Неорганічні речовини

ХІМІЯ

Електронний посібник

Головна

Анотація

Теоретичні відомості

Лабораторні роботи

Глосарій

Список використаних джерел

Укладачі

5. СИНТЕТИЧНІ ВИСОКОМОЛЕКУЛЯРНІ РЕЧОВИНИ І ПОЛІМЕРНІ МАТЕРІАЛИ НА ЇХ ОСНОВІ

5.1. Синтетичні високомолекулярні речовини. Полімери

5.2. Пластмаси, каучуки, гума. Сфери їх використання

5.3. Синтетичні волокна

5.1. Синтетичні високомолекулярні речовини. Полімери

Синтетичні високомолекулярні сполуки становлять основу пластмас, волокон, гуми. За деякими властивостями ці матеріали переважають традиційні – дерево, кераміку, скло, металічні сплави. Кожний і з нас використовує синтетичні матеріали в повсякденному житті, на роботі, відпочинку.

Серед синтетичних високомолекулярних сполук найуваживанішими є поліетилен, поліпропілен, полістирол. Загальна назва цих та інших подібних речовин – полімери.

Полімери – це речовини, що складаються з великого числа структурних ланок, сполучених у довгі молекули хімічними зв'язками.

Число структурних ланок у складі молекул полімерів може сягати декількох мільйонів, тому ці молекули дуже великі, їх іще називають макромолекулами (мал. 5.1). Відносна молекулярна маса полімерів також дуже велика і може сягати десятків мільйонів, тому полімери також називають високомолекулярними сполуками.

Мал. 5.1. Умовне зображення макромолекул полімерів

Мал. 5.2. Фрагменти макромолекул крохмалю (угорі) і

поліетилену (унизу) та їхні елементарні ланки

Структурні ланки, з яких складаються молекули полімерів – це групи атомів, що є характерними для кожного полімеру, їх називають елементарними ланками (мал. 5.2).

Елементарна ланка – це група атомів, що багаторазово повторюється в макромолекулі полімеру.

У відомих вам крохмалі та целюлозі елементарними ланками є залишки молекул глюкози, а в поліетилені, – це група атомів СН₂-СН₂. Хімічні формули полімерів записують, зазначаючи у квадратних дужках формулу елементарної ланки. За дужками символом n позначають середнє число елементарних ланок у макромолекулах, яке називають ступенем полімеризації.

Ступінь полімеризації – середнє число елементарних ланок у макромолекулі полімеру:

На кінцях молекули полімеру перебувають фрагменти молекул розчинника або ініціатора реакції полімеризації. Ці атоми майже не впливають на властивості полімеру, тому у формулах полімерів не зазначають, чим закінчується карбоновий ланцюг.

Властивості полімерів. Для полімерів характерні особливі властивості, що відрізняють їх від низькомолекулярних речовин.

1. Механічні властивості. Для полімерів характерні:

· еластичність або гнучкість;

· незначна крихкість склоподібних полімерів (наприклад, оргскло);

· здатність молекул орієнтуватися вздовж напрямку механічного навантаження, що використовують для виготовлення волокон та плівок.

2. Здатність розчинятися. Полімери розчиняються набагато гірше за їх низькомолекулярні аналоги. Розчинність полімерів залежить насамперед від полярності їхніх молекул: полярні (гідрофільні) полімери краще розчиняються у воді чи полярних органічних розчинниках, а неполярні (гідрофобні) – у неполярних органічних розчинниках. Також на розчинність впливає розмір та будова молекул полімерів.

3. Термопластичність. Властивість тіла змінювати свою форму за нагрівання і зберігати її після охолодження називають термопластичністю. За цим параметром полімери поділяють на термопластичні та термореактивні.

Розрізняють три основні різновиди будови макромолекул: лінійна, розгалужена та сітчаста. Будова макромолекул зумовлює фізичні та експлуатаційні властивості полімерів.

Характеристики полімерів різної будови

Лінійна будова. У таких макромолекулах елементарні ланки сполучені послідовно, без розгалужень. Такі макромолекули можуть набувати різної форми: витягуватися в довгі молекули, скручуватися у спіраль або клубок (мал. 5.3). Вони можуть оборотно (без розривання хімічних зв’язків) змінювати свою форму, тобто виявляти гнучкість. Це зумовлює еластичні властивості полімерів: під час деформації полімеру скручені макромолекули розпрямляються (мал. 5.4а), а після зняття навантаження – знову скручуються (мал. 5.4б).


Мал. 5.3. Лінійні макромолекули утворюють різні просторові форми	Мал. 5.4. За умови дії навантаження на еластичні полімери їхні макромолекули розпрямляються (а) та оборотно скручуються після його знімання (б)

Розгалужена будова. У макромолекулах розгалуженої форми у деяких місцях трапляються розгалуження ланцюгів через сполучення однієї ланки з кількома іншими (мал. 5.5а). Сітчаста (просторова, або тривимірна) будова. Усі структурні ланки об’єднуються у велику просторову міцну сітку (мал. 5.5б). Будова таких полімерів певною мірою нагадує будову речовин з атомними кристалічними ґратками.

Мал. 5.5. Макромолекули полімерів розгалуженої (а) та сітчастої (б) будови

Полімери утворюються в реакціях полімеризації або поліконденсації.

Полімеризація – процес синтезу високомолекулярної сполуки шляхом багаторазового приєднання молекул низькомолекулярної речовини до активного центру.

Реакція полімеризації більш характерна для ненасичених сполук переважно з подвійним зв’язком. У загальному вигляді формулу таких сполук можна записати:

Групою R у цих молекулах можуть бути будь-які вуглеводневі залишки, атоми чи групи атомів, зокрема характеристичні групи. Ці речовини, з яких утворюються полімери, називають мономерами.

Мономер – низькомолекулярна речовина, з якої шляхом полімеризації або поліконденсації утворюється полімер.

Під час реакції полімеризації утворюються дуже великі молекули полімерів. У загальному вигляді рівняння реакції полімеризації записують так:

Назви полімерів, що утворюються, походять від назв мономерів із додаванням префікса полі-. Наприклад, з етилену (етену) під час полімеризації утворюється поліетилен, з пропілену (пропену) – поліпропілен тощо.

Подібно до полімеризації відбувається процес поліконденсації, але є одна відмінність: під час поліконденсації окрім полімеру утворюється ще певна низькомолекулярна речовина (вода, амоніак, спирт тощо).

Поліконденсація – процес синтезу полімерів із поліфункціональних сполук, що супроводжується утворенням побічних низькомолекулярних речовин.

Мономерами для поліконденсації можуть бути речовини, молекули яких містять не менше двох характеристичних груп. Це може бути одна сполука з двома характеристичними групами різної природи (амінокислоти, альдегідоспирти тощо). Наприклад, з амінокислот утворюються поліаміди (поліпептиди):

Зокрема, саме за цією схемою із 6-аміногексанової кислоти синтезують капрон, а з протеїногенних амінокислот у рибосомах відбувається синтез білків.

Сьогодні за реакціями полімеризації та поліконденсації на хімічних підприємствах синтезують багато полімерів, з яких, у свою чергу, виготовляють різноманітні полімерні матеріали для потреб суспільства. В Україні станом на 2018 рік єдиним підприємством, що синтезує поліетилен та полівінілхлорид, є ТОВ «Карпатнафтохім» (м. Калуш, Івано-Франківська обл.), інші полімери імпортують.

5.2. Пластмаси, каучуки, гума. Сфери їх використання

Пластмасами, або пластиками називають матеріали на основі полімерів. Окрім полімерів вони містять тонкоподрібнені або коротковолокнисті наповнювачі, пігменти та інші сипкі компоненти. Різні наповнювачі надають пластмасам певних унікальних властивостей. На основі одного полімеру виготовляють багато різноманітних пластмас, що мають різні властивості залежно від числа та масової частки наповнювачів.

Зазвичай наповнювачами є:

барвники – для надання кольору, оскільки всі полімери безбарвні;

пластифікатори – для надання різних механічних властивостей (гнучкості, еластичності, твердості тощо);

армувальні компоненти – для підвищення міцності;

тепло- та світлостабілізатори – для зменшення чутливості до теплоти та світла відповідно, оскільки перепади температури та яскраве сонячне світло можуть спричинити руйнування виробів з деяких полімерів.

Наприклад, гумка для стирання та ручка-перо (мал. 5.6) виготовлені з різних матеріалів – гуми та ебоніту відповідно. Але обидва ці матеріали виготовлені на основі одного полімеру – каучуку. Або целофан та ацетатний шовк (мал. 5.7) – це різні матеріали на основі целюлози.


Мал. 5.6. Гумка для стирання (а) та ручка (б) зроблені з різних матеріалів, виготовлених на основі одного полімеру – каучуку	Мал. 5.7. Целофанова обгортка (а) та ацетатний шовк (б) виготовлені на основі одного полімеру – целюлози

Мал. 5.8. Позначення полімеру на пластмасових виробах

Застосування. Людина здавна використовує природні полімерні матеріали: шкіру, хутро, вовну, бавовну та шовк для виготовлення одягу; цемент, вапно та глину – для будівництва. Широке використання синтетичних полімерів почалося у XX столітті. Сьогодні людство використовує багато різноманітних полімерних матеріалів у різних сферах діяльності: у техніці, промисловості, побуті тощо. На пластмасових виробах обов’язково має бути зазначено, з яких полімерів їх виготовлено, оскільки в кожного полімеру є певні межі застосування, наприклад, «не нагрівати», «не використовувати для зберігання харчових продуктів». Полімер, з якого виготовлено виріб, позначають трикутником з відповідним числом усередині, іноді під трикутником указують англомовну абревіатуру полімеру (мал. 5.8).

Сьогодні використовують майже 70 різних полімерів, на основі яких виготовляють сотні різноманітних матеріалів.

Мал. 5.9. Пластикові відходи на сміттєзвалищах (а) та в океані (б)

Проблема охорони довкілля від забруднення полімерними речовинами. Більшість полімерів, що їх використовують для виробництва полімерного упакування, є біоінертними (поліетилен, поліпропілен тощо) і не розкладаються в природних умовах протягом тривалого часу. Внаслідок біоінертності пластмасові вироби суттєво не впливають на здоров’я людини та стан живої природи, але використання у великих кількостях спричиняє їх накопичення на сміттєзвалищах і у водоймах. Оскільки вони не гниють, то велика кількість пластмасових виробів вимушує займати під сміття нові площі, що згодом може перетворити нашу планету на одне велике сміттєзвалище (мал. 5.9а).

Скупчення відходів з пластмас утворюють у Світовому океані під впливом течій так звані сміттєві плями. Сьогодні відомо п’ять таких великих скупчень сміття у Тихому, Атлантичному й Індійському океанах. Ці плями містять переважно пластикові відходи густонаселених прибережних зон континентів.

Мал. 5.10. Контейнер для збирання пластикових пляшок

Мал. 5.11. Позначення пакету, виготовленого з біорозкладного пластику

Пластикове сміття небезпечне ще й тим, що морські тварини можуть не розгледіти прозорі предмети, що плавають у воді, заковтнути їх і загинути (мал. 5.9б). Усе це потребує невідкладних заходів для збереження навколишнього середовища згідно з концепцією сталого розвитку. Спалювати пластикові відходи не можна, оскільки під час горіння виділяються токсичні речовини. Тому впроваджують нові технології з їх переробки. Уже кілька років у багатьох містах України та всього світу працює програма зі збирання пластикових пляшок окремо від іншого сміття (мал. 5.10). Їх переробляють на нові пляшки та інші вироби.

Сьогодні дуже важливим є створення нових пластикових матеріалів, які швидко (протягом одного-двох років) розкладаються в природних умовах. Такі матеріали називають біорозкладними пластиками. У деяких країнах (Японія, США, низка країн Євросоюзу тощо) уже сьогодні значну частину пакувальних матеріалів виготовляють з таких екологічно безпечних матеріалів (мал. 5.11). У процесі розкладання в природних умовах макромолекули біорозкладних пластиків спочатку розкладаються на фрагменти з меншою молекулярною масою – олігомери, які потім переробляють бактерії. Кінцевими продуктами розпаду є вуглекислий газ і вода.

Біорозкладні полімери використовують також у медицині, наприклад шовний матеріал для хірургії на основі водорозчинних полімерів. Перспективним є використання біорозкладних полімерів як імплантів, які можуть поступово замінюватися в організмі кістковою, хрящовою або іншою живою тканиною.

Серед полімерів окремо виділяють групу речовин, які називають еластомерами, або каучуками.

Еластомери (каучуки) – це природні або синтетичні високомолекулярні сполуки, що відрізняються від інших полімерів високою еластичністю, водонепроникністю.

Мал. 5.12. Збирання молочного соку (латексу) з гевеї

Молекули каучуків зазвичай скручені в клубки. Під час розтягування молекули витягуються, а після зняття зовнішнього навантаження – скручуються.

Натуральний каучук уперше описав французький астроном та мандрівник Шарль Марі де ла Кондомін 1751 року. У мандрівці Південною Америкою він побачив як індіанці збирають молочний сік з дерев (гевея бразильська) і на вогнищі перетворюють його на еластичний матеріал – натуральний каучук (мал. 5.12).

Молочний сік бразильської гевеї та інших каучуконосних рослин (кок-сагизу, крим-сагизу або кульбаби осінньої тощо), який ще називають латексом, містить у складі полімер ізопрену. Під час нагрівання або іншої обробки цей полімер вивільнюється й утворює натуральний каучук.

Сергій Васильович Лебедєв

(1874–1934)

Розробив дешевий спосіб виробництва каучуку

Із розвитком автомобільної промисловості потреба в каучуку, з якого виготовляли шини, стрімко зростала. Виробництво натурального каучуку не могло задовольнити всі потреби, і постало завдання добути каучук синтетичний. Уперше синтетичний бутадієновий каучук полімеризацією бутадієну добув 1910 року С. В. Лебедєв, який згодом став одним із засновників промислового синтезу каучуків.

Синтетичний каучук став промислово вигідним після винайдення способу добувати бутадієн з етанолу пропусканням спирту над каталізатором (реакція Лебедєва):

Більша частина натурального та синтетичного каучуків витрачається на виробництво автомобільних, авіаційних та велосипедних шин. Латекс і натуральний каучук використовують у виробництві медичних засобів (еластичний бинт, хірургічні рукавички, катетери тощо), а також гумок для стирання, повітряних кульок, деяких видів взуття, презервативів, сосок (пустушок) тощо. Залежно від будови макромолекул, умов проведення полімеризації та мономерів розрізняють декілька видів каучуків.

Найважливіші види канчуків

Гума. Натуральний каучук та його синтетичні аналоги мають певні недоліки. Вироби з них недостатньо міцні, їхня еластичність проявляється у невеликому інтервалі температур: за низької температури взимку вони стають надто твердими та розтріскуються, а за високої температури влітку – розм’якшуються та перетворюються на липку масу.

Для усунення недоліків каучуки піддають процесу вулканізації.

Вулканізація – технологічний процес хімічної взаємодії каучуків з певним вулканізуючим агентом, частіше сіркою, а також пероксидами та оксидами металічних елементів тощо. Під час вулканізації відбувається «зшивання» молекул каучуку в єдину просторову тривимірну сітку, завдяки чому каучук стає міцнішим та еластичнішим, зменшується його розчинність (мал. 5.13).

Мал. 5.13. Під час вулканізації сіркою макромолекули

каучуку «зшиваються» у тривимірну сітку

Під час вулканізації до каучуків додають також наповнювачі, стабілізатори, пластифікатори тощо. Автомобільні шини мають чорний колір саме внаслідок додавання до каучуку сажі. У такий спосіб досягають світлостабільності отриманого матеріалу: сонячне світло поглинається сажею, а не каучуком, молекули якого руйнуються під дією сильного освітлення.

Вулканізацією каучуку добувають різні види гуми:

· м’яку гуму (містить 1-3 % сірки);

· напівтверду гуму (містить 10-15 % сірки);

· тверду гуму, або ебоніт (містить 30-50 % сірки).

М’яка та напівтверда гуми – еластичні матеріали. На відміну від них ебоніт (від грец. ebenos – чорне дерево) не виявляє еластичності. Він досить твердий і піддається механічній обробці. Сьогодні ебоніт зазвичай використовують лише як замінник дорогих матеріалів (чорного дерева, рогу тощо) для виготовлення перових ручок, гребінців, рукояток ножів, мундштуків духових музичних інструментів, прикрас тощо (мал. 5.14).


Мал. 5.14. Вироби з ебоніту	Мал. 5.15. Накладання латочки з каучуку на пробоїну автомобільної камери для вулканізації

Процес вулканізації також використовують для ремонту автомобільних шин. Сирий каучук дуже еластичний та липне до предметів. Латочку з нього накладають на прокол у камері та піддають вулканізації, після чого пробоїна затягується і зникає (мал. 5.15).

Перелік гумових виробів на основі синтетичного каучуку налічує близько 50 000 назв. Найбільше синтетичних каучуків використовує машинобудівна промисловість. Із синтетичних каучуків виготовляють технічні вироби, гумове взуття, прогумовані тканини, побутові гумові вироби, медичні 174 товари тощо (мал. 5.16). Каучуки та гума мають високі діелектричні властивості, тому їх застосовують в електротехніці для ізоляції дротів й оболонок кабелів, виготовлення захисних рукавичок і килимків. Рідкі каучуки є компонентами клеїв, антикорозійних матеріалів, зв’язувальною речовиною, що використовується для виготовлення твердого ракетного палива.

Мал. 5.16. Вироби з синтетичного каучуку і гуми

5.3. Синтетичні волокна

Із давніх-давен людина широко використовує природні волокнисті матеріали для виготовлення одягу і різних виробів домашнього вжитку. Деякі із цих матеріалів мають рослинне походження і складаються із целюлози (льон, бавовна), інші мають тваринне походження і складаються з білків (вовна, шовк).

Волокнами називають матеріали, що складаються з довгих і тонких ниток або відрізків ниток, придатних для виготовлення пряжі й тканин.

Багато хімічних волокон виявляють властивості кращі за природні, зокрема хімічні волокна міцніші (мал. 5.17), еластичніші, стійкіші до умов середовища тощо.

Мал. 5.17. Порівняння максимального навантаження (кг), що

витримують різні волокна з площею перерізу 1 мм²

Синтетичні волокна виготовляють із синтетичних полімерів, які добувають у ході реакцій поліконденсації.

1. Нейлон (нейлон, анід). Полімер синтезують з адипінової кислоти НООС-(СН₂)₄-СООН та гексаметилендіаміну H₂N-(CH₂)₆-NH₂.

Особливості волокна: низький коефіцієнт тертя, не руйнується розбавленими розчинами кислот та лугів, але швидко руйнується на повітрі за температури вище 100 °С та під час ультрафіолетового опромінювання.

Найлон застосовують для створення плівок або тонкого покриття для поверхонь, що труться, для зменшення тертя, зокрема вальниць (підшипників), зубних протезів; виготовляють струни для музичних інструментів, нитки, сумки, рукавички тощо (мал. 5.18).

Мал. 5.18. Вироби з найлону: струни для гітари, зубні протези, кабельні стяжки, сорочки

2. Капрон. Мономер – 6-аміногексанова кислота.

Особливості волокна: міцність, еластичність (краща за шовк), стійкість до тертя та багаторазової деформації (згинання), не поглинає вологу, не злежується, не гниє. Але капрон малостійкий до дії кислот, має порівняно невелику теплостійкість (плавиться за 215 °С).

Із капрону виготовляють канати, риболовні сітки та ліску, кордну тканину для армування авто- та авіашин, одяг, зубчасті колеса для механізмів, парашути (мал. 5.19).

Мал. 5.19. Вироби з капрону: канат, тюль, господарська сумка

3. Хлорин. Мономер – хлороетен. За рахунок додаткового хлорування формула полімеру (-СНСl-СНСl)_n.

Особливості волокна: висока стійкість до дії кислот та лугів, не окиснюється (навіть царською водою), не горить, зносостійке, покриття з нього має водовідштовхувальні властивості. Але в хлорину низька еластичність, та одяг з нього недостатньо гігієнічний.

Хлорин застосовують переважно для технічних цілей: виготовляють фільтрувальні тканини для промислових хімічних реакторів, прокладні матеріали.

4. Нітрон (поліакрилонітрил). Мономер – акрилонітрил CH₂=CH-CN.

Особливості волокна: за зовнішнім виглядом подібне до вовни, добре зберігає теплоту, міцне, світлостійке.

Нітрон застосовують для виготовлення костюмів, светрів, спортивного одягу, штучного хутра, ковдр, оббивних матеріалів, брезенту, портьєрних тканин (мал. 5.20).

Мал. 5.20. Вироби з нітрону: костюмна тканина, штучне хутро, плед

5. Лавсан. Мономери: терефталева кислота НООС-С₆Н₄-СООН та етиленгліколь.

Особливості волокна: міцність, стійкість до дії високих температур, світла та хімічних реагентів, тканини з нього не мнуться.

З лавсану виготовляють переважно легкий одяг – плаття та сорочки, а в суміші з вовною виготовляють тканини для пальт та костюмів.

6. Лайкра (еластан, спандекс). Поліуретанове волокно.

Особливості волокна: тканини з лайкри дуже еластичні та обтягують тіло, вони легкі й тонкі, майже не мнуться та не деформуються. Але лайкра руйнується під впливом хлорованої води та під дією ультрафіолетового опромінення. Купальний костюм з лайкри після басейну з хлорованою водою стає в деяких місцях прозорим та витягується.

Використовують для пошиття трикотажних виробів, що обтягують тіло – легінсів, спортивного одягу тощо. Лайкру додають до інших тканин для збільшення їх еластичності (мал. 5.21). Одяг з лайкри дуже ефектний, тому його часто обирають співаки для своїх шоу.

Мал. 5.21. Вироби з лайкри: спортивний одяг, костюм людини-павука

7. Кевлар. Мономери: бензендіамін NH₂-C₆H4-NH₂ та терефталева кислота НООС-С₆Н₄-СООН.

Особливості волокна: висока міцність, стійкість до зношування, стійкість до точкових ударів. Застосовують для виготовлення армувальних тканин для автомобільних шин та деяких деталей автомобілів, мідних та волоконно-оптичних кабелів, захисних вставок для спортивних рукавичок (мотоспорт, сноубордінг), засобів індивідуального захисту (бронешоломи, бронежилети) (мал. 5.22).