Полимеры: строение и расчёты

8 заданий

Мономеры и звенья

linkОпора

Урок 130. Полимеризация алкенов — записывать механизм и звено полимера
Урок 263. Амиды и лактамы — получать и гидролизовать амиды

Полимер — это одно звено, повторённое тысячи раз. Найдите звено — и вы найдёте мономер. Полимеризацию алкенов мы разбирали в уроке 130, а полиамиды — в уроке 263.

Как связать полимер и мономер

При цепной полимеризации звено совпадает по составу с мономером, а двойная связь раскрывается: \(\ce{n CH2=CHX -> (-CH2-CHX-)_n}\).
При поликонденсации звено равно сумме мономеров за вычетом малых молекул (воды, HCl, метанола).
Найлон-6,6 получают из гексаметилендиамина \(\ce{H2N(CH2)6NH2}\) и адипиновой кислоты \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\) — мономеры соединяются амидными связями; полиэтилентерефталат — из этиленгликоля и терефталевой кислоты, и мономеры соединяются сложноэфирными связями.
Бутадиен даёт звено \(\ce{-CH2-CH=CH-CH2\bond{-}}\) (1,4-присоединение); двойные связи в цепи каучука сшивают серой (вулканизация).
Тактичность полипропилена: в изо-, синдио- и атактическом полимере метильные группы расположены вдоль цепи по-разному.

винилхлорид — Мономеры важнейших полимеров

Примеры

1. Полипропилен. Звено полипропилена \(\ce{-CH2-CH(CH3)\bond{-}}\) имеет молярную массу 42, поэтому в цепи с \(M = 84\,000\) около \(84\,000/42 = 2000\) звеньев.

2. Капрон. Капролактам при полимеризации раскрывает цикл, и звено капрона \(\ce{-NH(CH2)5CO\bond{-}}\) (\(M = 113\)) совпадает по составу с мономером: малая молекула здесь не уходит.

errorЗвено поликонденсата легче суммы мономеров

При образовании каждой связи уходит малая молекула: на звено полиамида из диамина и дикислоты приходится две молекулы воды.

edit_noteПопробуйте сами

Какой мономер у полиакрилонитрила?

expand_moreПоказать решение

Акрилонитрил \(\ce{CH2=CHCN}\).

Расчёты для полимеров

Средняя длина цепи — главное число полимера: от неё зависят прочность, вязкость и температура размягчения. Звено и его молярная масса известны из первой части урока, и расчёты сводятся к нескольким формулам.

Как считать полимеры

Степень полимеризации равна \(n = M/M_{\text{звена}}\).
В поликонденсации средняя длина цепи по Карозерсу \(\bar{X}_n = 1/(1 - p)\), где p — доля прореагировавших функциональных групп.
Состав сополимера: выразите массовую долю элемента (Cl, N) через мольную долю звеньев и решите уравнение.
Концевые группы: если на цепь приходится одна титруемая группа, \(M_n\) равна массе образца, делённой на количество групп.

\[\begin{aligned}n &= \frac{M}{M_{\text{звена}}}\\ \bar{X}_n &= \frac{1}{1 - p}\end{aligned}\]

Примеры

1. Длина цепи поликонденсата. При \(p = 0{,}99\) получаем \(\bar{X}_n = 100\), а при \(p = 0{,}999\) — 1000: высокий полимер получается только при почти полной конверсии функциональных групп.

2. Состав сополимера. В сополимере винилхлорида и винилацетата с 80 % (мольн.) звеньев винилхлорида \(\omega(\ce{Cl}) = \frac{0{,}8 \cdot 35{,}45}{0{,}8 \cdot 62{,}50 + 0{,}2 \cdot 86{,}09} = 42{,}2\,\%\).

errorСтехиометрия в поликонденсации

Избыток одного мономера обрывает рост: концы цепей оказываются одинаковыми и дальше друг с другом не реагируют.

edit_noteПопробуйте сами

Сколько молекул воды выделится при образовании одной линейной цепи полиамида из 100 молекул диамина и 100 молекул дикислоты?

expand_moreПоказать решение

199: каждая амидная связь выделяет одну молекулу воды, а в цепи из 200 молекул мономеров 199 связей.

push_pinГлавное

Цепная полимеризация (радикальная, ионная, координационная Циглера — Натты) соединяет молекулы алкенов без побочных веществ: звено совпадает с мономером (этилен → полиэтилен, винилхлорид → ПВХ, стирол → полистирол, метилметакрилат → оргстекло, бутадиен → каучук с двойными связями в цепи, их сшивает сера при вулканизации). Поликонденсация идёт ступенчато с выделением малых молекул: гексаметилендиамин + адипиновая кислота → найлон-6,6 (звено \(\ce{C12H22N2O2}\), M = 226), этиленгликоль + терефталевая кислота → ПЭТ; капролактам даёт капрон раскрытием цикла. Степень полимеризации \(n = M/M_{\text{звена}}\). Поликонденсация по Карозерсу: средняя длина цепи \(\bar{X}_n = 1/(1 - p)\), p — доля прореагировавших функциональных групп; высокий полимер — только при p > 0,99 и точной стехиометрии. Состав сополимера находят по массовой доле элемента, \(M_n\) — титрованием концевых групп.

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.