какой мономер использован для получения полимера
Что такое полимеры и мономеры?
Классификация по структуре
По структуре полимеры делятся на: линейные, разветвленные и пространственные.
| Линейные | Разветвленные | Пространственные |
| Состоят из последовательности повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечному размеру. |
Целлюлоза, полиэтилен низкого давления, капрон
Химические связи имеются и между цепями, образуя пространственную структуру
Резина, фенолформальдегидные смолы
Линейные — макромолекулы состоят из последовательности повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечному размеру (целлюлоза, полиэтилен низкого давления, капрон).
Разветвленные — макромолекулы которых имеют боковые ответвления от цепи, называемой главной или основной (крахмал).
Сетчатые (пространственные) — химические связи имеются и между цепями (резина, фенолформальдегидные смолы).
Видео
Примеры полимеров
Примеры полимеров включают пластмассы, такие как полиэтилен, силиконы, такие как глупая замазка, биополимеры, такие как целлюлоза и ДНК, природные полимеры, такие как каучук и шеллак, и многие другие важные макромолекулы.
Классификация по химическому характеру
По химическому характеру и составу полимеры и химические волокна бывают: полиэфирные, полиамидные, элементоорганические (например, кремнийорганические полимеры).
Элементоорганические полимеры — содержат атомы других химических элементов (помимо С, Н, О, N).
Как образуются полимеры
Полимеризация — это процесс ковалентного связывания мономеров меньшего размера с полимером. Во время полимеризации химические группы мономеров теряются, так что они могут соединяться вместе. В случае биополимеров углеводов это реакция дегидратации, в которой образуется вода.
Что такое полимеры?
Слово «полимер» получено из греческих слов «поли» – много и «мерос» – часть. Это химическое вещество, преимущественно органическое, молекула которого состоит из большого количества одинаковых молекулярных отрезков-мономеров.
Полимеры часто называют высокомолекулярными соединениями (ВМС), так как их молекулярный вес чрезвычайно высок и достигает сотен тысяч и даже миллионов единиц. Полимеры образуются в результате химических реакций поликонденсации и полимеризации.
Существует три типа формирования полимерных молекул:
– линейный, когда мономерные отрезки соединены друг с другом в виде длинной цепи двумя связями;
– сетчатый, когда макромолекула образует сетчатую структуру, а каждый мономер связан с другими при помощи трёх или четырёх связей; 
– разветвлённый, сочетающий в одной молекуле двухвалентные (с двумя связями) и трёх-четырёхвалентные мономеры.
Линейные и разветвлённые полимеры могут образовывать эластичные плёнки и анизотропные волокна, тогда как сетчатые полимеры отличаются высокой прочностью, твёрдостью и достаточно высокой термоустойчивостью. Но сильный нагрев, до температуры плавления, разрушает сетчатую структуру, после чего она не восстанавливается.
Если же нагревать линейный или разветвлённый полимер, то он превращается в пластичную массу, а после застывания восстанавливает свои свойства, поэтому они пригодны для многоразового использования.
Применение мономеров
Как уже было сказано выше, мономеры применяют для создания защитных покрытий. Однако сфера, в которой они используются, достаточно широка. Таким образом, из мономеров зачастую изготавливают некоторые ароматизированные вещества. С промышленной точки зрения подобные элементы важны.
Из некоторых типов мономеров впоследствии можно «собрать» более сложные вещества. Например, основанные на нескольких элементах полимеры вполне могут стать важной составляющей при производстве всевозможного сырья из нефти и подобных ей химических элементов.
Интерес к мономерам в последние годы значительно возрос из-за возможности их использования в различных сферах человеческой жизнедеятельности.
Для России данное вещество могло бы стать отличным способом значительно улучшить положение экономики. Ведь, если при помощи мономеров производить всевозможные защитные покрытия для различных типов поверхностей, не понадобится осуществлять их закупку за рубежом. Этот факт значительно снизит уровень затрат на организацию и проведение всевозможных химических реакций.
Наша страна богата всевозможными запасами природных ископаемых и различных по своей структуре химических элементов. Однако необходимо организовать процесс добычи необходимых для промышленности веществ – правильно. Нельзя бездумно использовать все дары природы, не привнося в неё ничего взамен.
На данный момент в нашем государстве происходит реорганизация большинства сфер промышленности. Это позволит заменить старое оборудование на заводах более совершенным и, таким образом, выйти на совершенно новый в экономическом плане уровень развития.
Если рассматривать процесс получения мономеров, то он является больше химическим, нежели технологическим. Так как реакции происходят без вмешательства специалистов. Они просто создают для и протекания благоприятную среду и в результате получают нужный им мономер.
В зависимости от способа получения данного вещества, его структура будет различной. Однако, если для промышленных целей необходимо использовать конкретный по своей структуре мономер, процесс его получения будет выбран соответствующий.
Так как Россия может себе позволить проводить подобные химические реакции в пределах узкоспециализированных предприятий, у страны появляется уникальная возможность стать лидером среди других, развивающихся в промышленном плане стран мира. С другой стороны, отрасль требует к себе особого внимания и дополнительных финансовых затрат, а также инвестиций, на проведение определённых опытов выявляющих новые и наиболее приемлемые для промышленности способы получения мономеров.
Только после этого можно будет работать с уже проверенными специалистами способами, позволяющими получить нужный мономер в лабораториях или же при необходимости прямо на заводах.
Кроме современных, существуют так же и отечественные технологии, которые основаны на более простых способах, позволяющих создать в результате протекания различных химических реакций нужное по составу вещество.
Но, несмотря на то, что данный процесс представляет собой ряд определённых реакций от последовательности которых зависит, будет ли результат положительным, важно изначально использовать только качественное сырьё.
Многие страны сталкиваются на данный момент с дешёвыми поддёлками, не способными обеспечить полноценное протекание определённых типов реакций. Удивительно, но узнать, является ли данное вещество оригиналом практически невозможно без применения дорогостоящих индикаторов.
Поэтому Россия стремится вытеснить подобных несознательных производителей, чтобы занять их место на мировых рынках. Всё дело в том, что отсутствие инвестиций в данную область сказывается на недостаточном изучении данной темы. Необходимо создать в промышленности отдельное направление, которое занималось ба решением всех проблем, связанных с получением мономеров в лабораторных условиях.
Чтобы такие страны как Россия смогли обеспечить полноценное изучение данной темы, необходимо приобретать сырьё по достаточно доступной для производителей стоимости. Ведь если исходная цена будет высокой, нет гарантии в том, что при последующем производстве мономеров расходы на его получение окупятся сполна.
Важно так же учитывать, что процесс создания подобных химических веществ должен быть простым. То есть, чтобы разработать защитное покрытие, нужно лишь учесть все этапы проведения реакций, которые в результате приведут нас к получению необходимого по консистенции вещества.
При этом нужно использовать незначительное количество исходного сырья. То есть, пропорции веществ должны быть рассчитаны правильно, чтобы не происходил перерасход материалов, принимающих участие в последующем промышленном производстве мономеров.
Но самым главным условием положительного результата выступает качество уже готовой продукции. Если она отличается от дешёвых товаров своей прочностью и долговечностью подобный производитель будет высоко цениться.
Фактически разные группы в мономерах осуществляют своё влияние на формирование и последующие функциональных характеристики большинства защитных покрытий. Важность здесь представляет их соотношение между собой. От него напрямую зависит конечный результат большинства реакций, направленных на получение мономеров, а также их дальнейшее использование в промышленности.
Поэтому производителям следует, прежде всего, задуматься над тем, что исходный состав веществ, который необходим для получения мономеров, должен быть правильно рассчитан. А если каждое вещество при этом будет состоять из качественных составных элементов, исчезнет необходимость в том, чтобы израсходовать химические вещества на производство некачественных товаров. При проведении химических реакций необходимо так же соблюдать все меры безопасности!
Методы получения полимеров
Полимеры получают методами полимеризации или поликонденсации.
Полимеризация (полиприсоединение). Это реакция образования полимеров путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера). Большой вклад в изучении процессов полимеризации внесли отечественные ученые С.В.Лебедев, С.С.Медведев и др. и зарубежные исследователи Г.Штаудингер, Г.Марк, К.Циглер и др. При полимеризации не образуются побочные продукты и соответственно элементный состав макромолекул не отличается от состава молекул мономеров. В качестве мономеров используются соединения с кратными связями: С=С, C=N, C=С, С=О, С=С=О,С=С=С, C=N, либо соединения с циклическими группами, способными раскрываться, например:
В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей или раскрытие циклов у мономеров и возникновение химических связей между группами с образованием макромолекул, например:
По числу видов участвующих мономеров различают гомополиме-ризацию (один вид мономера) и сополимеризацию (два и более видов мономеров).
Полимеризация — самопроизвольный экзотермический процесс (DG Читайте также: Дисперсные системы
Таким образом, регулирование длины и соответственно молекулярной массы макромолекул можно осуществлять с помощью инициаторов, ингибиторов и других веществ. Тем не менее передача и обрыв цепи могут происходить на различных этапах роста цепи, поэтому макромолекулы имеют различную молекулярную массу, т.е. полидисперсны. Полидисперсность является отличительной особенностью полимеров.
Радикальная полимеризация служит промышленным способом синтеза многих важных полимеров таких, как поливинилхлорид [-СН-СНСl-]n, поливинилацетат [-СН2-СH(ОСОСНз)-]n, полистирол [-СН2-СН(С6Н5)-]n, полиакрилат [-CH2-C(CH3)(COOR)-]n, полиэтилен [-СН2-СН2-]n, полидиены [-CH2-C(R)=CH-CH2-]n, и различных сополимеров.
Ионная полимеризация также происходит через стадию образования активных центров, роста и обрыва цепи. Роль активных центров в этом случае играют анионы и катионы. Соответственно различают анионную и катионную полимеризацию. Инициаторами катионной полимеризации служат электроноакцепторные соединения, в том числе протонные кислоты, например H2SO4 и НСl, неорганические апротонные кислоты (SnCl4, TiCl4, A1Cl3 и др.), металлоорганические соединения А1(С2Н5)3 и др. В качестве инициаторов анионной полимеризации используются элекронодонорные вещества и соединения, в том числе щелочные и щелочноземельные металлы, алкоголяты щелочных металлов и др. Часто одновременно используется несколько инициаторов полимеризации.
Рост цепи можно записать уравнениями реакции:
при катионной полимеризации и
при анионной полимеризации
Рассмотрим в качестве примера катионную полимеризацию изо-бутилена с инициаторами АlСl3 и Н2О. Последние образуют комплекс
А1Сl3 + Н2О « Н+[АlOНСlз]-
Обозначив этот комплекс формулой H+X- процесс инициирования полимеризации можно представить в виде
СН3 СНз
H2C=C+ +H+X-®H3C-C+ X-
Возникающий комплексный катион вместе с противоионом X- образует макроион, который обеспечивает рост цепи:
СН3 СН3 СН3 СН3
Н3С — С+ Х-+Н2С = С ®Н3С ¾ С — СН2 — С+ Х-и т.д
СH3 СН3 СН3 СН3
С помощью некоторых комплексных инициаторов удается получить полимеры, имеющие регулярную структуру (стереорегулярные полимеры). Например, таким комплексным инициатором может быть комплекс тетрахлорида титана и триалкилалюминия AIR3.
Метод ионной полимеризации используется в производстве поли-изобутилена [-СН2-С(СНз)2-]п, полиформальдегида [-СН2О-]n, полиамидов, например поли-e-капроамида (капрона) [-NH-(CH2)5-CO-]n, синтетических каучуков, например бутадиенового каучука [-СН2-СН=СН-СН2-]n.
Методом полимеризации получают 3/4 всего объема выпускаемых полимеров. Полимеризацию проводят в массе, растворе, эмульсии, суспензии или газовой фазе.
Полимеризация в массе (в блоке) — это полимеризация жидкого мономера (мономеров) в неразбавленном состоянии. При этом получают достаточно чистый полимер. Основная сложность проведения процесса связана с отводом теплоты. При полимеризации в растворе мономер растворен в растворителе. При таком способе полимеризации легче отводить теплоту и регулировать состав и структуру полимеров, однако возникает задача удаления растворителя.
Эмульсионная полимеризация (полимеризация в эмульсии) заключается в полимеризации мономера, диспергированного в воде. Для стабилизации эмульсии в среду вводят поверхностно-активные вещества. Достоинство способа — легкость отвода теплоты, возможность получения полимеров с большой молекулярной массой и высокая скорость реакции, недостаток — необходимость отмывки полимера от эмульгатора. Способ широко применяется в промышленности для получения каучуков, полистирола, поливинилхлорида, поливинилацетата, полиметилакрилата и др.
При суспензионной полимеризации (полимеризации в суспензии) мономер находится в виде капель, диспрегированных в воде или другой жидкости. В результате реакции образуются полимерные гранулы размером от 10-6 до 10-3 м. Недостаток метода — необходимость стабилизации суспензии и отмывки полимеров от стабилизаторов.
При газовой полимеризации мономер находится в газовой фазе, а полимерные продукты — в жидком или твердом состоянии. Метод применятся для получения полипропилена и других полимеров.
Поликонденсация. Реакция синтеза полимера из соединений, имеющих две или более функциональные группы, сопровождающаяся образованием низкомолекулярных продуктов (Н2О, NH3, HCl, СН2О и др.), называется поликонденсацией. Существенный вклад в изучении процессов поликонденсации внесли российские ученые В.Коршак, Г.Петров и другие, из зарубежных ученых — У.Карозерс, П.Флори, П.Морган и др. Поликонденсация бифункциональных соединений получила название линейной, например:
® NH2-(CH2)5-CO-NH-(CH2)5-CO-NH-(CH2)5-COOH+ H2O и т.д.
Конечным продуктом будет поли-e-капроамид [-CO-NH-(CH2)5-]n. Поликонденсация соединений с тремя или более функциональными группами называется трехмерной. Примером трехмерной поликонденсации служит взаимодействие мочевины и формальдегида:
NH2-CO-NH2 + СН2О ® NH2-CO-NH-CH2OH
NH2-CO-NH-CH2OH + СН2О ® CH2OH-NH-CO-NH-CH2OH
® Н2О + CH2OH-NH-CO-NH-CH2-O-CH2- NH-CO-NH-CH2OH
На первом этапе синтезируется олигомер линейной структуры:
На втором этапе при нагревании в кислой среде происходит дальнейшая поликонденсация олигомера с выделением СН2О и возникновением сетчатой структуры:
— N—СН2—N — СН2 —N — СН2 —N —CH2—N —СН2 —
— N —CH2¾N —CH2 —N —CH2 —N —CH2 —N —СН2 —
Такой полимер невозможно превратит, в исходное состояние, он не обладает термопластичными свойствами и называется термореактивным полимером.
Кроме рассмотренной химической связи между мономерами при поликонденсации возникают химические связи между другими группами мономеров, некоторые из них приведены в табл. 14.1.
Таблица 14.1. Химические связи между функциональными группами некоторых мономеров, возникающих при их поликонденсации
4.2.4. Высокомолекулярные соединения. Реакции полимеризации и поликонденсации. Полимеры. Пластмассы, волокна, каучуки.
Высокомолекулярными соединениями (ВМС) называют соединения с молекулярной массой более 10000.
Практически все высокомолекулярные вещества являются полимерами.
Полимеры — это вещества, молекулы которых состоят из огромного числа повторяющихся структурных звеньев, соединенных между собой химическими связями.
Полимеры могут быть получены с помощью реакций, которые можно разделить на два основных типа: это реакции полимеризации и реакции поликонденсации.
Реакции полимеризации
Реакции полимеризации — это реакции образования полимера путем объединения огромного числа молекул низкомолекулярного вещества (мономера).
Количество молекул мономера ( n ), объединяющихся в одну молекулу полимера, называют степенью полимеризации.
В реакцию полимеризации могут вступать соединения с кратными связями в молекулах. Если молекулы мономера одинаковы, то процесс называют гомополимеризацией, а если различны — сополимеризацией.
Примерами реакций гомополимеризации, в частности, является реакция образования полиэтилена из этилена:
Примером реакции сополимеризации является синтез бутадиен-стирольного каучука из бутадиена-1,3 и стирола:
Полимеры, получаемые реакцией полимеризации, и исходные мономеры
Мономер
Получаемый из него полимер
Структурная формула
Варианты названия
Структурная формула
Варианты названия
Реакции поликонденсации
Реакции поликонденсации — это реакции образования полимеров из мономеров, в ходе которых, помимо полимера, побочно образуется также низкомолекулярное вещество (чаще всего вода).
В реакции поликонденсации вступают соединения, в состав молекул которых входят какие-либо функциональные группы. При этом реакции поликонденсации по тому, один используется мономер или больше, аналогично реакциям полимеризации делятся на реакции гомополиконденсации и сополиконденсации.
К реакциям гомополиконденсации относятся:
* образование (в природе) молекул полисахарида (крахмала, целлюлозы) из молекул глюкозы:
* реакция образования капрона из ε-аминокапроновой кислоты:
К реакциям сополиконденсации относятся:
* реакция образования фенолформальдегидной смолы:
* реакция образования лавсана (полиэфирного волокна):
Материалы на основе полимеров
Пластмассы
Пластмассы — материалы на основе полимеров, которые способны под действием нагревания и давления формоваться и сохранять заданную форму после охлаждения.
Помимо высокомолекулярного вещества в состав пластмасс входят также и другие вещества, однако основным компонентом все же является полимер. Благодаря своим свойствам он связывает все компоненты в единую целую массу, в связи с чем его называют связующим.
Пластмассы в зависимости от их отношения к нагреванию делят на термопластичные полимеры (термопласты) и реактопласты.
Термопласты — вид пластмасс, способных многократно плавиться при нагревании и застывать при охлаждении, благодаря чему возможно многоразовое изменение их изначальной формы.
Реактопласты — пластмассы, молекулы которых при нагревании «сшиваются» в единую трехмерную сетчатую структуру, после чего изменить их форму уже нельзя.
Так, например, термопластами являются пластмассы на основе полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида (ПВХ) и т.д.
Реактопластами, в частности, являются пластмассы на основе фенолформальдегидных смол.
Каучуки
Каучуки — высокоэлластичные полимеры, углеродный скелет которых можно представить следующим образом:
Как мы видим, в молекулах каучуков имеются двойные C=C связи, т.е. каучуки являются непредельными соединениями.
Каучуки получают полимеризацией сопряженных диенов, т.е. соединений, у которых две двойные C=C связи, разделены друг от друга одной одинарной С-С связью.
Так например, особо зарекомендовавшими себя мономерами для получения каучуков являются:
В общем виде (с демонстрацией только углеродного скелета) полимеризация таких соединений с образованием каучуков может быть выражена схемой:
Таким образом, исходя из представленной схемы, уравнение полимеризации изопрена будет выглядеть следующим образом:
Весьма интересным является тот факт, что впервые с каучуком познакомились не самые продвинутые в плане прогресса страны, а племена индейцев, у которых промышленность и научно-технический прогресс отсутствовали как таковые. Естественно, индейцы не получали каучук искусственным путем, а пользовались тем, что давала им природа: в местности, где они проживали (Южная Америка), произрастало дерево гевея, сок которого содержит до 40-50% изопренового каучука. По этой причине изопреновый каучук называют также натуральным, однако он может быть получен и синтетическим путем.
Все остальные виды каучука (хлоропреновый, бутадиеновый) в природе не встречаются, поэтому всех их можно охарактеризовать как синтетические.
Однако каучук, не смотря на свои преимущества, имеет и ряд недостатков. Так, например, из-за того что каучук состоит из длинных, химически не связанных между собой молекул, его свойства делают его пригодным для использования только в узком интервале температур. На жаре каучук становится липким, даже немного текучим и неприятно пахнет, а при низких температурах подвержен затвердеванию и растрескиванию.
Технические характеристики каучука могут быть существенно улучшены его вулканизацией. Вулканизацией каучука называют процесс его нагревания с серой, в результате которого отдельные, изначально не связанные друг с другом, молекулы каучука «сшиваются» друг с другом цепочками из атомов серы (полисульфидными «мостиками»). Схему превращения каучуков в резину на примере синтетического бутадиенового каучука можно продемонстрировать следующим образом:
Волокна
Волокнами называют материалы на основе полимеров линейного строения, пригодные для изготовления нитей, жгутов, текстильных материалов.
Классификация волокон по их происхождению
Искусственные волокна (вискозу, ацетатное волокно) получают химической обработкой уже существующих природных волокон (хлопка и льна).
Синтетические волокна получаются преимущественно реакциями поликонденсации (лавсан, капрон, нейлон).