Высокомолекулярные соединения 2013

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ)

Кафедра химии

УТВЕРЖДАЮ Проректор по учебной работе

_____________ О.Г. Локтионова «____»______________2013 г.

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Методические указания для самостоятельной и аудиторной работы по дисциплине «Химия»

студентов химического и нехимического профиля

Курск 2013

2

УДК 543

Составители: В.С. Мальцева, Сазонова А.В., Кувардин Н.В.

Рецензент Кандидат химических наук, доцент Фатьянова Е.А.

Высокомолекулярные соединения: методические указания для самостоятельной и аудиторной работы по дисциплине «Общая химия» студентов химического и нехимического профиля / ЮгоЗап. гос. ун-т; сост.: В.С. Мальцева, А.В. Сазонова, Н.В. Кувардин. Курск, 2013, 51 с.: ил. 4, табл. 1. Библиогр.: 51 с.

Содержит основные теоретические положения по теме «Высокомолекулярные соединения». Приведены вопросы для самоконтроля по данному разделу химии и программа для тестирования. Дано описание лабораторных работ по теме «Высокомолекулярные соединения».

Методические указания предназначены для студентов химического и нехимического профиля.

Текст печатается в авторской редакции

Юго-Западный государственный университет. 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

4

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Высокомолекулярные соединения (ВМС) - химические ве-

щества с большой молекулярной массой, которые состоят из большого числа повторяющихся фрагментов. Высокомолекулярные соединения часто называют полимерами (от греч. рoly - много, meros - часть).

Мономер - исходное низкомолекулярное вещество, из которого синтезируют полимер.

Элементарное (структурное) звено - одинаковые, много-

кратноповторяющиеся звенья в макромолекуле полимера.

Число элементарных звеньев в макромолекуле (n), является одной их главных характеристик полимера и называется степенью

полимеризации полимера.

Уравнение реакции полимеризации:

Если структурное звено обозначить как А, то формулу полимера можно записать как (-А-)n.

Между степенью полимеризации полимера (n) и молекулярной массой полимера (M) имеется следующее соотношение:

где m - молекулярная масса элементарного звена.

Полимеры с высокой степенью полимеризации называются

высокополимерами, а с небольшой - олигомерами.

Вследствие большой молекулярной массы макромолекулы полимеров приобретают некоторые специфические свойства. Поэтому они выделяются в особую группу химических соединений.

Название полимера складывается из названия мономера и приставки «поли». Например: полимер, полученный из этилена, называется полиэтиленом; из винилхлорида - поливинилхлоридом; из акриловой кислоты - полиакриловой кислотой и т.д.

Высокомолекулярные соединения представлены большим спектром природных соединений: животные и растительные белки, углеводы (целлюлоза и крахмал), натуральный каучук, смолы и многие другие вещества. Много ВМС создано синтетическим путём (красители, антибиотики, каучуки, пластмассы, синтетические волокна и т.д.) Эти соединения близки к природным полимерам, но отличаются химическим строением и, благодаря этому, наличием каких-либо особых свойств.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ

Классификацию полимеров проводят по разным признакам:

по происхождению; по химическому составу макромолекулы; по геометрии макромолекулы; по природы мономеров, составляющих главную цепь; по отношению к нагреванию и др.

По происхождению полимеры в первую очередь делят на природные и химические. Природные полимеры представлены растительными, животными и минеральными соединениями. Растительные и животные ВМС в основном имеют природу органических веществ. Характерными представителями таких соединений являются природные белки, натуральный каучук, шелк, шерсть и др. Химические полимеры делят на искусственные (получают переработкой природных полимеров) и синтетические (синтезируют из низкомолекулярных веществ - мономеров).

Кчислу искусственных ВМС относятся: нитроцеллюлоза (используемая для получения целлулоида), ксантогенат целлюлозы (вискоза), ацетат целлюлозы и др.

Ксинтетическим полимерам - наиболее важному классу ВМС относятся полиэтилен, поливинилхлорид, полистиролы, фенолформальдегидные смолы, полиамиды и др.

На рисунке 1 представлена классификация высокомолекулярных соединений по происхождению.

6

Рисунок 1. Классификация ВМС по происхождению

По химическому составу макромолекулы полимеры делят органические, элементорганические и неорганические.

Органические делят на карбоцепные и гетероцепные.

Карбоцепные полимеры - соединения, содержащие в главной цепи только атомы углерода, в состав боковых групп входят, кроме атомов углерода, атомы водорода, кислорода, азота, серы, галогенов.

Гетероцепные полимеры - соединения, содержащие в главной цепи атомы углерода, азота, кислорода, серы.

Неорганические полимеры - полимеры, содержащие атомы элементов III - VI групп Периодической системы элементов. Эти полимеры входят в состав земной коры в виде минералов.

В таблице 1 приведены отдельные представители по данной классификации.

По природе атомов, составляющих главную цепь, все по-

лимеры делят на гомоцепные и гетероцепные. Гомоцепные - полимеры, главные цепи которых построены из одинаковых атомов. Если это атомы углерода, то полимерное соединение будет карбоцепным, например: …-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-…

Полисиланы: …- SiН2-SiН2-SiН2-SiН2-SiН2-SiН2-Si 2-SiН2-… Полигерманы: …- GeН2-GeН2-GeН2-GeН2-GeН2-GeН2-GeН2-…

Таблица 1 - Представители полимерных соединений классификации по химическому составу макромолекулы

8

Гетероцепными называются полимеры, главная цепь которых построена из различных атомов. К ним относятся простые эфиры (полиоксиметилен) …-СН2-О-СН2-О-СН2-О-…

По геометрии макромолекулы полимеры делят на линей-

ные, разветвлённые и сетчатые (сшитые).

Линейный полимер построен из макромолекул с длинной цепью, характеризующихся высокой степенью симметрии. Если остаток мономера обозначить буквой А, то линейный полимер можно изобразить следующим образом: …-А-А-А-А-А-А-А-…

Линейное строение цепи имеют макромолекулы крахмала (амилоза - составная часть), целлюлоза, натуральный каучук, некоторые белки (казеин), многие синтетические полимеры (полиэтилен, политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полистирол и др.).

Макромолекула разветвлённого полимера представляет собой длинную цепь (главная, основная) с боковыми ответвлениями

(боковые цепи). Число ответвлений и их длина могут меняться в очень широких пределах:

К разветвлённым полимерам относятся амилопектин крахмала, многие синтетические высокомолекулярные соединения.

Сетчатыми, или пространственными, называются полиме-

ры, построенные из длинных цепей, соединенных друг с другом в трёхмерную сетку поперечными химическими связями.

В пространственном полимере невозможно выделить отдельные молекулы, так как его атомы соединены между собой в единую трёхмерную сетку. Поэтому понятие «молекула» теряет физический смысл. Вследствие наличия прочной химической связи ме-

10

жду центрами затрудняется их взаимное превращение, поэтому полимеры не могут быть переведены в жидкое состояние без разрушения структуры. Пространственное строение имеют белки шерсти, кварц [SiO2]n, алмаз [C]n и другие полимеры.

По природе мономеров, составляющих главную цепь и ха-

рактеру их присоединения полимеры делят на гомополимеры, сополимеры, привитые и блоксополимеры.

Полимеры, состоящие из одного типа мономеров, называют гомополимерами. Полимеры, состоящие из нескольких типов мо-

номеров, называют сополимерами, или смешанными полимера-

ми. Сополимеры могут быть линейными, разветвленными, сетчатыми. В молекулах сополимеров остатки мономеров могут располагаться в цепи беспорядочно, по закону случая, или регулярно. Первые называют статистическими (нерегулярными), вторые - регулярными.

Линейные смешанные полимеры, в которой звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности (блоки), называют блоксополимерами.

…-А-А-А-А-А-А-А-…-Б-Б-Б-Б-Б-Б-Б-Б-…-А-А-А-А-А-А-А… Разветвленные сополимеры, главная цепь которых состоит из одних мономеров, а боковые ответвления - из других, называют

привитыми (графтсополимерами):

По регулярности полимеры делят на регулярные и нерегулярные. Если в цепи полимера монотонно чередуются звенья, то