Что такое структурное звено в химии
Что такое структурное звено в химии
Для характеристики высокомолекулярных соединений необходимо рассмотреть следующие основные структурные понятия.
Мономер
Мономеры — низкомолекулярные вещества, из которых образуются молекулы полимеров.
Молекулы полимеров являются макромолекулами.
Например, пропилен СН2=СH–CH3 является мономером полипропилена:
а такие соединения, как α-аминокислоты, служат мономерами при синтезе природных полимеров – белков (полипептидов):
Полимер, макромолекула
Высокомолекулярные вещества, состоящие из больших молекул цепного строения, называются полимерами (от греч. «поли» — много, «мерос» — часть).
Например, полиэтилен, получаемый при полимеризации этилена CH2=CH2:
Молекула полимера называется макромолекулой (от греч. «макрос» — большой, длинный).
Молекулярная масса макромолекул достигает десятков — сотен тысяч (и даже миллионов) атомных единиц массы.
Структурное звено полимера (мономерное звено)
Группа атомов, многократно повторяющаяся в цепной макромолекуле, называется ее структурным звеном.
поливинилхлорид
В формуле макромолекулы это звeно обычно выделяют скобками:
По строению структурного звeна макромолекулы можно сказать о том, какой мономер использован в синтезе данного полимера и, наоборот, зная формулу мономера, нетрудно представить строение структурного звeна.
Строение структурного звена соответствует строению исходного мономера, поэтому его называют также мономерным звеном.
Степень полимеризации
Степень полимеризации (n)
— число, которое показывает, сколько молекул мономеров соединяются в макромолекулу полимера.
В формуле макромолекулы степень полимеризации обычно обозначается индексом «n» за скобками, включающими в себя структурное (мономерное) звено:
n >> 1
Молекулярная масса макромолекулы и полимера
Молекулярная масса макромолекулы связана со степенью полимеризации соотношением:
М(макромолекулы) = M (звена) × n,
Для полимера, состоящего из множества макромолекул, понятие молекулярная масса и степень полимеризации имеют несколько иной смысл. Дело в том, что когда в ходе реакции образуется полимер, то в каждую макромолекулу входит не строго постоянное число молекул мономера. Это зависит от того, в какой момент прекратится рост полимерной цепи.
Поэтому в одних макромолекулах мономерных звеньев больше, а в других — меньше. То есть, образуются макромолекулы с разной степенью полимеризации и, соответственно, с разной молекулярной массой (так называемые полимергомологи).
Следовательно, молекулярная масса и степень полимеризации полимера являются средними величинами:
Mср(полимера) = M (звена) × nср
Геометрическая форма макромолекул
Геометрическая форма макромолекулы — пространственная структура макромолекулы в целом.
В зависимости от строения углеродной цепи, различают линейные (неразветвленные), разветвленные и пространственные (сетчатые, сшитые) полимеры.
Линейная форма (структурные звенья соединены в длинные цепи последовательно одно за другим) — натуральный каучук, целлюлоза, амилоза (составная часть крахмала), поливиниловый спирт, полистирол, полиэтилен низкого давления, капрон, найлон и др. полимеры:
Разветвленная форма (макромолекулы разветвленных полимеров – это длинные цепи с короткими боковыми ответвлениями) — полиэтилен высокого давления, амилопектин (компонент крахмала):
Пространственная форма (сетчатая, сшитая), при которой длинные линейные молекулы соединены между собой поперечными химическими связями – шерсть, вулканизованный каучук (резина), фенолформальдегидные смолы:
В сетчатых полимерах различные углеродные цепи «сшиты» между собой, и вещество представляет собой одну гигантскую молекулу.
Геометрическая форма макромолекул в значительной степени влияет на свойства полимеров.
Что такое структурное звено в химии
Химия
4.2.4. Высокомолекулярные соединения. Реакции полимеризации и поликонденсации. Полимеры. Пластмассы, волокна, каучуки
Полимеры. Реакции полимеризации и поликонденсации
Полимеры или высокомолекулярные соединения (ВМС) – это химические вещества, молекулы которых имеют большую молекулярную массу и состоят из большого числа повторяющихся структурных фрагментов. Эти фрагменты называют элементарным звеном полимера.
Полимер образуется путем последовательного присоединения (полимеризации) малых молекул, называемых мономерами.
Мономер – низкомолекулярное вещество, из которого получают полимер.
Структурное звено (элементарное звено) – многократно повторяющаяся в макромолекуле группа атомов. Молекула мономера и структурное звено одинаковы по составу, но имеют различное строение. Рассмотрим получение полиэтилена из этилена:
В приведенном примере в молекуле мономера присутствует двойная связь, в структурном звене полиэтилена её нет.
Число n, показывающее, сколько молекул мономера соединяется в макромолекулу полимера, называют степенью полимеризации. Другими словами, степень полимеризации – это число элементарных звеньев в макромолекуле полимера. Молекулярная масса полимеров иногда достигает нескольких миллионов. Молекулы полимеров называются макромолекулами (от греческого makrós – большой, длинный).
Полимер, полученный из одинаковых мономеров, называется гомополимером. К гомополимерам относятся полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, тефлон и др. Гомополимеры получают реакцией полимеризации:
Полимер, полученный из двух различных мономеров, называется сополимером или гетерополимером. Так бутадиен-стирольный каучук получают реакцией сополимеризации 1,3-дивинила и стирола:
Мы используем в быту огромное количество полимеров: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, тефлон и другие.
Простейшим способом получения полимеров является полимеризация.Реакция полимеризации – это процесс, в котором мономеры последовательно присоединяются друг к другу до образования длинной цепи. При полимеризации не выделяется никаких побочных веществ. Реакция полимеризации может инициироваться катионами, анионами, радикалами и металлоорганическими соединениями.
Реакция поликонденсации – это реакция получения полимера, протекающая с выделением побочных низкомолекулярных продуктов, таких как вода, аммиак, галогеноводороды. Например, реакция поликонденсации фенола с формальдегидом:
§ 7. Полимеры (окончание)
Не менее распространён и такой важный для литосферы полимер, как оксид алюминия. Чаще всего оба эти полимера образуют минералы, имеющие общее название алюмосиликаты. К ним относятся, например, белая глина (каолин), полевые пшаты, слюда (рис. 48).
Почти все минералы и горные породы представляют собой природные полимеры.
Среди неорганических полимеров встречаются и волокна.
К минеральным волокнам (рис. 49, а) относят асбест, издавна известный на Руси под названием «горный лён». Из него на предприятиях хозяина «Каменного пояса» (так нередко называли Уральские горы), промышленника и предпринимателя П. Н. Демидова изготавливали несгораемое бельё, которое тот в качестве экзотических презентов дарил знатным людям, в том числе и императрице Екатерине Великой.
Асбест в наши дни используют для производства тепло- и огнезащитных химически стойких и других технических изделий и тканей (рис. 49, б).
На этом материале вы смогли убедиться, что химия полимеров — это универсальная химическая категория, а её понятия: «мономер», «полимер», «структурное звено», «степень полимеризации» (вспомните, что это такое) — одинаково применимы как в органической химии, так и в неорганической.
1. Что такое полимер, мономер, структурное звено, степень полимеризации? При ответе используйте знания, полученные из курса органической химии.
2. Какие биополимеры вы знаете? Охарактеризуйте их с использованием понятий, перечисленных в первом вопросе.
3. Вспомните из курса органической химии особенности строения, свойств и применения крахмала и целлюлозы. Сравните их.
4. Что такое пластмассы? На какие группы их делят: а) по отношению к нагреванию; б) по происхождению; в) по типу реакции, с помощью которой получают полимер?
5. Вспомните, что такое полимеризация и поликонденсация. Сравните их. Приведите примеры. При ответе на этот вопрос используйте знания как по органической химии, так и по общей биологии.
6. Что такое волокна? На какие группы их делят? Приведите примеры и расскажите о значении конкретных представителей каждой группы.
7. Запишите уравнение реакции полимеризации вещества, выделяемого тропическим жуком в случае опасности.
8. Подготовьте сообщение на тему «Синтетические полимерные материалы и их роль в современной технике», используя ЦОРы и различные источники информации.
9. Подготовьте сообщение по материалам таблицы, приведённой в параграфе, о роли термопластов и термореакто- пластов в жизни современного общества.
10. Какие неорганические полимеры вам известны? Что общего в их строении? Какую роль они играют в неживой природе?
Поясните, что такое «структурное звено» и «степень полимеризации»
23. Поясните, что такое «структурное звено» и «степень полимеризации».
24. На конкретном примере покажите возможность образования полимера со стереорегулярным и стереонерегулярным строением.
Ответ. При полимеризации пропилена получают полипропилен:
25. Охарактеризуйте процесс получения полиэтилена и полипропилена в промышленности. Составьте уравнения соответствующих реакций:
проводят при комнатной температуре и атмосферном давлении с катализаторами Al(C2H5)3 и TiCl4
26. Опишите свойства полиэтилена, полипропилена и тефлона. Где они применяются?
Полипропилен (-CH2-CH-)n по свойствам похож на полиэтилен, но
плавится при более высокой температуре и механически более прочен. Из него изготавливают трубы, канаты, рыболовные сети.
Тефлон или политетрафторэтилен (-CF2-CF2-)n –термостойкое и химически чрезвычайно инертное вещество. По химической устойчивости он превосходит благородные металлы. Его используют для изготовления деталей аппаратов, работающих в агрессивных средах.
27. Составьте уравнения реакций, в которых образуются поливинилхлорид, полистирол, полиметилметакрилат. Где применяются эти полимеры?
поливинилхлорид применяется для изготовления искусственной кожи, труб, изоляционных материалов.
Полистирол применяется для изготовления труб, изоляционных материалов и пенопластов.
Из полиметилметакрилата изготовляют очень прочное органическое стекло.
28. На конкретных примерах поясните, чем отличаются реакции поликонденсации от реакций полимеризации.
Ответ. При полимеризации происходит реакция соединения молекул мономера в молекулу полимера:
При поликонденсации реакция соединения сопровождается выделением низкомолекулярного продукта, например воды:
29. В чем сущность процесса образования фенолформальдегидной смолы? Какие фенопласты из нее получают?
30. Какие полимеры называют термопластическими, а какие – термореактивными? Приведите примеры.
Ответ. Термопластические полимеры при нагревании размягчаются и изменяют форму, которую сохраняют после охлаждения. К ним относятся полиэтилен и полипропилен. Термореактивные полимеры при нагревании не плавятся и не размягчаются. К ним относятся фенопласты.
31. Поясните, кем и когда впервые в мире был разработан метод производства каучука. Составьте уравнения.
Ответ. Первый синтетический каучук был получен из бутадиена по методу С.В. Лебедева в 1932 г.
32. Для получения бутадиеного и дивинилового каучуков используется один и тот же мономер. Поясните, почему эти каучуки отличаются по своим свойствам?
Ответ. Дивиниловый каучук имеет стереорегулярное строение, поэтому он по эластичности превосходит природный каучук. Бутадиеновый каучук имеет нерегулярное строение, поэтому он менее эластичен, чем природный каучук.
33. Составьте уравнение образования хлоропренового каучука из 2-хлор-1,3-бутадиена.
34. Охарактеризуйте известного вам синтетического каучука и поясните, для каких технических целей они применяются?
Ответ. 1) Бутадиеновый каучук – это полибутадиен с нерегулярным строением. Он применяется для производства кабелей и бытовых предметов.
2). Дивиниловый каучук – это полибутадиен с регулярным строением, он имеет высокую износостойкость и эластичность. Применяется в производстве шин.
35. Чем отличается каучук от резины?
Ответ. Резина – это продукт реакции каучука с серой. Она обладает значительно большей прочностью, но меньшей эластичностью, чем каучук.
36. Какие условия следует соблюдать при долгом хранении автокамер, шин, резиновых трубопроводов и других изделий? Почему?
Ответ. Резину нельзя хранить при очень низкой температуре, т.к. это приведет к частичной кристаллизации каучука и потере и при высокой температуре, поскольку при этом разрушаются сульфидные мостики между полиизопреновыми цепями и также ухудшаются механические свойства резины.
37. Какие основные виды волокон вам известны? Приведите примеры.
Ответ. Основные виды волокон природные, искусственные и синтетические. Пример природного волокна – хлопок (C6H10O5)n, пример искусственного ацетатное волокно [C6H7O2(OCOH3)3]n. Синтетического волокна например, капрон [-NH-(CH2)5-CО-]n
38. Чем отличаются искусственные волокна от синтетических? Приведите примеры.
Ответ. Искусственные волокна получают путем химической модификации природных веществ. Например, ацетатное волокно
[C6H7O2(OCOCH3)3]n получают в синтеза без использования природных соединений.
39. Назовите наиболее известное вам полиамидное волокно. Охарактеризуйте свойства и получение этого волокна.
Ответ. Самое известное полиамидное волокно – капрон
Его получают поликонденсацией 6-аминогенсановой кислоты, образующейся при гидролизе капролактама. Капрон обладает высокой прочностью, однако разрушающиеся кислотами и не выдерживает высоких температур.
40. Составьте уравнение реакции окисления n-ксилола. Для каких целей используется продукт реакции?
Продукт реакции – терефталевая кислота используется для получения синтетического волокна лавсана.
41. По какому признаку лавсан относят к полиэфирным волокнам?
Ответ. Лавсан (полиэтилентерефталат), образуется при поликонденсации сложного эфира этиленгликоля и терефталевой кислоты. В молекулах лавсана есть сложноэфирные связи –O-CO-, поэтому лавсан относят к полиэфирным волокнам.
42. Каковы характерные свойства лавсана? Где его применяют?
Ответ. Лавсан обладает высокой прочностью и хорошей химической стойкостью. Его применяют для изготовления не мнущихся тканей, производства ремней, парусов, транспортных лент.
43. Углеводородное сырье (нефть, каменный уголь, природный газ) является источником для синтеза полиэтилена, фенопластов.
Приведите уравнения соответствующих реакций.
Ответ. Полиэтилен можно синтезировать из природного газа:
Фенопласты получают из фенола и формальдегида:
Необходимый для этого фенол выделяют из каменноугольной смолы, который получают каменного угля. Формальдегид получают окислением метана:CH4+O2→H2C=O+H2O
44. Приведите примеры природных волокон растительного и животного происхождения. Каковы некоторые недостатки этих волокон перед синтетическими?
45. В чем преимущества искусственных волокон перед природными?
46. В чем проявляется различие свойств полиэтилена высокого и низкого давления? Чем это различие объясняется?
47. Формальдегид может полимеризоваться по месту двойной связи, образуя полиформальдегид, в цепи которого последовательно чередуются атомы углерода и кислорода. Составьте схему реакции полимеризации формальдегида. Какими свойствами обладает полиформальдегид?
Данный полимер обладает хорошими механическими свойствами и используется для изготовления деталей машин, пленок, волокон.[21, 22]
Во все времена химия служит человеку в его практической деятельности. Большую роль играет химия в современной промышленности. Среди важнейших продуктов следует назвать пластмассы, каучуки и резины, синтетические волокна и многое другое. В настоящее время химическая промышленность выпускает несколько десятков тысяч наименований продукции.
Химия и химическая промышленность являются одним из наиболее существенных источников загрязнения окружающей среды. Для решения задач в области охраны окружающей среды необходимо осуществить комплекс мер, многие из которых решаются путем применения химических, физических или биохимических методов.
Среди многочисленных веществ, встречающихся в природе, резко выделяется группа соединений, отличающихся от других особыми физическими свойствами, высокой вязкостью растворов, способностью образовывать волокна, пленки и т.д. К этим веществам относятся целлюлоза, лигнин, пентозаны, крахмал, белки и нуклеиновые кислоты, широко распространенные в растительном и животном мире, где они образуются в результате жизнедеятельности организмов.
Высокомолекулярные соединения получили свое название вследствие большой величины их молекулярного веса, отличающие их от низкомолекулярных веществ, молекулярный вес которых лишь сравнительно редко достигает нескольких сотен. В настоящее время принято относить к ВМС вещества с молекулярным весом более 5000.
Молекулы ВМС называют макромолекулами, а химию ВМС – химией макромолекул и макромолекулярной химией.
В результате многочисленных соединений, осуществленных огромной армией химиков, физиков и технологов, было установлено не только строение некоторых природных ВМС, но и найдены пути синтеза их заменителей из доступных видов сырья. Возникли новые виды промышленности, началось производство синтетического каучука, искусственных синтетических волокон, пластических масс, лаков и красок, заменителей кожи и т.д. На первых парах синтетические материалы носили характер заменителей природных материалов. В настоящее время в результате успехов в химии и физике ВМС и усовершенствования технологий их производства, благодаря принципиальной возможности сочетать в одном веществе любые желаемые свойства, синтетические ВМС постепенно проникают во все области промышленности, где они становятся совершенно незаменимыми конструкционными и антикоррозийными материалами. Однако с эксплуатацией и утилизацией ВМС связаны не малые проблемы, которые нужно своевременно решать.
1. Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф. Г. Химия: Органическая химия. Основы общей химии (Обобщение и углубление знаний):Учеб. Для 11 класса.-М.: Просвещение, 2004.- 160с.
3. Хомченко Г. П. Пособие по химии для поступающих в вузы.- 3-е изд. Испр. И доп. М.:ООО Издательство Новая Волна», Издатель Умеренков, 2004.- 464с.
13. Химия и жизнь (Солтерсовская химия) Часть II Химические новеллы: Пер. с англ. – М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 1997 437с., ил.
15. Энциклопедия полимеров. Ред. Коллегия: Каргин В. А. и др. т.3.- М.: Сов. энциклопедия, 1972.
16. Кузьменко Н. Е., Еремин В. В. Химия. 2400 задач для школьников и поступающих в вузы.- М.: Дрофа, 1999.- 560 с.
17. Исидоров В. А. Экологическая химия: Учебное пособие для вузов. – СПб: Химиздат, 2001. – 304 с.
18. Селезнев А. В. Некоторые представления о свойствах поливинилхлорида и материалов на его основе // Экология и промышленность России.- 2001.- №11.- с. 35-37.
19. Микитюк А. Д. Обобщение сведений о реакциях полимеризации // Химия в школе.- 2002.- №4.- с. 56-62.
22. Барковский Е. В., Врублевский А. И. Тесты по химии, Минск, Юнипресс, 2002
23. Химия: Большой справочник для школьников и поступающих в вузы / Е. А. Алферова, Н. С. Ахметов, Н. В. Богомолова и др. М.: Дрофа, 1999. 485-498
Глава 15. Синтетические высокомолекулярные соединения
После изучения этой темы вы должны знать:
— общие понятия химии высокомолекулярных соединений: мономер, полимер, структурное звено, степень полимеризации, средняя молекулярная масса;
— классификация полимеров по основным признакам: происхождение, химический состав, структура макромолекулы, пространственная структура макромолекулы, физические свойства (аморфное или кристаллическое строение, отношение к нагреванию);
— особенности строения ВМС и зависимость свойств полимеров от их строения;
— вещества и материалы, широко используемые в практике: искусственные волокна, каучуки, волокна.
Полимеры – высокомолекулярные органические соединения (ВМС), молекулы которых имеют большую молекулярную массу, достигающую иногда нескольких миллионов. Полимер представляет собой смесь макромолекул с различной молекулярной массой. Поэтому для полимеров используется понятие «средняя молекулярная масса».
Мономер– исходное низкомолекулярное вещество, из которого синтезируют полимер.
Элементарное (структурное) звено – одинаковые многократно повторяющиеся звенья в макромолекуле полимера. Макромолекула– молекула полимера.