Полимеры: мономер, полимеризация и поликонденсация

Пластиковая бутылка, полиэтиленовый пакет, капроновая нить, резиновая шина и волокна хлопка кажутся совершенно разными материалами. Однако многие из них объединяет полимерное строение. Молекулы таких веществ очень велики и состоят из многократно повторяющихся участков. Из-за размера и строения макромолекул полимеры часто не испаряются, плохо растворяются и размягчаются в широком интервале температур. Чтобы понимать их свойства, нужно различать исходные небольшие молекулы, способ их соединения и форму получившейся цепи.

Что называют полимерами

Полимерами называют высокомолекулярные вещества, молекулы которых построены из большого числа повторяющихся фрагментов. Такие молекулы называют макромолекулами. Условную запись полимерной цепи заключают в квадратные скобки и указывают индекс n: [-CH₂-CH₂-]_n. Индекс не является точным числом для всех молекул образца. В реальном полимере цепи обычно имеют разную длину, поэтому n показывает среднее число звеньев.

Полимеры бывают природными, искусственными и синтетическими. Природные создаются живыми организмами: целлюлоза составляет основу растительных волокон, крахмал запасается в клубнях и зёрнах, белки построены из остатков аминокислот. Искусственные материалы получают химической обработкой природных полимеров, например вискозное волокно производят из целлюлозы. Синтетические полимеры получают из сравнительно простых веществ в промышленности. К ним относятся полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол и многие волокна.

Не всякое вещество с большой формулой является полимером. Важен именно принцип повторения звеньев. Например, сахароза C₁₂H₂₂O₁₁ имеет довольно сложную молекулу, но каждая её частица содержит только два связанных остатка и одинаково устроена. Крахмал же образован тысячами остатков глюкозы, поэтому относится к полисахаридам и полимерам.

Мономер, звено и степень полимеризации

Мономер представляет собой исходную низкомолекулярную частицу, способную вступать в реакцию образования полимера. У этилена CH₂=CH₂ такой способностью обладает двойная связь. После её раскрытия каждая молекула этилена присоединяется к соседним, а в цепи остаётся звено -CH₂-CH₂-. Мономер и повторяющееся звено близки по составу, но не всегда совпадают по формуле: в звене уже нет двойной связи.

Число повторяющихся звеньев в макромолекуле называют степенью полимеризации. Чем она больше, тем обычно выше молекулярная масса. Если относительная молекулярная масса полиэтилена равна 28 000, а масса одного звена C₂H₄ составляет 28, средняя степень полимеризации равна примерно 1000. Полученный результат не означает, что каждая цепь содержит ровно тысячу звеньев: часть цепей короче, часть длиннее.

Для поликонденсации нужны мономеры, несущие не менее двух реакционноспособных групп. Например, у этиленгликоля HO-CH₂-CH₂-OH две гидроксильные группы, а у терефталевой кислоты HOOC-C₆H₄-COOH две карбоксильные. Благодаря двум группам каждая частица может соединяться с двумя соседними и цепь продолжает расти. Если взять вещество только с одной активной группой, оно станет «концом» цепи и ограничит её длину.

Полимеризация на примере этилена

Полимеризацией называют реакцию, в которой множество одинаковых или разных молекул мономера соединяются в макромолекулу без выделения побочного низкомолекулярного продукта. Часто в ней участвуют соединения с двойной связью C=C. Двойная связь состоит из прочной σ-связи и более доступной π-связи. При присоединении π-связь разрывается, а атомы углерода образуют новые σ-связи с соседними молекулами.

Полиэтилен получают из этилена при повышенных температуре и давлении либо в присутствии катализаторов. Уравнение записывают так: nCH₂=CH₂ → [-CH₂-CH₂-]_n. Никакой воды или другого продукта справа не появляется. Атомы, входившие в этилен, целиком остаются в составе полимера. Это главный признак реакции полимеризации.

Похожим способом получают полипропилен из пропена: nCH₂=CH-CH₃ → [-CH₂-CH(CH₃)-]_n. Из винилхлорида CH₂=CHCl образуется поливинилхлорид, или ПВХ. Боковые группы в цепи заметно влияют на материал. Полиэтилен гибкий и химически стойкий, полипропилен лучше переносит нагревание, а ПВХ может быть жёстким или эластичным после введения специальных добавок.

Поликонденсация и её продукты

Поликонденсация также приводит к образованию длинных цепей, но механизм и итоговая запись отличаются. Мономеры с функциональными группами реагируют между собой, а при каждом акте соединения отщепляется небольшая молекула. Чаще всего это вода. Поэтому состав повторяющегося звена не равен сумме формул исходных мономеров: из него нужно вычесть состав отделившейся частицы.

При взаимодействии двухосновной кислоты и двухатомного спирта образуется полиэфир. Для этиленгликоля и терефталевой кислоты схема имеет вид: nHO-CH₂-CH₂-OH + nHOOC-C₆H₄-COOH → [-O-CH₂-CH₂-O-CO-C₆H₄-CO-]_n + 2nH₂O. На практике коэффициенты у воды зависят от того, как учитывают концевые группы, но смысл схемы остаётся тем же: при образовании сложноэфирных связей выделяется вода. Такой полимер используют для изготовления полиэфирных волокон и бутылок из ПЭТ.

Поликонденсацией получают и полиамиды, в цепи которых есть группа -CO-NH-. Капрон относится к полиамидам. Прочность его волокон связана с водородными связями между амидными группами соседних цепей. Другой известный полиамид, нейлон, получают из диамина и дикарбоновой кислоты. Азотсодержащие группы делают эти материалы особенно важными для темы органических соединений.

Поликонденсацию нельзя записывать как простое раскрытие двойной связи. Реакция обычно идёт ступенчато: сначала соединяются две частицы, затем получившиеся фрагменты реагируют с другими. Для получения длинной цепи стараются соблюдать близкое соотношение функциональных групп и удалять побочный продукт. Если вода остаётся в смеси, она может сдвигать равновесие и тормозить рост макромолекул.

Строение, свойства и применение

Макромолекулы могут быть линейными, разветвлёнными или пространственными. В линейном полимере цепи похожи на длинные нити. При нагревании многие такие материалы размягчаются, а при охлаждении снова твердеют, поэтому их называют термопластами. К ним относится полиэтилен. Разветвления мешают цепям плотно укладываться и часто делают материал более мягким.

Если между цепями возникают многочисленные прочные связи, формируется пространственная сетка. Такие полимеры после отверждения не плавятся как обычный полиэтилен, а при сильном нагревании разрушаются. Резина получается при вулканизации каучука: атомы серы создают поперечные связи между цепями. Небольшое число таких связей придаёт эластичность, а нерастворимая сетка не даёт цепям свободно скользить друг относительно друга.

Свойства полимера определяются не только его формулой. Важны длина цепей, расположение боковых групп, разветвлённость, кристалличность и добавки. Пластификаторы делают некоторые пластмассы гибче, красители придают цвет, наполнители повышают жёсткость. При выборе материала учитывают прочность, стойкость к воде и реагентам, рабочую температуру, а также возможность переработки.

Полимерные материалы экономят массу изделий и позволяют получать волокна, плёнки, покрытия, трубы и медицинские изделия. Но устойчивость полимеров в окружающей среде создаёт проблему отходов. Сокращение одноразового потребления, повторное использование и раздельный сбор помогают уменьшить их количество. Для химии важно видеть обе стороны: полимер не является ни «просто пластиком», ни единым веществом, а представляет большой класс материалов с разным строением и назначением.

• Полимер состоит из множества повторяющихся звеньев, а исходная небольшая молекула называется мономером.
• При полимеризации мономеры соединяются без выделения низкомолекулярных продуктов.
• Полиэтилен образуется из этилена: nCH₂=CH₂ → [-CH₂-CH₂-]_n.
• При поликонденсации функциональные группы мономеров образуют связи с выделением воды или других небольших молекул.
• Линейное, разветвлённое и пространственное строение определяет свойства и область применения полимерного материала.