§28. Полімери

Вивчаючи ненасичені вуглеводні, ми дізналися про їх властивості полімеризуватись й давати при цьому високомолекулярні сполуки (полімери).

Полімери – хімічні сполуки з високою молекулярною масою, молекули яких складаються з великого числа угрупувань. За походженням полімери діляться на природні, штучні та синтетичні. Серед природних найважливіші білки (шкіра, вовна, натуральний шовк), нуклеїнові кислоти, клітковина, крохмаль, натуральний каучук, бітуми, смоли. Штучними називають продукти хімічної модифікації природних полімерів (різноманітні похідні целюлози). Синтетичними називають полімери, які одержують із низькомолекулярних речовин методами полімеризації або поліконденсації. Синтетичні високомолекулярні сполуки, широко відомі у вигляді різноманітних пластмас, волокон, каучуків тощо.

Полімери мають комплекс фізико-хімічних й механічних властивостей.

Найголовнішими перевагами конструкційних матеріалів на основі органічних полімерів перед традиційними є легкість їх переробки, висока еластичність та низька густина при достатній міцності, високі тепло–, звуко–, гідро– електроізоляційні властивості та стійкості до корозії. Спеціальні добавки (наповнювачі, пластифікатори, стабілізатори тощо) різко зменшують такі недоліки цих матеріалів, як горючість і «старіння» (розтріскування й зниження міцності при тривалій дії сонячного світла та атмосферного повітря). На основі одного полімера, в залежності від видів добавок та їх кількості можна виробляти широкий асортимент матеріалів та виробів з наперед заданими фізико-механічними властивостями.

Полімери часто застосовують в сполученні з традиційними матеріалами, наприклад, при виготовленні армованих пластиків (склопластиків, деревно-стружкових та деревно-волокнистих плит), металопластиків, полімербетонів. Виготовлені з них вироби й конструкції поєднують переваги обох типів матеріалів та значною мірою позбавлені їх недоліків.

Будова молекул полімерів

У процесі полімеризації, молекули низькомолекулярних речовин послідовно приєднуються до вуглеводневого ланцюга, що зростає. Унаслідок сполучення між собою молекул етилену утворюються довгі ланцюги з високим значенням молярних мас – поліетилен:
СН₂ = СН₂+ СН₂ = СН₂ → –СН₂–СН₂– + –СН₂–СН₂– → –СН₂–СН₂–СН₂–СН₂–…, або у скороченому вигляді:

Вихідні низькомолекулярні речовини, з яких синтезуються полімери, називають мономерами (гр. mono – «один»). Групи атомів, що повторюються й становлять основу хімічної будови полімерного ланцюга, називаються структурними ланками. Число n, що показує скільки молекул мономера сполучаються, утворюючи полімер, називається ступенем полімеризації. Ступінь полімеризації не є величиною сталою. Так, у процесі полімеризації етилену можуть утворюватися макромолекули, в яких число n від 50 до 100000, що впливає на фізичні властивості.

Якщо: n = 50–70, поліетилен рідкий й використовується як мастило;
n = 100–120, поліетилен напівтвердий, білий;
n = 1000, прозора пластична маса;
n = 1500–2000, твердий, але гнучкий пластичний матеріал;
n = 5000–6000 й більше – тверда речовина, з якої виготовляють литі труби, нитки.

У процесі полімеризації в макромолекулі сполучається не стала кількість молекул мономера, тому у масі полімеру є молекули різної довжини й різною молекулярною масою. Отже, молекулярна маса для даного полімеру є середньою молекулярною масою. Наприклад, якщо молекулярна маса полімеру 28000, то в ньому можуть бути молекули масою 26000, 28000, 30000 й т.д.

Процес послідовного сполучення молекул низькомолекулярної речовини з утворенням високомолекулярної називається полімеризацією (гр. poli – «багато»; meros – «частка»), а самі продукти називаються полімерами.

За своєю геометричною формою полімери можуть бути лінійні, розгалужені й просторові.

Лабораторний дослід 7. Ознайомлення зі зразками виробів із поліетилену.

Розгляньте видані вам зразки поліетиленової плівки, місткостей, ізоляційного покриття електропроводів тощо.

Випробуйте матеріал на дотик, пластичність та міцність. Шматочок поліетилену нагрійте над полум’ям спиртівки, змініть його форму, охолодіть. Повторіть цей дослід. Про що він свідчить? Покладіть шматочки поліетилену в пробірки з розчинами кислоти, лугу, перманганату калію. Чи взаємодіє поліетилен із цими речовинами? Зробіть висновок про пластичні властивості й хімічну активність поліетилену.

Поліетилен

Поліетилен – твердий, білого кольору, значно легший за воду, його густина приблизно 0,92 г/см³. Він еластичний, дуже міцний, в тонкому шарі безбарвний, масний на дотик, нагадує парафін, плавиться при нагріванні. У процесі нагрівання поліетилен розм’якшується. У цьому стані можна легко змінити його форму. В розплавлений стан переходять насамперед короткі молекули, потім – довгі. Звідси широкий інтервал температур плавлення, а не точка плавлення як у низькомолекулярних речовинах. При повторному нагріванні поліетилену, йому можна надати будь-якої форми, що зберігається після затвердіння полімеру. Така властивість називається термопластичністю. Ось чому вироби з поліетилену втрачають форму, якщо на них поставити щось гаряче. Користуючись виробами із поліетилену, треба враховувати, що при температурі близько 110° матеріал починає розмягчатися й втрачає форму, тому слід уникати значного нагрівання полімеру.

Поліетилен можна зігнути, зім’яти, але важко розірвати. Він стійкий проти дії кислот, лугів, бромної води, розчину перманганату калію (чим подібний до насичених вуглеводнів), не проводить електричного струму. Поліетилен горить блакитним, слабкосвітним полум’ям.

Поліетилен широко застосовують для ізоляції електричних кабелів, виготовлення деталей приладів та машин. У вигляді порошку поліетилен наноситься на поверхню гарячого металопрокату, в результаті чого отримують захищений від корозії полімерною плівкою матеріал-металопластик. Поліетилен біологічно інертний, тому з нього виготовляють не тільки контейнери для агресивних рідин, а й побутовий посуд, посуд стійкий до лугів і корозії, пакувальний матеріал. Дуже багато виготовляють тепер з поліетилену різноманітних предметів побутового призначення (пляшки, склянки, щітки, пробки й т. д.). У сільському господарстві плівки застосовують для захисту плодоягідних культур та саджанців від заморозків.

Вироби з поліетилену

Також він широко використовується в медицині – закриття й заміщення кісткових дефектів, тому що не токсичний для організму й не викликає негативних змін; виготовлення корпусів шприців, посуд. У будівництві поліетилен використовується для виготовлення водопровідних труб та сантехнічних виробів, плівок для електро–, газо–, паро–, та гідроізоляції. Труби з поліетилену значно легші від металевих, не тріскають при замерзанні в них води, не зазнають корозії, чинять менший опір рухові воли, завдяки гнучкості легко укладаються у траншеї.

Існують інші пластики, вироби з яких не можуть змінювати свою форму. Такі пластики називають термореактивними. При нагріванні термореактивний пластик стає ще твердішим. Електричні розетки роблять з таких пластиків, тому вони не плавляться, навіть якщо дріт усередині перегріється.

Підсумок:

Полімери – хімічні сполуки з високою молекулярною масою, молекули (макромолекули) яких складаються з великого числа угрупувань (мономерних ланок).
Термопластічні полімери плавляться, з них можна зробити новий виріб.
Термореактивні пластмаси після застигання виробу твердіють й вони вже не можуть змінити форму.
Полімери характеризуються малою розчинністю. Розчини їх мають велику в’язкість.
Важлива властивість полімерів – їх висока механічна міцність, що в поєднанні з іншими властивостями (легкість, хімічна стійкість та ін.) зумовлює їх широке застосування.

?

Що таке мономер, полімер, ступінь полімеризації?
Що таке реакція полімеризації?
Завдяки чому поліетилен набув широкого застосування?
Чому виникла необхідність виробництва пластмас?

Для допитливих

♦ Щоб захистити вовну від забруднень, австралійські вівчарі винайшли попону вівцям–мериносам із поліетиленової тканини. Надягають її на вівцю відразу після стрижки та затягують ґумовими застібками. Вівця росте й вовна на ній також росте, що спричиняє розпирання попони. Ґумки слабшають, попона весь час залиається впору.

♦ Останнім часом спортивні площадки покривають синтетичною травою. Щоб уникнути пожежі, до полімеру додають вогнезахисні речовини, а щоб травичка не іскрилася під нігами спортсменів – додають антистатик. Килими із синтетичної трави наклеюють на підготовлену основу. В міру зносу окремі ділянки можливо легко замінити новими.

♦ На одному із каналів у Польщі встановлено цільнопластиковий шлюз. Працює шлюз бездоганно. Пластмасові елементи розраховані на більш як 20-річний термін. Конструкції ж з дубових балок необхідно міняти через кожні 6 років.

Завдання для самоконтролю

■

353. Виведіть формулу етиленового вуглеводню, відносна молекулярна маса якого:
а) 126;
б) 70.

354. За термохімічним рівнянням горіння ацетилену:
2С₂Н₂ + 5О₂ = 4СО₂ + 2Н₂О + 2610 кДж.
Обчисліть, скільки виділиться теплоти, якщо буде витрачено:
а) ацетилен масою 26 г;
б) ацетилен об’ємом 0,4 л;
в) ацетилен кількістю речовини 4 моль?

355. Коли пропускати суміш етилену й хлору над вугіллям при + 120°С, утворюється чистий дихлоретан С₂Н₄СІ₂. Виробничі втрати дихлоретану становлять 20%. Які об’єми хлору й етилену витрачаються для виробництва дихлоретану масою 49 кг?

356. При пропусканні суміші етану й ацетилену через склянку з бромною водою маса вмісту склянки збільшилась на 1,3 г, а при повному згорянні такої ж кількості суміші вуглеводнів виділився вуглекислий газ об’ємом 14 л. Який об’єм вихідної суміші?

357. Скільки і яких вуглеводнів утвориться при взаємодії спиртового розчину калій гідроксиду об’ємом 500 мл (густина 0,72 г/л) із масовою часткою лугу 40 % на такі галогенпохідні:
а) 1–хлорпропан;
б) 2–хлорбутан?

▲

●

358. Які частинки приймають участь в утворенні π-зв’язку в молекулі етилену:
а) негібридизовані р-електрони;
б) один р- і два s-електрони;
в) sр²-гібридизовані електронні хмари;
г) два s-електрони?

359. Які із вуглеводів відносяться до одного гомологічного ряду з 1-пентеном:
а) пропен;
б) бутен;
в) бутан;
г) 2-метилбутен?

360. Чим відрізняються між собою 1-бутен і 2-бутен:
а) числом атомів Карбону;
б) розгалуженням карбонового ланцюга;
в) місцем подвійного зв’язку;
г) відносною молекулярною масою?

●●

361. Якими реактивами можна відрізнити ацетилен від етилену:
а) бромною водою;
б) амоніачним розчином оксиду срібла;
в) розчином калій перманганату;
г) кольором полум’я?

362. Чим насичені вуглеводні відрізняються від ненасичених:
а) типом гібридизації;
б) агрегатним;
в) типом хімічних реакцій;
г) наявністю різних зв’язків між атомами Карбону?

363. До якого атома Карбону приєднається бром під час бромування речовини СН₃– СН = СНСІ:
а) до другого;
б) до першого;
в) до третього;
г) не приєднається?

●●●

364. Який об’єм вуглекислого газу виділиться при згорянні ацетилену об’ємом 13 л?

365. Спалили метан об’ємом 3 л й етилен об’ємом 2 л. Який об’єм повітря для цього затратили?

●●●●

366. Який об’єм ацетилену можна добути з кальцій карбіду масою 400 г, масова частка домішок у якому 2,5%?

367. З технічного кальцій карбіду масою 2 кг добули ацетилен об’ємом 600 л. Який вміст СаС₂у такому карбіді?