Номер 14, страница 39 - гдз по химии 10 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

14. Два полимера — полиэтилен и каучук — значительно отличаются свойствами, например своей эластичностью. Объясните это, узнав из Интернета больше информации о пространственной форме молекул каучука.

Молекулы каучука

Молекулы полиэтилена

Значительное различие в эластичности полиэтилена и каучука обусловлено фундаментальными различиями в пространственной структуре (конформации) их макромолекул и, как следствие, в их надмолекулярной структуре.

Молекулы полиэтилена представляют собой длинные гибкие цепи, состоящие из повторяющихся звеньев этилена $(-CH_2-CH_2-)_n$. Благодаря своей простой линейной структуре (особенно у полиэтилена высокой плотности), эти цепи способны плотно упаковываться друг с другом, образуя упорядоченные кристаллические области. Эта плотная упаковка и сильные межмолекулярные взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса) придают полиэтилену жесткость и прочность, но не эластичность. При растяжении цепи могут скользить друг относительно друга, что приводит к необратимой (пластической) деформации, а не к упругому возврату в исходное состояние. На рисунке молекулы полиэтилена изображены как раз в таком более упорядоченном состоянии.

В отличие от полиэтилена, макромолекулы натурального каучука (полиизопрена) имеют изогнутую пространственную форму. Мономером натурального каучука является изопрен, а в полимерной цепи его звенья соединены в цис-положении относительно двойной связи ($C=C$). Эта цис-конфигурация создает изгиб в цепи после каждого мономерного звена. Из-за этих регулярных изгибов молекулы не могут выпрямиться и плотно упаковаться. Вместо этого они свернуты в беспорядочные клубки, как показано на рисунке.

Именно эта неупорядоченная, свернутая в клубки структура и является причиной высокой эластичности каучука. В спокойном состоянии молекулы находятся в наиболее вероятной, хаотичной (с высокой энтропией) конформации. При приложении растягивающей силы молекулярные клубки разворачиваются, цепи вытягиваются вдоль направления силы. Это состояние является менее вероятным и более упорядоченным (с низкой энтропией). Когда внешняя сила снимается, под действием теплового движения молекулярные цепи самопроизвольно стремятся вернуться в исходное, наиболее хаотичное состояние свернутых клубков, что макроскопически проявляется как сокращение материала до первоначальных размеров. Чтобы предотвратить проскальзывание цепей и обеспечить полный возврат формы, каучук обычно подвергают вулканизации — сшивке цепей, например, дисульфидными мостиками.

Ответ: Эластичность каучука объясняется его уникальной молекулярной структурой: его макромолекулы (цис-полиизопрен) имеют изогнутую форму, из-за чего в обычном состоянии они спутаны в беспорядочные клубки. При растяжении эти клубки разворачиваются, а при снятии нагрузки самопроизвольно сворачиваются обратно, восстанавливая форму. Молекулы полиэтилена, напротив, имеют более простую линейную структуру, способны плотно упаковываться в кристаллические области, что придает материалу жесткость, а не эластичность.