Страница 117 - гдз по химии 10 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Полимеры — это высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых состоят из большого числа повторяющихся структурных звеньев (мономерных звеньев), соединенных ковалентными химическими связями. Само название «полимер» образовано от греческих слов «поли» — много и «мерос» — часть. Молекула исходного низкомолекулярного вещества, из которого синтезируют полимер, называется мономером, а число повторяющихся звеньев в макромолекуле — степенью полимеризации ($n$). Обобщенно структуру линейного полимера можно представить формулой $(-A-)_n$, где $A$ — мономерное звено. Благодаря своей огромной молекулярной массе и цепному строению полимеры обладают уникальным комплексом свойств (прочность, эластичность, малая плотность), которые отличают их от низкомолекулярных веществ.

По происхождению полимеры принято делить на три основные группы:

Природные (биополимеры) — это полимеры естественного, природного происхождения, входящие в состав растительных и животных организмов. Они выполняют важнейшие биологические функции. Примерами являются белки (мономеры — аминокислоты), нуклеиновые кислоты ДНК и РНК (мономеры — нуклеотиды), полисахариды, такие как крахмал, целлюлоза и хитин (мономеры — моносахариды), а также натуральный каучук (полимер изопрена).

Искусственные полимеры — это продукты химической модификации природных полимеров. В ходе такой модификации основной скелет макромолекулы сохраняется, но ее свойства изменяются за счет введения новых функциональных групп. Примерами служат нитроцеллюлоза и ацетилцеллюлоза (продукты переработки природной целлюлозы), из которых изготавливают волокна (например, ацетатный шелк), пленки и пластмассы.

Синтетические полимеры — это полимеры, которые получают путем химического синтеза из низкомолекулярных соединений (мономеров) с помощью реакций полимеризации или поликонденсации. Эти вещества не встречаются в природе. К ним относится подавляющее большинство используемых сегодня пластмасс, волокон и каучуков, например: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид (ПВХ), полистирол, капрон, нейлон, лавсан, фенолформальдегидные смолы.

Ответ: Полимеры — это вещества с очень большой молекулярной массой, молекулы которых (макромолекулы) состоят из множества повторяющихся одинаковых или разных по строению структурных звеньев. По происхождению полимеры классифицируют на три вида: природные (существующие в природе, например, белок, целлюлоза, натуральный каучук), искусственные (полученные химической модификацией природных полимеров, например, ацетилцеллюлоза) и синтетические (полученные синтезом из мономеров, например, полиэтилен, капрон, лавсан).

Какие полимеры называют искусственными?

Искусственными полимерами называют высокомолекулярные соединения, которые получают путем химической модификации природных полимеров. В основе искусственного полимера лежит макромолекула природного происхождения, но её свойства целенаправленно изменяют с помощью химических реакций. Это делается для придания материалу новых, полезных качеств, таких как прочность, эластичность, термостойкость или определенная растворимость. Примерами таких полимеров являются ацетатное волокно и вискоза, которые получают из природной целлюлозы (основы древесины и хлопка); нитроцеллюлоза (используется для производства бездымного пороха, целлулоида), также получаемая обработкой целлюлозы; и вулканизированный каучук (резина), который получают путем обработки природного каучука серой.

Ответ: Искусственные полимеры – это полимеры, полученные на основе природных полимеров путем их химической обработки для изменения свойств.

Чем они отличаются от природных?

Основное отличие искусственных полимеров от природных заключается в их происхождении и способе получения. Природные (натуральные) полимеры образуются в живых организмах (растениях и животных) в ходе естественных биохимических процессов, и человек лишь выделяет их из природного сырья. Их структура и свойства полностью определены природой. Примерами служат целлюлоза, крахмал, белки, натуральный каучук. В отличие от них, искусственные полимеры создаются человеком, но не «с нуля», а на основе уже существующих природных полимеров. То есть, берется природный полимер и подвергается химической модификации. В результате основная полимерная цепь сохраняется, но её химический состав и, как следствие, физические свойства изменяются. Таким образом, ключевое различие: природные полимеры – это готовые продукты природы, а искусственные – это продукты целенаправленной химической переработки природных полимеров человеком. Это также отличает их от синтетических полимеров (например, полиэтилена, капрона), которые полностью синтезируются человеком из простых низкомолекулярных веществ (мономеров).

Ответ: Искусственные полимеры отличаются от природных тем, что они являются продуктом химической модификации природных полимеров человеком, в то время как природные полимеры создаются в живых организмах без вмешательства человека.

Решение

Чтобы понять различие между полимером и пластмассой, необходимо сначала дать определение каждому из этих понятий.

Полимер — это высокомолекулярное химическое соединение, молекулы которого (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся звеньев (мономеров). Полимеры являются своего рода "сырьём" или основой. К полимерам относятся, например, полиэтилен, поливинилхлорид (ПВХ), а также природные соединения, такие как целлюлоза или натуральный каучук. По своей сути, полимер — это чистое химическое вещество.

Пластмасса (или пластик) — это материал, получаемый на основе полимера. Ключевое отличие заключается в том, что пластмассы почти всегда содержат в своём составе дополнительные компоненты — добавки. Эти добавки вводятся для придания материалу определённых эксплуатационных свойств (например, прочности, гибкости, цвета, огнестойкости) или для удешевления. Примеры добавок: пластификаторы (для эластичности), стабилизаторы (для защиты от старения), наполнители (стекловолокно, мел, тальк для прочности и жёсткости), красители.

Таким образом, главное различие состоит в том, что полимер — это химическое вещество, а пластмасса — это многокомпонентный конструкционный материал на основе этого вещества.

Исходя из этих определений, можно ответить на вторую часть вопроса. Композиционный материал (композит) — это материал, состоящий из двух или более компонентов с разными свойствами, где один компонент (матрица) является связующим, а другой (наполнитель или армирующий элемент) придаёт специфические характеристики. Компоненты в структуре композита не растворяются друг в друге и сохраняют свои индивидуальные свойства.

Чистый полимер не является композитом, так как он гомогенен. А вот пластмасса полностью подпадает под определение композиционного материала. В её структуре полимер выполняет роль матрицы, а различные наполнители и добавки (например, стекловолокно, углеволокно, мел, древесная мука) выступают в качестве армирующей или наполняющей фазы.

Ответ: Основное различие в том, что полимер — это чистое химическое вещество (макромолекула), а пластмасса — это сложный материал, созданный на основе полимера с добавлением других веществ (наполнителей, пластификаторов и т.д.) для придания необходимых свойств. Композиционным материалом можно назвать пластмассу, поскольку она состоит из нескольких разнородных компонентов (полимерной матрицы и наполнителя), образующих единую структуру с улучшенными характеристиками.

Что такое волокна?

Волокна — это длинные, тонкие и гибкие нитевидные структуры, природного или химического происхождения, которые характеризуются малым поперечным сечением и значительной длиной. Волокна являются основным элементом для производства пряжи, ниток, тканей, трикотажа и других текстильных материалов. Их классифицируют на две большие группы: натуральные (растительного, животного, минерального происхождения) и химические. Химические волокна, в свою очередь, делятся на искусственные и синтетические.

Искусственные волокна — это волокна, получаемые путем химической переработки природных полимеров, главным образом целлюлозы (из древесины, хлопка) или белков.

Примеры искусственных волокон, их свойства, применение и получение

Наиболее известными и широко используемыми искусственными волокнами являются вискозное и ацетатное.

1. Вискозное волокно (Вискоза)

Получение: Процесс получения вискозного волокна многостадийный и основан на регенерации целлюлозы.
1. Исходное сырье, древесную целлюлозу, обрабатывают концентрированным раствором щелочи (гидроксида натрия $NaOH$) для получения щелочной целлюлозы:
$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + nNaOH \to [C_6H_7O_2(OH)_2ONa]_n + nH_2O$.
2. Полученную щелочную целлюлозу обрабатывают сероуглеродом ($CS_2$), в результате чего образуется ксантогенат целлюлозы:
$[C_6H_7O_2(OH)_2ONa]_n + nCS_2 \to [C_6H_7O_2(OH)_2O-C(S)SNa]_n$.
3. Ксантогенат целлюлозы растворяют в разбавленном растворе щелочи, получая вязкий раствор оранжевого цвета — вискозу.
4. Раствор вискозы продавливают через тончайшие отверстия (фильеры) в осадительную ванну с раствором серной кислоты ($H_2SO_4$). Здесь происходит распад ксантогената и восстановление (регенерация) целлюлозы в виде тонких блестящих нитей — вискозного волокна:
$2[C_6H_7O_2(OH)_2O-C(S)SNa]_n + nH_2SO_4 \to 2[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 2nCS_2 + nNa_2SO_4$.

Свойства: Вискозное волокно по своим свойствам очень похоже на хлопок, так как оба состоят из целлюлозы. Оно обладает высокой гигроскопичностью (впитывает до 40% влаги, что больше, чем у хлопка), мягкостью, хорошей воздухопроницаемостью и приятной на ощупь текстурой. Изделия из вискозы хорошо драпируются и легко окрашиваются в яркие, насыщенные цвета. Главным недостатком является значительная потеря прочности во влажном состоянии (до 50-60%) и высокая сминаемость.

Применение: Вискозу широко используют для производства одежды (платьев, блузок, рубашек), белья, подкладочных тканей. Также из нее делают домашний текстиль (шторы, скатерти), штапельное волокно для смесовых тканей (например, с хлопком или полиэстером), а также нетканые материалы (салфетки). Высокопрочное вискозное волокно (корд) применяется в технических целях, например, для армирования автомобильных шин.

2. Ацетатное волокно (Ацетатный шелк)

Получение: Ацетатное волокно получают не регенерацией, а химической модификацией целлюлозы, превращая ее в сложный эфир — ацетилцеллюлозу.
1. Очищенную целлюлозу (часто из хлопкового пуха) обрабатывают уксусным ангидридом ($(CH_3CO)_2O$) в присутствии катализатора (серной кислоты) и растворителя (уксусной кислоты). Происходит реакция этерификации гидроксильных групп целлюлозы:
$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 3n(CH_3CO)_2O \to [C_6H_7O_2(OOCCH_3)_3]_n + 3nCH_3COOH$.
2. Полученную ацетилцеллюлозу (триацетат целлюлозы) растворяют в подходящем органическом растворителе (например, в ацетоне или смеси дихлорметана и спирта).
3. Раствор продавливают через фильеры в шахту с теплым воздухом. Растворитель испаряется, и из раствора формируются твердые нити ацетатного волокна (метод сухого формования).

Свойства: Ацетатное волокно внешне очень напоминает натуральный шелк благодаря своему блеску, гладкости и мягкости. Оно легкое и хорошо драпируется. В отличие от вискозы, ацетатное волокно имеет низкую гигроскопичность, поэтому плохо впитывает влагу и быстро сохнет. Оно термопластично: при нагревании размягчается, что позволяет придавать изделиям устойчивую форму (например, плиссе), но при слишком высокой температуре плавится. Недостатками являются невысокая прочность (особенно к истиранию), склонность к накоплению статического электричества и растворимость в ацетоне.

Применение: Благодаря своему шелковистому виду ацетатное волокно используется для пошива нарядной одежды, блузок, платьев, а также в качестве подкладочной ткани. Из него изготавливают предметы домашнего текстиля (декоративные шторы), ленты. Одно из важнейших применений ацетатного волокна — производство сигаретных фильтров.

Ответ:
Волокна — это протяженные гибкие тела, пригодные для изготовления пряжи и текстиля. Искусственные волокна получают из природных полимеров (например, целлюлозы) путем их химической переработки.
Примеры искусственных волокон:
1. Вискозное волокно: получают путем растворения целлюлозы и ее последующей регенерации в кислотной ванне. Свойства: гигроскопичное, мягкое, "дышащее", но непрочное в мокром виде. Применение: одежда, домашний текстиль, нетканые материалы.
2. Ацетатное волокно: получают обработкой целлюлозы уксусным ангидридом (создание сложного эфира). Свойства: похоже на шелк, легкое, быстро сохнет, термопластичное, но не очень прочное. Применение: нарядная одежда, подкладочные ткани, сигаретные фильтры.

5. Предупреждение о соблюдении мер пожарной безопасности при работе с нитроцеллюлозным клеем связано с высокой горючестью его компонентов. Существует две основные причины этой опасности.

Первая причина заключается в самом основном компоненте — нитроцеллюлозе (нитрате целлюлозы). Это вещество является химически нестабильным и чрезвычайно горючим. В сухом виде оно известно как пироксилин или бездымный порох и классифицируется как взрывчатое вещество. Особенность нитроцеллюлозы в том, что её молекула содержит и горючую основу (целлюлозу), и окислитель (нитрогруппы $–NO_2$). Это позволяет ей интенсивно гореть даже без доступа кислорода извне. Воспламенение может произойти от малейшей искры, нагрева или контакта с открытым пламенем.

Вторая причина — это растворители, которые используются для придания нитроцеллюлозе жидкой клеевой консистенции. Как правило, это летучие органические вещества, такие как ацетон, этилацетат, спирты. Все эти растворители являются легковоспламеняющимися жидкостями. При работе с клеем они активно испаряются, а их пары, смешиваясь с воздухом, могут образовывать взрывоопасную смесь. Эта смесь может легко воспламениться от любого источника зажигания.

Таким образом, сочетание взрывоопасной по своей природе нитроцеллюлозы и легковоспламеняющихся летучих растворителей делает нитроцеллюлозный клей крайне пожароопасным продуктом. Поэтому при работе с ним необходимо обеспечивать хорошую вентиляцию и избегать любых источников огня, искр и высоких температур.

Ответ: Предупреждение о пожарной безопасности связано с тем, что нитроцеллюлозный клей состоит из двух легковоспламеняющихся компонентов: самой нитроцеллюлозы (которая является взрывчатым веществом и может гореть без доступа воздуха) и летучих органических растворителей (пары которых образуют с воздухом взрывоопасные смеси).

Природные волокна классифицируются в зависимости от их происхождения. Они бывают растительными, основой которых служит целлюлоза, и животными, которые состоят из белков.

Растительные волокна

Растительные волокна получают из различных частей растений: семян (хлопок), стеблей (лён, джут, конопля), листьев (сизаль) или плодов (койра). Они гигроскопичны, воздухопроницаемы и, как правило, обладают высокой прочностью.

Примеры и области применения:

1. Хлопок — волокно, получаемое из семенных коробочек хлопчатника. Это самое массовое и широко используемое натуральное волокно.
Свойства: мягкость, хорошая впитываемость (гигроскопичность), воздухопроницаемость.
Применение: производство одежды (от нижнего белья до джинсовой ткани), домашнего текстиля (постельное белье, полотенца, скатерти), медицинских материалов (вата, марля, бинты) и технических тканей (фильтры).

2. Лён — волокно, получаемое из стеблей льна-долгунца. Льняные ткани считаются одними из самых древних.
Свойства: высокая прочность, износостойкость, гигроскопичность, хорошо проводит тепло, что создает ощущение прохлады.
Применение: пошив летней одежды (платья, костюмы, рубашки), изготовление столового и постельного белья премиум-класса, а также производство прочных технических тканей (парусина, брезент, пожарные рукава).

3. Джут — волокно, получаемое из стеблей одноименного растения. Это грубое, но очень прочное и дешевое волокно.
Свойства: высокая прочность на разрыв, жесткость.
Применение: изготовление мешков (мешковины), веревок, канатов, ковровых основ, упаковочных материалов и различных поделок.

Ответ: Примерами растительных волокон являются хлопок, лён и джут. Хлопок используется для производства повседневной одежды и домашнего текстиля. Лён — для изготовления прочной летней одежды и столового белья. Джут применяется для создания упаковочных материалов, веревок и мешковины.

Животные волокна

Животные волокна состоят из белков (кератина в шерсти и фиброина в шелке) и получаются из волосяного покрова животных или продуктов жизнедеятельности насекомых.

Примеры и области применения:

1. Шерсть — волосяной покров животных, в основном овец (овечья шерсть), а также коз (кашемир, мохер), верблюдов, кроликов (ангора) и альпак.
Свойства: отличные теплоизоляционные качества, эластичность, гигроскопичность (может впитать до 30% влаги от своего веса, оставаясь сухой на ощупь).
Применение: производство теплой одежды (свитеры, пальто, костюмы, носки), одеял, пледов, ковров. Также из шерсти изготавливают войлок и фетр, которые используются для головных уборов, обуви (валенки) и в качестве технических материалов.

2. Натуральный шёлк — волокно в виде тончайшей нити, которое получают при размотке коконов гусениц тутового шелкопряда.
Свойства: легкость, прочность, красивая драпируемость, характерный блеск, терморегуляция (согревает в холод и охлаждает в жару).
Применение: производство элитной одежды (вечерние платья, блузки, мужские галстуки), нижнего белья, шарфов и платков. Также используется в интерьере для изготовления дорогих штор, обивки мебели и постельного белья. В медицине применяется для изготовления хирургических нитей.

Ответ: Примерами животных волокон являются шерсть и натуральный шёлк. Шерсть благодаря своим теплосберегающим свойствам используется для изготовления теплой одежды, одеял и ковров. Шёлк — легкий, прочный и блестящий материал — применяется для производства дорогой одежды, аксессуаров и предметов роскоши.

Асбест, также известный как «горный лён», — это общее название для группы природных волокнистых минералов из класса силикатов. Благодаря уникальному сочетанию свойств, асбест на протяжении десятилетий был одним из самых востребованных материалов в строительстве, автомобилестроении и многих других отраслях промышленности. Однако его использование сопряжено с серьёзными рисками для здоровья, что привело к ожесточённым дискуссиям и законодательным ограничениям во многих странах мира. Рассмотрим положительные и отрицательные стороны применения этого материала.

Плюсы

Популярность асбеста была обусловлена рядом его уникальных и ценных технических характеристик:

• Огнестойкость и термостойкость: Асбест не горит и обладает низкой теплопроводностью. Он способен выдерживать очень высокие температуры (например, хризотил-асбест плавится при температуре около $1500^{\circ}C$), что делало его незаменимым для теплоизоляции, производства огнезащитных материалов (включая ткани и шифер) и компонентов, работающих при высоких температурах.
• Механическая прочность и гибкость: Асбестовые волокна одновременно прочные на разрыв (сопоставимы со сталью) и эластичные. Это позволяло использовать их для армирования цемента (асбестоцементные трубы, шифер), пластмасс и других материалов, значительно повышая их прочность и долговечность.
• Химическая инертность: Асбест устойчив к воздействию многих химически агрессивных сред, в том числе щелочей, кислот и органических растворителей.
• Изоляционные свойства: Помимо теплоизоляции, асбест является хорошим электрическим изолятором и звукопоглощающим материалом, что расширяло сферу его применения.
• Доступность и низкая стоимость: По сравнению с синтетическими волокнами со схожими свойствами (стекловолокно, арамидные волокна), асбест был значительно дешевле в добыче и переработке.

Ответ: Основные плюсы асбеста — это его выдающиеся физико-химические свойства: высокая огнеупорность, прочность, долговечность, отличные тепло-, электро- и звукоизоляционные качества, а также низкая стоимость.

Минусы

Несмотря на все преимущества, использование асбеста имеет один критический недостаток, который перечёркивает все его достоинства, — это его пагубное воздействие на здоровье человека.

• Канцерогенность: Международное агентство по изучению рака (МАИР) и ВОЗ относят все виды асбеста к первой, самой опасной группе канцегенов. Угрозу представляют микроскопические волокна, которые при механическом воздействии на асбестосодержащие материалы (резка, сверление, разрушение) попадают в воздух и вдыхаются человеком.
• Неизлечимые заболевания: Попав в лёгкие, асбестовые волокна не выводятся из организма и вызывают тяжёлые заболевания, которые проявляются спустя многие годы (20-50 лет) после контакта:
  • Асбестоз — прогрессирующий фиброз (рубцевание) лёгочной ткани, приводящий к тяжёлой дыхательной недостаточности.
  • Рак лёгких — риск его развития многократно увеличивается, особенно в сочетании с курением.
  • Мезотелиома — редкая и чрезвычайно агрессивная форма рака плевры (оболочки лёгких) или брюшины, которая практически всегда вызвана воздействием асбеста.
• Сложность и опасность утилизации: Демонтаж и утилизация асбестосодержащих конструкций — это сложный, дорогостоящий и опасный процесс, требующий специальных мер защиты для предотвращения распространения волокон в окружающей среде.
• Экологический вред: Добыча асбеста и неправильное захоронение отходов приводят к загрязнению окружающей среды опасными волокнами.

Ответ: Главный и решающий минус асбеста — его доказанная канцерогенность. Вдыхание асбестовой пыли приводит к развитию смертельных и неизлечимых заболеваний, таких как асбестоз, рак лёгких и мезотелиома. Длительный скрытый период развития болезней и сложность безопасной утилизации делают его крайне опасным материалом.

Таким образом, хотя асбест и является материалом с уникальными техническими свойствами, его подтверждённая опасность для здоровья привела к тому, что большинство развитых стран ввело полный запрет на его использование. Приоритетом стало использование более безопасных альтернатив, таких как базальтовое и целлюлозное волокно, стекловолокно и другие современные материалы.