Полімеризація і поліконденсація: мономер і структурна ланка

Цей розділ пояснює три ключові поняття, без яких неможливо зрозуміти хімію полімерів: мономер, структурна ланка й макромолекула. Ти навчишся їх розрізняти й правильно використовувати в рівняннях.

Мономер — вихідна цеглинка

Мономер — це низькомолекулярна речовина, молекули якої здатні сполучатися одна з одною, утворюючи довгий ланцюг. Для полімеризації, яку вивчають у темі 3.5 програми НМТ, мономером є ненасичена сполука з подвійним зв'язком C=C (етен, пропен, стирен, хлороетен, тетрафлуороетен). Наприклад, етен H₂C=CH₂ — мономер для поліетилену.

Структурна ланка

Структурна ланка — це фрагмент макромолекули, який багаторазово повторюється вздовж полімерного ланцюга. Її записують у дужках: (–CH₂–CH₂–)ₙ. Важливо: структурна ланка не є вільною молекулою етену. Етен має подвійний зв'язок (CH₂=CH₂), а ланка поліетилену має лише одинарні зв'язки (–CH₂–CH₂–). Елементний склад (C₂H₄) той самий, але хімічна будова різна — ланка не може існувати окремо як стійка молекула.

Ступінь полімеризації n

Літерою n позначають ступінь полімеризації — кількість структурних ланок в одній макромолекулі. Для полімеру з однаковими ланками середню молярну масу обчислюють за наближеною формулою: M(полімеру) ≈ n · M(ланки). Внеском кінцевих груп нехтують, бо він мізерний порівняно з масою всього ланцюга. Наприклад, якщо M(ланки поліетилену) = 28 г/моль, а M(зразка) = 14 000 г/моль, то n ≈ 500.

Не використовуй M мономера замість M ланки при поліконденсації! У поліконденсації елементний склад ланки відрізняється від складу мономера, тому що виділяється мала молекула (наприклад H₂O).

Полімеризація — це хімічний процес сполучення молекул мономера в макромолекулу без виділення побічних низькомолекулярних речовин. Для ненасичених мономерів, передбачених програмою НМТ, рушієм реакції є розкриття π-зв'язку C=C. Кожна молекула мономера приєднується до зростаючого ланцюга, а її подвійний зв'язок перетворюється на два одинарні, які з'єднують ланки.

Етен → поліетилен

Найпростіший приклад — полімеризація етену:

n CH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)ₙ

Продукт — поліетилен (ПЕ), найпоширеніша пластмаса. Кожна структурна ланка –CH₂–CH₂– має молярну масу 28 г/моль. Поліетилен використовують для виготовлення плівок, пакетів, труб і ємностей.

Пропен → поліпропілен

Мономер пропен (CH₂=CH–CH₃) має бічну метильну групу –CH₃. Під час полімеризації вона зберігається:

n CH₂=CH–CH₃ → (–CH₂–CH(CH₃)–)ₙ

Поліпропілен (ПП) — міцніший і термостійкіший за поліетилен. Його застосовують для виробництва контейнерів, волокон, деталей автомобілів.

Стирен → полістирен

Стирен (CH₂=CH–C₆H₅) містить бічну фенільну групу –C₆H₅. Реакція полімеризації:

n CH₂=CH–C₆H₅ → (–CH₂–CH(C₆H₅)–)ₙ

Полістирен (ПС) — твердий прозорий пластик, з якого роблять одноразовий посуд, ізоляційні матеріали, корпуси приладів.

Хлороетен → полівінілхлорид

Хлороетен (CH₂=CH–Cl), також відомий як вінілхлорид, полімеризується з утворенням полівінілхлориду (ПВХ):

n CH₂=CH–Cl → (–CH₂–CHCl–)ₙ

ПВХ — один із найпоширеніших полімерів. Його використовують для виробництва труб, кабельної ізоляції, лінолеуму, віконних профілів.

Тетрафлуороетен → політетрафлуороетилен

Тетрафлуороетен (CF₂=CF₂) — єдиний із п'яти мономерів, у якого всі атоми Гідрогену заміщені на Флуор:

n CF₂=CF₂ → (–CF₂–CF₂–)ₙ

Політетрафлуороетилен (ПТФЕ, тефлон) — хімічно інертний, термостійкий полімер із надзвичайно низьким коефіцієнтом тертя. Його застосовують для антипригарних покриттів, ущільнювачів, медичних імплантів.

У всіх п'яти реакціях немає побічних малих молекул — це ознака приєднувальної полімеризації. Однак не перенось цей опис на всі можливі види полімеризації: існують і інші механізми, де можуть виділятися малі молекули.

Поліконденсація — це процес утворення макромолекул із молекул мономерів, що супроводжується виділенням низькомолекулярних побічних продуктів, найчастіше води (H₂O), а також амоніаку, хлороводню тощо. На відміну від полімеризації, де мономерам достатньо кратного зв'язку, для поліконденсації потрібні функціональні групи (наприклад –COOH, –NH₂, –OH), здатні реагувати між собою.

Як відрізнити поліконденсацію від полімеризації

Головна ознака: у поліконденсації з кожним актом сполучення мономерів виділяється мала молекула. Наприклад, дві молекули амінокислоти можуть з'єднатися з утворенням дипептиду й виділенням води:

H₂N–CH₂–COOH + H₂N–CH₂–COOH → H₂N–CH₂–CO–NH–CH₂–COOH + H₂O

Тут карбоксильна група (–COOH) однієї молекули реагує з аміногрупою (–NH₂) іншої, утворюючи пептидний зв'язок (–CO–NH–). Вода відщеплюється. Якщо цей процес продовжити, виростає поліпептидний ланцюг — білок.

Короткий дипептид (дві амінокислоти) не називають макромолекулою полімеру, хоча він уже містить пептидний зв'язок. Полімером вважають сполуку з великою кількістю повторюваних ланок (n ≥ кількох десятків).

Класифікація полімерів за походженням

Полімери поділяють на три групи за походженням, і цей поділ не збігається з поділом на полімеризацію й поліконденсацію:

• Природні (біополімери) — існують у живій природі: целюлоза, крохмаль, білки, нуклеїнові кислоти, натуральний каучук.

• Штучні — одержані хімічною переробкою природних полімерів: ацетатне волокно (з целюлози), віскоза, ебоніт.

• Синтетичні — синтезовані з низькомолекулярних речовин (мономерів): поліетилен, поліпропілен, полістирен, ПВХ, тефлон, капрон, лавсан.

Зверни увагу: синтетичні полімери можна одержати як полімеризацією (поліетилен), так і поліконденсацією (капрон). Тому походження й механізм синтезу — різні класифікаційні ознаки.

У цьому розділі ми покроково розв'яжемо три завдання у форматі НМТ. Кожне з них перевіряє вміння, передбачені темою 3.5 програми.

Приклад 1. Логічні пари: структурна ланка — мономер

Установіть відповідність між структурною ланкою полімеру (1–3) і мономером, з якого цей полімер одержують (А–Д).

Розв'язання:

1. Для ланки –CH₂–CHCl– основний ланцюг — два атоми Карбону, до одного з яких приєднаний атом Хлору. Відновлюємо подвійний зв'язок між цими атомами C: CH₂=CHCl — це хлороетен. Отже, 1 → Б.

2. Для ланки –CF₂–CF₂– обидва атоми C мають по два атоми Флуору. Відновлюємо подвійний зв'язок: CF₂=CF₂ — це тетрафлуороетен. Отже, 2 → В.

3. Для ланки –CH₂–CH(C₆H₅)– один атом C має два H, другий — фенільну групу C₆H₅. Відновлюємо подвійний зв'язок: CH₂=CH–C₆H₅ — це стирен. Отже, 3 → А.

Відповідь: 1Б, 2В, 3А.

Чому інші варіанти неправильні: Г (етен) дав би ланку –CH₂–CH₂– без замісників; Д (пропен) дав би ланку –CH₂–CH(CH₃)– з метильною, а не фенільною групою.

Приклад 2. Вибір однієї відповіді: ознака поліконденсації

Яка з наведених схем ілюструє поліконденсацію?

А. n CH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)ₙ

Б. CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

В. H₂N–CH₂–COOH + H₂N–CH₂–COOH → H₂N–CH₂–CO–NH–CH₂–COOH + H₂O

Г. NaOH + HCl → NaCl + H₂O

Розв'язання: Поліконденсація — це утворення макромолекули з виділенням малої молекули (найчастіше H₂O). Схема В показує сполучення двох молекул амінокислоти з утворенням дипептиду й виділенням води — це типовий акт поліконденсації.

Відповідь: В.

Чому інші неправильні: А — це полімеризація етену (без побічних молекул); Б — горіння метану (не утворює полімер); Г — нейтралізація (не утворює полімер).

Приклад 3. Вибір однієї відповіді: ступінь полімеризації

Зразок поліетилену має середню молярну масу 14 000 г/моль. Чому дорівнює ступінь полімеризації n, якщо молярна маса структурної ланки дорівнює 28 г/моль? Внеском кінцевих груп знехтуйте.

А. 250

Б. 500

В. 1000

Г. 14 000

Розв'язання: Ступінь полімеризації n = M(полімеру) / M(ланки) = 14 000 / 28 = 500. Кінцеві групи не враховуємо, бо їхній внесок у загальну масу макромолекули незначний.

Відповідь: Б (500).

Чому інші неправильні: 250 — це половина правильної відповіді (помилка ділення на 56 замість 28); 1000 — подвоєння (помилка множення замість ділення); 14 000 — це молярна маса зразка, а не n.

Розгляньмо найпоширеніші помилки, яких припускаються учні під час виконання завдань НМТ з теми полімерів. Кожну з них варто запам'ятати, щоб не втратити бали.

• Залишати подвійний зв'язок C=C у ланці поліетилену. Пам'ятай: у структурній ланці поліетилену (–CH₂–CH₂–) усі зв'язки одинарні. Подвійний зв'язок був у мономері (CH₂=CH₂), а під час полімеризації він розкривається.

• Плутати бічну групу з атомами основного ланцюга. Наприклад, у ланці –CH₂–CH(CH₃)– метильна група –CH₃ є бічним замісником, а не частиною основного ланцюга. Основний ланцюг — це завжди два атоми Карбону, з'єднані одинарним зв'язком.

• Називати мономер і ланку тотожними об'єктами. Мономер — це окрема молекула з подвійним зв'язком (CH₂=CH₂). Структурна ланка — це фрагмент макромолекули без подвійного зв'язку (–CH₂–CH₂–). Вони мають однаковий елементний склад, але різну будову.

• Називати дипептид макромолекулою полімеру. Дипептид складається лише з двох амінокислотних залишків. Полімер — це сполука з великою кількістю повторюваних ланок (n ≥ десятків або сотень).

• Плутати походження полімеру зі способом з'єднання мономерів. Природний полімер (наприклад білок) може утворюватися поліконденсацією, а синтетичний (наприклад поліетилен) — полімеризацією. Але синтетичний капрон одержують поліконденсацією. Це різні класифікації.

Тема «Полімеризація і поліконденсація» входить до розділу 3.5 програми НМТ з хімії. Програма згадує полімеризацію й поліконденсацію та полімери поліетилен, поліпропілен, полістирен, поліхлоровініл і політетрафлуороетилен; їхні мономери — етен, пропен, стирен, хлороетен і тетрафлуороетен. Ти маєш уміти складати схеми їхньої полімеризації та відновлювати мономер за структурною ланкою.

Стратегія виконання

Найпоширеніший тип завдання — за структурною ланкою визначити мономер. Дій за алгоритмом:

1. Виділи два атоми Карбону основного ланцюга (вони з'єднані одинарним зв'язком C–C).

2. Збережи всі замісники (атоми або групи), приєднані до цих атомів C.

3. Віднови між цими двома атомами C подвійний зв'язок C=C — це й буде мономер.

Наприклад, для ланки –CH₂–CHCl–: два атоми C, один має два H, другий — H і Cl. Відновлюємо подвійний зв'язок: CH₂=CHCl — хлороетен.

Формати завдань

На НМТ тема полімерів може перевірятися у двох форматах:

• Вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г) — завдання 1–18 тесту. Правильна відповідь дає 1 бал, неправильна — 0 балів.

• Логічні пари (завдання 19–20): три елементи лівого стовпчика (1–3) треба зіставити з п'ятьма елементами правого (А–Д). Дві букви зайві. Кожна правильна пара дає 1 бал, максимум — 3 бали.

У завданнях на логічні пари можуть пропонувати зіставити структурну ланку з мономером, або полімер з його мономером, або спосіб добування з прикладом.

• Структурна ланка — це фрагмент макромолекули, який багаторазово повторюється вздовж полімерного ланцюга. Її записують у дужках, наприклад (–CH₂–CH₂–)ₙ.

• При полімеризації вивчених ненасичених мономерів (етен, пропен, стирен, хлороетен, тетрафлуороетен) малі побічні молекули не утворюються — це приєднувальна полімеризація.

• Поліконденсація супроводжується виділенням малих молекул (найчастіше H₂O). Для неї потрібні мономери з функціональними групами.

• Походження полімеру (природний, штучний, синтетичний) і механізм його синтезу (полімеризація чи поліконденсація) класифікують окремо — це незалежні ознаки.

• Ступінь полімеризації n обчислюють як n = M(полімеру) / M(ланки), нехтуючи внеском кінцевих груп.