План урока:

Структура полимеров

Классификация полимеров

Биологические полимеры

Способы получения полимеров

Физические свойства полимеров

Химические свойства

Применение полимеров

Будущее полимеров

Структура полимеров

Полимеры состоят из множества мономеров. Они могут существовать в виде нескольких структур.

• Линейная – звенья соединены последовательно (целлюлоза).
• Разветвленная – звенья располагаются беспорядочно (крахмал).
• Сетчатая – линейные молекулы связаны между собой (резина).

Макромолекулы могут состоять как из одинаковых, так и разных звеньев.

• Гомополимеры – цепочка из одинаковых мономеров.
• Сополимеры – цепочка из различных звеньев.

Полимеры состоят из структурных звеньев, которые представляют собой повторяющиеся группы атомов. Количество звеньев в высокомолекулярных соединениях определяется степенью полимеризации. В формуле (-СН₂-)_n степень обозначается буквой «n».

Классификация полимеров

В современной промышленности есть несколько десятков разновидностей полимеров, которые можно классифицировать по нескольким признакам.

По происхождению

• Природные встречаются в естественных условиях (хлопок, лен).
• Синтетические полимеры получают с помощью реакций полимеризации и поликонденсации (капрон).
• Искусственные макромолекулы – результат модификации природных полимеров (вискоза – результат трансформации целлюлозы).

По химическому составу

• Полиэфирные включают карбоксильную группу –СОО (лавсан).
• Полиамидные содержат пептидные связи и функциональную группу –СО–NH₂ (капрон).
• Элементоорганические включают различные элементы из периодической таблицы Д.И. Менделеева (кремнийорганические полимеры).

Биологические полимеры

Полимеры встречаются не только в промышленности, но и в живой природе.

• Сложные углеводы (цепочка сахаридов).
• Белки(аминокислоты).
• Целлюлоза из древесины.
• Кератин, содержащийся в волосах.
• Хитин наружного скелета членистоногих.

Способы получения полимеров

Полимеры можно получить в результате реакций полимеризации и поликонденсации.

Полимеризация

Полимеризация представляет собой реакцию присоединения. Это цепная реакция, состоящая из трех стадий – инициации, роста и обрыва цепи.

n CH₂=CH₂ + n CH₃-CH=CH₂→ [(-CH₂-CH₂-)_x-(-CH₂-CH(CH₃)-)_y]_n

В качестве катализаторов реакции выступают натрий, пероксиды, комплексные соединения. В результате полимеризации образуются важнейшие соединения.

Поликонденсация

Поликонденсация представляет собой реакцию замещения,  при которой выделяются побочные низкомолекулярные продукты. Поликонденсация –  ступенчатая реакция.  Полимеры образуются при последовательном взаимодействии мономеров, димеров или n-меров.

n C₆H₁₂O₆→ (-C₆H₁₂O₅-)_n + n H₂O

В результате поликонденсации образуются важнейшие высокомолекулярные соединения.

Физические свойства полимеров

Для полимеров характерно два состояния – кристаллическое для стереорегулярных макромолекул и аморфное для высокомолекулярных соединений с беспорядочным расположением звеньев. Все высокомолекулярные вещества обладают следующими свойствами.

• Низкая теплопроводность (при нагревании металлической кастрюли пластмассовые ручки не плавятся).
• Гибкость (нанесение на металлические пластины слой полимера).
• Быстрое воспламенение (на открытом огне пластмасса быстро плавится и выделяет токсины).
• Электроизоляционные свойства (вилки для розеток изготавливают из высокомолекулярных соединений).

По особенным термическим свойствам  высокомолекулярные соединения классифицируются на две группы.

• Термопластичные после воздействия высоких температур возвращаются в исходную форму.
• Термореактивные после нагревания разрушаются.

Все полимеры находятся в жидком и твердом агрегатном состоянии. Они могут быть жидкостями (смазки, лаки, клеи, краски), эластичными материалами (резина, силикон, поролон) и твердыми пластмассами (полиэтилен, полипропилен).

Химические свойства

Реакции высокомолекулярных соединений определяются функциональной группой. Если в соединении есть гидроксогруппа-ОН, то полимер вступает в те же реакции, что и спирты. Если в макромолекуле присутствует карбоксильная группа –СООН, то для полимера характерны те же реакции, что и для карбоновых кислот.

Реакционная способность повышается при наличии двойных связей и функциональных групп. Также они обуславливают способность отдельных макромолекул сшиваться поперечными связями. Примерами образования поперечных связей могут быть вулканизация и перевод линейных макромолекул термореактивных полимеров в сетчатые структуры.

Применение полимеров

Первые материалы из полимеров появились в начале ХХ века. Краски и пленки производились при обработке целлюлозы и отходов нефтепереработки. Благодаря этому открытию начало развиваться кино. Сейчас из пластика изготавливаются детские игрушки, синтетические ткани, прорезиненная подошва для обуви, спортивный инвентарь, компьютерная техника и др.

Без полимеров невозможно представить цивилизацию. Каждый из них особенен и применяется во многих сферах.

• Полиэтилен – упаковки, изоляция электропроводов, автомобильные детали, предохранение от коррозии нефтепроводов.
• Полистирол – игрушки, детали техники, внутренняя облицовка салонов машин и самолетов, фурнитура, внешние детали электроники, посуда.
• Поливинилхлорид – автомобильные детали, оборудование химической промышленности, искусственная кожа.
• Поликарбонат – детали для электроники и автомобилей, материалы для строительства.
• Эпоксидная смола – декоративные украшения, лаки, клей, ламинат.
• Полиэстер – лампы, мачты, средства защиты, корпуса летательных аппаратов и машин.

Ученые космической отрасли создали летательные ракеты и спутники на основе полипропилена. При лабораторных испытаниях оказалось, что низкая масса этого сырья без особых усилий помогает преодолеть притяжение Земли, и при больших температурных перепадах в агрессивной среде пластмасса не деформируется.

Будущее полимеров

Высокомолекулярные соединения – будущее человечества. Но они могут быть не только полезны, но и опасны для людей. На данный момент в мире стоит проблема с утилизацией пластика, который долго разлагается и выделяет токсины. Мусором питаются обитатели морей и океанов, что отрицательно сказывается на природе.

Ученые борются с проблемой выбрасываемого пластика и разрабатывают «умные высокомолекулярные соединения», которые могут изменять структуру и свойства в зависимости от окружающей среды. Полимеры являются объектом исследования ученых. На данный момент ведутся следующие разработки.

• Биоразлагаемые пленки, в состав которых входит кукурузный крахмал.
• Упаковки, меняющие цвет в зависимости от срока годности товара и разлагающиеся без вреда для природы.
• Эко-почва с гидрогелем для засушливых зон природного земледелия.
• Полимерные жидкости, изменяющие свойства в зависимости от окружающей среды.
• Фармацевтическая упаковка для доставки лекарственных средств непосредственно к больному органу внутри организма человека.

Человечество уже не может развиваться без полимерной продукции. Сейчас стоит вопрос о ее безопасности для экологии и переходе на новый уровень взаимодействия. Отказаться от пластика невозможно, но сократить его потребление и перейти на изделия из натуральных материалов возможно.