rightarrow$ стирол $\rightarrow$ полистирол. Уравнения реакций:

$C_6H_6 + CH_2=CH_2 \xrightarrow{AlCl_3/H_3PO_4} C_6H_5CH_2CH_3$

$C_6H_5CH_2CH_3 \xrightarrow{kat, t} C_6H_5CH=CH_2 + H_2$

$n C_6H_5CH=CH_2 \xrightarrow{kat} [-CH_2-CH(C_6H_5)-]_n$

г) фенолформальдегидной смолы из угля

Синтез фенолформальдегидной смолы требует получения двух мономеров — фенола и формальдегида — из угля (углерода).

Синтез фенола из угля:

1. Из угля получают карбид кальция: $CaO + 3C \xrightarrow{2000^\circ C} CaC_2 + CO$

2. Из карбида кальция получают ацетилен: $CaC_2 + 2H_2O \rightarrow C_2H_2 + Ca(OH)_2$

3. Тримеризация ацетилена в бензол: $3C_2H_2 \xrightarrow{C_{акт.}, 600^\circ C} C_6H_6$

4. Сульфирование бензола и последующий щелочной плав с подкислением: $C_6H_6 \xrightarrow{+H_2SO_4} C_6H_5SO_3H \xrightarrow{+2NaOH} C_6H_5ONa \xrightarrow{+HCl} C_6H_5OH$

Синтез формальдегида из угля:

1. Из угля получают синтез-газ: $C + H_2O \xrightarrow{1000^\circ C} CO + H_2$

2. Из синтез-газа получают метанол: $CO + 2H_2 \xrightarrow{kat, p, t} CH_3OH$

3. Каталитическое окисление метанола в формальдегид: $2CH_3OH + O_2 \xrightarrow{Ag/Cu, t} 2HCHO + 2H_2O$

Получение смолы (поликонденсация):

Фенол и формальдегид вступают в реакцию поликонденсации, образуя смолу. Структура смолы сложна, ниже приведена схема образования одного из возможных фрагментов макромолекулы:

$n C_6H_5OH + n HCHO \xrightarrow{H^+/OH^-} (-C_6H_3(OH)CH_2-)_n + n H_2O$

Ответ:

Уравнения ключевых стадий:

$CaC_2 + 2H_2O \rightarrow C_2H_2 + Ca(OH)_2$

$3C_2H_2 \xrightarrow{C_{акт.}, t} C_6H_6$

$C_6H_6 \rightarrow ... \rightarrow C_6H_5OH$

$CO + 2H_2 \xrightarrow{kat} CH_3OH$

$2CH_3OH + O_2 \xrightarrow{kat} 2HCHO + 2H_2O$

$n C_6H_5OH + n HCHO \xrightarrow{kat} (-C_6H_3(OH)CH_2-)_n + n H_2O$

д) капрона из фенола

Капрон (нейлон-6) — это полиамид, получаемый полимеризацией ε-капролактама. Синтез капролактама из фенола включает следующие шаги: гидрирование фенола до циклогексанола, окисление циклогексанола до циклогексанона, получение оксима циклогексанона и его перегруппировку в капролактам (перегруппировка Бекмана).

1. Гидрирование фенола: $C_6H_5OH + 3H_2 \xrightarrow{Ni, p, t} C_6H_{11}OH$ (циклогексанол)

2. Окисление циклогексанола: $C_6H_{11}OH \xrightarrow{Cu, t \text{ или } HNO_3} C_6H_{10}O + H_2O$ (циклогексанон)

3. Получение оксима циклогексанона: $C_6H_{10}O + NH_2OH \rightarrow C_6H_{10}=NOH + H_2O$

4. Перегруппировка Бекмана: $C_6H_{10}=NOH \xrightarrow{H_2SO_4} \text{ε-капролактам}$

5. Полимеризация ε-капролактама: $n \text{ (ε-капролактам)} \xrightarrow{H_2O, t} [-NH-(CH_2)_5-CO-]_n$

Ответ:

Цепочка превращений: фенол $\rightarrow$ циклогексанол $\rightarrow$ циклогексанон $\rightarrow$ оксим циклогексанона $\rightarrow$ ε-капролактам $\rightarrow$ капрон. Уравнения реакций:

$C_6H_5OH + 3H_2 \xrightarrow{Ni, p, t} C_6H_{11}OH$

$C_6H_{11}OH \xrightarrow{kat} C_6H_{10}O + H_2O$

$C_6H_{10}O + NH_2OH \rightarrow C_6H_{10}=NOH + H_2O$

$C_6H_{10}=NOH \xrightarrow{H_2SO_4} \text{ε-капролактам}$

$n \text{ (ε-капролактам)} \xrightarrow{H_2O, t} [-NH-(CH_2)_5-CO-]_n$

е) полиметилметакрилата из изомасляной кислоты

Полиметилметакрилат (оргстекло) получают полимеризацией метилметакрилата. Синтез мономера из изомасляной (2-метилпропановой) кислоты включает α-галогенирование кислоты, дегидрогалогенирование с образованием метакриловой кислоты и последующую этерификацию метанолом.

1. α-бромирование изомасляной кислоты (реакция Гелля-Фольгарда-Зелинского):

$(CH_3)_2CHCOOH + Br_2 \xrightarrow{P_{красн.}} (CH_3)_2C(Br)COOH + HBr$

2. Дегидробромирование до метакриловой кислоты:

$(CH_3)_2C(Br)COOH + KOH(спирт.) \rightarrow CH_2=C(CH_3)COOH + KBr + H_2O$

3. Этерификация метакриловой кислоты:

$CH_2=C(CH_3)COOH + CH_3OH \xleftrightarrow{H^+} CH_2=C(CH_3)COOCH_3 + H_2O$

4. Полимеризация метилметакрилата:

$n CH_2=C(CH_3)COOCH_3 \xrightarrow{kat} [-CH_2-C(CH_3)(COOCH_3)-]_n$

Ответ:

Уравнения реакций для синтеза полиметилметакрилата из изомасляной кислоты:

$(CH_3)_2CHCOOH + Br_2 \xrightarrow{P_{красн.}} (CH_3)_2C(Br)COOH + HBr$

$(CH_3)_2C(Br)COOH + KOH(спирт.) \rightarrow CH_2=C(CH_3)COOH + KBr + H_2O$

$CH_2=C(CH_3)COOH + CH_3OH \xleftrightarrow{H^+} CH_2=C(CH_3)COOCH_3 + H_2O$

$n CH_2=C(CH_3)COOCH_3 \xrightarrow{kat} [-CH_2-C(CH_3)(COOCH_3)-]_n$

ж) синтетического каучука из глюкозы

Классическим методом получения синтетического каучука (полибутадиена) является метод Лебедева, использующий в качестве сырья этанол. Этанол, в свою очередь, можно получить спиртовым брожением глюкозы.

1. Получение этанола из глюкозы (брожение):

$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{дрожжи} 2C_2H_5OH + 2CO_2$

2. Получение бутадиена-1,3 из этанола (метод Лебедева):

$2C_2H_5OH \xrightarrow{Al_2O_3, ZnO, 425^\circ C} CH_2=CH-CH=CH_2 + 2H_2O + H_2$

3. Получение полибутадиенового каучука (полимеризация):

$n CH_2=CH-CH=CH_2 \xrightarrow{Na} [-CH_2-CH=CH-CH_2-]_n$

Ответ:

Цепочка превращений: глюкоза $\rightarrow$ этанол $\rightarrow$ бутадиен-1,3 $\rightarrow$ синтетический каучук. Уравнения реакций:

$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{дрожжи} 2C_2H_5OH + 2CO_2$

$2C_2H_5OH \xrightarrow{Al_2O_3, ZnO, 425^\circ C} CH_2=CH-CH=CH_2 + 2H_2O + H_2$

$n CH_2=CH-CH=CH_2 \xrightarrow{Na} [-CH_2-CH=CH-CH_2-]_n$

6.16. Чему равна молекулярная масса молекулы поливинилхлорида, содержащей 1500 мономерных звеньев?

Дано

Полимер: поливинилхлорид (ПВХ)
Степень полимеризации (количество мономерных звеньев), $n = 1500$

Найти:

Молекулярную массу молекулы поливинилхлорида, $M_r(\text{ПВХ})$ — ?

Решение

Молекула поливинилхлорида представляет собой полимер, состоящий из большого числа повторяющихся структурных единиц — мономерных звеньев. Общая формула поливинилхлорида: $(-CH_2-CHCl-)_n$.

1. Сначала определим химическую формулу мономерного звена поливинилхлорида. Мономером для ПВХ является винилхлорид ($CH_2=CHCl$). При полимеризации двойная связь разрывается, и образуется мономерное звено с формулой $-CH_2-CHCl-$. Эмпирическая формула этого звена — $C_2H_3Cl$.

2. Далее рассчитаем относительную молекулярную массу этого мономерного звена. Для этого воспользуемся значениями относительных атомных масс элементов из Периодической системы Д. И. Менделеева:

• $A_r(C) = 12$
• $A_r(H) = 1$
• $A_r(Cl) = 35.5$

Относительная молекулярная масса мономерного звена $M_r(C_2H_3Cl)$ будет равна:
$M_r(C_2H_3Cl) = 2 \cdot A_r(C) + 3 \cdot A_r(H) + 1 \cdot A_r(Cl) = 2 \cdot 12 + 3 \cdot 1 + 35.5 = 24 + 3 + 35.5 = 62.5$

3. Молекулярная масса всей макромолекулы поливинилхлорида равна произведению молекулярной массы одного мономерного звена на степень полимеризации (количество звеньев $n$).
$M_r(\text{ПВХ}) = n \cdot M_r(C_2H_3Cl)$
$M_r(\text{ПВХ}) = 1500 \cdot 62.5 = 93750$

Таким образом, относительная молекулярная масса молекулы поливинилхлорида, содержащей 1500 мономерных звеньев, составляет 93750.

Ответ: молекулярная масса молекулы поливинилхлорида равна 93750.

6.17. Оцените степень полимеризации образца полистирола, если его средняя молекулярная масса равна 1 500 000.

Дано:

Средняя молекулярная масса образца полистирола $ \overline{M}_{полимера} = 1\ 500\ 000 $.

Найти:

Степень полимеризации $n$ — ?

Решение:

Степень полимеризации — это величина, показывающая число мономерных звеньев в составе макромолекулы. Она определяется как отношение средней молекулярной массы полимера к молекулярной массе мономерного звена.

Формула для расчета степени полимеризации $n$:
$n = \frac{\overline{M}_{полимера}}{M_{мономера}}$

Полистирол является продуктом полимеризации стирола (винилбензола). Следовательно, мономерным звеном полистирола является стирол.

Химическая формула стирола — $C_6H_5CH=CH_2$, или в брутто-форме — $C_8H_8$.

Рассчитаем молекулярную массу мономерного звена стирола, используя относительные атомные массы углерода $Ar(C) \approx 12$ и водорода $Ar(H) \approx 1$.
$M_{мономера} = M(C_8H_8) = 8 \cdot Ar(C) + 8 \cdot Ar(H) = 8 \cdot 12 + 8 \cdot 1 = 96 + 8 = 104$ г/моль.

Теперь подставим известные значения в формулу для нахождения степени полимеризации:
$n = \frac{1\ 500\ 000}{104} \approx 14423,07$

Так как степень полимеризации представляет собой количество звеньев, это значение должно быть целым числом. Округлим результат.

Ответ: степень полимеризации образца полистирола составляет примерно 14423.