Страница 202 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. На конкретных примерах поясните, чем отличаются реакции поликонденсации от реакций полимеризации.

1. Реакции полимеризации и поликонденсации являются основными способами получения полимеров, однако они имеют принципиальные различия, которые можно продемонстрировать на конкретных примерах.

Реакция полимеризации — это процесс образования полимера путем последовательного присоединения молекул мономера к растущей цепи. Главной особенностью этого процесса является то, что мономеры должны содержать кратные связи (двойные или тройные) или быть циклическими соединениями, способными к раскрытию цикла. Реакция протекает без выделения побочных продуктов, поэтому элементный состав макромолекулы полимера идентичен элементному составу исходного мономера.

Пример: полимеризация этилена.

Мономер этилен ($CH_2=CH_2$) имеет двойную связь. В условиях реакции (температура, давление, катализатор) эта связь разрывается, и молекулы соединяются в длинную цепь, образуя полиэтилен.

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

Как видно из уравнения, кроме полимера, других продуктов не образуется. Элементарное звено полимера $(-CH_2-CH_2-)$ имеет тот же состав, что и мономер $C_2H_4$.

Реакция поликонденсации — это процесс образования полимера, в котором взаимодействие мономеров сопровождается выделением низкомолекулярных побочных продуктов, таких как вода ($H_2O$), аммиак ($NH_3$), хлороводород ($HCl$) и др. В эту реакцию вступают мономеры, содержащие не менее двух функциональных групп (например, гидроксильную $-OH$, карбоксильную $-COOH$, аминогруппу $-NH_2$). Из-за выделения побочного продукта элементный состав элементарного звена полимера отличается от суммарного состава исходных мономеров.

Пример: образование полиэфира (лавсана) из терефталевой кислоты и этиленгликоля.

В реакцию вступают два разных мономера: терефталевая кислота, имеющая две карбоксильные группы ($-COOH$), и этиленгликоль с двумя гидроксильными группами ($-OH$). При взаимодействии карбоксильной группы с гидроксильной образуется сложный эфир и выделяется молекула воды.

$n \, HOOC-C_6H_4-COOH + n \, HO-CH_2-CH_2-OH \xrightarrow{t, kat.} [-CO-C_6H_4-CO-O-CH_2-CH_2-O-]_n + 2n \, H_2O$

В данном случае на каждую образовавшуюся сложноэфирную связь выделяется молекула воды, которая является побочным продуктом реакции. Элементарное звено полимера не совпадает по составу с суммой мономеров.

Таким образом, основные отличия заключаются в следующем:

1. Тип мономеров: для полимеризации — с кратными связями или циклами; для поликонденсации — с двумя и более функциональными группами.

2. Наличие побочных продуктов: при полимеризации их нет; при поликонденсации они есть (чаще всего вода).

3. Состав полимера: при полимеризации элементный состав полимера и мономера совпадает; при поликонденсации — отличается.

Ответ: Реакции полимеризации и поликонденсации отличаются типом используемых мономеров, механизмом реакции и элементным составом продуктов. Полимеризация — это цепная реакция присоединения мономеров с кратными связями без образования побочных продуктов (например, получение полиэтилена из этилена). Поликонденсация — это ступенчатая реакция между полифункциональными мономерами, сопровождающаяся выделением низкомолекулярных побочных продуктов, таких как вода (например, получение лавсана из терефталевой кислоты и этиленгликоля).

2. В чём сущность процесса образования фенолформальдегидной смолы? Какие фенопласты из неё получают?

В чём сущность процесса образования фенолоформальдегидной смолы?

Сущность процесса образования фенолоформальдегидной смолы заключается в реакции поликонденсации фенола ($C_6H_5OH$) с формальдегидом ($CH_2O$). В ходе этой реакции мономеры соединяются друг с другом с образованием полимерной цепи и выделением низкомолекулярного побочного продукта — воды ($H_2O$).

Процесс является ступенчатым и включает в себя несколько стадий. Механизм реакции — электрофильное замещение в ароматическом кольце фенола. Гидроксильная группа ($-OH$) в молекуле фенола является активатором и направляет замещение в орто- и пара-положения кольца. В зависимости от соотношения реагентов и типа катализатора (кислотного или основного) получают два основных типа смол:

1. Новолачные смолы (новолаки). Их получают при избытке фенола и использовании кислотного катализатора (например, $HCl$, $H_2SO_4$). Сначала формальдегид реагирует с фенолом, образуя гидроксиметилфенолы.
$C_6H_5OH + CH_2O \xrightarrow{H^+} HO-C_6H_4-CH_2OH$
Затем эти промежуточные продукты реагируют с избытком фенола, образуя линейные или слаборазветвленные олигомерные цепи, соединенные метиленовыми мостиками ($-CH_2-$).
$n C_6H_5OH + (n-1) CH_2O \xrightarrow{H^+, t} H-[C_6H_3(OH)-CH_2-]_{n-1}-C_6H_4OH + (n-1) H_2O$
Новолачные смолы являются термопластичными, то есть они размягчаются при нагревании. Для их отверждения (превращения в неплавкий и нерастворимый материал) требуется добавить сшивающий агент, например, гексаметилентетрамин (уротропин), который при нагревании разлагается с выделением формальдегида.

2. Резольные смолы (резолы). Их получают при избытке формальдегида и использовании основного (щелочного) катализатора (например, $NaOH$, $NH_4OH$). На первой стадии также образуются орто- и пара-гидроксиметилфенолы, а также ди- и триметилолфенолы из-за избытка формальдегида. Эти мономеры затем поликонденсируются, образуя олигомеры, которые содержат реакционноспособные метилольные группы ($-CH_2OH$).
Резольные смолы являются термореактивными. При нагревании (обычно $150–200^\circ C$) они отверждаются без добавления специальных отвердителей. Метилольные группы реагируют друг с другом или с активными атомами водорода бензольных колец, образуя метиленовые ($-CH_2-$) и диметиленэфирные ($-CH_2-O-CH_2-$) мостики. В результате формируется жесткая трехмерная сетчатая структура, называемая резитом.

Ответ: Сущность процесса заключается в реакции поликонденсации фенола и формальдегида. В зависимости от катализатора (кислота или щелочь) и соотношения реагентов образуются два типа смол: термопластичные новолачные смолы (требуют отвердителя) или термореактивные резольные смолы (отверждаются при нагревании).

Какие фенопласты из неё получают?

Фенопласты — это пластмассы, получаемые на основе фенолоформальдегидных смол, как правило, с добавлением различных наполнителей для улучшения их свойств и снижения стоимости. Из фенолоформальдегидных смол получают широкий спектр материалов:

1. Пресс-материалы (пресс-порошки). Это композиции на основе новолачной или резольной смолы с порошкообразными или коротковолокнистыми наполнителями (древесная мука, кварцевая мука, каолин), отвердителями (для новолаков), красителями и смазками. Из них методом горячего прессования изготавливают множество изделий:

• корпуса электроустановочных изделий (розетки, выключатели, патроны);
• детали бытовой техники и радиоаппаратуры;
• посуду и галантерейные изделия.

Исторически первый и самый известный такой материал — бакелит.

2. Волокниты. Это фенопласты с волокнистым наполнителем (например, хлопковое или асбестовое волокно). Они обладают повышенной механической прочностью и ударной вязкостью. Применяются для изготовления нагруженных деталей машин: шестерней, вкладышей подшипников, тормозных колодок.

3. Слоистые пластики. Их получают путем пропитки листовых материалов (бумаги, ткани) резольной смолой с последующим прессованием при высокой температуре.

• Гетинакс — наполнитель бумага. Используется как недорогой конструкционный и электроизоляционный материал для изготовления плат, панелей.
• Текстолит — наполнитель хлопчатобумажная ткань. Обладает более высокой прочностью, чем гетинакс, используется для изготовления шестерней, кулачков, панелей.
• Стеклотекстолит — наполнитель стеклоткань. Отличается высокой прочностью, термостойкостью и превосходными диэлектрическими свойствами. Является основой для печатных плат в современной электронике.

4. Фенольные пенопласты (пенофенопласты). Их получают путем вспенивания резольной смолы. Эти материалы обладают низкой теплопроводностью, высокой огнестойкостью и низким дымовыделением при горении. Используются в качестве тепло- и звукоизоляции в строительстве и на транспорте.

5. Лаки, клеи и пропиточные составы. Растворы фенолоформальдегидных смол в органических растворителях применяются как:

• защитные лаки для металла и древесины;
• связующее для абразивных инструментов (шлифовальных кругов);
• клеи для склеивания древесины (производство фанеры, ДСП), металлов и других материалов (например, клей БФ-2).

Ответ: Из фенолоформальдегидных смол получают различные фенопласты: пресс-материалы (бакелит) для электротехнических изделий, волокниты для деталей машин, слоистые пластики (гетинакс, текстолит, стеклотекстолит) для электроники и конструкций, пенопласты для теплоизоляции, а также лаки, клеи и связующие вещества.

3. Какие полимеры называют термореактивными? Приведите примеры.

Решение

Термореактивными полимерами (также известными как реактопласты) называют полимеры, которые после первоначального нагревания и формования подвергаются необратимой химической реакции, называемой отверждением или сшивкой. В результате этого процесса линейные или разветвленные макромолекулы соединяются между собой прочными поперечными химическими (ковалентными) связями, образуя единую трехмерную пространственную сетку.

Этот процесс отверждения необратим. После завершения сшивки полимер становится твердым, неплавким и нерастворимым. При повторном сильном нагревании он не размягчается, как термопласты, а подвергается термической деструкции (разрушению или обугливанию). Это связано с тем, что для разрушения пространственной сетки требуется энергия, сопоставимая с энергией разрыва прочных ковалентных связей, а не слабых межмолекулярных сил, как у термопластов.

Благодаря своей прочной сетчатой структуре термореактивные полимеры обычно обладают высокой прочностью, твердостью, жесткостью, термостойкостью и химической стойкостью.

Примерами термореактивных полимеров являются:

• Фенолформальдегидные смолы (например, бакелит, резол, новолак) — используются для изготовления корпусов электроприборов, розеток, выключателей, деталей автомобилей, клеев и лаков.
• Эпоксидные смолы — широко применяются в качестве клеев, герметиков, заливочных компаундов, покрытий, а также в качестве связующего в композиционных материалах (например, в стеклопластике и углепластике).
• Ненасыщенные полиэфирные смолы — основной компонент для производства стеклопластиков, используемых в судостроении, автомобилестроении, строительстве (например, для изготовления ванн, элементов кузова, кровельных материалов).
• Полиуретаны (термореактивного типа) — используются для производства жестких и эластичных пен (тепло- и звукоизоляция), покрытий, эластомеров.
• Аминопласты (например, мочевино-формальдегидные и меламино-формальдегидные смолы) — применяются для изготовления посуды, ламинированных покрытий для мебели (ЛДСП), клеев для древесины.
• Силиконы (кремнийорганические полимеры) — в отвержденном виде используются как герметики, эластичные формы для литья, имплантаты, термостойкие покрытия.
• Вулканизированный каучук (резина) — натуральный каучук является термопластом, но после вулканизации (сшивки серой) он становится термореактивным эластомером с высокой эластичностью и прочностью.

Ответ:

Термореактивные полимеры (реактопласты) — это полимеры, которые при нагревании необратимо отверждаются, образуя прочную трехмерную сетчатую структуру, в результате чего они становятся неплавкими и нерастворимыми. Примеры: фенолформальдегидные смолы (бакелит), эпоксидные смолы, полиэфирные смолы, вулканизированный каучук.

4. На каких свойствах пенопластов основано их применение?

Применение пенопластов, или газонаполненных пластмасс, обусловлено их уникальной ячеистой структурой, которая определяет их основные эксплуатационные свойства. Рассмотрим ключевые из них:

Низкая теплопроводность

Это главное свойство, благодаря которому пенопласты получили широчайшее распространение. Их структура состоит из множества замкнутых ячеек, заполненных газом (чаще всего воздухом). Газ сам по себе является плохим проводником тепла, а его заключение в маленькие ячейки препятствует передаче тепла за счет конвекции. В результате пенопласты являются одними из самых эффективных теплоизоляционных материалов. Применение: утепление стен, крыш, полов и фундаментов зданий; теплоизоляция холодильного оборудования, морозильных камер, рефрижераторов и трубопроводов.

Низкая плотность (малый вес)

Большую часть объема пенопласта (до 98%) занимает газ, а на долю твердого полимера приходится очень малая часть. Это делает материал чрезвычайно легким. Применение: в качестве упаковочного и амортизирующего материала для защиты хрупких товаров; в производстве спасательных средств (спасательные круги, жилеты), поплавков, понтонов, так как их плотность значительно ниже плотности воды; в авиа- и судостроении в качестве заполнителя для облегченных конструкций.

Хорошие звукоизоляционные свойства

Пористая структура пенопласта эффективно поглощает и рассеивает звуковые волны, что делает его хорошим звукоизолятором. Применение: звукоизоляция стен и перекрытий в жилых и производственных помещениях, студиях звукозаписи.

Водостойкость и водонепроницаемость

Пенопласты с закрытой ячеистой структурой (например, экструдированный пенополистирол) практически не впитывают воду, что позволяет им сохранять свои теплоизоляционные свойства даже в условиях повышенной влажности. Применение: утепление фундаментов, подвалов, использование в конструкциях, контактирующих с водой (понтоны, плавучие пристани).

Достаточная механическая прочность

Несмотря на свою легкость, пенопласты обладают достаточной прочностью, особенно на сжатие, чтобы выдерживать определенные нагрузки. Применение: в строительстве в составе сэндвич-панелей, в качестве амортизирующей упаковки, защищающей от ударов.

Легкость обработки и монтажа

Пенопласт легко режется обычными инструментами, ему можно придать практически любую форму, он легко монтируется с помощью клея или механического крепежа. Применение: создание декоративных элементов фасадов и интерьеров, изготовление моделей и макетов, театральных декораций.

Ответ: Применение пенопластов основано на их низкой теплопроводности, малой плотности (легкости), хороших звукоизоляционных свойствах, водостойкости, достаточной механической прочности и легкости в обработке.

1. Молекулы, соединяясь друг с другом, образуют длинные __________ . Этот процесс сопровождается выделением побочного низкомолекулярного продукта. Такую реакцию называют реакцией __________ .

1. В данном задании необходимо вставить пропущенные слова в утверждение, описывающее химический процесс. Для этого проанализируем текст по частям.

"Молекулы, соединяясь друг с другом, образуют длинные _________."

Процесс, при котором множество исходных небольших молекул, называемых мономерами, соединяются в длинные цепи, называется полимеризацией. Продуктом этого процесса являются полимеры – вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Следовательно, в первом пропуске наиболее подходящим является слово "полимеры".

"Этот процесс сопровождается выделением побочного низкомолекулярного продукта. Такую реакцию называют реакцией _________."

Это предложение даёт ключевую характеристику, позволяющую точно определить тип реакции. В химии высокомолекулярных соединений выделяют два основных механизма образования полимеров:

• Полимеризация (цепная): происходит путём присоединения мономеров к растущей цепи без выделения каких-либо побочных продуктов. Элементный состав полимера идентичен элементному составу мономера. Пример – синтез полипропилена: $n(CH_2=CH-CH_3) \rightarrow [-CH_2-CH(CH_3)-]_n$.
• Поликонденсация (ступенчатая): происходит в результате взаимодействия функциональных групп мономеров, которое сопровождается отщеплением низкомолекулярных побочных продуктов (например, воды $H_2O$, аммиака $NH_3$, хлороводорода $HCl$). Элементный состав полимера отличается от состава мономеров.

Поскольку в условии задачи прямо указано на выделение "побочного низкомолекулярного продукта", описываемая реакция является реакцией поликонденсации.

Примером такой реакции может служить синтез полиэтилентерефталата (лавсана) из терефталевой кислоты и этиленгликоля, где в качестве побочного продукта выделяется вода:

$n(HOOC-C_6H_4-COOH) + n(HO-CH_2-CH_2-OH) \rightarrow H-[-O-CH_2-CH_2-O-CO-C_6H_4-CO-]_n-OH + (2n-1)H_2O$

Собрав все части воедино, получаем законченное утверждение.

Ответ: Молекулы, соединяясь друг с другом, образуют длинные полимеры. Этот процесс сопровождается выделением побочного низкомолекулярного продукта. Такую реакцию называют реакцией поликонденсации.

2. Верны ли следующие суждения о полимерах?

1) верно только А

2) верно только Б

3) верны оба суждения

4) оба суждения неверны

Решение

Рассмотрим истинность каждого из предложенных суждений о полимерах.

А. Полимеры с пространственной структурой теряют термопластичность и становятся более прочными.

Полимеры с пространственной (сетчатой) структурой характеризуются наличием прочных химических связей (так называемых "сшивок") между отдельными полимерными цепями. Эти сшивки образуют единую трехмерную сетку.
1. Термопластичность — это способность материала обратимо размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении. Это свойство присуще полимерам с линейной или разветвленной структурой, так как их макромолекулы могут перемещаться друг относительно друга. В полимерах с пространственной структурой движение макромолекул ограничено химическими сшивками, поэтому при нагревании они не плавятся, а при достаточно высокой температуре разрушаются (деструктируют). Такие полимеры называются реактопластами, и они действительно не обладают термопластичностью.
2. Прочность. Наличие прочной и жесткой трехмерной сетки из ковалентных связей значительно увеличивает механическую прочность, твердость и модуль упругости материала по сравнению с линейными полимерами, где цепи связаны лишь слабыми межмолекулярными силами.
Следовательно, суждение А является верным.

Б. Полимеры с линейной структурой являются самыми прочными.

Полимеры с линейной структурой состоят из длинных макромолекул, не связанных друг с другом поперечными химическими связями. Они удерживаются вместе за счет межмолекулярных сил (Ван-дер-Ваальсовых, водородных связей), которые значительно слабее ковалентных химических связей. Как было показано в анализе суждения А, полимеры с пространственной (сетчатой) структурой, благодаря наличию прочных ковалентных сшивок, как правило, обладают большей прочностью и жесткостью, чем линейные полимеры. Поэтому утверждение, что линейные полимеры являются самыми прочными, неверно.
Следовательно, суждение Б является неверным.

Исходя из анализа, верно только суждение А.

Ответ: 1