Перспективы развития экологического сознания школьников при изучении темы "Полимеры" в курсе химии (стр. 2 из 9)

Изучая свойства и структуру синтезированных им полистирола и полиоксиметилена, он пришел к выводу о цепном строении макромолекул и показал, что структура полистирола аналогична структуре высокомолекулярных парафиновых углеводородов, но предположительно с неизмеримо большей молекулярной массой. Однако, поскольку этот вывод не объяснял потерю некоторыми полимерами способности плавиться и растворятся при повышенных температурах, ученый дополнил его представлениями о разветвленной макромолекуле и трехмерной полимерной сетке. Изучение структуры полимеров физическими методами в дальнейшем подтвердило это предположение.

В 1934 г. последовало самое главное доказательство существования макромолекул. Г. Штаудингер совместно с В.Хейром открыл реакцию трехмерной полимеризации и, что самое важное, установил зависимость между молекулярной массой полимера и вязкостью его раствора. На этой основе Штаудингер разработал вискозиметрический метод определения молекулярных масс разнообразных, в том числе и высокомолекулярных, соединений. Это дало возможность точно устанавливать значение показателя

N – «поли»- любого макромолекулярного соединения.

Таким образом, существование макромолекул было доказано. Вместе с тем было доказано и принципиальное отличие малых молекул мономеров, димеров и даже олигомеров от макромолекул таких полимеров, как каучук, полистирол, полиэфиры целлюлозы и т.д.

В 1953 г. Штаудингер «в признание заслуг за исследования в области химии высокомолекулярных соединений» был удостоен Нобелевской премии. И хотя он не принимал участие в разработке технологии производства синтетических каучуков, пластмасс и химических волокон, никто не сомневался в том, что без его работ такое производство вряд ли было возможно.

В России химия высокомолекулярных соединений начала интенсивно развиваться с 1930-х гг. Впервые в мире здесь было создано многотоннажное производство синтетического каучука на основе бутадиена по способу С.В. Лебедева. В 1950-х гг. были получены первые образцы стереорегулярных полимеров, разработаны способы получения всевозможных кремнийорганических соединений – почти на 100% высокомолекулярных соединений, а на их основе создано производство пластмасс и эластомеров. Большая заслуга в развитии химии кремнийорганических соединений принадлежит К.А. Андрианову. Ученые разработали технологии производства многих химических волокон, в частности капрона и лавсана.

1.3 Полимеры. Химическое строение полимеров

Полимеры – это природные и синтетические соединения, молекулы которых, как следует из их названия (поли – много, мера- часть), состоят из большого числа повторяющихся одинаковых или различных по строению атомных группировок, соединенных между собой химическими и координационными связями в длинные линейные и разветвленные цепи.

Группа атомов, с помощью которой можно описать строение полимера, называется составным звеном. Составное звено, которое многократно повторяется, называют повторяющимся составным звеном, а группы на концах цепи – концевыми группами. Молекула полимера, состоящая из повторяющихся составных звеньев и концевых групп, называется макромолекулой.

Вещества, из которых образуется полимер, называют мономерами (моно - один). Если при получении полимера мономер полностью входит в его состав, то составное повторяющееся звено называют мономерным звеном. Если получение полимера сопровождается выделением низкомолекулярными соединениями, например воды, газов, то строение составного звена будет отличаться от строения мономера и называть такое звено мономерным нельзя.

Полимеры, полученные из одного мономера, называют гомополимерами, а из двух или более – сополимерами.

Число повторяющихся звеньев n можно варьировать в широких пределах – от десятков до десятков тысяч. Как правило, в одном полимере содержатся макромолекулы различной длины, т.е. с разным числом составных повторяющихся звеньев [4].

Переход от низкомолекулярного соединения к полимеру происходит в результате роста числа повторяющихся звеньев. При этом заметно изменяются физические и химические свойства, но при достижении определенного значения nони перестают изменяться, несмотря на дальнейшее увеличение числа звеньев. С этого момента соединение становится полимером. Таким образом, полимер – это соединение, построенное из многократно повторяющихся одного или более составных звеньев, соединенных между собой химическими и координационными связями, число которых достаточно для проявления комплекса свойств, остающихся практически неизменными при добавлении или удалении одного или нескольких звеньев.

Промежуточное положение между низкомолекулярными соединениями и полимерами занимают вещества, называемые олигомерами (олиго - немного). Они проявляют свойства, характерные как для мономеров, так и для полимеров; при добавлении или удалении одного или нескольких повторяющихся звеньев наблюдается заметное изменение некоторых их свойств. Число повторяющихся звеньев у олигомеров невелико – несколько единиц или десятков.

Названия полимеров образуются из названия мономерами с приставкой поли, а олигомеров – с приставкой олиго. Химическая формула полимера (олигомера) может быть изображена несколькими способами, например:

Полиэтилен

≈ CH₂ − CH₂ ≈ ;

… − CH₂ − CH₂ − … ;

Структурой полимера (как любой сложной системы) называют устойчивое взаимное расположение в пространстве всех образующих его элементов, их внутреннее строение и характер взаимодействия между ними. Каждый структурный элемент в любом теле подвержен одновременному воздействию многочисленных, непрерывно изменяющихся по величине и направлению сил (электрических, магнитных, механических и др.), вызывающих притяжение или отталкивание этих элементов друг от друга. Находясь в непрерывном (броуновском) движении, каждая структурная единица стремится занять наиболее выгодное положение, характеризующееся минимальной энергией и максимальной неупорядоченностью, соответствующее максимальной энтропии.

В полимерных телах структурными элементами являются макромолекулы. Движение каждого атома в мономерном звене, каждого мономерного звена в макромолекуле и каждой макромолекулы зависит от совокупности сил, действующих сил, действующих на электронном, атомном, молекулярном уровнях в каждое данное мгновение.

Так же, как атомы и молекулы, находящиеся в непрерывном движении, макромолекулы стремятся занять наиболее энергетически выгодное, равновесное положение друг относительно друга, образуя так называемую надмолекулярную структуру.

Химическое строение.

Характеристикой химического строения макромолекулы является химическое строение ее повторяющегося составного звена. По химическому строению повторяющегося звена полимеры делятся на органические, неорганические и элементоорганические.

Органические полимеры содержат в главной цепи атомы углерода, а также кислорода, азота и серы. В боковые группы могут входить водород, галогены, соединенные непосредственно с углеродом, или атомы других элементов, непосредственно не соединенных с углеродом основной цепи.

Неорганические полимеры состоят из неорганических атомов и не содержат органических боковых радикалов.

Элементоорганические полимеры – это соединения, макромолекулы которых наряду с атомами углерода содержат неорганические фрагменты. По составу главных цепей их делят на три группы:

- соединения с неорганическими цепями, обрамленные боковыми органическими группами;

- соединения, в главной цепи которых находятся атомы углерода, а боковые группы содержат любые другие атомы, за исключением азота, серы, кислорода и галогенов, соединенных непосредственно с атомом углерода;

- соединения с органонеорганичекими цепями.

Соединения каждого класса можно разделит на гомоцепные и гетероцепные. У гомоцепных соединений цепи построены из атомов одного элемента, у гетероцепных – на разных.

При делении на гомоцепные и гетероцепные полимеры состав боковых цепей не учитывают.

От природы атомов в звеньях зависит не только энергия связей, но и их полярность. Эти показатели являются очень важными, поскольку определяют ряд эксплуатационных свойств полимеров, например, стойкость к действию высоких температур, агрессивных сред, электрические свойства и др. В зависимости от полярности связей полимеры делят на неполярные и полярные. К неполярным относят, например: полиэтилен, полипропилен, полиизопрен, полибутадиен, полиизобутилен. Полярные полимеры содержат в составе повторяющегося звена группы с полярными связями ( С – ОН, С – СООН, С – NН₂, С – СN, С - СCl), и их дипольный момент отличен от нуля. К полярным полимерам относят , например: поливиниловый спирт, целлюлоза, крахмал, содержащие большое количество групп ОН, полинитрилоакрил, поливинилхлорид и др. Полярность полимера зависит и от симметричности расположения полярных групп в повторяющемся составном звене.

1.4 Получение полимеров

В настоящее время наряду с природными материалами все большее значение приобретают синтетические полимеры. Выбор соответствующих исходных продуктов и условий процесса позволяет проводить направленный синтез высокомолекулярных соединений и получать их с заранее заданной структурой и необходимым комплексом свойств. При этом можно регулировать степень полимеризации, полидисперсность, разветвленность, конфигурацию звеньев и порядок их присоединения.

Существуют два основных метода синтеза полимеров – полимеризация и поликонденсация. Кроме того, в последние годы широко используется возможность изменения свойств полимеров за счет изменения их молекулярного строения в результате химических реакций – так называемых реакций модификации.