Формирование основных понятий о высокомолекулярных веществах в курсе средней школы с экологической составляющей (стр. 2 из 10)
Синтезированный таким путем полиэтилен плавится при более высокой температуре и обладает большей механической прочностью, так как имеет большую молекулярную массу и меньше ответвлений. Подобным образом получают полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиметилметакрилат и некоторые другие полимеры.
Физические свойства. Полиэтилен значительно легче воды, его плотность примерно 0,92 г/см3. Он эластичен, в тонком слое бесцветный, прозрачный, на ощупь несколько жирный, напоминающий парафин. Если кусочек полиэтилена нагреть, то уже при температуре 110 °С он становится мягким и легко изменяет форму, но при очень сильном нагревании полиэтилен разлагается. При охлаждении полиэтилен затвердевает и сохраняет приданную ему форму.
Свойство тел изменить форму в нагретом состоянии и сохранять её после охлаждения называют термопастичностью.
Полипропилен отличается от полиэтилена более высокой температурой плавления (плавится при температуре 160 – 180°С) и большей механической прочностью.
Химические свойства. Полиэтилен и полипропилен обладают свойствами предельных углеводородов. При обычных условиях эти полимеры не реагируют ни с серной кислотой, ни со щелочами. (Концентрированная азотная кислота разрушает полиэтилен, особенно при нагревании.) Они не обесцвечивают бромную воду и раствор перманганата калия даже при нагревании.
Применения. Полиэтилен и полипропилен химически устойчивы, механически прочны, поэтому их широко применяют при изготовлении оборудования в различных отраслях промышленности (аппараты, трубы, сосуды и т. д.). Они обладают высокими электроизоляционными свойствами. Полиэтилен и полипропилен в тонком слое хорошо пропускают ультрафиолетовые лучи. Пленки из этих материалов используются вместо стекла в парниках и теплицах. Их применяют также для упаковки разных продуктов [1] .
Но у Хомченко [3] то, что изложено про многие синтетические высокомолекулярные вещества, отличается от [1], и мы рассмотрим некоторые эти вещества:
Поливинилхлорид- продукт полимеризации хлористого винила CH2=CHCl. Этот полимер обладает ценными свойствами: он не горюч, легко окрашивается. Широко применяется для изоляции проводов и кабелей.
Тефлон - продукт полимеризации тетрафторэтилена CF2=CF2. Это самое инертное органическое вещество, обладает высокой морозо- и теплоустойчивостью. [3]
Полимеры, получаемые в реакциях поликонденсации.
Строение молекул. Реакция поликонденсации – процесс образования высокомолекулярных соединений из низкомолекулярных, которые сопровождается выделением простых низкомолекулярных продуктов (H2O, NH3, HCl и др.) [3, 5]. Рассмотрим, как при реакции поликонденсации образуются фенолформальдегидные смолы. Известно, что в молекуле фенола в положениях 2, 4 и 6 атомы водорода весьма подвижны, а для альдегидов характерны реакции присоединения, обусловленные наличием в них p-связи. В связи с этим реакцию фенола с формальдегидом можно отразить так:
Это промежуточное соединение затем реагируют с другими молекулами фенола:
Далее образовавшийся продукт реагируют с другими молекулами метаналя, а затем – с молекулами фенола и т. д. В результате этих реакций получаются высокомолекулярное вещество – фенолформальдегидная смола и побочный продукт – вода.
При повышенной температуре и давлении между разветвленными молекулами полимера происходит химическое взаимодействие и образуется полимер с пространственной структурой. Такой материал теряет термопластичность и становится более прочными.
Полимеры, которые при повышенной температуре не размягчаются и не плавятся в отличие от термопластичных полимеров, называются термореактивными.
Применение. Изфенолформальдегидного полимера (смолы), добавляя различные наполнители (древесная мука, хлопчатобумажная ткань, стеклянное волокно, различные красители и т. д.), получают фенолформальдегидные пластмассы, которые сокращенно называют фенолпластами [1, 3] .
Еще в [3] изложено, что фенопласты- важнейшие заменители цветных и черных металлов во многих отраслях промышленности. Из них изготовляются большое количество изделий широкого потребления, электроизоляционные материалы и строительные детали [3] .
1.2.2 Синтетические каучуки
В России нет природных источников получения натурального каучука, поэтому необходимо было получить его синтетическим путем [2].
Под руководством академика С. В. Лебедева впервые в мире был разработан метод промышленного производства синтетического каучука из 1,3-бутадиена (1932 г.). Его получали из этилового спирта. В настоящее время для получения синтетических каучуков в основном используются углеводороды, содержащиеся в нефтяных газах и продуктах переработки нефти.
Производство бутадиенового каучука основывается на полимеризации 1,3-бутадиена в присутствии катализатора:
где n может достигать нескольких тысяч.
Однако оказалось, что группы − CH2 − в звеньях макромолекул в отличие от природного каучука расположены по разные стороны двойной связи, т. е. находятся в транс- положении:Впоследствии на основе изучения пространственного строения природного каучука ученым удалось решать проблему синтеза не только дивинилового каучука, но и изопренового каучука стереорегулярного строения [1, 2, 3] .
Некоторые синтетические каучуки получают из различных мономеров в результате их совместимой полимеризации, называемой сополимеризацией. Так, например, при сополимеризации 1,3-бутадиена со стиролом синтезируют бутадиенстирольный каучук [1]:
Для улучшения качества натуральных и синтетических каучуков их превращают в резину. Резина - это вулканизированный каучук. Сущность вулканизации состоит в том, что атомы серы присоединяются к линейным молекулам каучука по месту двойных связей и как бы сшивают эти молекулы друг с другом. Резина прочнее каучука и более устойчива к изменению температуры [2, 3].
Этот раздел в [1 ,2] изложен очень хорошо, но в [3] - очень мало по объему.
Волокнами называют материалы, получаемые из натуральных и синтетических, органических и неорганических веществ, имеющие очень малые поперечные размеры, их длина должна не меньше чем в 100 раз превышать диаметр. Например: хлопковое волокно, шелк, шерсть, капрон и др. [5]. Капрон относится к полиамидным волокнам. Для его производства используются некоторые производные аминокислот, например, капролактам. Его можно рассматривать как продукт внутримолекулярного взаимодействия карбоксильной группы и аминогруппы молекулы 6-аминогексановой
кислоты:
Упрощенно превращение капролактами в полимер, из которого производят капроновое волокно, можно представить следующим образом. Капролактам в присутствии воды превращается в 6-аминогексановую кислоту, молекулы которой реагируют друг с другом:
В результате этой реакции образуется высокомолекулярное вещество, макромолекулы которого имеют линейную структуру. Отделенные звенья полимера являются остатками 6-аминогексановой кислоты [1, 2]:
Полимер представляет собой твердое вещество, размягчающееся при температуре 210 °С и плавящееся при 225 °С. Для получения волокон капрон плавят, пропускают через фильеры. Струи полимера охлаждаются потоком холодного воздуха и превращаются в волоконца, при скручивании которых образуются нити [2].
Капроновая смола используются для получения пластмасс. Из них изготовляют различные детали машин, шестерни, вкладыши для подшипников и т. д. Предметы из капроновых пластмасс обладают исключительно большой прочностью и износоустойчивостью [1].
Лавсан- полиэфирное волокно. По своему составу лавсан – сложный эфир терефталевой кислоты и этиленгликоля. Этиленгликоль - это двухатомный спирт. Терефталевая кислота- процесс окисления n-кислол. При
взаимодействии последней с этиленгликолем получается сложный эфир:
При поликонденсации этого эфира образуется высокомолекулярное вещество – лавсан:
Промышленный процесс получения лавсана более сложный. Волокно лавсан добавляют к шерсти для изготовления немнущихся высококачественных тканей и трикотажа. Его применяют также для производства транспортерных лент, ремней, занавесей, парусов и т. д. [1].
В этой главе мы узнали о полимерах и их структуре и о ступенчатой полимеризации и поликонденсации. И в следующей главе мы будем рассматривать связанные с ними экологические вопросы.
ГЛАВА II. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМАТИКА, СВЯЗАННАЯ С СИНТЕТИЧЕСКИМИ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ И ПОЛИМЕРНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ НА ИХ ОСНОВЕ
2.1 Полимеры в решении сырьевой проблемы
Человеческое общество по мере своего развития входит во все большую зависимость от сырьевых ресурсов окружающей среды. Масштабы потребления некоторых веществ минерального происхождения уже приближаются, а в будущем могут превысить естественные возможности природы.