Сначала изучите: Аминокислоты и белки
Полимеры — вещества, состоящие из огромных молекул (макромолекул), построенных из тысяч повторяющихся звеньев. Они повсюду вокруг нас: полиэтиленовые пакеты и трубы, полипропиленовая посуда, линолеум и окна из ПВХ, одежда из капрона и лавсана, резиновые шины — это синтетические полимеры; хлопок, шерсть, шёлк, крахмал, белки и ДНК — природные полимеры. Полимеры лёгкие, устойчивы к коррозии, им легко придать форму, поэтому во многих областях они заменили металл, стекло и дерево. На экзамене спрашивают расчёт степени полимеризации, различие полимеризации и поликонденсации, классификацию волокон. В Узбекистане полиэтилен и полипропилен производит Устюртский газохимический комплекс.
M(полимера) = n · M(звена)
Полимер — смесь макромолекул разной длины, поэтому его молярная масса и степень полимеризации — средние величины; у полимеров нет определённой температуры плавления, они размягчаются в интервале температур.
По строению: линейные (целлюлоза, полиэтилен), разветвлённые (амилопектин, гликоген), сетчатые или пространственные (резина, фенолформальдегидные смолы). Линейные полимеры эластичны и растворимы, пространственные — твёрдые и нерастворимые.
По отношению к нагреванию: термопласты (полиэтилен, ПВХ, полистирол) при нагревании размягчаются и снова формуются, их можно перерабатывать; реактопласты (фенолформальдегидная смола) при нагревании необратимо затвердевают.
Средняя молярная масса образца поливинилхлорида 62 500 г/моль. Найдите степень полимеризации.
Полимеризация — соединение молекул мономера с кратной связью друг с другом без выделения побочных продуктов. При этом рвётся π-связь, и мономеры соединяются в цепь σ-связями; состав звена совпадает с составом мономера.
nCH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)ₙ — полиэтилен
nCH₂=CH–CH₃ → (–CH₂–CH(CH₃)–)ₙ — полипропилен
nCH₂=CHCl → (–CH₂–CHCl–)ₙ — поливинилхлорид (ПВХ)
nCF₂=CF₂ → (–CF₂–CF₂–)ₙ — тефлон (политетрафторэтилен)
А также полистирол (мономер — стирол C₆H₅–CH=CH₂), полиметилметакрилат (органическое стекло), полиакрилонитрил (волокно нитрон). Тефлон химически очень стоек, не изменяется даже в конц. кислотах и щелочах — антипригарное покрытие посуды. Совместная полимеризация двух разных мономеров называется сополимеризацией (бутадиен-стирольный каучук).
Полимеризация часто идёт по цепному радикальному механизму: инициатор (например, пероксид) распадается с образованием радикала, радикал присоединяется к двойной связи мономера и даёт новый радикал, цепь быстро растёт и обрывается при встрече двух радикалов. Полимеризацию ведут и на катализаторах (Циглера–Натта) — при этом получаются полимеры упорядоченного строения, более прочные.
Поликонденсация — процесс соединения мономеров с выделением низкомолекулярного побочного продукта (чаще воды, иногда HCl или аммиака). В молекуле мономера должно быть не менее двух функциональных групп. Масса звена меньше массы мономеров на массу отщепившихся молекул.
Фенолформальдегидная смола (фенол + формальдегид), капрон (из ε-аминокапроновой кислоты), лавсан (терефталевая кислота + этиленгликоль), белки (из аминокислот), крахмал и целлюлоза (из глюкозы)
В капроне и белках звенья связаны амидной (пептидной) связью –CO–NH–, в лавсане — сложноэфирной, поэтому их называют полиамидами и полиэфирами. Поликонденсация идёт ступенчато: сначала образуются димеры и тримеры, затем всё более длинные цепи.
Звено капрона –NH–(CH₂)₅–CO– образуется из ε-аминокапроновой кислоты (C₆H₁₃NO₂). Найдите степень полимеризации капрона с молярной массой 11 300 г/моль.
В звене каучука сохраняется двойная связь, поэтому он присоединяет бром и на воздухе медленно окисляется — «стареет». Из резины делают автомобильные шины, шланги, медицинские перчатки, уплотнители; для прочности шин в резину добавляют сажу.
Изопреновый каучук, содержащий 3,01·10²¹ макромолекул, частично бромировали 600 г 3,2 %-ной бромной воды (цепь не разрывалась, бром израсходован полностью). Массовая доля брома в продукте 32 %. Найдите степень полимеризации.
Волокна получают продавливанием раствора или расплава полимера через очень тонкие отверстия (фильеры) с последующим затвердеванием. Среди природных волокон хлопок — почти чистая целлюлоза, а шёлк и шерсть — белки, поэтому шерсть и шёлк при горении пахнут жжёным пером, а хлопок горит как бумага — простой способ различить волокна.
Синтетические волокна прочны, не гниют, не повреждаются молью, но плохо впитывают влагу, поэтому их часто смешивают с природными. Для Узбекистана важнейшие природные волокна — хлопок и шёлк.
Свойства полимера зависят от длины цепи, строения и взаимодействия между цепями. С ростом длины цепи прочность растёт; если много областей с упорядоченным (кристаллическим) расположением цепей, полимер твёрже и менее прозрачен. Например, разветвлённый полиэтилен высокого давления мягкий и эластичный (пакеты), а линейный полиэтилен, полученный при низком давлении на катализаторе, твёрже (трубы, ёмкости). Большинство полимеров — диэлектрики, поэтому их применяют для изоляции проводов.
Применение: полиэтилен — плёнки, трубы, ёмкости; полипропилен — посуда, верёвки, детали автомобилей; ПВХ — линолеум, оконные рамы, изоляция кабелей; полистирол — пенопласт (теплоизоляция); органическое стекло — прозрачные покрытия; тефлон — антипригарные покрытия и химическая посуда; фенолформальдегидные смолы — электроизоляционные детали.
Экологическая проблема: большинство синтетических полимеров разлагается в природе очень медленно и десятилетиями остаётся мусором, а их сжигание выделяет ядовитые газы (например, ПВХ при горении выделяет HCl). Решения — переработка термопластов (переплавка в новые изделия), раздельный сбор отходов, производство биоразлагаемых полимеров и сокращение одноразовых пластиковых изделий.