Пластмаси і волокна
~15 хв · 8 розділів · 11 тестових запитань
Співвідноси поширені пластмаси (поліетилен, поліпропілен, полівінілхлорид, полістирен, політетрафлуороетилен) з їхніми мономерами, класифікуй волокна за походженням на природні, штучні та синтетичні, а також пояснюй застосування поліетилену його фізико-хімічними властивостями.
Пластмаса — це матеріал, основу якого становить полімер. На відміну від чистого полімеру, пластмаса може містити наповнювачі (крейда, скловолокно), барвники, пластифікатори, стабілізатори й інші добавки, які надають їй потрібних експлуатаційних якостей. Тому властивості готового виробу залежать не лише від хімічної будови полімеру, а й від складу матеріалу загалом.
Кожній поширеній пластмасі відповідає конкретний мономер — ненасичена сполука, з якої вона утворюється реакцією полімеризації. Ти вже знаєш, як записують рівняння полімеризації та як виглядає структурна ланка (це опрацьовано в темі «Полімеризація і поліконденсація»). Тут ми зосередимось на відповідності «пластмаса → мономер».
Поліетилен (ПЕ)
Мономер: етен (етилен) — CH₂=CH₂. Поліетилен — найпоширеніша пластмаса у світі. Його одержують полімеризацією етену за тиском і в присутності каталізатора. Залежно від умов синтезу утворюється поліетилен високої густини (ПЕВГ, HDPE) або низької густини (ПЕНГ, LDPE).
Поліпропілен (ПП)
Мономер: пропен (пропілен) — CH₂=CHCH₃. Поліпропілен міцніший і твердіший за поліетилен, має вищу температуру плавлення. Його використовують для виготовлення контейнерів, деталей автомобілів, пакувальних стрічок.
Полівінілхлорид (ПВХ, поліхлоровініл)
Мономер: хлороетен (вінілхлорид) — CH₂=CHCl. ПВХ буває жорстким (віконні профілі, труби) і м'яким (ізоляція кабелів, лінолеум) — залежно від кількості пластифікатора.
Полістирен (ПС)
Мономер: стирен (вінілбензен) — CH₂=CHC₆H₅. Полістирен — твердий, прозорий, крихкий матеріал. Його застосовують для виробництва одноразового посуду, корпусів побутової техніки, пінопласту (спіненого полістирену).
Політетрафлуороетилен (ПТФЕ, тефлон)
Мономер: тетрафлуороетен — CF₂=CF₂. ПТФЕ надзвичайно хімічно стійкий, не змочується водою й має дуже низький коефіцієнт тертя. Відомий як тефлонове покриття для сковорідок, а також використовується в ущільнювачах і хімічній апаратурі.
Пластмаса | Мономер | Формула мономера |
|---|---|---|
Поліетилен (ПЕ) | Етен | CH₂=CH₂ |
Поліпропілен (ПП) | Пропен | CH₂=CHCH₃ |
Полівінілхлорид (ПВХ) | Хлороетен | CH₂=CHCl |
Полістирен (ПС) | Стирен | CH₂=CHC₆H₅ |
Політетрафлуороетилен (ПТФЕ) | Тетрафлуороетен | CF₂=CF₂ |
Волокна — це тонкі ниткоподібні матеріали, які використовують для виготовлення тканин, шнурів, сіток та інших текстильних виробів. За походженням їх поділяють на три великі групи: природні, штучні та синтетичні. Важливо розуміти, що «штучне» і «синтетичне» — не синоніми.
Природні волокна
Природні волокна існують у готовому вигляді в природі. Їх не синтезують хімічно, а лише збирають, очищають і механічно обробляють.
Бавовна — найпоширеніше природне волокно рослинного походження. Вона складається переважно з целюлози — природного полісахариду. Бавовняні тканини м'які, гігроскопічні, добре пропускають повітря.
Вовна — волокно тваринного походження (овеча, козяча, верблюжа тощо). За хімічним складом це білок (кератин). Вовна добре зберігає тепло, має пружність.
Шовк — також тваринне білкове волокно. Натуральний шовк виробляють гусениці шовкопряда. Його основу становить білок фіброїн. Шовк має гладеньку поверхню, м'який блиск і високу міцність.
Штучні волокна
Штучні волокна одержують хімічною переробкою природної сировини — найчастіше целюлози. Сам факт промислового виготовлення не робить волокно синтетичним: вирішальним є походження вихідної сировини.
Віскозне волокно — регенерована целюлоза. Природну целюлозу (з деревини або бавовняного пуху) розчиняють, а потім пропускають крізь фільєри в осаджувальну ванну, де вона знову твердне у вигляді ниток. Віскоза за складом — та сама целюлоза, але з іншою структурою.
Ацетатне волокно — похідне целюлози. Целюлозу обробляють оцтовим ангідридом, утворюючи ацетат целюлози, з якого потім формують нитки. Ацетатне волокно менш гігроскопічне, ніж віскоза, має шовковистий блиск.
Синтетичні волокна
Синтетичні волокна одержують із синтетичних полімерів — речовин, які не існують у природі, а синтезуються з мономерів (продуктів нафтохімії). Їх не слід плутати зі штучними.
Капрон — поліамідне волокно. Його одержують поліконденсацією ε-амінокапронової (6-аміногексанової) кислоти, а в промисловості — полімеризацією капролактаму. Капрон дуже міцний, еластичний, стійкий до стирання. Використовується для виготовлення панчішно-шкарпеткових виробів, шнурів, рибальських сіток.
Лавсан — поліестерне волокно (поліетилентерефталат, ПЕТФ). Його одержують поліконденсацією терефталевої кислоти й етиленгліколю. Лавсан міцний, стійкий до зминання, не вицвітає. Застосовується в одязі, технічних тканинах, як наповнювач для подушок і ковдр.
Міцні синтетичні волокна широко використовують у тканинах, шнурах, сітках і технічному текстилі. Капрон і лавсан мають різну хімічну будову (поліамід проти поліестеру), тому властивості конкретного виробу залежать від полімеру й технології виготовлення.
Поліетилен — наймасовіша пластмаса, і її широке застосування пояснюється поєднанням кількох корисних властивостей. Розгляньмо, які саме властивості роблять поліетилен придатним для тих чи інших виробів.
Фізико-хімічні властивості поліетилену
Поліетилен має малу густину (0,91–0,97 г/см³) — він легший за воду. Завдяки цьому вироби з нього мало важать, що важливо для пакування й транспортування.
Він хімічно стійкий до дії води, розчинів кислот, лугів і солей за звичайної температури. Однак уникай помилкового твердження, що поліетилен стійкий до абсолютно всіх речовин: він набухає або розчиняється в деяких органічних розчинниках (бензені, гексані) за підвищеної температури, а концентровані кислоти-окисники (нітратна кислота) можуть його руйнувати.
Поліетилен не змочується водою (гідрофобний) — крапля води скочується з його поверхні, не вбираючись. Це робить його чудовим матеріалом для захисних плівок і пакування вологих продуктів.
Він є добрим діелектриком — практично не проводить електричний струм. Саме ця властивість, а не «металічний блиск» чи «добра електропровідність», пояснює використання поліетилену для ізоляції електричних проводів.
Застосування: властивість → виріб
Властивість | Застосування |
|---|---|
Мала густина (легкість) | Легка упаковка, пакети, плівки |
Водостійкість (гідрофобність) | Захисна плівка, пакування харчових продуктів |
Діелектричність (не проводить струм) | Ізоляція електричних проводів і кабелів |
Хімічна стійкість | Тара для кислот, лугів, побутової хімії |
Вторинна переробка та біорозкладання
Вторинна переробка (рециклінг) полімерних матеріалів зменшує потребу в новій сировині (нафті чи природному газі) та знижує кількість відходів. Однак можливість переробки залежить від виду полімеру, наявності домішок, якості сортування й доступної технології. Наприклад, поліетилен високої густини (ПЕВГ) переробляють легше, ніж багатошарові плівки з різних матеріалів.
Важливо розрізняти вторинну переробку та біологічне розкладання. Біорозкладання — це здатність матеріалу руйнуватися під дією мікроорганізмів на прості речовини (CO₂, H₂O, біомасу). Більшість поширених пластмас (поліетилен, поліпропілен, ПВХ, полістирен) у звичайних умовах не біорозкладні або розкладаються дуже повільно (сотні років). Те, що пластмасу можна переробити, зовсім не означає, що вона швидко розкладається в природі.
Приклад 1. Логічні пари: волокна та їх походження
У завданні на логічні пари тобі потрібно встановити відповідність між волокнами (1–3) та їхнім походженням або хімічною природою (А–Д). Дві відповіді з переліку А–Д зайві.
Завдання: Установи відповідність:
Волокно | Характеристика |
|---|---|
1 Віскозне волокно | А Синтетичне поліамідне |
2 Вовна | Б Штучне целюлозне |
3 Капрон | В Природне білкове |
Г Природне целюлозне | |
Д Синтетичне поліестерне |
Розв'язання:
Віскозне волокно (1) одержують хімічною переробкою природної целюлози. Це штучне волокно, а не синтетичне. Його характеристика — «штучне целюлозне» (Б).
Вовна (2) — природне волокно тваринного походження, складається з білка кератину. Отже, «природне білкове» (В).
Капрон (3) — синтетичне волокно, одержане поліконденсацією, належить до поліамідів. Характеристика — «синтетичне поліамідне» (А).
Відповідь: 1 — Б, 2 — В, 3 — А.
Чому інші варіанти не підходять: Г (природне целюлозне) — це характеристика бавовни, а не віскози чи вовни. Д (синтетичне поліестерне) — це лавсан, а не капрон.
Приклад 2. Мономер поліпропілену
Завдання: Який мономер відповідає поліпропілену?
А) CH₂=CH₂
Б) CH₂=CHCH₃
В) CH₂=CHCl
Г) CF₂=CF₂
Розв'язання: Поліпропілен утворюється полімеризацією пропену. Пропен має формулу CH₂=CHCH₃ (у ньому три атоми Карбону, один із яких — метильна група —CH₃).
Відповідь: Б) CH₂=CHCH₃.
Чому інші варіанти неправильні: А) CH₂=CH₂ — це етен, мономер поліетилену. В) CH₂=CHCl — хлороетен, мономер полівінілхлориду. Г) CF₂=CF₂ — тетрафлуороетен, мономер політетрафлуороетилену (тефлону).
Приклад 3. Властивість поліетилену для електроізоляції
Завдання: Яка властивість поліетилену зумовлює його використання для ізоляції електричних проводів?
А) Металічний блиск
Б) Добра електропровідність
В) Мала електропровідність (діелектричність)
Г) Здатність розчинятися у воді
Розв'язання: Для ізоляції проводів потрібен матеріал, який не проводить електричний струм, тобто є діелектриком. Поліетилен має малу електропровідність — він практично не пропускає струм. Саме тому його використовують як ізоляційне покриття кабелів.
Відповідь: В) Мала електропровідність (діелектричність).
Чому інші варіанти неправильні: А) Поліетилен не має металічного блиску — це властивість металів, а не полімерів. Б) Добра електропровідність — це властивість, протилежна потрібній для ізоляції; таку властивість мають метали, а не поліетилен. Г) Поліетилен не розчиняється у воді (він гідрофобний), і це жодним чином не пов'язане з ізоляцією.
Називати віскозу синтетичним волокном. Віскозу одержують хімічною переробкою природної целюлози, тому вона належить до штучних, а не синтетичних волокон. Синтетичні волокна (капрон, лавсан) виготовляють із мономерів, які не існують у природі.
Плутати білкову вовну з целюлозною бавовною. Обидва волокна природні, але вовна — тваринного походження, її основа — білок кератин. Бавовна — рослинного походження, складається з целюлози. На НМТ можуть запитувати хімічний склад, а не лише походження.
Вибирати хлороетен мономером поліетилену. Поліетилен утворюється з етену CH₂=CH₂. Хлороетен CH₂=CHCl — мономер полівінілхлориду. Запам'ятай: назва мономера часто збігається з назвою полімеру без префікса «полі-» (етен → поліетилен, пропен → поліпропілен).
Вважати всі полімери біорозкладними. Більшість поширених пластмас (поліетилен, поліпропілен, ПВХ, полістирен) у природних умовах не розкладаються мікроорганізмами або розкладаються сотні років. Біорозкладні полімери (наприклад, полілактид) існують, але вони не входять до переліку обов'язкових для НМТ.
Пояснювати ізоляцію проводів високою електропровідністю. Ізоляція потребує матеріалу, який не проводить струм, — діелектрика. Поліетилен має малу електропровідність. Висока електропровідність — властивість металів, яка робить їх провідниками, а не ізоляторами.
Тема «Пластмаси і волокна» входить до розділу 3.5 програми НМТ з хімії («Синтетичні високомолекулярні речовини і полімерні матеріали»). Тест перевіряє знання поширених пластмас, волокон, їх походження, властивостей та застосування.
Стратегія виконання
Для завдань про волокна спочатку встанови, з якої сировини виготовлено волокно: якщо сировина природна (целюлоза, білок) — волокно природне; якщо сировина природна, але хімічно перероблена (целюлоза → віскоза) — волокно штучне; якщо полімер синтезовано з мономерів (капрон, лавсан) — волокно синтетичне.
Для завдань про пластмаси згадай будову мономера: назва мономера зазвичай збігається з назвою полімеру без префікса «полі-» (етен → поліетилен, пропен → поліпропілен). Виняток — полівінілхлорид (мономер хлороетен) і політетрафлуороетилен (мономер тетрафлуороетен).
Формат завдань
Тип завдання | Номери | Опис | Бали |
|---|---|---|---|
Вибір однієї відповіді з чотирьох | 1–18 | А–Г, одна правильна | 0 або 1 бал |
Логічні пари | 19–20 | 1–3 → А–Д, дві букви зайві | 1 бал за пару, до 3 балів |
Чому віскоза штучна, але не синтетична?
Віскозу виготовляють із природної целюлози (деревини або бавовняного пуху), яку розчиняють, а потім регенерують у вигляді ниток. Вихідна сировина — природний полімер, а не синтезований з мономерів. Тому віскоза належить до штучних волокон. Синтетичні волокна (капрон, лавсан) одержують із мономерів, які не існують у природі, — продуктів нафтохімічного синтезу.
Чим бавовна за складом відрізняється від вовни?
Бавовна — рослинне волокно, її основу становить целюлоза (полісахарид). Вовна — тваринне волокно, її основу становить білок кератин. Отже, бавовна належить до вуглеводів (полісахаридів), а вовна — до білків. Це важливо пам'ятати, бо на НМТ можуть запитувати не лише походження, а й хімічний склад волокна.
Яка властивість поліетилену потрібна для ізоляції?
Для ізоляції електричних проводів потрібна мала електропровідність — здатність матеріалу не пропускати електричний струм. Поліетилен є діелектриком, тобто практично не проводить струм. Саме тому його використовують як ізоляційне покриття кабелів. Інші властивості поліетилену (легкість, водостійкість, хімічна стійкість) також корисні, але для ізоляції визначальною є діелектричність.
Чи означає можливість переробки, що пластмаса швидко розкладається в природі?
Ні, це різні поняття. Вторинна переробка (рециклінг) — це промисловий процес, за якого відходи пластмаси переплавляють і виготовляють нові вироби. Біологічне розкладання — це руйнування матеріалу мікроорганізмами в природних умовах. Більшість поширених пластмас (поліетилен, поліпропілен, ПВХ, полістирен) можна переробляти, але вони не біорозкладні або розкладаються сотні років. Можливість переробки не означає здатності до швидкого розкладання в довкіллі.
Кожній вивченій пластмасі відповідає конкретний мономер: поліетилен ← етен (CH₂=CH₂), поліпропілен ← пропен (CH₂=CHCH₃), полівінілхлорид ← хлороетен (CH₂=CHCl), полістирен ← стирен (CH₂=CHC₆H₅), політетрафлуороетилен ← тетрафлуороетен (CF₂=CF₂).
Бавовна складається з целюлози (рослинне волокно), вовна й шовк — із білків (тваринні волокна). Усі вони природні.
Віскоза й ацетатне волокно — штучні, бо їх одержують хімічною переробкою природної целюлози. Капрон і лавсан — синтетичні, бо їх синтезують із мономерів.
Вторинна переробка зменшує потребу в новій сировині, але потребує придатного матеріалу, сортування й технології. Біорозкладання — окремий процес; більшість поширених пластмас не біорозкладні.