166522 (Разработка школьного элективного курса "Полимеры вокруг нас"), страница 4

Образовательный продукт: доклад.

Введение.

В зависимости от величины относительной молекулярной массы выделяют 3 группы веществ:

1. Низкомолекулярные соединения (НМС).

2. Смолы.

3. Высокомолекулярные соединения (ВМС).

Если относительная молекулярная масса соединения ниже примерно 500, то такие соединения рассматривают как НМС. От 500 до примерно 5000 – как смолы или олигомеры., а выше 5000 – как ВМС или полимеры.

Полимерами называют вещества, молекулы которых состоят из весьма большого числа повторяющихся (точно или приближенно) звеньев.

Молекулы ВМС называют макромолекулами.

Естественно, границы между выше названными соединениями достаточно условны; физическим критерием отнесения соединения к ВМС является невозможность обнаружить изменение свойств в результате присоединения или потери еще одного или нескольких звеньев.

Существуют различия в свойствах НМС и ВМС. Макромолекулы ВМС являются нелетучими, в отличие от молекул НМС. Практически все полимеры имеют цепное строение, то есть длина макромолекулы много больше диаметра.

Уникальные свойства полимеров:

- анизотропия свойств кристаллических, жидко – кристаллических и аморфных полимеров (приводит к тому, что на практике полимеры способны образовывать волокна и пленки).

- очень высокая эластичность и вязкоупругость.

- растворы полимеров, в отличие от обычных при малых концентрациях вещества (1 – 2 %), теряют текучесть.

Все ВМС по происхождению делятся на:

1. Природные

2. Синтетические

3. Искусственные

К природным полимерам относятся: целлюлоза, белки, крахмал, нуклеиновые кислоты, натуральный каучук, графит, силикаты.

К синтетическим полимерам относятся: полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, капрон, лавсан, каучуки, стекловолокно.

Синтетические полимеры получают при помощи реакций полимеризации и поликонденсации таких веществ, которых нет в природе.

К искусственным полимерам относятся: ацетилцеллюлоза, нитроцеллюлоза, резина.

Искусственные полимеры получают из природных полимеров, используя химические методы, которые не затрагивают (не меняют) главную цепь.

Тема 1. Строение полимеров

Низкомолекулярное вещество, из которого по реакциям полимеризации или поликонденсации получают полимеры, называют мономером. Например, мономером политетрафторэтилена (- CF₂ - CF₂ -)_n является тетрафторэтилен (CF₂ = CF₂).

Повторяющийся участок структуры молекулы полимера носит название структурного звена. Обычно в качестве такого звена выбирают фрагмент, соответствующий одной молекуле мономера. Например, в структуре политетрафторэтилена (- CF₂ - CF₂ -)_n в качестве структурного звена рассматривают группу - CF₂ - CF₂ -, а не - CF₂ -.

Среднее число структурных звеньев в молекуле полимера называется степенью полимеризации (поликонденсации). Это число может варьироваться в очень широких пределах – от тысяч до десятков миллионов. При этом следует всегда помнить, что речь идет именно о средней величине. В веществе – полимере имеются молекулы с разной молекулярной массой. К ним неприменим закон постоянства состава, поскольку неизбежные колебания состава молекул на одно, десять, сто (некоторое не очень большое число) звеньев практически не влияют на свойства. Например,

n CH₂ = CH ^{УФ - свет} ( - СН₂ – СН - )_n

СН₃ СН₃

Число n в формуле полимера – является степенью полимеризации.

Понятие молекулярная масса для полимеров имеет некоторые особенности. При полимеризации в макромолекулы соединяется различное число молекул мономера в зависимости от того, когда произойдет обрыв растущей полимерной цепи. Вследствие этого образуются макромолекулы разной длины и, следовательно, разной массы, поэтому обычно указываемая для этого вещества молекулярная масса – это только среднее ее значение.

Для полимеров существует средневесовая (1) молекулярная масса и среднечисловая молекулярная масса (2).

М_w = Σ qw_(i)M_i = Σ q_(i) M_i²/ Σ qn_(i) M_i (1)

M_n = Σ qn_(i) M_i = Σ n_iM_i / Σ n_i (2)

ВМС классифицируют:

I. в зависимости от строения макромолекулы:

- молекулярные, состоящие из хотя и больших, но отдельных линейных или разветвленных молекул (полиэтилен).

- пространственные, ( - СН₂ – СН₂ - )_n представляющие собой одну гигантскую молекулу (резина).

II. по геометрии скелета макромолекулы:

А. цепные полимеры (линейные полимеры);

Б. разветвленные полимеры (содержат боковые ответвления от нескольких атомов до больших цепей)

- древообразование;

- звездообразование;

- гребнеобразные;

В. сшитые полимеры;

Г. лестничные;

Д. спирополимеры;

III. По характеру расположения звеньев:

А. гомоцепные полимеры (один тип мономеров);

Б. сополимеры (несколько типов мономеров)

- статистические сополимеры;

АААВВАВВВАА

- чередующиеся сополимеры;

АВАВАВ

- блок сополимеры (полимеры, линейные молекулы которых состоят из чередующихся блоков одного или нескольких сополимеров);

АААВВВ

- привитые сополимеры (состоят из последовательностей мономерных звеньев одного типа и боковых ответвлений другого типа);

АААААААААА

В ВВ ВВВ

IV. В зависимости от того из каких атомов построена цепь:

А. гомоцепные полимеры (полиэтилен); ( - СН₂ – СН₂ - )_n

В. гепироцепные полимеры (цепь состоит из атомов О, S, C и т.д.)

V. По характеру размещения элементарных звеньев в макромолекулярной цепи различают:

А. регулярные;

В. нерегулярные.

Регулярность строения выражается в правильно повторяющемся расположении атомов или их групп в цепи. Например, молекулы мономера типа СН₂ = СН – R могут присоединяться друг к другу с образованием макромолекулярной цепи двумя путями. Присоединение может идти по типу ά, ά – («голова к голове») и β, β - («хвост к хвосту»):

n ^βCH₂ = ^άCH .... – ^βCH₂ – ^άCH – ^άCH – ^βCH₂ - ....

R R R

Или по типу ά, β – («голова к хвосту»)

n ^βCH₂ = ^άCH .... – ^βCH₂ – ^άCH – ^βCH₂ – ^άCH - ....

R R R

З аместители R в макромолекулярной цепи могут занимать различное положение. Пространственное расположение (направленность) их также может быть различным. С этим связано понятие стереорегулярности полимеров, которое определяется чередованием заместителей R в пространстве с определенной периодичностью.

Среди стереорегулярных полимеров различают:

1. Регулярные полимеры:

а. полимеры синдиотактической структуры – боковые группы расположены последовательно по обе стороны от главной цепи:

б. полимеры изотактической структуры – все боковые группы – заместители расположены по одну сторону от главной макромолекулярной цепи:

2 . К стереонерегулярным полимерам относятся полимеры атактической структуры – расположение боковых групп – заместителей беспорядочно:

V I. Материалы изготовленные из полимеров подразделяют на:

А. эластомеры ( каучуки, резина);

Б. пластомеры (пластики);

В. волокна (целлюлоза).

VII. в зависимости от способа переработки ВМС в изделии:

А. термопласты (перерабатываются расплавленными);

Б. реактопласты (для переработки требуют химической модификации) [1, 19, 20].

Тема 2. Синтез полимеров

Существуют 2 основных способа получения полимеров – реакция полимеризации и реакция поликонденсации.

Реакция полимеризации – это химический процесс соединения множества исходных молекул низкомолекулярного вещества (мономера) в крупные молекулы (макромолекулы) полимера, не сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных веществ (Н₂О, HCl).

В реакцию полимеризации вступают ненасыщенные мономеры, у которых двойная связь находится между углеродными атомами или между углеродом и любым другим атомом:

n H₂C = CH₂ (этилен) → [H₂C = CH₂] n

Как видно из примера, реакция полимеризации не приводит к изменению элементного состава мономера. Как и любая другая химическая реакция, полимеризация начинается с разрыва одних химических связей и возникновения других. Такой разрыв может происходить или по гетеролитическому, или гомолитическому механизму. В первом случае образуются ионы, во вротом – свободные радикалы.

Полимеризация, протекающая через образование ионов называется ионной, а идущая с участием свободных радикалов – радикальной.