Глава 14. Полимеры

После усвоения материала Главы 14 студент должен:

знать

• определение полимеров, их классификацию;

• определение полимеризации, механизм радикальной и ионной полимеризации;

• суть процесса поликонденсации;

• различия кристаллических и аморфных полимеров;

• физические и химические свойства синтетических полимеров, их применение;

уметь

• составлять реакции получения полимеров;

• рассчитать коэффициент полимеризаци;

• решать расчетные задачи по полимерам;

• экспериментально получать некоторые полимеры (плексиглас, новолачную и резольную смолы);

владеть

• представлениями о строении и способах получения полимеров;

• навыками экспериментального получения некоторых полимеров (плексиглас, новолачная и резольная смолы);

• навыками составления реакций получения полимеров;

• навыками решения расчетные задач по полимерам

14.1. Природные полимеры

К природным полимерам, например, относят натуральный каучук, углеводы (крахмал, целлюлозу), белки.

14.1.1. Натуральный каучук

Натуральный каучук получают из млечного сока гевеи, произрастающей в Бразилии. Млечный сок, выделяющийся из надрезов на деревьях, представляет собой коллоидный раствор каучука. Его собирают и подвергают коагуляции действием раствора кислоты или нагреванием. Важнейшими свойствами каучука являются высокая эластичность, газо- и водонепроницаемость.

По химическому составу каучук относится к углеводородам, т.к. в его состав входят только углерод и водород. Термическим разложением каучука установлено, что макромолекулы его состоят из молекул изопрена: СН₂=С(СН₃)–СН=СН₂.

Схематично образование полимера можно представить как последовательное присоединение мономеров:

СН₂=С(СН₃)–СН=СН₂ + СН₂=С(СН₃)–СН=СН₂ →

→ –СН₂–С(СН₃)=СН–СН₂–С(СН₃)=СН–СН₂–

При этом свободные электроны средних атомов углерода образуют двойные связи в середине звеньев растущей цепи.

Строение макромолекулы каучука выражается формулой:

[–СН₂–С(СН₃)=СН–СН₂–]_n.

Макромолекулы имеют линейную структуру, но при этом они свернуты в клубки. При растяжении такие молекулы распрямляются, а образец каучука удлиняется. При снятии нагрузки молекулы возвращаются в прежнее состояние в результате внутреннего теплового движения. Размеры каучука сокращаются.

Натуральный каучук, преимущественно используется в виде резины. Для получения резины каучук подвергают вулканизации с серой и другими добавками. При нагревании атомы серы «сшивают» соседние линейные молекулы каучука по месту некоторых двойных связей. Образуется пространственная структура, обеспечивающая резине более высокую химическую стойкость, стойкость к истиранию, высокие электроизоляционные свойства, более высокую, чем у каучука газо- и водонепроницаемость. Резина не растворяется в бензине как каучук, а только набухает.

При вулканизации каучука с большим количеством серы степень «сшивания» повышается, материал утрачивает эластичность, становится твердым и превращается в эбонит.

14.1.2. Крахмал

Крахмал представляет собой порошок белого цвета, нерастворимый в воде. Он является продуктом фотосинтеза у зеленых растений. Состав крахмала выражается формулой: (С₆Н₁₀О₅)_n, где n может варьироваться от нескольких сотен до нескольких тысяч. Наряду с линейными молекулами имеются молекулы разветвленной структуры.

В кислой среде при нагревании с водой молекулы крахмала подвергаются гидролизу. Сначала при расщеплении молекул крахмала образуются промежуточные продукты – декстрины, затем мальтоза – изомер сахарозы, конечный продукт – глюкоза:

(С₆Н₁₀О₅)_n + nН₂О → nС₆Н₁₂О₆.

Установлено, что макромолекулы крахмала состоят из остатков молекул циклической α-глюкозы.

Крахмал является основным углеводом нашей пищи. В организме он подвергается ферментативному гидролизу. Образующаяся глюкоза поступает в кровь и идет на питание клеток организма. Избыток глюкозы депонируется печенью в виде гликогена, который имеет более разветвленную структуру. Он может превращаться в глюкозу по мере ее расходования.

Промежуточный продукт гидролиза – декстрины образуются в виде корки, при варке и жарке картофеля, выпечке хлеба, при глажении накрахмаленной ткани. Смесь декстринов и глюкозы – патока применяется в кондитерской промышленности для приготовления конфет, мармелада, пряников.

Крахмал злаков и картофеля идет на производство спирта. При этом его сначала подвергают гидролизу под действием фермента, содержащегося в солоде, а затем сбраживают в присутствии дрожжей.