Полимеры: термины и строение

Полимеры (высокомолекулярные соединения) — вещества с очень большими молекулами (макромолекулами), построенными из многократно повторяющихся групп атомов. Молярные массы полимеров — от десятков тысяч до миллионов. К природным полимерам относятся крахмал, целлюлоза, белки, нуклеиновые кислоты и натуральный каучук; к синтетическим — полиэтилен, поливинилхлорид, капрон и тысячи других материалов.

Основные термины

Мономер — низкомолекулярное вещество, из молекул которого образуется полимер (этилен \(\ce{CH2=CH2}\) для полиэтилена). Структурное звено — повторяющаяся группа атомов в цепи полимера (\(\ce{-CH2-CH2-}\)). Степень полимеризации \(n\) — число звеньев в макромолекуле. Молярная масса полимера равна произведению степени полимеризации на молярную массу звена: если \(M\) полиэтилена равна 28 000 г/моль, а звена \(\ce{C2H4}\) — 28 г/моль, то \(n = 1000\). Молекулы одного образца полимера имеют разную длину, поэтому говорят о средней степени полимеризации и средней молярной массе.

Полимеризация и поликонденсация

Полимеризация — соединение молекул мономера в макромолекулу за счёт разрыва кратных связей, без выделения побочных веществ. Состав звена совпадает с составом мономера. Полимеризуются соединения с двойной связью (алкены, диены, винилхлорид, стирол, акрилонитрил, эфиры акриловой кислоты) и некоторые циклы:

\[ \ce{$n$CH2=CHCl ->[\text{кат.}] (-CH2-CHCl-)_{$n$}} \quad (\text{поливинилхлорид}) \]

Поликонденсация — соединение молекул мономеров, у которых есть не менее двух функциональных групп, с выделением низкомолекулярного вещества (обычно воды). Состав звена отличается от состава мономера. Так образуются полиамиды (капрон, найлон, белки), полиэфиры (лавсан), фенолформальдегидные смолы, полисахариды:

\[ \ce{$n$H2N-(CH2)5-COOH -> (-NH-(CH2)5-CO-)_{$n$} + $n$H2O} \quad (\text{капрон}) \]

Совместная полимеризация двух разных мономеров называется сополимеризацией (бутадиен-стирольный каучук).

Строение и свойства

По форме макромолекул полимеры бывают линейными (полиэтилен, целлюлоза, амилоза), разветвлёнными (амилопектин, гликоген, полиэтилен высокого давления) и сетчатыми (пространственными: резина, фенолформальдегидные смолы). Если заместители в цепи расположены упорядоченно, полимер называют стереорегулярным; такие полимеры плотнее и прочнее.

По отношению к нагреванию различают термопласты, которые размягчаются при нагревании и снова твердеют при охлаждении, поэтому их можно многократно перерабатывать (полиэтилен, полипропилен, ПВХ, полистирол), и реактопласты, которые при нагревании необратимо затвердевают, потому что их цепи сшиваются в сетку (фенолформальдегидные смолы). Полимеры не имеют определённой температуры плавления: они размягчаются в интервале температур.