Полимеры окружают нас повсюду: от ДНК и белков в нашем организме до упаковок на полках магазинов. Понимание того, как маленькие молекулы превращаются в гигантские цепи и как структура цепи определяет свойства материала, — основа современной химии и обязательная часть задания №25 ЕГЭ. Разбираем способы синтеза полимеров, их классификацию и ключевые примеры из экзаменационных заданий.
Пространственная структура полимеров
Химический состав полимера важен, но его физические свойства (прочность, эластичность, способность плавиться или растворяться) в первую очередь определяются пространственной структурой макромолекул. Выделяют три основных типа строения.
1. Линейная структура
Макромолекулы представляют собой длинные гибкие нити (цепи), которые могут быть свёрнуты в клубки. Между отдельными цепями действуют только относительно слабые межмолекулярные силы.
Свойства: такие полимеры являются термопластами. Они способны размягчаться и плавиться при нагревании, а при охлаждении затвердевать. Они, как правило, растворяются в подходящих органических растворителях.
Примеры: полиэтилен высокой плотности (ПЭВД), поливинилхлорид (ПВХ), полистирол.
2. Разветвлённая структура
От основной полимерной цепи отходят боковые ответвления. Это препятствует плотной упаковке макромолекул друг к другу.
Свойства: по сравнению с линейными аналогами, такие полимеры имеют более низкую плотность, меньшую кристалличность и более низкую температуру плавления, но большую эластичность. Они также остаются термопластами.
Примеры: полиэтилен низкой плотности (ПЭНД), получаемый при высоком давлении.
3. Пространственная (сшитая или сетчатая) структура
Отдельные линейные цепи соединены между собой поперечными химическими связями (мостиками), образуя единую гигантскую трёхмерную сетку. Процесс образования таких поперечных связей называется сшивкой (например, вулканизация каучука серой).
Свойства: такие полимеры являются реактопластами (термореактивными полимерами). Они не плавятся при нагревании (при сильном перегреве происходит необратимое термическое разложение — деструкция) и не растворяются в растворителях (могут лишь незначительно набухать). Они обладают высокой твёрдостью и термостойкостью.
Примеры: фенолформальдегидные смолы, эпоксидные смолы, вулканизированный каучук (резина).
Классы полимеров по происхождению
В зависимости от способа получения различают три основных класса полимеров.
1. Природные (биополимеры). Образуются в результате процессов жизнедеятельности организмов. К ним относятся полисахариды (крахмал, целлюлоза), белки, нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) и натуральный каучук.
2. Модифицированные (искусственные). Их получают путём химического преобразования природных полимеров, в результате чего изменяются их свойства.
Например:
- Обработка целлюлозы азотной кислотой приводит к получению нитроцеллюлозы.
- Взаимодействие целлюлозы с уксусной кислотой даёт ацетатное волокно.
- Вулканизация натурального каучука серой превращает его в резину.
3. Синтетические. Эти полимеры получают в результате целенаправленного химического синтеза из низкомолекулярных соединений. Именно к этому классу относится большинство современных материалов: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид (ПВХ), полистирол, синтетические каучуки, полиэтилентерефталат (ПЭТ, лавсан) и многие другие.
| Классификация по происхождению | ||
| Природные | Синтетические | Искусственные |
| Крахмал, целлюлоза, белки, нуклеиновые кислоты, натуральный каучук | Полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, синтетические каучуки, лавсан и другие | Эфиры целлюлозы, резина |
Способы получения полимеров
Мономеры в таких реакциях — это соединения, молекулы которых содержат реакционноспособные кратные связи (С=С, С≡С, С=О, С≡N, C=S) или циклические группировки, способные раскрываться.[i]
Схема реакции полимеризации этилена:
По реакции полимеризации получают также полистирол, полипропилен, поливинилхлорид (ПВХ), тефлон (политетрафторэтилен), полиметилметакрилат (органическое стекло), а также синтетические каучуки — изопреновый и хлорпреновый (неопрен) и другие.
Мономеры для поликонденсации должны содержать не менее двух реакционноспособных групп в молекуле. Например, аминокислоты, имеющие аминогруппу (–NH2) и карбоксильную группу (–COOH), вступают в реакцию поликонденсации с образованием полиамидов и выделением побочного продукта — воды.[i]
По реакции поликонденсации ε-аминокапроновой кислоты получают полиамид — синтетическое волокно капрон:
| Основные способы получения полимеров | |
| Полимеризация | Поликонденсация |
| Получают: полипропилен, поливинилхлорид, тефлон, полиакрилонитрил, полиметилметакрилат (органическое стекло), дивиниловый и изопреновый каучуки | Получают: капрон, лавсан, фенолформальдегидные смолы, пептиды и полисахариды |
Полимеры, пластмассы, волокна и каучуки
Каучуки являются продуктами полимеризации диеновых углеводородов с сопряжёнными двойными связями. Важнейшими свойствами каучуков являются эластичность — способность изменять форму под воздействием внешней силы и восстанавливать её после снятия нагрузки, водо- и газонепроницаемость.[i]
По происхождению различают природный и синтетические каучуки.
Мономер природного каучука — изопрен (2-метилбутадиен-1,3).
Синтетические каучуки получают по реакции полимеризации из бутадиена-1,3, изопрена, хлорпрена и других мономеров.
Схема получения изопренового каучука:
Схема получения хлоропренового каучука:
Для улучшения физико-механических свойств (устранения липкости, повышения эластичности и прочности) каучук подвергают вулканизации — нагревают каучук с серой.
Сущность вулканизации заключается в сшивании линейных макромолекул каучука по месту разрыва двойных связей дисульфидными мостиками, в результате чего каучук приобретает сетчатую структуру. Вулканизированный каучук становится упругим, его прочность значительно повышается.
В зависимости от содержания серы в вулканизированном каучуке различают мягкие резины (5–10% серы) и твёрдые резины (более 30% серы). Продукт вулканизации каучука, содержащий свыше 30% серы, называется эбонитом. Эбонит не обладает эластичностью.[i]
Волокна обладают линейной структурой. Характерной особенностью волокон является высокая упорядоченность структуры.[i]
| Волокна | ||||
| Природные | Искусственные | Синтетические | ||
| Растительного происхождения | Животного происхождения | Минеральные | Продукты переработки природных полимеров: вискозное волокно, ацетатное волокно | Полимеры, синтезируемые из мономеров: капрон, лавсан, ПАН |
| Хлопок, лён (целлюлоза) | Шерсть, шёлк (белки) | Оптоволокно, асбест | ||
Пластмассы
| Мономер | Полимер | Название и применение |
Этилен |  | Полиэтилен Трубы, игрушки, плёнки, пакеты |
Винилхлорид |  | Поливинилхлорид (ПВХ) Искусственная кожа, полы, клеёнки, двери, трубы |
Тетрафторэтен |  | Тефлон Электроизоляторы, покрытия утюгов, сковород, атомная промышленность |
Пропен |  | Полипропилен Трубы, вентили, упаковочная плёнка, ковры, медицинские приборы |
Стирол |  | Полистирол Посуда, игрушки, облицовочные материалы, упаковочная плёнка |
Метилметакрилат* |  | Полиметилметакрилат Оргстекло, листы, плёнки, протезы, клей |
Винилацетат |  | Поливинилацетат Клеи, шпатлёвки, обои, водоэмульсионные краски |
Фенол Формальдегид  |  | Фенолформальдегидная смола Бытовые приборы, корпуса аппаратуры, лаки, клей |
Каучуки
| Мономеры | Формула каучука | Название и применение |
Изопрен |  | Натуральный каучук Цис-строения — производство обуви, шины, игрушки, шланги, ленты |
Бутадиен-1,3 или дивинил |  | Дивиниловый Производство шин, резиновой обуви, транспортёрных лент, шлангов |
 | ||
| Бутадиен-1,3 и стирол |  | Бутадиен-стирольный Производство шин, резиновой обуви, транспортёрных лент, шлангов |
Хлоропрен |  | Хлоропреновый Устойчив к действию агрессивных сред, шланги, шины |
Волокна
| Исходные вещества, название полимера, формула | Свойства и применение | Способ получения |
| Полиэтилентерефталат (полиэтиленгликольтерефталат, ПЭТФ, ПЭТ, лавсан)  | Прочность, износостойкость, свето- и термоустойчивость к кислотам и щелочам Ткани, трикотаж, канаты, паруса, транспортные ленты | Поликонденсация этиленгликоля и терефталевой кислоты |
Капрон (мономер — ε-аминокапроновая кислота или капролактам) | Прочность, износостойкость, не гигроскопичность Ткани, искусственный мех, ковры, плёнки, леска | Поликонденсация |
| Ацетатное (мономер — ди- и триацетилцеллюлоза)  | Устойчивость к воздействию температуры, света, микроорганизмов Изготовление тканей | Обработка целлюлозы уксусной кислотой (реакция этерификации) |
| Вискозное (для производства искусственной кожи, тканей)  | Хорошие гигиенические свойства, устойчивость к действию органических растворителей | Получают из целлюлозы, которую последовательно обрабатывают концентрированным раствором щёлочи, сероуглеродом |
Найлон-6,6 (мономеры — гексаметилендиамин и адипиновая кислота) | Как капрон | Поликонденсация |
Маркировка пластика: как читать химический паспорт упаковки
Каждый день мы берём в руки сотни предметов, на которых можно найти маленький треугольник из стрелок с цифрой и буквенной аббревиатурой. Для большинства это просто символ переработки, но для человека, понимающего основы химии полимеров, этот знак превращается в подробный «химический паспорт» изделия — он рассказывает о структуре материала, его термической стойкости и безопасности.
Расшифруем эту маркировку, опираясь на структурные особенности полимеров, которые мы разобрали выше.
01 (PET или ПЭТФ) — полиэтилентерефталат. Классический продукт реакции поликонденсации. Благодаря жёстким ароматическим кольцам в основной цепи этот полимер образует прочную, прозрачную плёнку с отличными барьерными свойствами — он хорошо удерживает углекислый газ, поэтому из него делают бутылки для газировки.
02 (HDPE или ПЭВП) — полиэтилен высокой плотности. Имеет преимущественно линейную структуру макромолекул. Отсутствие длинных боковых ответвлений позволяет цепям плотно упаковываться, образуя зоны кристалличности. Это делает материал жёстким, непрозрачным и химически инертным — из него безопасно делать тару для молока, бытовой химии и крышки для бутылок.
03 (PVC или ПВХ) — поливинилхлорид. Содержит в своей структуре атомы хлора. В чистом виде это жёсткий и хрупкий материал (из него производят оконные профили и трубы). Чтобы сделать его гибким (например, для натяжных потолков или некоторых видов пищевой пленки), в него добавляют пластификаторы, которые со временем могут мигрировать на поверхность.
04 (LDPE или ПЭНП) — полиэтилен низкой плотности. В отличие от своего «брата» под номером 02, этот полимер имеет сильно разветвлённую структуру. Боковые цепи мешают макромолекулам плотно упаковываться, снижая плотность и температуру плавления, но придавая материалу высокую эластичность и прозрачность. Основное применение: стрейч-плёнки, мягкие пакеты, линолеум.
05 (PP или ПП) — полипропилен. Уникальный полимер, в котором к каждому второму атому углерода основной цепи присоединена метильная группа. Эти группы создают стерические (пространственные) препятствия, делая цепь более жёсткой и повышая температуру плавления до 160–170°C.
06 (PS или ПС) — полистирол. Наличие массивных фенильных колец в боковых позициях делает макромолекулу крайне жёсткой и хрупкой. Вспененный полистирол (пенопласт) на 98% состоит из воздуха.
07 (OTHER или «Прочие»). Сюда попадают все полимеры, не вошедшие в первые шесть групп. Это может быть как опасный поликарбонат (PC), содержащий бисфенол-А (BPA, эндокринный разрушитель), так и современные, безопасные биоразлагаемые полимеры, такие как полилактид (PLA), получаемый поликонденсацией молочной кислоты.
Заключение
Высокомолекулярные соединения — обязательная часть кодификатора ЕГЭ по химии. В задании 25 проверяется умение устанавливать соответствие между названием вещества и способом его получения, определять исходные мономеры и классифицировать волокна по происхождению.
Все вопросы по полимерам решаются через понимание нескольких базовых принципов. Если ты умеешь отличать реакцию полимеризации от поликонденсации по наличию или отсутствию побочного продукта, знаешь, какие мономеры соответствуют тому или иному полимеру, можешь записать структурную формулу полимера и различаешь природные, искусственные и синтетические волокна — баллы за эту тему будут твоими. А закрепить материал можно в «100балльном банке».
