Високомолекулярні органічні сполуки

§35. Загальна характеристика полімерів

Вам відомо, що в природі існують сполуки з дуже великими молекулярними масами і складною будовою: білки, нуклеїнові кислоти, крохмаль, целюлоза, натуральний каучук та ін Хіміки називають такі сполуки полімерами¹.

Високомолекулярні сполуки, або полімери, - це речовини, молекули яких побудовані з великої кількості однакових груп атомів.

Крім природних полімерів, є синтетичні. Їх добувають на заводах, у лабораторіях за допомогою хімічних реакцій. Найважливіші серед синтетичних полімерів – поліетилен, поліпропілен, полістирен, синтетичні каучуки тощо. За своїми властивостями вони переважають природні матеріали – деревину, каучук тощо, а іноді й метали.

Будова. Молекули полімерів (їх називають макромолекулами) складаються з однакових ланок – атомних груп, залишків інших молекул, сполучених ковалентними зв'язками. Будова фрагмента молекули одного з полімерів (поліхлоровінілу) така:

... -СН₂- СН-СН₂- СН-СН₂- СН-СН₂- СН-СН₂- СН-СН₂- СН-...

׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀

Сl Сl Сl Сl Сl Сl

У цій макромолекулі багаторазово повторюється група атомів, або елементарна ланка, -СН₂-СНС1-. Кількість елементарних ланок у молекулі полімеру називають ступенем полімеризації і позначають літерою п. Звідси короткий запис формули полімера:

[-СН₂-СНС1-]_n.

Сполуку, від молекули якої походить елементарна ланка полімеру, називають мономером. Отже, хлоровініл СН₂=СНС1 – це мономер.

У полімері існують макромолекули різної довжини і маси. Тому для характеристики сполуки використовують поняття середня моле кулярна маса. Цю величину позначають так само, як і відносну молекулярну масу та обчислюють за формулою:

М_r(полімеру) = п • М_r(ел. ланки).

Значення середньої молекулярної маси для різних полімерів становить від кількох тисяч до десятків мільйонів.

Відомі прості речовини, а також неорганічні сполуки, що є полімерами. Серед них – графіт, алмаз, пластична сірка, силіцій(ІV) оксид, силікатна кислота. У деяких солях (силікатах, фосфатах, боратах) містяться полімерні аніони.

Полімери можуть мати різну структуру. За цією ознакою їх поділяють на три групи.

• Лінійні полімери містять макромолекули, в яких елементарні ланки сполучені в нерозгалужений ланцюг.

• Розгалужені полімери відрізняються наявністю в ланцюгах бокових відгалужень, які також складаються з елементарних ланок.

• Сітчасті (просторові) полімери мають тривимірну будову. Ланцюги в них зшиті окремими атомами чи групами атомів за допомогою ковалентних зв'язків. Увесь полімер виглядає як одна гігантська молекула.

Існують полімери утворені двома або більшою кількістю різних мономерів. Ці полімери називають співполімерами. До них належить, наприклад, бутадієн-стирольний каучук. Його макромолекула складається із залишків молекул бутадієну і стирену.

Елементарні ланки в лінійних молекулах можуть по-різному розміщуватися одна щодо одної. Існує два варіанти структури лінійної макромолекули.

•Регулярна структура, тобто чітке чергування елементарних ланок за складом і будовою:

...-СН₂-СН-СН₂-СН-СН₂-СН-СН₂-СН-СН₂-СН-…

׀ ׀ ׀ ׀ ׀

СН₃ СН₃ СН₃ СН₃ СН₃

(полімер утворений одним мономером – пропіленом)

... - А-В-А-В-А-В-А-В-А-В-А-В-А-В-А-В-...

(співполімер, утворений мономерами А і В)

•Нерегулярна структура, або довільне розміщення елементарних ланок:

...-СН₂-СН-СН-СН₂-СН-СН₂-СН₂-СН-СН₂-СН-…

׀ ׀ ׀ ׀ ׀

СН₃ СН₃ СН₃ СН₃ СН₃

.. .-А-В-А-В-А-А-А-В-А-В-В-В-А-А-В-В-.

Ви знаєте, що тверді речовини бувають кристалічними й аморфними. Перший стан характеризується чітким порядком розміщення атомів, молекул або йонів у речовині й описується відомою моделлю – кристалічними ґратками. В аморфних речовинах частинки розподілені невпорядковано. Полімери у твердому стані можуть відзначатися чіткою впорядкованістю макромолекул на одних ділянках і безладним їх розташуванням на інших. Для таких речовин вживають поняття ступінь кристалічності (це – частка речовини з упорядкованим розміщенням макромолекул). Якщо значення ступеня кристалічності становить, наприклад, 90 % , то полімер називають кристалічним, а якщо 10 % – аморфним. Серед лінійних полімерів трапляються як кристалічні, так і аморфні, а серед полімерів просторової будови – здебільшого аморфні.

Фізичні властивості полімерів значною мірою визначаються особливостями їхньої будови – масою, довжиною, розгалуженістю макромолекул, їх відносним розміщенням у просторі тощо.

Полімери, як правило, нерозчинні у воді, а тривимірної будови – ще й в органічних розчинниках. Полімери з лінійними макромолекулами повільно розчиняються в деяких органічних розчинниках з утворенням в'язких розчинів.

Для більшості полімерів не існує температур плавлення і кипіння. Лінійні полімери при нагріванні спочатку розм'якшуються, у певному температурному інтервалі плавляться з утворенням в'язких рідин, а потім розкладаються. Полімери просторової будови починають розкладатися ще до плавлення.

Хімічні властивості полімерів зумовлені наявністю в їхніх макромолекулах кратних зв'язків, різних функціональних груп. Багато полімерів реагують з окисниками, концентрованими розчинами кислот і лугів. Такі полімери, як поліетилен, поліпропілен, політетрафлуоретен (тефлон), виявляють значну хімічну інертність.

Полімери є термічно нестійкими сполуками. При підвищених температурах відбувається їхній розклад з утворенням низькомолекулярних речовин.

248. Які сполуки називають полімерами? Як їх класифікують і за якими ознаками?

249. Поясніть, чому молекулярну масу полімеру називають середньою.

250. Що спільного і відмінного між молекулою мономера і структурною ланкою відповідного полімеру?

251. Зобразіть фрагменти макромолекули поліхлоровінілу з регулярною та нерегулярною структурою.

252. Середня молекулярна маса зразка поліпропілену становить 20 000. Обчисліть середнє значення ступеня полімеризації для полімеру.