Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы коллоидной и органической химии. Учебно-методическое пособие к практическим занятиям для студентов специальности 20.05.01 «Пожарная безопасност
.pdf
101
содержит функциональную группу:
1) –О–NO2;
2) –NO2;
3) –NH2;
4) –NO3?
2. Водородные связи образуются между молекулами:
1) формальдегида;
2) пропанола–1;
3) циановодорода;
4) этиламина?
3. Число структурных изомеров из группы предельных аминов для
состава C3H9N равно:
1) 1;
2) 2;
3) 3;
4) 4?
4. В водном растворе аминокислоты CH3CH(NH2)COOH химическая
среда будет:
1) кислотной;
2) нейтральной;
3) щелочной;
4) любой?
5. Какой ряд веществ выполняет (по отдельности) двойственную
функцию в реакциях?
1) глюкоза, этановая кислота, этиленгликоль;
2) фруктоза, глицерин, этанол;
3) глицин, глюкоза, метановая кислота;
4) этилен, пропановая кислота, аланин.
6. Для реакции в растворе между глицином и:
1) гидроксидом натрия;
2) метанолом;
3) хлороводородом;
4) аминоуксусной кислотой;
продуктами будут являться:
1) соль и вода;
2) соль;
3) дипептид и вода;
4) сложный эфир и вода?
102
7. Соединение, которое реагирует с хлороводородом, образуя соль,
вступает в реакции замещения и получается восстановлением продукта
нитрования бензола, – это:
1) нитробензол;
2) метиламин;
3) анилин;
4) фенол?
8. При добавлении лакмуса к бесцветному водному раствору
2-аминопропановой кислоты раствор становится:
1) красным;
2) желтым;
3) синим;
4) фиолетовым?
9. Для распознавания изомеров со строением СН3–СН2–СН2–NO2 и
NH2–СН(СН3)–СООН следует использовать:
1) пероксид водорода;
2) бромную воду;
3) раствор NaHCO3;
4) раствор FeCl3;
10. При действии концентрированной азотной кислоты на белок
появляется:
1) фиолетовое окрашивание;
2) голубое окрашивание;
3) желтое окрашивание;
4) красное окрашивание?
11. Установите соответствие между названием соединения и классом,
к которому оно относится.
12. Анилин действует в процессах:
1) нейтрализации муравьиной кислотой;
2) вытеснения водорода натрием;
3) получения фенола;
4) замещения с хлорной водой?
13. Глицин участвует в реакциях:
1) окисления с оксидом меди (II);
103
2) синтеза дипептида с фенилаланином;
3) этерификации бутанолом-1;
4) присоединения метиламина?
14. Составьте уравнения реакций по следующим схемам:
1)
;
2)
;
3)
;
4)
.
104
РАЗДЕЛ 7. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ ПОЛИМЕРОВ
7.1. Основные понятия химии полимеров
Для характеристики высокомолекулярных соединений необходимо
рассмотреть следующие понятия:
1) полимер;
2) макромолекула;
3) мономер;
4) структурное звено макромолекулы;
5) степень полимеризации макромолекулы;
6) молекулярная масса макромолекулы;
7) молекулярная масса полимера;
8) геометрические формы макромолекул.
Полимер, макромолекула
Высокомолекулярные вещества, состоящие из больших молекул
цепного строения, называются полимерами (от греч. «поли» – много,
«мерос» – часть). Например, полиэтилен, получаемый при полимеризации
этилена CH2=CH2:
...–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–..., (55)
(–CH2–CH2–)n. (55.1)
Рис. 158. Фрагмент макромолекулы полиэтилена
Молекула полимера называется макромолекулой (от греч. «макрос» –
большой, длинный).
Молекулярная масса макромолекул достигает десятков, сотен тысяч
(и даже миллионов) атомных единиц.
Мономер
Низкомолекулярные соединения, из которых образуются полимеры,
называются мономерами. Например, пропилен СН2=СH–CH3 является
мономером полипропилена (см. рис. 159), а такие соединения, как
105
α-аминокислоты, служат мономерами при синтезе природных полимеров –
белков (полипептидов) (см. рис. 160).
Рис. 159. Пропилен – мономер полипропилена
Рис. 160. α-аминокислота – мономер полипептида
Структурное звено макромолекулы
Группа атомов, многократно повторяющаяся в цепной
макромолекуле, называется ее структурным звеном. В формуле
макромолекулы это звeно обычно выделяют скобками:
...–CH2–CHCl–CH2–CHCl–CH2–CHCl–CH2–CHCl–CH2–CHCl–..., (56)
(–CH2–CHCl–)n. (56.1)
По строению структурного звeна макромолекулы можно сказать
о том, какой мономер использован в синтезе данного полимера и наоборот,
зная формулу мономера, нетрудно представить строение структурного звeна.
Строение структурного звена соответствует строению исходного
мономера, поэтому его называют также мономерным звеном.
Степень полимеризации
Степень полимеризации – это число, показывающее сколько молекул
мономера соединилось в макромолекулу. В формуле макромолекулы
степень полимеризации обычно обозначается индексом «n» за скобками,
включающими в себя структурное (мономерное) звено (см. рис. 161).
Рис. 161. Пример степени полимеризации
Молекулярная масса макромолекулы и полимера
Молекулярная масса макромолекулы связана со степенью
полимеризации соотношением:
М(макромолекулы) = M(звена) × n, (57)
где n – степень полимеризации; M – относительная молекулярная масса
(подстрочный индекс «r» в обозначении относительной молекулярной
массы Мr в химии полимеров обычно не используется).
106
Для полимера, состоящего из множества макромолекул, понятие
молекулярная масса и степень полимеризации имеют несколько иной
смысл. Дело в том, что когда в ходе реакции образуется полимер, то
в каждую макромолекулу входит не строго постоянное число молекул
мономера. Это зависит от того, в какой момент прекратится рост
полимерной цепи.
Поэтому в одних макромолекулах мономерных звеньев больше, а
в других – меньше. То есть, образуются макромолекулы с разной степенью
полимеризации и, соответственно, с разной молекулярной массой (так
называемые полимергомологи). Следовательно, молекулярная масса и
степень полимеризации полимера являются средними величинами:
Mср(полимера) = M(звена) × nср. (58)
Большинство экспериментальных методов определения
молекулярной массы полимеров дает среднечисловое значение М. Смысл
этого понятия можно пояснить на следующем примере.
Задача
Допустим, N молекул полиэтилена (–CH2–CH2–)n имеют
молекулярную массу 28000, а 3N молекул – 140000. Какова молекулярная
масса этого полимера?
Решение
Находим среднее (числовое) значение:
.
Среднечисловая степень полимеризации nср в этом случае равна:
.
Кроме среднечисловой молекулярной массы полимера в ряде случаев
используется среднемассовое ее значение, когда усреднение ведется не
по числу макромолекул, а по их массе.
В настоящее время известно огромное количество полимеров.
Их можно классифицировать с точки зрения пространственного положения
атомов в макромолекуле, химического состава макромолекул, а также
по источникам происхождения.
7.2. Классификация полимеров
Классификация с точки зрения
пространственного положения атомов в макромолекуле
Одним из наиболее простых с точки зрения химического строения
полимеров является полиэтилен (ПЭ), который получают присоединением
друг к другу молекул (мономеров) этилена СН2=СН2.
107
На первой стадии получения ПЭ происходит «раскрытие» двойной
связи в молекуле этилена с помощью химического активатора или
катализатора:
–СН2–СН2–. (59)
Затем две внешние простые связи соединяются с такими же
соседними элементами, образуя цепочку метиленовых групп, в которой все
атомы углерода связаны простыми химическими связями:
–СН2–СН2–СН2–СН2–. (60)
Формулу ПЭ записывают в следующем виде:
[–СН2–СН2–]n. (61)
Макромолекула ПЭ имеет линейное строение (линейный полимер).
Линейные макромолекулы обычно образуют кристаллические структуры.
Другой широко распространенный полимер – полипропилен (ПП) –
получают присоединением друг к другу молекул пропилена:
СН2=СН–СН3, (62)
образующих общую цепь:
Формулу ПП записывают в виде:
–(СН2–СН)n–
| (63)
СН3.
Макромолекула ПП является разветвленной (разветвленный полимер).
Разветвленные макромолекулы обычно образуют аморфные структуры.
Повторяющееся звено натурального каучука – полиизопрена (ПИ) – имеет вид:
–(СН2–СН=С–СН2)n–
| (64)
СН3.
Наличие двойной связи в основной цепи мономерного звена приводит
к появлению химических сшивок между соседними макромолекулами и
образованию сетчатой структуры (сшитые или сетчатые полимеры).
Если в полимере содержатся мономеры только одного вида, то такой
полимер называется гомополимером. Если полимер в основной цепи
содержит молекулы двух и более разных мономеров (например, (А) и (В)),
он называется сополимером:
(–A)–(B)–(A)–(A)–(B)–(A)–. (65)
Если звенья А и В чередуются с определенной периодичностью,
сополимер называется регулярным, если нет – статистическим.
Линейные сополимеры, в которых звенья А и В образуют длинные
последовательности, называются блок-сополимерами:
А–А–А–А–А–В–В–В–…–А–…. (66)
108
Привитыми сополимерами называются разветвленные сополимеры,
у которых главная цепь и боковые ответвления состоят из разных видов
звеньев, например:
А–А–А–А–А–А–А–А–
| | | | | | | | (67)
B В В В В В В В,
где А – элемент основной цепи, В – радикал боковой ветви.
Классификация с точки зрения химического состава макромолекул
Если цепь макромолекулы состоит из атомов органического
происхождения (С, О, N, Н), то полимер называют органическим; если
только из атомов углерода – карбоцепным (например, ПЭ, ПП, ПИ). Если
в цепь макромолекулы органического полимера включены атомы P, F, S, Si,
полимер называют элементоорганическим. Если в цепи макромолекулы
атомы элементов органического происхождения отсутствуют, полимер
называют неорганическим. Примеры неорганических полимеров
(полисилана и полисера) представлены в формулах 68 и 69 соответственно:
–(SiH2)n–, (68)
–(S)n–. (69)
Классификация по источникам происхождения
Полимеры могут быть природного, синтетического и искусственного
происхождения.
Среди природных полимеров наибольшее значение для
промышленного и бытового использования имеют природные волокна и
натуральный каучук. Различают природные волокна растительного (хлопок,
лен, джут) и животного происхождения (шерсть, шелк). Главным образом
они используются для изготовления текстильных изделий. Вытяжка,
кручение, а также ткачество или вязание нитей способствуют сцеплению
волокон и созданию воздушных прослоек между ними, являющихся
причиной его низкой теплопроводности тканей.
В основе природных растительных волокон лежит целлюлоза,
химическое строение которой определяется формулой:
(–С6Н10О5–)n. (70)
В основе волокон животного происхождения лежат белки общей формулы:
(–NH–CH(R)–CO–)n , (71)
где радикалы боковой ветви R различны в каждом звене (статистический
сополимер) и соответствуют 30 аминокислотам. Белок шерсти называют
кератином; шелк состоит из смеси двух белков: фиброина и серицина.
В отличие от кератина, они не содержат серу. Из кожи и костей животных
в промышленности получают желатин, представляющую собой смесь
белковых веществ.
109
Натуральный каучук (гуттаперча) получают из сока бразильской
гевеи (латекса), который представляет вязкую жидкость, содержащую
каучук в виде суспензии.
Мышцы человека и животных построены из связок белковых волокон.
Наряду с основной функцией – переводом химической энергии пищи
в механическую – мышцы, как биополимеры, являются амортизаторами и
защищают внутренние органы от повреждений. Кожа и сухожилия
построены из особого белка – коллагена. Прочность кожи как швейного
материала достигается химической обработкой – дублением – и
обусловлена сеткой составляющей ее коллагеновых волокон.
Среди искусственных полимеров наибольшее значение для
текстильной промышленности имеют искусственные волокна: вискозные и
ацетатные. Их получают из природных полимеров (древесная или
хлопковая целлюлоза) путем химической переработки.
Класс синтетических полимеров в настоящее время является
наиболее многочисленным благодаря успехам химии высокомолекулярных
соединений. Источником мономеров, используемых для получения
синтетических полимеров, являются, главным образом, углеводороды,
производимые из нефти, природного газа и каменного угля.
Для текстильной промышленности наибольшее значение имеют
следующие классы синтетических волокон:
1) полиамиды (см. формулу 72);
2) поликапроамид (ПКА, найлон 6, капрон 6);
3) поливиниловые полимеры (см. формулу 73);
4) полиакрилонитрил (ПАН).
–[NH–(CH2)5–CO]–, (72)
CH2–CH
| (73)
CN.
Синтетические полимеры, в отличие от натуральных, не имеют
преимущественной ориентации макромолекул. Поэтому в процессе
получения синтетических волокон их подвергают вытяжке.
7.3. Номенклатура полимеров
Существуют два основных способа названий полимеров.
1. Название полимера строится по названию исходного мономера
с добавлением приставки «поли» (полиэтилен, полистирол и т. п.). Этот способ
используется обычно для полимеров, полученных путем полимеризации.
2. Полимеру дается тривиальное название (лавсан, нитрон, найлон
и т. п.), которое не отражает строения макромолекул, но удобно своей
краткостью. Данный способ применяют создатели полимерных материалов
(фирмы, научные и производственные коллективы).
Так, название «ЛАВСАН» присвоено полимеру:
110
[–O–CH2–CH2–O–CO–C6H4–CO–]n. (74)
Полиэтиленгликольтерефталат как сокращенное название
лаборатории высокомолекулярных соединений академии наук.
Чтобы назвать полимер необходимо знать химическое строение его
макромолекул. Для этого необходимо:
1) выделить структурное (мономерное) звено в макромолекуле;
2) по строению этого звена определить, какой мономер использован
для получения данного полимера;
3) назвать полимер, добавив приставку «поли» перед названием мономера.
...–CH2–CH(СН)3–CH2–CH(СН)3–CH2–CH(СН)3–..., (75)
[–CH2–CH(СН)3–]n. (76)
Cтруктурное звено –CH2–CH(СН)3– образуется при полимеризации
пропилена CH2=CH–CH3. Следовательно, этот полимер называется
полипропилен.
Полимерам, полученным из симметричных мономеров (СH2=CH2,
CF2=CF2) название дается не по названию повторяющегося структурного
звена, а по названию мономера (мономерного звена) с добавлением
приставки «поли».
Так, полимер строения ...–CН2–CН2–CН2–CН2–CН2–CН2–...,
содержащий повторяющиеся группы –CН2– (метилен), получают
полимеризацией этилена и называют полиэтилен, записывая его формулу
в виде:
(–CН2–CН2–)n. (77)
Если же отразить строение этого полимера формулой (–CН2–)2n, то
его следовало бы назвать полиметилен, но обычно это название не
используется.
Другой пример:
...–CF2–CF2–CF2–CF2–CF2–CF2–..., (78)
(–CF2–CF2–)n, (79)
(–CF2–)2n. (80)
Такие макромолекулы образуются при полимеризации мономера
тетрафторэтилен CF2=CF2. Повторяющаяся группа –CF2– в этом случае
является частью мономерного звена –CF2–CF2–. Поэтому данный полимер
следует назвать политетрафторэтилен (более широко распространено
его тривиальное название тефлон).
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]