Понятие о полимерах и полимеризации

Министерство образования и науки Российской Федерации

(МИНОБРНАУКИ РОССИИ)

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (ТГУ)

Геолого-географический факультет

Заочное отделение

Контрольная работа на тему

ПОНЯТИЕ О ПОЛИМЕРАХ И ПОЛИМЕРИЗАЦИИ

Проверил:

к.х.н., доцент

В.Н. Белоусова

Выполнил:

студент ОЗО ГГФ

Ф.Р. Валишев

Томск 2011

Содержание.

1. Общая характеристика полимеров и реакций полимеризации                                      2

2. Классификация полимеров                                                                                                4

3. Свойства полимеров                                                                                                           5

4. Виды полимеров                                                                                                                  8

5. Список литературы                                                                                                             15

Общая характеристика полимеров

Полимером называется органическое вещество, длинные молекулы которого построены из одинаковых многократно повторяющихся звеньев — мономеров. По другому данное определение можно сформулировать так: полимерами называют высокомолекулярные соединения, состоящие из одной, двух или более малых молекул (звеньев), которые связаны между собой химической связью.

Довольно часто общую формулу полимеров можно записать в виде  (-Х-)n

где фрагмент -Х- называется элементарное звено, а число n -степень полимеризации. Это число для разных полимеров может изменяться в широком диапазоне, от сотен до десятков тысяч. В отличие от низкомолекулярных веществ, разные молекулы одного и того же полимера могут иметь разное значение n и разную молекулярную массу, поэтому для характеристики полимера используют понятия средней степени полимеризации и средней молекулярной массы.

Полимеры могут иметь регулярное и нерегулярное строение. Если все элементарные звенья в молекуле характеризуются одинаковым пространственным расположением атомов (например, в натуральном каучуке), то говорят о регулярном строении, в противном случае - о нерегулярном. Полимеры с регулярным строением имеют особо ценные физико-химические и механические свойства.

Полимеры получаются методами полимеризации и поликонденсации.

Реакция полимеризации (от греч. polymeres-состоящий из многих частей) представляет собой соединение молекул мономера, которое обеспечивается раскрытием кратных связей, и при этом не образуются иные вещества и продукты. Раскрытие связей способствует образованию цепи с мономерными звеньями.

На полимеризацию (сначала как на побочную реакцию) было указано еще в сер. 19 века, практически одновременно с выделением первых способных к ней веществ (винилхлорида, стирола, изопрена), однако ее химическая сущность и тесная связь с цепными реакциями были поняты лишь в 20-30-е гг. 20 века благодаря работам С.В. Лебедева, Г. Штаудингера, С.С. Медведева, Г. Марка, К. Циглера и др.

Для полимеризации характерно понижение уровня насыщенности реагирующих веществ, а также снижается количество их молекул, и происходит увеличение молекулярной массы.

Механизм полимеризации обычно включает в себя ряд связанных стадий:

инициирование — зарождение активных центров полимеризации;

рост (продолжение) цепи — процесс последовательного присоединения молекул мономеров к центрам;

передача цепи — переход активного центра на другую молекулу;

разветвление цепи — образование нескольких активных центров из одного;

обрыв цепи — гибель активных центров.

В реакции полимеризации могут принимать участие более двух различных мономеров, и тогда данная реакция будет являться сополимеризацией. Природа образующихся активных центров способствует выделению двух видов полимеризации: радикальной и ионной. Основными отличиями являются их механизмы протекания и методы возбуждения.

Для радикальной полимеризации активными центрами становятся свободные радикалы, не имеющие заряда, то есть, нейтральные. Их образование является результатом распада перекисей.

Механизм данного вида полимеризации включает в себя три реакции, в числе которых: процесс образования радикалов, рост и обрыв цепи. Свободные радикалы могут образовываться несколькими способами, которые определяют тип полимеризации: термическая, радиационная, инициированная (наиболее распространенная) и фотохимическая.

Реакции передачи цепи свойственны именно радикальной полимеризации, и сущность ее в том, что свободный радикал, обладающий неспаренным электроном, легко реагирует с мономерами, то есть продолжает цепь. Обрыв же происходит тогда, когда взаимодействуют два свободных радикала или происходит реакция с ингибиторами.

Еще одним видом реакции полимеризации является ионная полимеризация, при которой активными центрами являются уже не свободные радикалы, а ионы, имеющие положительный или отрицательный заряд. Образование этих ионов происходит при участии катализаторов (реакция распада). Именно поэтому данный вид полимеризации называют и каталитической.

Однако катализаторы, принимая участие в реакции, не расходуются и не являются частью полимера. Для ионной полимеризации характерно образование, как правило, иона карбония, который передает тот или иной заряд по цепи. В зависимости от того, положительный или отрицательный этот заряд, можно выделить анионную и катионную реакцию. Особенностью этой реакции полимеризации является ее высокая скорость при сравнительно низких температурах.

Определенный тип полимеризации, уровень превращения, температура, при которой протекает реакция, и иные условия оказывают влияние на полученные в ее результате макромолекулы.

Полимеризация может осуществляться между разными мономерами. Такие соединения называют сополимерами. В таблице приведены примеры полимеров и сополимеров, получаемых реакцией полимеризации.

Размер молекулы полимера определяется степенью полимеризации n, т.е. числом звеньев в цепи. Если n=10...20, вещества представляют собой легкие масла. С возрастанием п увеличивается вязкость, вещество становится воскообразным, наконец, при n=1000 образуется твердый полимер. Степень полимеризации неограниченна: она может быть 104, и тогда длина молекул достигает микрометров. Молекулярная масса полимера равна произведению молекулярной массы мономера и степени полимеризации. Обычно она находится в пределах 105. Столь большая длина молекул препятствует их правильной упаковке, и структура полимеров варьирует от аморфной до частично кристаллической. Доля кристалличности в значительной мере определяется геометрией цепей. Чем ближе укладываются цепи, тем более кристалличным полимер становится. Конечно, кристалличность даже в лучшем случае оказывается несовершенной.

Аморфные полимеры плавятся в диапазоне температур, зависящем не только от их природы, но и от длины цепей; кристаллические имеют точку плавления.

Классификация полимеров

По происхождению полимеры делятся на три группы.

Природные образуются в результате жизнедеятельности растений и животных и содержатся в древесине, шерсти, коже. Это протеин, целлюлоза, крахмал, шеллак, лигнин, латекс. Обычно природные полимеры подвергаются операциям выделения очистки, модификации, при которых структура основных цепей остается неизменной. Продуктом такой переработки являются искусственные полимеры. Примерами являются натуральный каучук, изготовляемый из латекса, целлулоид, представляющий собой нитроцеллюлозу, пластифицированную камфорой для повышения эластичности. Природные и искусственные полимеры сыграли большую роль в современной технике, а в некоторых областях остаются незаменимыми и до сих пор, например в целлюлозно-бумажной промышленности. Однако резкий рост производства и потребления органических материалов произошел за счет синтетических полимеров — материалов, полученных синтезом из низкомолекулярных веществ и не имеющих аналогов в природе. Развитие химической технологии высокомолекулярных веществ — неотъемлемая и существенная часть современной НТР. Без полимеров уже не может обойтись ни одна отрасль техники, тем более новой.

По химической структуре полимеры делятся на линейные, разветвленные, сетчатые и пространственные. Молекулы линейных полимеров химически инертны по отношению друг к другу и связаны между собой лишь силами Ван-дер-Ваальса. При нагревании вязкость таких полимеров уменьшается и они способны обратимо переходить сначала в высокоэластическое, а затем и в вязкотекучее состояния. Поскольку единственным следствием нагрева является изменение пластичности, линейные полимеры называют термопластичными. Не следует думать, что термин «линейные» обозначает прямолинейные, наоборот, для них более характерна зубчатая или спиральная конфигурация, что придает таким полимерам механическую прочность.

Термопластичные полимеры можно не только плавить, но и растворять, так как связи Ван-дер-Ваальса легко рвутся под действием реагентов.

Разветвленные (привитые) полимеры более прочны, чем линейные. Контролируемое разветвление цепей служит одним из основных промышленных методов модификации свойств термопластичных полимеров.

Сетчатая структура характерна тем, что цепи связаны друг с другом, а это сильно ограничивает движение и приводит к изменению как механических, так и химических свойств. Обычная резина мягка, но при вулканизации серой образуются ковалентные связи типа S-0, и прочность растет. Полимер может приобрести сетчатую структуру и спонтанно, например, под действием света и кислорода произойдет старение с потерей эластичности и работоспособности. Наконец, если молекулы полимера содержат реакционноспособные группы, то при нагревании они соединяются множеством поперечных прочных связей, полимер оказывается сшитым, т.е. приобретает пространственную структуру. Таким образом, нагрев вызывает реакции, резко и необратимо изменяющие свойства материала, который приобретает прочность и высокую вязкость, становится нерастворимым и неплавким. Вследствие большой реакционной способности молекул, проявляющейся при повышении температуры, такие полимеры называют термореактивными. Нетрудно представить, что их молекулы активны не только по отношению друг к другу, но и к поверхностям инородных тел. Поэтому термореактивные полимеры, в отличие от термопластичных, обладают высокой адгезионной способностью даже при низких температурах, что позволяет использовать их в качестве защитных покрытий, клеев и связующего в композиционных материалах. |

При цепной полимеризации молекулярная масса нарастает почти мгновенно, промежуточные продукты неустойчивы, реакция чувствительна к присутствию примесей и требует, как правило, высоких давлений. Неудивительно, что такой процесс в естественных условиях невозможен, и все природные полимеры образовались иным путем. Современная химия создала новый инструмент — реакцию полимеризации, а благодаря ему большой класс термопластичных полимеров. Реакция полимеризации реализуется лишь в сложной аппаратуре специализированных производств, и термопластичные полимеры потребитель получает в готовом виде.

Реакционноспособные молекулы термореактивных полимеров могут образоваться более простым и естественным путем — постепенно от мономера к димеру, потом к тримеру, тетрамеру и т. д. Такое объединение мономеров, их «конденсацию», называют реакцией поликонденсации; она не требует ни высокой чистоты, ни давлений, но сопровождается изменением химического состава, а часто и выделением побочных продуктов (обычно водяного пара).