Тема №40 «Високомолекулярні сполуки»

1. Основні методи синтезу високомолекулярних сполук Зміст
2. полімери
3. реакції полімеризації
4. реакції поліконденсації
5. будова полімеру
6. неорганічні полімери
7. пластмаси
9. волокна
10. шпаргалка

Основні методи синтезу високомолекулярних сполук

Зміст

1. полімери
2. реакції полімеризації
3. реакції поліконденсації
4. будова полімеру
5. неорганічні полімери
6. пластмаси
7. Натуральний і синтетичний каучук, гума
8. волокна
9. шпаргалки
10. Завдання для самоперевірки

полімери

Якщо відносна молекулярна маса сполуки більше 10 тис., То таке з'єднання прийнято називати високомолекулярним. Більшість високомолекулярних сполук - полімери.

Полімерами називають речовини, молекули яких складаються з безлічі повторюваних структурних ланок, з'єднаних між собою хімічними зв'язками.

Відомі два основних способи отримання соєвого молока - реакції полімеризації і реакції поліконденсації.

реакції полімеризації

Реакція полімеризації - це хімічний процес з'єднання безлічі вихідних молекул низькомолекулярної речовини (мономеру) в великі молекули (макромолекули) полімеру.

У реакцію полімеризації можуть вступати сполуки, що містять кратні зв'язки, т. Е. Ненасичені сполуки. Це можуть бути молекули одного мономера або різних мономерів.

У першому випадку відбувається реакція гомополімеризації - з'єднання молекул одного мономера, в другому - реакція кополімеризації - з'єднання молекул двох і більше вихідних речовин.

До реакцій гомополімеризації відносяться реакції отримання поліетилену, поліпропілену, полівінілхлориду і т. Д., Наприклад:

Вираз в дужках називають структурною ланкою, а число n у формулі полімеру - ступенем полімеризації.

До реакцій сополимеризации відноситься, наприклад, реакція отримання бутадієнстирольного каучуку:

реакції поліконденсації

Реакція поліконденсації - це хімічний процес з'єднання вихідних молекул мономера в макромолекули полімеру, що йде з утворенням побічного низькомолекулярного продукту (найчастіше води). У реакції поліконденсації вступають молекули мономера з функціональними групами.

Процеси поліконденсації поділяються на:

1) реакції гомополіконденсаціі, якщо полімер утворюється з молекул одного мономера. Наприклад, з молекул моносахаридів (глюкози) в клітинах рослин утворюються полісахариди:

а в промисловості отримують синтетичне волокно енант:

2) реакції сополіконденсаціі - якщо полімер утворюється з молекул двох і більше вихідних речовин. Наприклад, до них відносяться синтези білкових молекул з різних амінокислот або реакція отримання фенолформальдегідних смол:

За допомогою реакції поліконденсації отримують поліефіри, поліаміни, поліуретани, поліакріл і т. Д.

будова полімеру

Макромолекули полімерів можуть мати різну геометричну форму в залежності від будови основному ланцюзі:

1) лінійну, при якій структурні ланки з'єднані в довгі ланцюги послідовно одне за іншим (саме таку структуру мають в основному відомі нам поліетилен і поліпропілен);

2) розгалужену (з ними ми зустрічалися при вивченні крохмалю);

3) просторову, при якій лінійні молекули з'єднані між собою хімічними зв'язками (наприклад, в вулканізованої каучуку - гумі).

Геометрична форма макромолекул полімерів, як побачимо далі, суттєво позначається на їх властивості.

Лінійні і розгалужені ланцюги полімерів можна перетворити в просторові структури за допомогою світла, радіації або «зшивання» під дією хімічних реагентів. Наприклад, вулканізація каучуку, а також затвердіння фенолформальдегідних і поліефірних смол або освіту міцних плівок і покриттів з олій, що висихають і природних смол.

Лінійні полімери можуть мати як кристалічну, так і аморфну структуру. Під кристалличностью полімерів розуміють впорядковане розташування макромолекул або їх частин. Аморфне будову характеризується відсутністю впорядкованості. Розгалужені і просторові полімери, як правило, є аморфними.

Фізичні властивості лінійних і розгалужених полімерів дуже залежать від міжмолекулярної взаємодією твия їх макромолекул. Наприклад, у целюлози вони взаємодіють між собою по всій довжині, і тому її волокна мають високу міцність. Аналогічно особливо міцні волокна дають багато синтетичні полімери (поліпропілен, поліефіри, поліаміди), лінійні молекули яких розташовані вздовж осі розтягнення. А ось розгалужені молекули крохмалю взаємодіють лише окремими ділянками і тому не утворюють міцних волокон.

Тривимірні структури просторових полімерів можуть лише тимчасово деформуватися при розтягуванні, якщо вони мають порівняно рідкісну сітку (наприклад гуму), або бувають пружними або крихкими при наявності густої просторової мережі в залежності від її будови.

Поняття молекулярна маса для полімерів має деякі особливості. При полімеризації в макромолекули з'єднується різне число молекул мономера в залежності від того, коли станеться обрив зростаючої полімерного ланцюга. Внаслідок цього утворюються макромолекули різної довжини і, отже, різної маси. Тому зазвичай вказується для такого речовини молекулярна маса - це тільки середнє її значення.

На властивості полімерів великий вплив робить регулярність, яка проявляється в суворій послідовності з'єднання вихідних молекул мономерів в макромолекулі полімеру.

Полімери, макромолекули яких побудовані з ланок однакової просторової конфігурації або ж з ланок різної конфігурації, але обов'язково чергуються в ланцюзі у певному порядку, називають стереорегулярними.

Стереорегулярность має велике значення в прояві такого найважливішого властивості каучуків, як еластичність, яка відіграє визначальну роль при використанні цих матеріалів в автомобільних і авіаційних шинах, що зазнають під час руху автомобілів і літаків на посадочних смугах багаторазові деформації. Натуральний, або ізопреновий, каучук має стереорегулярность будова. Його формула:

Атоми вуглецю при подвійному зв'язку в кожній ланці з'єднані з різними атомами (групами атомів). Тому тут можлива геометрична ізомерія. Виявилося, що групи -СН2- в макромолекулах каучуку розташовані не безладно, а по одну і ту ж сторону подвійного зв'язку в кожній ланці, т. Е. Перебувають в цис-положенні.

Таке розташування -СН2-, через які здійснюється зв'язок ланок в макромолекулі, сприяє природному скручування її в клубок, що й обумовлює високу еластичність каучуку. У разі тракс-будови ланок макромолекули виявляються більш витягнутими, і такий полімер (гутаперча) еластичністю не володіє.

В умовах хімічного синтезу домогтися стереорегулярность будови довгий час не вдавалося, і це відбивалося на властивостях полімеру.

Але проблему синтезу изопренового каучуку все ж вдалося вирішити. Були знайдені каталізатори, які, як і при синтезі стереорегулярность поліпропілену, забезпечували регулярну укладку мономерних ланок в зростаючу полімерну ланцюг. Тепер ізопреновий каучук, аналогічний натуральному за будовою і властивостями, промисловість випускає у великій кількості.

Отримано і бутадієновий каучук стереорегулярность будови, його називають дивініловий. Виявилося, що по стійкості до стирання дивініловий каучук навіть перевершує натуральний. Це робить його особливо цінним для виготовлення протекторів (зовнішньої частини) шин, які зношуються особливо швидко.

неорганічні полімери

Багато неорганічні речовини являють собою полімери. Це пластична сірка, чорний фосфор, червоний фосфор, селен і телур цепочечного будови, діоксид кремнію і кремнієва кислота, силікати, поліфосфати і т. Д. Природні сітчасті неорганічні полімери входять до складу більшості мінералів земної кори, наприклад, азбест, або гірський льон.

Природні сітчасті неорганічні полімери переробляють в скло, волокна, ситалли, кераміку і т. Д.

Цікаві такі неорганічні полімери, які є алотропна видозмінами вуглецю:

карбин

... -С = С-С = С- ...

і полікумулен

... = С = С = С = С = ...

Елементоорганіческіе полімери - це такі полімери, які в основному ланцюзі містять атом вуглецю, а інших хімічних елементів (кисню, титану, кремнію). Бічні ланцюга в таких полімерах представлені органічними радикалами.

Так, в 1935 р нашим співвітчизником К. А. Андріанова були отримані кремнийорганические полімери - силікони, склад яких можна відобразити так:

Ці речовини мають високу термостійкість, чудові електроізоляційні властивості, вони хімічно інертні, гідрофобні (не змочуються водою) і т. Д. Подальше підвищення термостійкості полімерів, очевидно, пов'язано з проблемою синтезу неорганічних полімерів, в молекулах яких немає атомів вуглецю.

пластмаси

Пластмасами називають матеріали, виготовлені на основі полімерів, здатні набувати при нагріванні задану форму і зберігати її після охолодження.

Як правило, пластмаса - це суміш декількох речовин; полімер - це лише одне з них, але найважливіше. Саме він пов'язує всі компоненти пластмаси в єдине, більш-менш однорідне ціле. Тому полімер називають сполучною.

Перші пластмаси отримували на основі природних полімерів - похідних целюлози, каучуку і т. П. Потім в якості сполучних стали застосовувати і синтетичні полімери - фенолформальдегідні смоли, поліефіри і т. Д.

Зрозуміло, що перетворювати в готові вироби зручніше ті пластмаси, які можна зупинити тверднуть і розм'якшуються. Це так звані термопласти, або термопластичні полімери. Їх можна раціонально обробляти і переробляти методом лиття під тиском, вакуумного формування, профільним пресуванням. До таких пластмас відносяться поліетилен, полістирол, полівінілхлорид, поліаміди.

Якщо ж в процесі формування виробу відбувається зшивання макромолекул і полімер, твердея, набуває сітчасте будова, то ця речовина вже не можна повернути в в'язко-текучий стан нагріванням або розчиненням. Такі пластмаси називають реактопластами, або термореактивними полімерами. До них відносяться фенолформальдегідні, карбамідні і поліефірні смоли.

Крім сполучного полімеру, в пластмаси часто вводять добавки різного призначення, наповнювачі, барвники, речовини, що підвищують механічні властивості, термостійкість і стійкість до старіння.

Наповнювачі у вигляді порошку або волокна, які входять в пластмаси, значно здешевлюють їх. Разом з тим вони можуть надати пластмасам і багато специфічні властивості. Так, пластмаси з наповнювачем у вигляді алмазної і карборундових пилу - це абразиви, т. Е. Відмінний шліфувальний матеріал.

Основні споживачі пластмас - це перш за все будівельна індустрія, машинобудування, електротехніка, транспорт, виробництво пакувальних матеріалів, товарів народного споживання.

Широкому застосуванню пластмас сприяють низька вартість, легкість переробки та властивості, які часто не поступаються властивостям металів і сплавів або навіть перевершують їх. Так, вироби з пластмас дуже легкі, стійкі до корозії і агресивних середовищ, міцні, мають відмінні оптичні та ізоляційні властивості.

Натуральний і синтетичний каучук, гума

До кінця 1930-х рр. в промисловості використовували натуральний каучук, що виділяється з молочного соку (латексу) деяких рослин - каучуконосов. Найціннішим каучуконосом є гевея, що росте в Латинській Америці. Дослідження показали, що натуральний каучук являє собою ЦІС-поліізопрен, т. Е. Полімер, елементарні ланки якого відповідають ізопрену (2-метилбута- дієн-1,3) і знаходяться в цис-конфігурації.

Каучук, в якому все елементарні ланки перебувають або в цис-, або в тракс-конфігурації, називається стереорегулярность.

В середині XIX ст. (Гудьир, 1839 г.) було виявлено, що при нагріванні каучуку з сіркою (до 8%) утворюється гума - еластичний матеріал, технічні властивості якого набагато краще, ніж у каучуку. При нагріванні з сіркою (вулканізації) відбувається зшивання полімерних ланцюгів за рахунок сульфідних містків, що призводить до збільшення міцності, стійкості до стирання, до дії органічних розчинників і інших речовин.

У зв'язку з бурхливим зростанням промислового виробництва на початку XX ст. зросла потреба в каучуку. І це змусило хіміків шукати шляхи отримання синтетичного каучуку.

Перші спроби були невдалими, оскільки при полімеризації дієнів утворювалися нестереорегулярний ланцюга (т. Е. Ланцюга, в яких елементарні ланки перебували як в цис-, так і в тракс-конфігурації). Одержуваний каучук був схожий на смолу, вулканізація його давала гуму дуже поганої якості.

Вперше технологічно зручний спосіб синтезу полібутадієновими каучуку був розроблений російським хіміком С. В. Лебедєвим. В його основі лежала полімеризація бутадієну-1,3 з використанням каталізатора - металевого натрію.

Це дозволило отримати полібутадієн з хорошими технологічними властивостями. Однак цей полімер був нестереорегулярний, і тому гума, отримана на його основі, не була еластичною. Стереорегулярность полімери (в тому числі і ізопренові) навчилися отримувати лише в 50-і рр. XX ст.

Сучасна хімічна промисловість виробляє кілька видів синтетичного каучуку. Як мономерів використовують ізопрен, бутадієн, хлоропрен (2-хлорбутадіен-1,3), стирол, вінілбензол) і т. Д. Велике поширення отримали гуми, вироблені на основі сополімерів алкадиенов з сполученими подвійними зв'язками і похідних алкенів.

Такі гуми характеризуються високою морозостійкістю, міцністю і еластичністю (бутадієн-стірольний каучук), масло, бензостойкость (бутадієн-нітрильних каучук), зниженою газопроницаемостью, стійкістю до дії ультрафіолетового випромінювання, окислювачів (бутилкаучук - сополімер ізопрену і изобутилена).

волокна

Волокна - це полімери лінійної будови, які придатні для виготовлення ниток, джгутів, текстильних матеріалів.

Природні волокна за походженням ділять на:

• рослинні (бавовна, льон, пенька і т. Д.);

• тварини (шерсть, шовк);

• мінеральні (азбест).

Хімічні волокна отримують з розчинів або розплавів волокнообразующих полімерів. Їх поділяють на:

• штучні, які отримують з природних полімерів або продуктів їх переробки, головним чином з целюлози і її ефірів (віскозне, ацетатні і ін.);

• синтетичні, які отримують з синтетичних полімерів (капрон, лавсан, енант, нейлон та ін.).

шпаргалка

Довідковий матеріал для проходження тестування:

Таблиця Менделєєва Таблиця розчинності