Полимеры. Реакции полимеризации и поликонденсации. Волокна

Цели урока

После изучения этого урока вы сможете:

• давать определения полимеру, мономеру, структурному звену, степени полимеризации;
• различать реакции полимеризации и поликонденсации, приводить примеры;
• записывать уравнения реакций получения полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, полистирола, политетрафторэтилена (тефлона);
• описывать получение фенолформальдегидных смол (поликонденсация фенола и формальдегида);
• понимать строение полиамидов (капрон, нейлон) и полиэфиров (лавсан) – какие мономеры и типы связей;
• различать природные, искусственные и синтетические волокна, приводить примеры;
• объяснять реакцию вулканизации каучука (сшивка серой);
• решать цепочки превращений, включающие получение полимеров, и задачи на вычисление массы полимера.

Зачем это нужно на ЕГЭ

Полимеры – важная тема как органической химии, так и химии в повседневной жизни. В ЕГЭ она проверяется в заданиях:

• Задание 12 – классификация и свойства высокомолекулярных соединений (полимеризация, поликонденсация);
• Задание 13 – цепочки превращений (например, этилен → полиэтилен, фенол + формальдегид → смола);
• Задание 25 – химия в повседневной жизни (волокна, пластмассы, каучуки);
• Задание 32 – расчётные задачи (например, на степень полимеризации, массу полимера).

Понимание различий между полимеризацией и поликонденсацией необходимо для правильного определения мономеров и структурных звеньев.

Теория

Основные понятия

Полимеры (высокомолекулярные соединения) – вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся структурных звеньев, соединённых химическими связями.

• Мономер – исходное низкомолекулярное вещество, из которого получают полимер.
• Структурное (элементарное) звено – повторяющийся фрагмент в макромолекуле.
• Степень полимеризации (n) – число структурных звеньев в макромолекуле.
• Функциональность мономера – число реакционных центров, участвующих в образовании полимера.

По форме макромолекул полимеры делят на линейные (термопласты) и сетчатые (пространственные) (реактопласты). По происхождению – природные (белки, полисахариды, каучук), искусственные (полученные химической модификацией природных полимеров, например, вискоза, ацетатное волокно) и синтетические (полученные из мономеров).

Два основных типа реакций получения полимеров

1. Реакция полимеризации

Процесс соединения множества молекул мономера в одну крупную молекулу полимера без выделения побочных низкомолекулярных продуктов. Мономеры обычно содержат кратные связи ($C=C$, $C≡C$) или циклы (раскрывающиеся). Реакция может идти по радикальному, катионному или анионному механизму.

Примеры:

• Полиэтилен: $n\,CH_2=CH_2 \xrightarrow{\text{кат.}} (-CH_2-CH_2-)_n$ (высокое давление – радикальная полимеризация, низкое давление – ионная, стереорегулярный полиэтилен).
• Полипропилен: $n\,CH_2=CH-CH_3 \rightarrow (-CH_2-CH(CH_3)-)_n$ (изотактический – стереорегулярный).
• Поливинилхлорид (ПВХ): $n\,CH_2=CHCl \rightarrow (-CH_2-CHCl-)_n$.
• Полистирол: $n\,C_6H_5-CH=CH_2 \rightarrow (-CH_2-CH(C_6H_5)-)_n$.
• Полиакрилонитрил: $n\,CH_2=CH-CN \rightarrow (-CH_2-CH(CN)-)_n$ (волокно нитрон).
• Политетрафторэтилен (тефлон): $n\,CF_2=CF_2 \rightarrow (-CF_2-CF_2-)_n$ – химически инертен, антипригарное покрытие.

• Полимеризация диенов (см. урок 42): бутадиен-1,3, изопрен – получение каучуков (1,4-цис-полимер).

Стереорегулярность – упорядоченное расположение заместителей вдоль цепи (изотактический, синдиотактический). Она влияет на свойства полимера (прочность, кристалличность).

2. Реакция поликонденсации

Процесс соединения молекул мономеров (обычно с двумя и более функциональными группами), сопровождающийся выделением побочного низкомолекулярного продукта (чаще всего воды, реже $NH_3$, $HCl$). Мономеры могут быть одинаковыми (гомополиконденсация) или разными (сополиконденсация).

Примеры:

• Фенолформальдегидные смолы (поликонденсация фенола и формальдегида): сначала образуются линейные олигомеры (новолачные смолы), при нагревании с добавлением отвердителя – пространственные сетчатые полимеры (реактопласты). Используются для производства пластмасс, ламинатов, клеёв. [ n,C_6H_5OH + n,CH_2O \rightarrow [-C_6H_3(OH)-CH_2-]_n + nH_2O ] (упрощённо, на самом деле более сложно).

• Полиамиды (образование амидной связи).

  • Капрон (полиамид-6) – гомополиконденсация ε-капролактама (циклического амида – лактама): при нагревании лактам раскрывается и полимеризуется (это тоже поликонденсация, но без выделения воды? Фактически – полимеризация с раскрытием цикла, но в классификации часто относят к поликонденсации, так как образуется амидная связь). Более корректно: получение из аминокапроновой кислоты $NH_2-(CH_2)_5-COOH$ с выделением воды, или из капролактама.
  • Нейлон-6,6 – сополиконденсация гексаметилендиамина $NH_2-(CH_2)_6-NH_2$ и адипиновой кислоты $HOOC-(CH_2)_4-COOH$ с выделением воды. Образуется полиамид с повторяющимся звеном $[-NH-(CH_2)_6-NH-CO-(CH_2)_4-CO-]_n$.

• Полиэфиры (сложноэфирная связь).

  • Лавсан (полиэтилентерефталат) – сополиконденсация этиленгликоля $HO-CH_2-CH_2-OH$ и терефталевой кислоты $HOOC-C_6H_4-COOH$ (или её диметилового эфира) с выделением воды (или метанола). Применяется для производства волокна (полиэстер), бутылок, плёнки.

Волокна

Волокна – полимеры линейного строения, пригодные для изготовления нитей, тканей.

Природные волокна

• Растительные (целлюлозные): хлопок, лён, пенька, джут.
• Животные (белковые): шерсть (кератин), шёлк (фиброин).
• Минеральные (асбест).

Искусственные волокна (из природных полимеров, но химически переработанных)

• Вискозное волокно – получают из целлюлозы (древесной). Целлюлозу обрабатывают щёлочью и сероуглеродом, получают ксантогенат целлюлозы, растворяют в разбавленной $NaOH$ (вискоза), продавливают через фильеры в кислотную ванну – волокно регенерируется. Это гидратцеллюлозное волокно. Относится к искусственным (не синтетическим).
• Ацетатное волокно – ацетилирование целлюлозы уксусным ангидридом, получают диацетат (или триацетат) целлюлозы, затем прядут из раствора. Также искусственное волокно.

Синтетические волокна (из синтезированных мономеров)

• Капрон (полиамид-6) – синтетическое волокно, прочное, термопластичное. Применяется для корда, канатов, тканей.
• Лавсан (полиэфир) – синтетическое волокно, устойчивое к истиранию, для одежды, технических тканей.
• Полиакрилонитрильное волокно (нитрон) – получают полимеризацией акрилонитрила.
• Полипропиленовое волокно – лёгкое, химически стойкое.

Каучуки (кратко, связь с уроком 42)

• Натуральный каучук – цис-1,4-полиизопрен (полимеризация изопрена).
• Синтетические каучуки – бутадиеновый, изопреновый, хлоропреновый, бутадиен-стирольный (сополимер).
• Вулканизация – нагревание каучука с серой; образуются дисульфидные мостики ($-S-S-$) между цепями, материал становится прочным, эластичным – резина. При большом количестве серы – эбонит.

Пластмассы

Пластмассы – материалы на основе полимеров, которые при нагревании могут принимать заданную форму и сохранять её после охлаждения (термопласты) или необратимо отверждаться (реактопласты).

Термопласты: полиэтилен, полипропилен, ПВХ, полистирол, полиамиды, полиэфиры. Перерабатываются многократно.

Реактопласты: фенолформальдегидные, эпоксидные смолы, полиуретаны. После отверждения не перерабатываются.

Примеры

Пример 1. Определение мономера по структурному звену

Структурное звено полимера: $(-CH_2-CHCl-)_n$. Какой мономер использован?

Мономер: винилхлорид $CH_2=CHCl$ (полимеризация).

Пример 2. Реакция поликонденсации

Напишите уравнение реакции получения лавсана из терефталевой кислоты и этиленгликоля.

$$n\,HOOC-C_6H_4-COOH + n\,HO-CH_2-CH_2-OH \rightarrow [-OC-C_6H_4-CO-O-CH_2-CH_2-O-]_n + 2nH_2O$$

Пример 3. Каучук и вулканизация

Натуральный каучук – полимер изопрена. Почему он эластичен? За счёт способности полимерных цепей к конформационным изменениям. При вулканизации образуются редкие сшивки, что увеличивает прочность.

Вопросы для самопроверки

1. Чем реакция полимеризации отличается от поликонденсации? Приведите по одному примеру.
2. Напишите уравнение полимеризации пропилена. Назовите полученный полимер и область его применения.
3. Из каких мономеров получают капрон? Напишите уравнение реакции (сополиконденсация или полимеризация капролактама – уточните).
4. Что такое вискозное волокно? К какому типу волокон (природные, искусственные, синтетические) оно относится?
5. Что происходит при вулканизации каучука? Как изменяются свойства?
6. Напишите структурное звено поливинилхлорида. Какой мономер для него используется?
7. Почему фенолформальдегидные смолы являются реактопластами?

Краткий конспект

• Полимеризация: $n$ мономера (кратная связь) → полимер без побочных продуктов. Примеры: полиэтилен, полипропилен, ПВХ, полистирол, тефлон.
• Поликонденсация: мономеры с двумя и более функциональными группами → полимер + $H_2O$ (или $NH_3$, $HCl$). Примеры: фенолформальдегидные смолы, полиамиды (капрон, нейлон), полиэфиры (лавсан).
• Волокна: природные (хлопок, шерсть), искусственные (вискоза, ацетатное), синтетические (капрон, лавсан, нитрон).
• Каучуки: полимеризация диенов (бутадиен, изопрен). Вулканизация – сшивка серой → резина.
• Пластмассы: термопласты (полиэтилен, ПВХ) – обратимое формование; реактопласты (фенолформальдегидные) – необратимое отверждение.

Что изучать дальше

• Урок 58 «Генетическая связь между классами органических соединений» — цепочки превращений с участием полимеров и мономеров.
• Урок 74 «Итоговое повторение: органическая химия» — систематизация всех классов органических веществ.