Высокомолекулярные соединения. Реакции полимеризации и поликонденсации. Полимеры. Пластмассы, волокна, каучуки - Теоретический материал - МЕТОДЫ ПОЗНАНИЯ В ХИМИИ. ХИМИЯ И ЖИЗНЬ

Высокомолекулярные соединения (ВМС) — вещества, молекулы которых содержат сотни и тысячи атомов, соединенных между собой химическими связями. Характерная особенность большинства ВМС, так называемых полимеров, — наличие в их молекуле многократно повторяющихся звеньев.

Полимеры получают с помощью реакций двух основных типов — полимеризации и поликонденсации.

Полимеризация (полиприсоединение) протекает по общему уравнению:

Молекула X называется мономером. Реакции полимеризации идут в результате присоединения по кратным связям или за счет раскрытия циклов. В зависимости от заряда частицы, которая инициирует процесс присоединения, различают катионную, анионную и радикальную полимеризацию.

Реакция полимеризации, в которую вступает несколько мономеров одновременно, называется сополимеризацией (т.е. совместной полимеризацией). Образующийся при этом сополимер может иметь регулярное строение, при котором элементарные звенья строго чередуются

Или нерегулярное строение с беспорядочно чередующимися звеньями

Примером данной реакции может служить сополимеризация бутадиена и стирола с образованием бутадиен- стирольного каучука. В реакциях поликонденсации участвуют мономеры, имеющие две или более функциональные группы, которые могут реагировать друг с другом с выделением простой молекулы (обычно воды). При реакции поликонденсации из n молекул мономера выделяется (n-1) молекула воды.

Типичная реакция поликонденсации лежит в основе получения фенолформальдегидных смол или полиэфирных соединений. В процессе реакции поликонденсации всегда (в отличие от полимеризации) образуется низкомолекулярное вещество, например вода.

Таблица 11

Полимеры: пластмассы, волокна, каучуки

Мономер	Мономерное звено	Полимер
этилен		полиэтилен
винилхлорид		поливинил-хлорид
стирол		полистирол
бутадиен-1,3		полибутадиен
стирол+бутадиен-1,3		полистирол-бутадиен
		полиэфир
		фенолформальдегидный полимер
		полиамид
		полиангидрид

Одна из важных областей применения полимеров — изготовление волокон.

Схема 7

Классификация волокон

Волокна, для производства которых используют химические методы, составляют группу химических волокон. Они делятся на искусственные и синтетические. Искусственные волокна получают химической модификацией природных материалов (хлопка, шерсти), тогда как для производства синтетических волокон используются только синтетические материалы — полимеры. Мы рассмотрим получение волкон на примере синтетического волокна — нейлон.

Нейлон (найлон) — полиамидное волокно, которое получают поликонденсацией гексаметилендиамина H₂N(CH₂)₆NH₂ и адипиновой кислоты НООС(СН₂)₄СООН:

Элементарное звено нейлона имеет вид:

Нейлон и другие полиамидные волокна характеризуются высокой прочностью и устойчивостью к истиранию. Недостатками их являются высокая электризуемость и неустойчивость при нагревании. Поэтому одежду из найлона нельзя гладить горячим утюгом.

Натуральный каучук получают из латекса — сока некоторых тропических растений. Его строение можно установить по химическим свойствам: каучук присоединяет бром, бромоводород и водород, а при нагревании без доступа воздуха распадается с образованием изопрена (2-метилбутадиена). Это означает, что каучук представляет собой непредельный полимер — полиизопрен. При более детальном изучении строения натурального каучука выяснилось, что каучук — линейный полимер, продукт 1,4-полиприсоединения изопрена:

Молекулярная масса каучука изменяется от 100 тыс. до 3 млн. Каждое элементарное звено в полиизопрене может существовать в цис- и транс-формах. В натуральном каучуке почти все звенья имеют цис-конфигурацию:

Это означает, что натуральный каучук имеет стереорегулярное строение, которое обусловливает его ценные свойства.

Важнейшее физическое свойство каучука — эластичность, т.е. способность обратимо растягиваться под действием даже небольшой силы. Другое важное свойство — непроницаемость для воды и газов. Основной недостаток каучука — чувствительность к высоким и низким температурам. При нагревании каучук размягчается и теряет эластичность, а при охлаждении становится хрупким и также теряет эластичность.

Эти недостатки можно преодолеть, если нагреть каучук вместе с серой. Этот процесс называется вулканизацией каучука и приводит к сшиванию полиизопреновых цепей за счет образования между ними дисульфидных мостиков. Полученный продукт называется резиной. Он имеет разветвленную пространственную структуру и поэтому менее эластичен, чем натуральный каучук, однако обладает значительно большей прочностью.