Полимери — урок по химия

1. Мономери и полимери

О

Полимер, мономер, звено

Полимерът е вещество от макромолекули – много дълги молекули, изградени от повтарящи се еднакви части. Малката молекула, от която се получава полимерът, е мономер. Частта, която се повтаря във веригата, е повтарящо се (структурно) звено, а броят на звената

n

е степента на полимеризация:

n = \frac{M(\text{полимер})}{M(\text{звено})}

.

Полимерът се записва със звеното в скоби и индекс $n$ . Например от етена се получава полиетилен:

n→[]_n

Истинските вериги имат от стотици до стотици хиляди звена. Краищата им са други групи, но при толкова дълга верига те почти не влияят на масата и състава. Затова масовите части на елементите в полимера са същите като в звеното, а е $M = n \cdot M_{\text{звено}}$ .

Пример

Поливинилхлоридът в една тръба има средна моларна маса 125 000 g/mol. Каква е степента на полимеризация?

Звеното е $\mathrm{C_2H_3Cl}$ : $M = 2 \cdot 12 + 3 \cdot 1 + 35{,}5 = 62{,}5\ \mathrm{g/mol}$
$n = \frac{125\,000}{62{,}5} = 2000$

2. Присъединителна полимеризация

Т

Полимеризация (присъединяване)

Мономери с двойна връзка

\mathrm{C{=}C}

се свързват един за друг: във всеки мономер едната от двете връзки се „отваря“ и образува връзка със съседа. Друго вещество не се отделя, затова звеното има същия състав като мономера:

n\,\mathrm{CH_2{=}CHX} \to [\mathrm{-CH_2{-}CHX-}]_n

.

Всички мономери в таблицата приличат на етен, в който водородни атоми са заменени с други – различават се само по заместителя $\mathrm{X}$ . Затова и свойствата на полимерите са различни: хлорът прави PVC твърд и трудно запалим, флуорът прави тефлона химически почти неуязвим, а бензеновият пръстен – полистирена твърд и чуплив. Повече за има в урока Въглеводороди, а как точно растат веригите (чрез радикали) – в Механизми на органичните реакции.

Полимер	Мономер	Употреба
полиетилен (PE)	етен	торбички, фолио, бутилки
полипропилен (PP)	пропен	капачки, кутии, влакна
поливинилхлорид (PVC)	винилхлорид	тръби, дограма, кабели
полистирен (PS)	стирен	чашки, стиропор
тефлон (PTFE)	тетрафлуороетен	тигани, уплътнения
плексиглас (PMMA)	метилметакрилат	прозрачни прегради, лещи

Таблицата е със скелетни формули: всеки връх е въглероден атом, а водородите при него не се пишат. Двете линии, които излизат извън звеното, са връзките към съседните звена.

звена3степен n1000

мономер:C₂H₄, M = 28 g/molзвено:28 g/molM(полимер) = n · M(звено) =28 000 g/mol

полиетилен (PE): торбички, фолио, бутилки за мляко.

💡 При присъединителната полимеризация двойната връзка C=C се „отваря“ и мономерите се свързват един за друг. Друго вещество не се отделя, затова звеното има същия състав и същата моларна маса като мономера. Краищата на истинската верига са други групи, но при хиляди звена масата им е пренебрежимо малка.

3. Поликондензация

Т

Поликондензация

Мономери с по две функционални групи (например

-\mathrm{COOH}

,

-\mathrm{OH}

,

-\mathrm{NH_2}

) реагират помежду си и при всяка нова връзка се отделя малка молекула – най-често вода. Затова звеното е по-леко от сбора на мономерите. Връзките във веригата са естерни (

-\mathrm{CO{-}O}-

, полиестери) или амидни (

-\mathrm{CO{-}NH}-

, полиамиди).

Така се получават найлонът (1935 г., Уолъс Каротърс) и PET – от него са бутилките за вода и полиестерните влакна. Реакциите са същите като образуването на и от урока Функционални групи, само че повторени хиляди пъти: всеки мономер има по две „ръце“ и веригата може да расте и от двата края.

звеното на PET – естерните кислородни атоми са оцветени

Пример

Колко молекули вода се отделят при образуването на една верига найлон-6,6 от 500 звена?

Всяко звено съдържа една молекула диамин и една молекула киселина – общо 1000 мономера в редица.
Между 1000 мономера има 999 връзки – по една отделена молекула вода на връзка: $2n - 1 = 999$ .

брой звена n100

мономери:22 800 gвода:199 mol = 3582 gполимер:19 218 g

22 800 g = 19 218 g + 3582 g – масата се запазва. полиетилентерефталат (полиестер): бутилки за напитки, полиестерни влакна.

💡 Сметката е за n мола от всеки мономер, т.е. за 1 mol вериги с по n звена. При поликондензацията функционалните групи на съседни мономери реагират: киселината губи −OH (подчертаната група), а алкохолът или аминът – по един H. Така се отделя вода и звеното е по-леко от сбора на мономерите, а веригата има краища H− и −OH.

Ако мономерът има три , веригите се свързват помежду си в пространствена мрежа. Така е получен първият изцяло синтетичен пластмасов материал – бакелитът (1907 г.) от и формалдехид, от който са правели телефони и електрически ключове.

4. Средна моларна маса

В една проба полимер веригите никога не са еднакво дълги – растат и спират на случаен принцип. Затова моларната маса на полимера е средна стойност, а начините за осредняване са два.

О

Среднобройна и средномасова моларна маса

Ако пробата съдържа

n_i

мола вериги с моларна маса

M_i

: среднобройната е

M_n = \frac{\sum n_i M_i}{\sum n_i}

(обикновената средна стойност), а средномасовата –

M_w = \frac{\sum n_i M_i^2}{\sum n_i M_i}

(по-тежко тежат дългите вериги). Винаги

M_w \ge M_n

, а

\text{Đ} = \frac{M_w}{M_n}

(дисперсност) показва колко различни са веригите; при еднакви вериги

\text{Đ} = 1

.

Пример

Проба съдържа 1 mol вериги с M = 10 000 и 1 mol вериги с M = 30 000 g/mol. Намерете $M_n$ , $M_w$ и $\text{Đ}$ .

$M_n = \frac{10\,000 + 30\,000}{2} = 20\,000\ \mathrm{g/mol}$
$M_w = \frac{10\,000^2 + 30\,000^2}{10\,000 + 30\,000} = 25\,000\ \mathrm{g/mol}$
$\text{Đ} = \frac{25\,000}{20\,000} = 1{,}25$

5. Строеж и свойства

Свойствата на полимера зависят не само от звеното, а и от това как са подредени веригите. Полиетиленът с ниска плътност (LDPE) има много разклонения – веригите не могат да се подредят плътно и материалът е мек (торбички, фолио). Полиетиленът с висока плътност (HDPE) е почти неразклонен – веригите се подреждат в кристални области и той е по-твърд и по-плътен (шишета, щайги).

Термопласти

Линейни или разклонени вериги, държани от . При нагряване се размекват и могат да се претопяват и формоват отново: PE, PP, PVC, PS, PET.

Реактопласти

Веригите са свързани с ковалентни връзки в пространствена мрежа. При нагряване не се размекват, а се разлагат: бакелит, епоксидни смоли, втвърдени лакове.

О

Каучук и вулканизация

Естественият каучук е полиизопрен

[\mathrm{-CH_2{-}C(CH_3){=}CH{-}CH_2-}]_n

– мек и лепкав, на студено става чуплив. При вулканизация го нагряват със сяра (няколко процента): между веригите се образуват серни мостове

-\mathrm{S_x}-

и се получава еластична гума. С много сяра (около 30%) мрежата става гъста и се получава твърд ебонит.

Чарлз Гудиър открива вулканизацията през 1839 г. – по собствения му разказ, след като смес от каучук и сяра попада върху горещата печка. Почти всички гуми днес са вулканизирани.

6. Природни полимери

Природата прави полимери много преди химиците. Нишестето и целулозата са вериги от глюкоза – и двете с формула $(\mathrm{C_6H_{10}O_5})_n$ , но с различно свързване: нишестето е запас от храна, а целулозата е здравият материал на растенията (памук, дърво, хартия). Белтъците са полиамиди от , а ДНК е полимер от . Повече – в урока Химия на живота.

глюкоза – мономерът на нишестето и целулозата

глицин – най-простата аминокиселина

7. Пластмасите и околната среда

Повечето пластмаси не се разлагат в природата с десетилетия. На опаковките има триъгълник от стрелки с цифра – кодът показва от какъв полимер е изделието и помага при разделянето за рециклиране.

Код	Означение	Полимер	Примери
1	PET	полиетилентерефталат	бутилки за напитки
2	HDPE	полиетилен с висока плътност	шишета за мляко и препарати
3	PVC	поливинилхлорид	тръби, дограма
4	LDPE	полиетилен с ниска плътност	торбички, фолио
5	PP	полипропилен	капачки, кутии за храна
6	PS	полистирен	чашки, стиропор
7	O (други)	всички останали и смеси	поликарбонат, PLA, многослойни опаковки

Смлените пластмаси се разделят по – едни плуват, други потъват. Опитай сам:

ρ, g/cm³1

плуват:HDPE (0,95), LDPE (0,92), PP (0,90)потъват:PET (1,38), PVC (1,40), PS (1,05)

Парче плува, когато плътността му е по-малка от тази на течността, и потъва, когато е по-голяма.

💡 В заводите за рециклиране смлените пластмаси се разделят точно така – във вани с вода или солеви разтвори. Полиолефините (PE и PP) плуват във вода, а PET и PVC потъват дори в наситен разтвор на сол. Плътностите са типични стойности; пълнители, пяна и оцветители ги променят.

Пластмасата, която попада в природата, се раздробява от слънцето и вълните на все по-малки частици. Частиците под 5 mm наричат микропластмаса; откриват ги в моретата, почвата и дори във въздуха. Доколко вредят на организмите, още се изследва. Полимлечната (PLA) се получава от царевично нишесте и се смята за биоразградима – но бързо се разгражда главно в промишлени компостиращи инсталации при около 60 °C, а не в градинския компост или в морето.

8. Тренажор

Степен на полимеризация, моларна маса на полимер, на елемент, вода при поликондензация и среднобройна моларна маса. Десетичните отговори въвеждай като 5,6.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

\text{PTFE}:\ n = 500

Каква е моларната маса на полимера в g/mol? (мономер – тетрафлуороетен)

9. Полимерите около нас

Торбички, бутилки, тигани и чаши – сметките с полимери са навсякъде около нас.

0 / 6

🛍️ Найлонова торбичка

Торбичка от полиетилен тежи 5 g. Колко мола етен са били нужни, за да се получи? Колко молекули етен е това?

🧴 Бутилка от PET

Бутилка от PET тежи 25 g. Звеното на PET е $\mathrm{C_{10}H_8O_4}$ (192 g/mol) и се получава от терефталова киселина и етиленгликол $\mathrm{C_2H_6O_2}$ с отделяне на 2 молекули вода. Колко грама етиленгликол и колко грама вода участват?

🔥 Защо PVC не се гори

При изгаряне целият хлор от поливинилхлорида преминава в хлороводород HCl. Колко грама HCl се получават от 1 kg PVC?

🍳 Тефлоновият тиган

Средната моларна маса на тефлона (PTFE) в едно покритие е $1{,}0 \cdot 10^6\ \mathrm{g/mol}$ . Каква е средната степен на полимеризация?

🌽 Чаша от PLA

Чаша от полимлечна киселина (PLA) тежи 10 g. Звеното е $\mathrm{C_3H_4O_2}$ (72 g/mol), а мономерът – млечна киселина $\mathrm{C_3H_6O_3}$ (90 g/mol). Колко грама млечна киселина са нужни при пълно превръщане?

⚖️ Две партиди полиетилен

Смесват равни маси полиетилен с $M = 20\,000$ и с $M = 80\,000\ \mathrm{g/mol}$ . Каква е среднобройната $M_n$ и средномасовата $M_w$ моларна маса на сместа?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

10. ⚠️ Чести грешки

Мономер с единична връзка

✗ Етанът $\displaystyle \mathrm{C_2H_6}$ полимеризира като етена.

✓ За присъединяване е нужна двойна връзка $\displaystyle \mathrm{C{=}C}$ ; етанът няма такава.

Звеното при поликондензация

✗ Звеното на PET е сбор от двата мономера.

✓ От звеното са излезли 2 молекули вода: $\displaystyle 166 + 62 - 36 = 192\ \mathrm{g/mol}$ .

Двойната връзка в полимера

✗ В полиетилена има двойни връзки $\displaystyle \mathrm{C{=}C}$ .

✓ Двойните връзки се „отварят“ – полиетиленът е наситен, като дълъг алкан.

Моларна маса на полимер

✗ Полимерът има точна моларна маса.

✓ Веригите са различни по дължина – дава се средна стойност ( $\displaystyle M_n$ или $\displaystyle M_w$ ).

Биоразградим = изчезва навсякъде

✗ Чаша от PLA изгнива в морето за месец.

✓ PLA се разгражда бързо главно при промишлено компостиране, около 60 °C.

Термопласт и реактопласт

✗ Всички пластмаси могат да се претопят.

✓ Реактопластите (бакелит, епоксиди) имат мрежа от ковалентни връзки и се разлагат при нагряване.

11. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

Кой мономер дава поливинилхлорид?

Избери отговор (или натисни 1–4)

12. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

13. Обобщение

✓ Полимерът е изграден от макромолекули с повтарящи се звена; степента на полимеризация е $n = M(\text{полимер})/M(\text{звено})$
✓ Присъединителна полимеризация: мономери с $\mathrm{C{=}C}$ , без странични продукти – PE, PP, PVC, PS, PTFE
✓ Поликондензация: мономери с по две функционални групи, отделя се вода – полиестери (PET) и полиамиди (найлон)
✓ Моларната маса на полимера е средна: $M_n$ , $M_w \ge M_n$ , дисперсност $\text{Đ} = M_w/M_n$
✓ Термопластите се размекват при нагряване; реактопластите и вулканизираният каучук имат мрежа от ковалентни връзки
✓ Нишестето, целулозата и са природни полимери
✓ Кодовете 1–7 показват вида на пластмасата; PE и PP плуват във вода, PET и PVC потъват

💡 Интересен факт

Тефлонът е открит случайно. През 1938 г. Рой Планкет от DuPont отваря бутилка с газ тетрафлуороетен, но от нея не излиза нищо – а бутилката тежи колкото пълна. Когато я разрязват, вътре намират бял хлъзгав прах: газът сам е полимеризирал. Новото вещество не реагира почти с нищо и нищо не залепва за него.