Номер 4, страница 198 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

4. Охарактеризуйте процесс получения полиэтилена и полипропилена в промышленности. Составьте уравнения соответствующих реакций.

Получение полиэтилена

Полиэтилен — это термопластичный полимер, получаемый полимеризацией мономера этилена (этена). В промышленности существует несколько основных методов его синтеза, которые приводят к получению полиэтилена с различными физико-механическими свойствами.

1. Получение полиэтилена высокого давления (ПЭВД), или низкой плотности (LDPE - Low-Density Polyethylene).
Этот процесс основан на реакции радикальной полимеризации. Он проводится при очень высоких параметрах: давление составляет $150–300 \text{ МПа}$ ($1500–3000 \text{ атм}$), а температура — $200–300 \text{ °C}$. В качестве инициаторов реакции выступают небольшие количества кислорода или органических пероксидов. В таких жестких условиях образуются макромолекулы с большим количеством боковых ответвлений (разветвленная структура). Это мешает плотной упаковке цепей, что и обусловливает низкую плотность, высокую эластичность и гибкость ПЭВД.

2. Получение полиэтилена низкого давления (ПЭНД), или высокой плотности (HDPE - High-Density Polyethylene).
Этот метод использует координационно-ионную полимеризацию на катализаторах Циглера-Натта (например, смесь хлорида титана(IV) $TiCl_4$ и триэтилалюминия $Al(C_2H_5)_3$). Процесс протекает в значительно более мягких условиях: давление $0.1–2 \text{ МПа}$ ($1–20 \text{ атм}$) и температура $70–120 \text{ °C}$. Реакцию проводят в среде органического растворителя (например, очищенного бензина). Катализатор обеспечивает рост линейных, практически неразветвленных полимерных цепей. Такие цепи могут плотно упаковываться, образуя области с высокой степенью кристалличности. В результате ПЭНД обладает большей плотностью, твердостью, прочностью и термостойкостью по сравнению с ПЭВД.

Общее уравнение реакции полимеризации этилена, лежащее в основе обоих методов, выглядит следующим образом:

$$ n \cdot \text{CH}_2=\text{CH}_2 \xrightarrow{\text{t, p, kat}} (-\text{CH}_2-\text{CH}_2-)_{n} $$

где $n$ — степень полимеризации (число мономерных звеньев в макромолекуле).

Ответ: Промышленное получение полиэтилена основано на реакции полимеризации этилена. В зависимости от условий (давление, температура, катализатор) получают полиэтилен с разными свойствами: полиэтилен высокого давления (ПЭВД, разветвленный) или полиэтилен низкого давления (ПЭНД, линейный). Уравнение реакции: $ n \cdot \text{CH}_2=\text{CH}_2 \rightarrow (-\text{CH}_2-\text{CH}_2-)_{n} $.

Получение полипропилена

Полипропилен получают полимеризацией пропилена (пропена). В отличие от симметричной молекулы этилена, молекула пропилена ($CH_2=CH(CH_3)$) несимметрична. Это приводит к тому, что в ходе полимеризации могут образовываться макромолекулы с различным пространственным расположением боковых метильных групп ($-\text{CH}_3$) относительно основной цепи. Это явление называется стереоизомерией. Различают три основных типа полипропилена: изотактический (все метильные группы находятся по одну сторону от полимерной цепи), синдиотактический (метильные группы строго чередуются по сторонам цепи) и атактический (метильные группы расположены хаотично). Свойства этих полимеров кардинально различаются: атактический полипропилен является мягким, липким материалом, похожим на каучук, тогда как изотактический — это твердый, прочный, кристаллический полимер с высокой температурой плавления, обладающий большой коммерческой ценностью.

В промышленности основной задачей является синтез именно изотактического полипропилена. Это достигается исключительно методом координационно-ионной полимеризации на стереоспецифических катализаторах Циглера-Натта (например, системы на основе $TiCl_3$ и диэтилалюминийхлорида $Al(C_2H_5)_2Cl$). Процесс ведут при относительно мягких условиях: давление $1–4 \text{ МПа}$ и температура $70–90 \text{ °C}$, в качестве среды используют сжиженный пропилен или инертный углеводородный растворитель. Каталитическая система контролирует ориентацию каждой присоединяющейся молекулы пропена, обеспечивая формирование упорядоченной изотактической структуры.

Уравнение реакции полимеризации пропилена:

$$ n \cdot \text{CH}_2=\underset{\displaystyle\text{CH}_3}{\underset{|}{\text{CH}}} \xrightarrow{\text{t, p, kat}} \left[-\text{CH}_2-\underset{\displaystyle\text{CH}_3}{\underset{|}{\text{CH}}}-\right]_n $$

Ответ: Полипропилен в промышленности получают методом координационно-ионной полимеризации пропена на катализаторах Циглера-Натта. Этот метод позволяет получать стереорегулярный (преимущественно изотактический) полимер, обладающий высокой прочностью, твердостью и термостойкостью. Уравнение реакции: $ n \cdot \text{CH}_2=\text{CH}(\text{CH}_3) \rightarrow [-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CH}_3)-]_n $.