Общие понятия о синтетических высокомолекулярных соединениях

Полиэтилен (—СН₂—СН₂—)_n — твёрдое вещество, в тонком слое бесцветное, прозрачное, жирное на ощупь, напоминает парафин, легче воды. По химическим свойствам полиэтилен схож с предельными углеводородами: на него не действуют концентрированные серная и соляная кислоты и щёлочи, однако азотная кислота его разрушает. Выброшенные полиэтиленовые пакеты, бутылки и другая тара не утилизируются в природе, а загрязняют её. Полиэтилен горит голубым слабо светящимся пламенем. Он обладает термопластичностью.

Различают полиэтилен двух видов: полиэтилен низкого давления и полиэтилен высокого давления. Способ получения полимера влияет на физико-технические свойства. Полиэтилен высокого давления имеет плотность, равную 0,92-0,93 г/см³, температуру размягчения 110-125 °С, а полиэтилен низкого давления имеет плотность 0,94-0,97 г/см³, температуру размягчения 130-140 °С. Молекулярная масса первого полиэтилена — 18 000-45 000, в нём отсутствует строгая линейность. Молекулярная масса второго — около 300 000, и его макромолекулы имеют мало ответвлений; следовательно, межмолекулярные силы взаимодействия в нём выше, гибкость макромолекул больше, поэтом)- полиэтилен низкого давления более прочен механически. Полиэтилен — нетоксичный материал, поэтому из него изготавливают изделия домашнего обихода. Благодаря своим ценным качествам полиэтилен широко применяется в качестве хорошего диэлектрика, например при изготовлении кабелей для радиоэлектронных и телевизионных устройств. По причине высокой реакционной устойчивости его используют для изготовления труб, антикоррозийных покрытий, емкостей.

Давайте познакомимся со свойствами полиэтилена практически.

Лабораторные опыты

1. Поместите кусочек полиэтилена в стакан с водой. Что вы наблюдаете?

2. Кусочек полиэтилена положите на металлическую пластинку и с помощью спиртовки и тигельных щипцов нагрейте его на огне. Затем стеклянной палочкой осторожно измените форму полиэтилена и дайте остыть образцу. Изменится ли при этом форма?

3. Кусочек полиэтилена с помощью тигельных щипцов внесите в пламя. Что вы наблюдаете?

4. С помощью стеклянной палочки попытайтесь вытянуть нити из расплавленного полиэтилена. Что вы наблюдаете?

5. Проверьте, обесцвечивает ли полиэтилен бромную воду и раствор перманганата калия, для чего в пробирки с этими растворами поместите кусочки полиэтилена и слегка подогрейте их. Что вы наблюдаете? Сделайте выводы о свойствах полиэтилена.

Полипропилен — твёрдое, жирное на ощупь вещество белого цвета, легче воды, плотность его равна 0,92 г/см³. Молекулярная масса полипропилена составляет 80 000-200 000. Полипропилен отличается от полиэтилена более высокой температурой размягчения — 160-170 °С и большей механической прочностью. По химическим свойствам они схожи.

Полиэтилен и полипропилен обладают хорошими электроизоляционными и газо-, водонепроницаемыми свойствами, поэтому их используют в качестве электроизоляционного, газо- и водонепроницаемого материала, для изготовления аппаратуры, труб, различных ёмкостей, деталей. В тонком слое полиэтилен и полипропилен пропускают ультрафиолетовые лучи, поэтому из них производят плёнку, которую используют в парниках, теплицах.

Полистирол — аморфный полимер, имеет линейную структуру. Это твёрдый полимер, прозрачный, плотность его равна 1,05-1,07 г/см³. Молекулярная масса от 50 000 до 300 000. Термопластичен. Размягчается при температуре 80-150 °С, легко растворяется в органических растворителях, поэтому изделия из него можно склеивать. Устойчив к кислотам и щелочам. При температуре 315 °С полистирол легко деполимеризуется, при этом образуется исходный мономер — стирол.

Демонстрационный опыт. В большую пробирку поместим немного полистирола в виде крошки, закроем пробирку пробкой, в которую вставлена газоотводная трубка с длинным концом (в качестве холодильника). Конец газоотводной трубки опустим в другую пробирку, которая должна быть помещена в химический стакан, заполненный холодной водой. Осторожно нагреваем пробирку с полистиролом до тех пор, пока не заметим, что в пробирке-приёмнике собралось немного жидкости. Опишите физические свойства полученной жидкости. Проверьте с помощью раствора перманганата калия, к каким углеводородам относится стирол.

Применение полистирола очень разнообразно — от плёнки в электрических конденсаторах толщиной 0,02 мм до толстых плит из пенополистирола. Полистирол обладает высокими электроизоляционными свойствами, поэтому его применяют в радиотехнике, на телевидении. Полистирол можно вспенивать газами. При этом образуется пенополистирол, который обладает тепло- и звукоизоляционными свойствами, поэтому его используют в строительстве. Полистирол является нетоксичным полимером, из него изготавливают различную посуду.
Фенолоформальдегидные пластмассы (фенопласты). Основой этих пластмасс является фенолоформальдегидная смола, которую получают реакцией поликонденсации. В реакцию вступают мономеры фенол и формальдегид в присутствии катализатора (кислоты или щёлочи):

В результате этой реакции образуются высокомолекулярное соединение — феноло- формальдегидная смола и низкомолекулярное вещество — вода. В данной реакции участвуют атомы водорода молекулы фенола, находящиеся в положениях 2 и 6. В кислой среде при небольшом избытке фенола образуются новолаки — низкомолекулярные смолы линейного строения. При взаимодействии фенола и фенолформальдегида, взятых в равных количествах или при избытке формальдегида, образуется резол, который напоминает по структуре новолак, однако некоторые из его бензольных колец содержат группы СН₂ОН. Резолы с небольшой молекулярной массой (800-1000) растворимы в спирте, ацетоне. Такие растворы используются в качестве клеёв (БФ-2, БФ-6), лаков, герметиков. К резольной смоле добавляют наполнители (древесную муку, стекловолокно и др.), пластификатор, антиокислители и всю эту смесь нагревают. При повышенной температуре реакция поликонденсации продолжается и во взаимодействие вступает атом водорода фенола, находящийся в положении 4. Линейные макромолекулы «сшиваются» между собой метиленовыми группами от формальдегида. Полимер приобретает пространственную структуру.
Резольная смола превращается в резит. Этот полимер при повышенной температуре разлагается, не размягчаясь.
Фенопласты нашли широкое применение, так как они прочные, износоустойчивые и коррозийно-устойчивы, хорошие электроизоляторы. Из них изготавливают шарики подшипников и шестерни для машин, выдерживающие большие нагрузки, тормозные накладки для автомашин и мотоциклов, ступени для эскалаторов, телефонные аппараты, их широко используют в радио- и электротехнике.
Полиметилметакрилат (органическое стекло, оргстекло, плексиглас) — твёрдое, бесцветное, прозрачное и светостойкое вещество, пропускает 74% ультрафиолетового излучения, не разбивается при ударе, легко обрабатывается механическими способами, склеивается. Полимер имеет линейную структуру, термопластичен. Получают его радикальной полимеризацией метилового эфира метакриловой кислоты в присутствии инициатора:

Задание. Запишите уравнение реакции получения метилового эфира метакриловой кислоты Как называется эта реакция?

Полиметилметакрилат применяется для остекления самолётов, судов, автомобилей, используется для производства светотехнических изделий, часовых и оптических стёкол, увеличительных стекол, зубных протезов, пломб, медицинских приборов, в качестве материалов для лазерной техники и т. д. Полиметилметакрилат можно окрашивать во все цвета.

Сегодня нет ни одной отрасли хозяйства, где бы не использовались пластмассы. Они настолько вошли в нашу жизнь, что мы не можем без них обойтись. Пластмассы с успехом заменяют многие материалы, в том числе и металлы. Однако производство пластмасс в ряде случаев вызывает экологические проблемы. Они не подвергаются распаду в природе и поэтому загрязняют почву, водоёмы. Вокруг больших городов образуются горы синтетического мусора. В течение года людьми выбрасывается более 500 млн т различных отходов, четвёртая часть их — полимеры. В настоящее время остро стоит вопрос о переработке отходов из полимерных материалов — полиэтилена, полипропилена, полихлорвинила.

Основные понятия

Полимеризация • Поликонденсация • Стереорегулярное строение • Линейное, разветвлённое, пространственное строение • Гибкость полимеров • Термопластичность • Термореактивность • Пластмассы • Полиэтилен • Полипропилен • Полистирол • Фенолоформальдегидные пластмассы • Полиметилакрилат

Вопросы и задания

1. Какими общими физическими свойствами обладают полимеры? Почему полимеры не имеют постоянной температуры кипения?

2. Приведите примеры термопластичных и термореактивных полимеров. В чём их основное различие? Какова причина этого различия?

3. Как объяснить высокую прочность линейных полимеров?

4. Почему полиэтилен и полипропилен можно назвать предельными высокомолекулярными углеводородами?

5. Из каких полимеров были изготовлены пуговицы, если при соприкосновении с нагретым утюгом их поверхность деформировалась? Выберите правильный ответ:

а) полиэтилен; б) фенолоформальдегидная смола; в) тефлон.

6. Почему отходы от термопластичных полимеров (брак) можно отправлять на вторичную переработку, а отходы от термореактивных полимеров — нет? Дайте обоснованный ответ.

7. Рассчитайте массу полиэтилена, которую можно получить из 89,6 л этилена (н. у.), если выход составляет 50 % от теоретического. Выберите правильный ответ:

а) 0,56 г; б) 56 г; в) 56 кг; г) 5,6 кг.

8. Подготовьте реферат на тему «Экологические проблемы, возникающие в связи с производством синтетических полимеров».

<<< К началу параграфа