КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА

ХИМИЯ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Учебно-методическое пособие

для студентов химико-биологического факультета

 

Нижний Тагил

2008

ББК 24.239я73

Т761

 

 

Печатается по решению кафедры химии и методики обучения химии НТГСПА (протокол № 5 от 31 января 2008 года)

 

Трофимов, В. А. Химия высокомолекулярных соединений : учеб.-метод. пособие для студентов химико-биологического факультета / В. А. Трофимов ; Нижнетагильская гос. соц.-пед. акад. – Нижний Тагил, 2008. – 140 с.

 

 

Рецензенты: И. Г. Белавина, кандидат химических наук, профессор

                 кафедры химии и МОХ НТГСПА;

                 В. И. Шилов, кандидат химических наук, доцент кафедры

                 химии и методики обучения химии НТГСПА

 

 

Настоящее пособие написано в соответствии с требованиями нового образовательного стандарта и полностью соответствует учебной программе курса «Химия высокомолекулярных соединений». В нем отображен авторский подход к изложению учебного материала, где высокомолекулярные соединения рассматриваются как вещества, свойства которых находятся в тесной зависимости от строения их макромолекул. Значительное внимание в пособии уделено рассмотрению механизмов образования ВМС, вопросам их стереоизомерии, химическим превращениям, экологическим проблемам утилизации полимерных отходов. Пособие содержит набор вопросов и тестовых заданий для контроля (и самоконтроля) знаний студентов химико-биологического факультета, изучающих высокомолекулярные соединения.

 

© Нижнетагильская государственная

социально-педагогическая академия, 2008

СОДЕРЖАНИЕ

Введение......................................................................................................... 5

1. Терминология и основные понятия
химии высокомолекулярных соединений..................................................... 6

2. Классификация и номенклатура............................................................... 8

3. Основные отличия ВМС от низкомолекулярных соединений............... 11

4. Методы изучения структуры полимеров................................................ 12

5. Фазовые состояния полимеров................................................................ 15

6. Изомерия полимеров

6.1. Структурная изомерия.................................................................... 18

6.2. Стереоизомерия ВМС...................................................................... 20

6.2.1. Энантиоморфная (конформационная) изомерия.................. 20

6.2.2. Геометрическая изомерия...................................................... 21

7. Синтез мономеров.................................................................................... 24

8. Получение мономеров из низкомолекулярных соединений

8.1. Полимеризация................................................................................ 29

8.1.1. Радикальная полимеризация................................................. 30

8.1.2. Ионная полимеризация.......................................................... 34

8.1.2.1. Катионная (карбониевая) полимеризация....................... 34

8.1.2.2. Анионная (карбанионная) полимеризация...................... 36

8.1.2.3. Ионно-координационная полимеризация....................... 38

8.2. Сополимеризация............................................................................. 40

8.3. Способы полимеризации................................................................. 42

8.4. Высокомолекулярные соединения, получаемые реакцией

полимеризации........................................................................................ 44

8.5. Поликонденсация............................................................................. 45

8.5.1. Классификация....................................................................... 46

8.5.2. Основные закономерности и отличительные особенности

реакции поликонденсации............................................................... 50

8.5.3. Сополиконденсация и блок-сополиконденсация.................. 53

8.5.4. Способы проведения поликонденсации................................ 54

8.5.5. ВМС, получаемые реакцией поликонденсации.................... 54

9. Достижения химии ВМС – дендримеры................................................. 57

10. Элементорганические полимеры........................................................... 60

10.1. Полимеры с неорганическими главными цепями

и органическими боковыми группами................................................... 60

10.2. Элементорганические полимеры

с органонеорганическими цепями.......................................................... 61

10.3. Элементорганические полимеры с органическими главными

цепями и неорганическими боковыми группами................................... 62

11. Строение мономеров и их способность к образованию полимеров... 63

12. Химические свойства и превращения полимеров................................ 65

12.1. Полимераналогичные превращения............................................. 66

12.2. Макромолекулярные реакции....................................................... 68

12.3. Деструкция полимеров.................................................................. 70

12.4. Стабилизация полимеров.............................................................. 71

13. Каучуки.................................................................................................. 72

13.1. Натуральный каучук...................................................................... 73

13.2. Синтетические каучуки.................................................................. 75

14. Пластические массы............................................................................... 81

14.1. Классификация пластмасс.............................................................. 81

14.1.1. По отношению к нагреванию.............................................. 81

14.1.2. По составу............................................................................ 82

14.2. Способы переработки пластмасс................................................... 83

15. Синтетические волокна

15.1. Производство синтетических волокон.......................................... 85

15.1.1. Полиамидные волокна......................................................... 86

15.1.2. Полиэфирные волокна......................................................... 87

15.1.3. Волокно хлорин................................................................... 88

15.1.4. Полиакрилонитрильное волокно нитрон........................... 88

15.2. Преимущество и значение синтетических волокон...................... 89

16. Ионообменные смолы (иониты)

16.1. Классификация............................................................................... 90

16.2. Получение полимерных ионитов.................................................. 91

16.3 Механизм действия ионообменных смол....................................... 95

16.4. «Емкость» ионита........................................................................... 96

16.5. Амфотерные иониты (полиамфолиты).......................................... 96

16.6. Применение ионитов...................................................................... 97

17. Экологические проблемы утилизации отходов ВМС.......................... 98

18. Заключение........................................................................................... 102

19. Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы........ 104

20. Типовые зачетные тестовые задания................................................... 106

Литература.................................................................................................. 133

Приложение 1............................................................................................. 134

Приложение 2............................................................................................. 138

ВВЕДЕНИЕ

Химия высокомолекулярных соединений (ВМС) начала выделяться в самостоятельный раздел химической науки в начале 30-х годов прошлого столетия. Основоположниками этой науки были Г. Штаудингер, высказавший предположение о существовании макромолекул, размеры которых определяют их особенности, и У. Карозерс, внесший большой вклад в установление природы химических связей в макромолекулах.

Дальнейшее развитие химии макромолекул обязано исследованиям ученых многих стран, в том числе отечественных химиков П. П. Шорыгина, В. В. Коршака, П. П. Кобеко, С. С. Медведева и многих других.

Химия ВМС – комплексная наука. Она впитала в себя основные достижения из области органического синтеза, физико-химических и биологических исследований и инженерных решений.

Современные исследования в области химии полимеров направлены, прежде всего на создание синтетических полимерных материалов, обладающих необходимыми человеку свойствами. Однако это не исключает изучение высокомолекулярных продуктов природного происхождения, их совершенствование и модернизацию.

Были разработаны методы синтеза соединений, совмещающих в себе свойства органических и неорганических веществ и содержащих наряду с углеродом атомы кремния, алюминия, титана, бора и другие (элементорганические ВМС).

Создаются стеклопластики и углеродные волокна, по прочности не уступающие стали. Успешно развиваются работы по получению привитых и блок-сополимеров, сшитых и взаимопроникающих сетчатых полимеров, термостойких полимеров и других. Были усовершенствованы технологии производства ВМС, постоянно ведутся научные поиски новых материалов и путей усовершенствования уже имеющихся.

Наш век принято называть веком полимеров. Трудно назвать отрасль народного хозяйства, в которой бы не применялись полимерные материалы или изделия на их основе.

 

 

1. ТЕРМИНОЛОГИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
В ХИМИИ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Высокомолекулярные соединения – это химические соединения, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся (точно или приближенно) одинаковых звеньев, обладающих большой молекулярной массой и особыми свойствами.

Химия ВМС изучает вещества, молекулы которых состоят из огромного числа атомов, соединенных между собой обычными ковалентными связями. Такие молекулы называют макромолекулами, например макромолекулы полиэтилена (C₂Н₄)_n, целлюлозы (С₆Н₁₀О₅)_n, натурального каучука (С₅Н₈)_n, полихлорвинила (С₂Н₃Cl)_n и другие.

Типы связей между отдельными элементарными звеньями в макромолекуле такие же, как и у всех органических соединений. При этом характер связи имеет большое значение, определяя физические и химические свойства полимеров. В табл. 1 (приложение 1) приведены некоторые характерные для полимеров типы связей между элементарными звеньями.

Макромолекулы большинства полимеров построены из одинаковых, многократно повторяющихся групп атомов – элементарных (мономерных) звеньев, связанных между собой.

 

Например:

 

…−СН₂−СН₂−СН₂−СН₂–… полиэтилен

…−СН₂−СН−СН−СН₂–…             поливинилхлорид

            Cl    Cl

Последовательность соединения атомов в мономерном звене макроцепи обычно изображается в виде общей формулы:

     [СН₂−СН₂]_n – полиэтилен

[СН₂−СН]_n – поливинилхлорид, где n – степень полимеризации.

        Cl

ВМС часто называют просто полимерами(poly – много, meros – часть).

Число элементарных звеньев n в макромолекуле является одной из главных характеристик полимера. Между этой величиной и молекулярной массой полимера имеется следующее соотношение:

n = М/ m,

где m – молекулярная масса элементарного звена*.

Полимеры с высокой степенью полимеризации называют высокополимерами (М > 5000), с небольшой – олигомерами (степень полимеризации от единиц до нескольких сотен). Свойства олигомеров промежуточны между свойствами обычных низкомолекулярных веществ и «настоящих» ВМС, что и является критерием их выделения.

Периоды идентичности полимеров – многократно повторяющиеся участки, имеющие одинаковую пространственную структуру. Элементарные звенья могут иметь одинаковый химический состав, но различаться по пространственной структуре.

  Н₃С                                        Н₃С

 С=СН   СН₂      СН₂     С=СН

…−Н₂С       СН₂     С=СН     СН₂            СН₂−…

                         Н₃С                      

                           0,816 нм

цис-полиизопрен (натуральный каучук)

           Н₃С       СН₂

Н₃С       СН₂         С=СН   СН₂−…

   С=СН  СН₂

−СН₂                                                                                                                          

  0,48 нм                 0,48 нм     

  транс-полиизопрен (гуттаперча)

 

Период идентичности каучука 0,816 нм, а гуттаперчи 0,48 нм. При переходе от каучука к гуттаперче период идентичности уменьшается вдвое, что является следствием изменения валентных углов и межатомных расстояний. Понятие идентичности связано с кристаллическим состоянием полимера. Только при строгой ориентации, которая возможна при кристаллическом состоянии, отдельные участки цепи макромолекулы принимают фиксированное положение в пространстве.

Совершенно симметричным строением мономерных группировок обладают немногие полимеры, например полиэтилен (−СН₂−СН₂−)_n и полибутадиен (−СН₂−СН=СН−СН₂−)_n.

В зависимости от порядка размещения элементарных звеньев в цепи различают:

Регулярные – дальний порядок в расположении звеньев

   1  2 1  2 1       2  1

 …−СН₂−СН−СН₂−СН−СН₂−СН−СН₂−…

           Сl        Cl           C1

Нерегулярные – отсутствие монотонного чередования звеньев

  1  2 1  2 2 1

…−СН₂−СН−СН₂−СН−СН−СН₂−…

            Cl        Cl   Cl

КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА

Многообразие полимерных соединений привело к созданию различных классификаций, в основу которых положены характерные свойства этих веществ. Обычно ВМС классифицируют по происхождению, составу, строению, структуре, отношению к нагреванию, методу синтеза, однородности звеньев (табл. 1). По химическому составу структурных звеньев различают несколько видов полимеров.

Гомополимеры – все звенья одинаковые

(−СН₂−СН=СН−СН₂−)_n     −А−А−А−А−

Сополимеры – макромолекула содержит разные по составу или строению звенья. Они подразделяются на:

чередующиеся,или тактические (линейные полимеры с регулярным расположением звеньев)

…−А−В−А−В−А−В−…

атактические (линейные полимеры с нерегулярным расположением звеньев) …−А−В−В−А−В−А−А−…

блок-сополимеры (в линейной цепи содержатся блоки, состоящие из довольно большого числа одинаковых звеньев).

…−А−А−А−В−В−В−А−А−А−В−В−В−…

привитые (имеют разветвленное строение, основная цепь составлена из одних мономеров, а боковые ответвления – из других)

                                                      −В−В−В−В−…

                                        …−А−А−А−А−А−А−А−…                                   

                              …−В−В−В−В−

В блок-сополимере сочетаются свойства гомополимеров, из которых они получены, что делает их ценными материалами. Основные типы классификации ВМС представлены в табл. 1.

 

Таблица 1

КЛАССИФИКАЦИЯ ВМС

Вид полимеров	Признаки, относящиеся к данному виду	Примеры
I . По происхождению
Природные	Используются непосредственно в природном виде	Целлюлоза, канифоль, белки, нуклеиновые кислоты, природный каучук и другие
Искусственные	Получают путем химической переработки природных полимеров	Ацетаты и нитраты целлюлозы, вулканизированный каучук
Синтетические	Получают синтезом из низкомолекулярных природных или синтетических веществ – мономеров	Полиэтилен, поливинилхлорид, каучуки – изопреновый, бутадиеновый и другие.