Свойства и получение полимеров

Высокомолекулярные соединения (ВМС) – это химические вещества с большой молекулярной массой и обладающие особыми свойствами.

Химия ВМС изучает вещества, молекулы которых состоят из огромного числа атомов, соединенных между собой ковалентными связями. Такие молекулы называют макромолекулами: (С₂Н₄)_n – полиэтилен; (C₆H₁₀O₅)_n – целлюлоза; (C₅H₈)_n – натуральный каучук. Высокомолекулярные соединения называют еще полимерами.

Макромолекулы большинства полимеров построены из одинаковых групп атомов. Эти одинаковые, многократно повторяющиеся группы атомов, связанные между собой ковалентными связями, называются элементарными звеньями. Элементарное звено, как правило, представляет собой остаток соответствующего мономера:

(С₂Н₄)_n – полиэтилен – элементарное звено –СН₂–СН₂–;

(C₂H₃Cl)_n – поливинилхлорид (ПВХ) – –СН₂–СНCl–;

(C₅H₈)_n – натуральный каучук (полиизопрен) –СН₂–СН=С(СН₃)–СН₂–

Поэтому для изображения полимеров используют суммарные формулы:

(–СН₂–СН₂–)_n, (–СН₂–СНCl–)_n, (–СН₂–СН=С(СН₃)–СН₂–)_n.

Высокомолекулярные соединения обладают следующими специфическими свойствами:

– более низкая скорость растворения (по сравнению с низкомолекулярными веществами);

– высокая вязкость (более высокая, чем вязкость концентрированных растворов мономеров);

– протекание процесса деформации во времени (вследствие медленного проявления упругих свойств полимерных материалов);

– гибкость цепных макромолекул, обеспечивающая постоянное изменение их конфигурации;

– зависимость свойств макромолекул от их геометрической формы (линейные макромолекулы обладают высокой прочностью и эластичностью; разветвленные полимеры обладают большей растворимостью по сравнению с линейными; сетчатые полимеры не растворяются и не плавятся без разложения).

В зависимости от порядка элементарных звеньев в цепи различают регулярные и нерегулярные полимеры. В регулярных полимерах отмечается правильно повторяющееся расположение атомов в макромолекуле; в нерегулярных – хаотичное расположение атомов. Например, натуральный каучук – это полимер изопрена – CH₂=C(CH₃)–CH=CH₂, а синтетический каучук – полимер бутадиена-1,3 (CH₂=CH–CH=CH₂).

Сополимеры – это полимеры, макромолекулярные цепи которых построены из разных элементарных звеньев, например, бутадиеннитрильный каучук получают сополимеризацией бутадиена-1,3 (CH₂=CH–CH=CH₂) с акрилонитрилом (CH₂=CH–CN).

Существуют следующие способы получения полимеров: метод полимеризации и метод поликонденсации. Полимеризация – это реакция соединения молекул мономера, протекающая за счет разрыва кратных связей и не сопровождающаяся выделением побочных низкомолекулярных продуктов. В реакцию полимеризацию вступают, главным образом, ненасыщенные соединения, у которых кратные связи находятся между атомами углерода:

n CH₂=CHCl ® [–CH₂–CHCl–]_n

винилхлорид ПВХ – поливинилхлорид

n H₂–CO ® [–CH₂–O–]_n

формальдегид полиметиленоксид

Поликонденсация – это процесс образования полимеров путем химического взаимодействия молекул мономеров, сопровождающийся выделением низкомолекулярных веществ (H₂O, NH₃, HCl, C₂H₅OH и др.):

HOOC–(CH₂)₄–COOH + HNH–(CH₂)₆–NH₂ →

адипиновая кислота гексаметилендиамин

→ HOOC–(CH₂)₄–CO–NH–(CH₂)₆–NH₂(CH₂)₆–NH₂ + H₂O

гексаметиленадипинат

По физическому состоянию все полимеры делятся на:

– текучие – необратимо меняют форму под действием даже незначительных нагрузок (например, полиизобутилен) и имеют аморфное строение;

– высокоэластичные (эластомеры) – обратимо деформируются под действием небольших нагрузок; имеют аморфное строение (каучук, резина);

– твердые – мало изменяют свою форму даже при больших нагрузках; после устранения нагрузки способны восстановить свою форму.

По отношению к воздействию тепла полимеры бывают

– термопластичными (способны размягчаться при нагревании и снова затвердевать при охлаждении, сохраняя свои свойства: растворимость, плавкость);

– термореактивными (способны размягчаться при нагревании, а при затвердевании – переходить в неплавкое и нерастворимое состояние).

Все полимеры подвергаются деструкции. Деструкция – это процесс разрушения полимеров, протекающий с разрывом связей основной макромолекулярной цепи, приводящим к понижению молекулярной массы полимера. Деструкция бывает следующих видов:

– химическая – протекает под действием химических реагентов (воды, спиртов, аммиака, кислот, щелочей и др.); например, кислотный гидролиз крахмала с образованием глюкозы:

(С₆Н₁₀О₅)_n + Н₂О + H⁺ → nC₆H₁₂O₆;

– механическая – происходит при действии механических напряжений (происходит изменение структуры и свойств полимера, связанное с разрывом макромолекулы);

– окислительная – протекает под действием окислителей, например, кислорода;

– термическая – происходит при нагревании полимеров;

– фотохимическая – происходит под действием света (l= 300 – 400 нм) и сопровождается разрывом полимерной цепи;

– радиационная – происходит под влиянием нейтронов, а также a-, b-,
g- излучения. Разрываются связи С–С, С–Н и образуются низкомолекулярные продукты;

– биологическая – протекает под действием микроорганизмов (например, нитрат целлюлозы, поливинилацетат, натуральный каучук).

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Строение атома

1. Запишите электронную конфигурацию атома ванадия в основном состоянии и все квантовые числа его неспаренных электронов. Сколько свободных d -орбиталей содержится на предпоследнем энергетическом уровне? Какие химические свойства проявляет атом ванадия?

2. Запишите электронные конфигурации атомов элементов с зарядами ядер +20 и +35. Покажите графически распределение электронов на внешних уровнях и определите химические свойства атомов этих элементов.

3. На основании электронных конфигураций атомов Са и S укажите, какой из этих элементов проявляет металлические, а какой - неметаллические свойства и почему?

4. Сколько энергетических уровней имеет атом, если для его внешних электронов
главное квантовое число n = 3? Составьте полную электронную формулу строения атома галлия, укажите строение его внешнего уровня и изобразите его электронную схему. Какими химическими свойствами обладает атом галлия?

5. Запишите электронные конфигурации ионов Сr³⁺ и S^2-. Напишите электронные уравнения процессов образования этих ионов из нейтральных атомов. Какие свойства при этом проявляют атомы Сr и S?

6. Определите, какой химический элемент содержит 32 электрона? Напишите электронную конфигурацию атома этого элемента, составьте электронную схему строения его внешнего уровня и укажите, какими химическими свойствами обладает атом этого элемента?

7. Что определяет положение Са и Вr в 4-м периоде периодической системы? Дайте объяснение, исходя из электронного строения внешних энергетических уровней атомов этих элементов. Почему Са находится во II группе, а Вr - в VII группе?

8. Запишите электронные конфигурации атома мышьяка и его иона As⁺³. Напишите электронное уравнение процесса образования этого иона из нейтрального атома. Какое свойство при этом проявляет атом мышьяка?

9. Напишите электронные конфигурации атомов элементов по указанным координатам в периодической системе: а) 3-й период, IA-группа; б) 4-й период, VA-группа. Изобразите схемы распределения электронов незавершенных подуровней. Определите химические свойства этих атомов.

10. Составьте электронные формулы атомов Аl и Мn. Выделите валентные электроны и изобразите графически их распределение по aтомным орбиталям. Какими химическими свойствами обладают атомы алюминия и марганца?

Периодический закон

11. На основании положения кремния в периодической системе элементов напишите его электронную формулу и формулы высшего оксида, гидроксида и хлорида.

12. В качестве примера назовите химические элементы, являющиеся электронными аналогами. Почему они так называются? Составьте электронные конфигурации атомов этих элементов и дайте ответ.

13. Запишите электронные конфигурации ионов Sn⁺² и Sn⁺⁴. Объясните, как соотносятся энергии ионизации у этих ионов и их радиусы?

14. Сравните химические свойства атомов элементов с порядковыми номерами 12, 13 и 16. Составьте формулы их высших оксидов и соответствующих им гидроксидов. Охарактеризуйте кислотно-основные свойства этих оксидов и гидроксидов. Как они изменяются в ряду указанных элементов?

15. Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов 3-го периода периодической системы, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяются кислотно-основные свойства этих соединений при переходе от Na к С1?

16. У какого из р-элементов V группы периодической системы – фосфора или сурьмы – сильнее выражены неметаллические свойства? Почему? Какое из водородных соединений данных элементов является более сильным восстановителем?

17. Как изменяются свойства химических элементов, простых веществ и их соединений (оксидов и гидроксидов) в главных подгруппах? Разберите на примере элементов главной подгруппы V группы.

18. Какой из атомов − хлор или йод проявляет окислительные свойства при образовании молекулы ICl из атомов? У какого из этих атомов сильнее выражена способность притягивать к себе электроны? Какие заряды (степени окисления) имеют хлор и йод в молекуле ICl?

19. Элементы кремний и титан расположены в одной группе периодической системы. Составьте электронные формулы атомов этих элементов и скажите, можно ли считать их электронными аналогами? Ответ поясните.

20. Как влияет повышение степени окисления элемента на свойства его гидроксидов? Ответьте на вопрос: какой из двух гидроксидов является более сильным основанием: СuОН или Сu(ОН)₂; Fe(OH)₂ или Fe(OH)₃?

Химическая связь

21. Составьте электронные формулы строения атомов водорода, хлора и фтора. На основании строения внешнего энергетического уровня этих атомов приведите схемы перекрывания электронных облаков при образовании молекул F₂ и НС1. Какая из этих молекул образована ковалентной полярной связью?

22. Определите количество химических связей, которое может образовывать атом селена в нормальном и возбужденном состояниях. Дайте ответ, исходя из электронной формулы и электронной схемы строения атома селена.

23. Приведите примеры молекул, в которых реализуются следующие типы химических связей: а) ковалентная неполярная; б) ковалентная полярная; в) ионная. Ответ объясните.

24. Определите максимальную валентность кислорода, фтора и серы, составив электронные схемы строения внешних энергетических уровней атомов этих элементов.

25. Определите химические свойства атома мышьяка, его валентность и возможные степени окисления в основном и возбужденном состояниях. Сколько химических связей в молекуле AsH₃?

26. Определите возможные валентности атома серы. В основном или возбужденном состоянии находятся атомы серы при образовании молекул H₂S и SO₃?

27. Как изменяются степень полярности и длина химической связи в молекулах галогеноводородов (Н–Г, где Г – Cl, Br, J) при последовательном переходе от HCI к HJ?

28. В основном или возбужденном состоянии находятся атомы фосфора и мышьяка при образовании молекул РС1₃ и РС1₅ и AsH₃ и H₃AsО₄?

29. Определите, в каком из оксидов элементов 3-го периода периодической системы связь Э–О наиболее приближается к ионной?

30. Распределите молекулы S₂, MgO, HF,CO в порядке возрастания полярности связи. Ответ подтвердите расчетом.