Главная страница

Высокомолекулярные соединения 2013. Минобрнауки россии федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ЮгоЗападный государственный университет


Скачать
НазваниеМинобрнауки россии федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ЮгоЗападный государственный университет
АнкорВысокомолекулярные соединения 2013.pdf
Дата25.03.2020
Размер
Формат файлаpdf
Имя файлаВысокомолекулярные соединения 2013.pdf
ТипМетодические указания
#1766
страница1 из 4

Подборка по базе: Сохранение территориальной целостности России.docx, Областное государственное бюджетное профессиональное образовател, о дорожном движении в англии и россии.doc, Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреж, Федеральное государственное бюджетное образовательное.docx, Департамент образован�...B4арственное бюджетное...docx, СР 2.2.1. НМД ФСТЭК России.docx, Порты России и Исток Невы.docx, Государственное бюджетное профессиональное.pdf, Экономика транспортного комплеска в России.docx
  1   2   3   4

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Юго-Западный государственный университет»
(ЮЗГУ)
Кафедра химии
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
_____________ О.Г. Локтионова
«____»______________2013 г.
ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Методические указания для самостоятельной и аудиторной работы по дисциплине «Химия» студентов химического и нехимического профиля
Курск 2013

2
УДК 543
Составители: В.С. Мальцева, Сазонова А.В., Кувардин Н.В.
Рецензент
Кандидат химических наук, доцент Фатьянова Е.А.
Высокомолекулярные соединения: методические указания для самостоятельной и аудиторной работы по дисциплине «Общая химия» студентов химического и нехимического профиля / Юго-
Зап. гос. ун-т; сост.: В.С. Мальцева, А.В. Сазонова, Н.В. Кувардин.
Курск, 2013, 51 с.: ил. 4, табл. 1. Библиогр.: 51 с.
Содержит основные теоретические положения по теме «Вы- сокомолекулярные соединения». Приведены вопросы для самокон- троля по данному разделу химии и программа для тестирования.
Дано описание лабораторных работ по теме «Высокомолекулярные соединения».
Методические указания предназначены для студентов хими- ческого и нехимического профиля.
Текст печатается в авторской редакции
Подписано в печать Форма 60x84 1/16.
Усл. печ. л. Уч.-изд.л. Тираж 100 экз. Заказ. Бесплатно
Юго-Западный государственный университет.
305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

СОДЕРЖАНИЕ
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ ВЫСОКОМОЛЕ-
КУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
4
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ
5
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ
14
СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ
18
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ
22
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА «Высокомолекулярные со-
единения: способы получения и свойства»
28
Опыт 1. Полимеризация стирола
29
Опыт 2. Получение полиметилметакрилата
29
Опыт 3. Получение полимера «капрон»
29
Опыт 4. Получение фенолформальдегидного полимера
29
Опыт 5. Обнаружение кремния в силиконовом каучуке
29
Опыт 6. Отношение каучука и пластмасс к растворителям
29
Опыт 7. Отношение пластмасс к нагреванию и горению
30
Опыт 8. Характер продуктов, образующихся при разложе- нии пластмасс
30
Опыт 9. Отношение пластмасс к щелочам и кислотам
30
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
31
ПРОГРАММА ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ
33
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
51

4
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ
ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Высокомолекулярные соединения (ВМС) - химические ве- щества с большой молекулярной массой, которые состоят из боль- шого числа повторяющихся фрагментов. Высокомолекулярные со- единения часто называют полимерами (от греч. рoly - много, me- ros - часть).
Мономер - исходное низкомолекулярное вещество, из кото- рого синтезируют полимер.
Элементарное (структурное) звено - одинаковые, много- кратноповторяющиеся звенья в макромолекуле полимера.
Число элементарных звеньев в макромолекуле (n), является одной их главных характеристик полимера и называется степенью
полимеризации полимера.
Уравнение реакции полимеризации:
Если структурное звено обозначить как А, то формулу поли- мера можно записать как (-А-)
n
Между степенью полимеризации полимера (n) и молекуляр- ной массой полимера (M) имеется следующее соотношение:
m
M

n
, (1) где m - молекулярная масса элементарного звена.
Полимеры с высокой степенью полимеризации называются
высокополимерами, а с небольшой - олигомерами.
Вследствие большой молекулярной массы макромолекулы полимеров приобретают некоторые специфические свойства. По- этому они выделяются в особую группу химических соединений.

Название полимера складывается из названия мономера и приставки «поли». Например: полимер, полученный из этилена, называется полиэтиленом; из винилхлорида - поливинилхлоридом; из акриловой кислоты - полиакриловой кислотой и т.д.
Высокомолекулярные соединения представлены большим спектром природных соединений: животные и растительные белки, углеводы (целлюлоза и крахмал), натуральный каучук, смолы и многие другие вещества. Много ВМС создано синтетическим пу- тём (красители, антибиотики, каучуки, пластмассы, синтетические волокна и т.д.) Эти соединения близки к природным полимерам, но отличаются химическим строением и, благодаря этому, наличием каких-либо особых свойств.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ
Классификацию полимеров проводят по разным признакам:
по происхождению; по химическому составу макромолекулы;
по геометрии макромолекулы; по природы мономеров, состав-
ляющих главную цепь; по отношению к нагреванию и др.
По происхождению полимеры в первую очередь делят на
природные и химические. Природные полимеры представлены растительными, животными и минеральными соединениями. Рас- тительные и животные ВМС в основном имеют природу органиче- ских веществ. Характерными представителями таких соединений являются природные белки, натуральный каучук, шелк, шерсть и др. Химические полимеры делят на искусственные (получают пе- реработкой природных полимеров) и синтетические (синтезируют из низкомолекулярных веществ - мономеров).
К числу искусственных ВМС относятся: нитроцеллюлоза (ис- пользуемая для получения целлулоида), ксантогенат целлюлозы
(вискоза), ацетат целлюлозы и др.
К синтетическим полимерам - наиболее важному классу ВМС относятся полиэтилен, поливинилхлорид, полистиролы, фенол- формальдегидные смолы, полиамиды и др.
На рисунке 1 представлена классификация высокомолекуляр- ных соединений по происхождению.

6
Рисунок 1. Классификация ВМС по происхождению
По химическому составу макромолекулы полимеры делят
органические, элементорганические и неорганические.
Органические делят на карбоцепные и гетероцепные.
Карбоцепные полимеры - соединения, содержащие в глав- ной цепи только атомы углерода, в состав боковых групп входят, кроме атомов углерода, атомы водорода, кислорода, азота, серы, галогенов.
Гетероцепные полимеры - соединения, содержащие в глав- ной цепи атомы углерода, азота, кислорода, серы.
Неорганические полимеры - полимеры, содержащие атомы элементов III - VI групп Периодической системы элементов. Эти полимеры входят в состав земной коры в виде минералов.
В таблице 1 приведены отдельные представители по данной классификации.
По природе атомов, составляющих главную цепь, все по- лимеры делят на гомоцепные и гетероцепные. Гомоцепные - по- лимеры, главные цепи которых построены из одинаковых атомов.
Если это атомы углерода, то полимерное соединение будет карбо-
цепным, например: …-СН
2
-СН
2
-СН
2
-СН
2
-СН
2
-СН
2
-СН
2
-СН
2
-…
Полисиланы: …- SiН
2
-SiН
2
-SiН
2
-SiН
2
-SiН
2
-SiН
2
-Si
2
-SiН
2
-…
Полигерманы: …- GeН
2
-GeН
2
-GeН
2
-GeН
2
-GeН
2
-GeН
2
-GeН
2
-…

Таблица 1 - Представители полимерных соединений класси- фикации по химическому составу макромолекулы
Класс
полимерных соединений
Название полимера,
его формула
Органические карбоцепные полимеры
Полимерные предельные угле- водороды
Полиэтилен (-СН
2
-СН
2
-СН
2
-)
n
Полимерные непредельные уг- леводороды
Полибутадиен
(-СН
2
-СН=СН-СН
2
-)
n
Галогенсодержащие полимеры
Поливинилхлорид
(-СН
2
-С(Сl)Н-)
n
Полимерные спирты и их про- изводные
Поливиниловый спирт
(-СН
2
-С(ОН)Н-)
n
Полимерные альдегиды и кето- ны
Полиакролеин
(-СН
2
-С(СОН)Н-)
n
-
Полимерные кислоты и их про- изводные
Полиакриловая кислота
(-СН
2
-С(СООН)Н-)
n
Полимерные ароматические со- единения
Полифенолы
Полимеры, содержащие азот в боковой цепи
Поливиниламин
(-СН
2
-С(NН
2
)Н-)
n
Сополимеры
Сополимеры бутадиена и стирола
[-CH
2
-CH=CH-CH
2
-CH
2
-CH(С
6
Н
5
)-]
n
Органические гетероцепные полимеры
Полимеры, содержащие кисло- род в главной цепи
Полиэфиры -[CH
2
]
n
-O-[CH
2
]
m
-O
Полимеры, содержащие азот в главной цепи
Полиамиды
-NH-[CH
2
]
x
-NH-CO-[CH
2
]
y
-CO-
Полимеры, содержащие серу в главной цепи
Полисульфиды
-R-[S]
x
-R'-[S]

8 продолжение табл. 1
Класс
полимерных соединений
Название полимера,
его формула
Элементорганические соединения
Полимеры, содержащие углерод и кремний в главной цепи
Карбосиланы
Полиорганосилоксаны
(-(О)-Si(R)-O-)
n
Полимеры, содержащие фосфор и азот в главной цепи
Полиорганофосфазаны
(-P(R
2
)=N-)
n
Неорганические гомоцепные полимеры
Полимеры, содержащие углерод
Алмаз, графит, фуррилен и др.
Полимеры, содержащие селен, теллур, серу и др.
Полиселен, полителлур, полисера и др. (Se)
n
, (Te)
n
, (S)
n
Неорганические гетероцепные полимеры
Полимерные стекла
Силикатное стекло
Каучуки и т.д.
Полифосфорный хлорид
(-P(Cl
2
)=N-)
n
Гетероцепными называются полимеры, главная цепь кото- рых построена из различных атомов. К ним относятся простые эфиры (полиоксиметилен) …-СН
2
-О-СН
2
-О-СН
2
-О-…
По геометрии макромолекулы полимеры делят на линей- ные, разветвлённые и сетчатые (сшитые).
Линейный полимер построен из макромолекул с длинной цепью, характеризующихся высокой степенью симметрии. Если остаток мономера обозначить буквой А, то линейный полимер можно изобразить следующим образом: …-А-А-А-А-А-А-А-…
Линейное строение цепи имеют макромолекулы крахмала
(амилоза - составная часть), целлюлоза, натуральный каучук, неко- торые белки (казеин), многие синтетические полимеры (полиэти- лен, политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полистирол и др.).
Макромолекула разветвлённого полимера представляет со- бой длинную цепь (главная, основная) с боковыми ответвлениями

(боковые цепи). Число ответвлений и их длина могут меняться в очень широких пределах:
К разветвлённым полимерам относятся амилопектин крахма- ла, многие синтетические высокомолекулярные соединения.
Сетчатыми, или пространственными, называются полиме- ры, построенные из длинных цепей, соединенных друг с другом в трёхмерную сетку поперечными химическими связями.
В пространственном полимере невозможно выделить отдель- ные молекулы, так как его атомы соединены между собой в еди- ную трёхмерную сетку. Поэтому понятие «молекула» теряет физи- ческий смысл. Вследствие наличия прочной химической связи ме-

10 жду центрами затрудняется их взаимное превращение, поэтому по- лимеры не могут быть переведены в жидкое состояние без разру- шения структуры. Пространственное строение имеют белки шер- сти, кварц [SiO
2
]
n
, алмаз [C]
n и другие полимеры.
По природе мономеров, составляющих главную цепь и ха- рактеру их присоединения полимеры делят на гомополимеры, со- полимеры, привитые и блоксополимеры.
Полимеры, состоящие из одного типа мономеров, называют
гомополимерами. Полимеры, состоящие из нескольких типов мо- номеров, называют сополимерами, или смешанными полимера-
ми. Сополимеры могут быть линейными, разветвленными, сетча- тыми. В молекулах сополимеров остатки мономеров могут распо- лагаться в цепи беспорядочно, по закону случая, или регулярно.
Первые называют статистическими (нерегулярными), вторые - ре- гулярными.
Линейные смешанные полимеры, в которой звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последователь- ности (блоки), называют блоксополимерами.
…-А-А-А-А-А-А-А-…-Б-Б-Б-Б-Б-Б-Б-Б-…-А-А-А-А-А-А-А…
Разветвленные сополимеры, главная цепь которых состоит из одних мономеров, а боковые ответвления - из других, называют привитыми (графтсополимерами):
По регулярности полимеры делят на регулярные и нерегу-
лярные. Если в цепи полимера монотонно чередуются звенья, то
есть соблюдается совершенный дальний порядок звеньев по цепи, то полимер построен регулярно.
В регулярных полимерах мономерные звенья соединяются по схеме «голова к хвосту»:
Иногда мономеры могут соединяться по схеме «голова к го- лове» или «хвост к хвосту», что приводит к нарушению регулярно- сти к макромолекулярной цепи. Такие полимеры называют нерегу- лярными
Нерегулярное строение имеют как линейные, так и разветв- ленные полимеры и сополимеры.
Если регулярное расположение элементарных звеньев в цепи соблюдается не только в плоскости, но и в пространстве, то такие полимеры называют стереорегулярными.
При регулярном расположении звеньев и заместителей в про- странстве наблюдается пространственная (конфигурационная) изомерия: геометрическая (цис- и транс-изомерия) и оптическая
(D- и L-ряд).
Геометрическая изомерия характерна для полимеров, которые содержат в главной цепи макромолекулы двойной связи. В цис-
изомерах атомы углевода распространяются относительно плоско- сти каждой двойной связи по одну сторону, а в транс-изомерах - по разные стороны.
Примером таких изомеров являются макромолекулы нату- рального каучука и гуттаперчи:

12
- цис-изомер (натуральный каучук):
- транс-изомер (гуттаперча):
По свойствам натуральный каучук является эластичным по- лимером, а гаттаперча - твердым кожеподобным продуктом. И тот и другой имеют растительное происхождение: натуральный каучук получают коагуляцией латекса каучуконосных растений, в основ- ном бразильской гевеи; гуттаперчу выделяют коагуляцией латекса гуттаперченосных растений (палаквиума, пайены, бассии). Латекс
(млечный сок перечисленных растений) – это водная дисперсия глобул натурального каучука, содержащего также белки, соли и др.
L- и D-изомерия обусловлена наличием ассиметричного атома углерода в цепи полимера, например:
По методу синтеза полимеры классифицируются в соответст- вии со схемой, приведенной на рисунке 2.

Рисунок 2. Классификация полимеров по методу синтеза
В зависимости от поведения при нагревании высокомолеку- лярные соединения делятся на термопластичные и термореактив- ные.
Термопластичные полимеры, или термопласты, при нагре- вании постепенно размягчаются, а при охлаждении затвердевают.
Плавление происходит преимущественно в результате уменьшения сил межмолекулярного взаимодействия и увеличения кинетиче- ской энергии молекул. При охлаждении жидких термопластичных полимеров наблюдаются обратные явления, и полимер из жидкого состояния переходит в твердое. Химическая природа полимера при этом не изменяется, поэтому процесс плавления и процесс охлаж- дения можно многократно повторять. К термопластичным полиме- рам относятся многие синтетические полимеры - полиэтилен, по- липропилен, полистирол, поликапроамид и др.
Термореактивные полимеры или реактопласты, не восста- навливают свои свойства при нагревании и последующем охлаж- дении. Это связано с наличием свободных функциональных групп или непредельных связей в макромолекулах, которые, взаимодей- ствуя с другой макромолекулой, образуют новые химические свя- зи, и полимер приобретает сетчатую (пространственную, или трёх- мерную) структуру. К термореактивным полимерам относятся по- лиэтилентерефталат, фенолформальдегидная смола, полиуретан и др.

14
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ
Существует два основных способа получения высокомолеку- лярных соединений: полимеризация и поликонденсация.
Полимеризация - реакция образования полимеров путём
последовательного присоединения молекул низкомолекуляр-
ного вещества (мономера) за счёт разрыва кратных связей.
В цепную полимеризацию вступают в основном ненасыщен- ные мономеры, у которых имеется двойная связь между атомами углерода:
Как и всякая химическая реакция, полимеризация начинается с разрыва одних химических связей и возникновения других. Такой разрыв может происходить или по гомолитическому или по гете- ролитическому механизму. В первом случае образуются радикалы, а во втором - ионы. Полимеризация, идущая с участием радикалов, называются радикальной, а протекающая через образование ио- нов - ионной.
Таким образом, радикальная и ионная полимеризация разли- чаются природой активного центра, начинающегося и ведущего макромолекулярную цепь.
Радикальная полимеризация
Как и всякий цепной процесс, радикальная полимеризация протекает через три основных стадии:
1. Инициирование (образование активного центра). На этой стадии протекает образование первичного свободного радика- ла (R

) в результате теплового, фотохимического, химического, ра- диационного или других видов взаимодействия. В качестве хими- ческих инициаторов полимеризации применяют пероксиды, азо- соединения (имеющих функциональную группу
) и другие соединения с ослабленными связями. Первоначально образуются радикалы:

Свободные радикалы (R

) легко взаимодействуют с различ- ными ненасыщенными соединениями (мономерами), что ведёт к образованию макрорадикалов:
2. Рост цепи заключается в многократном присоединении мо- лекул мономера к радикалу с получением новых радикалов (мак- рорадикалов).
3. Обрыв цепи связан с исчезновением свободного электрона у последнего звена макромолекулы. Чаще всего это происходит в результате соединения между собой двух макрорадикалов (
  1   2   3   4


написать администратору сайта