На примере полимеров докажите что строение влияет на свойства веществ
Особенности строения и свойств полимеров.
Строение и свойства полимеров
Введение
Термин полимерия был введен в науку И. Берцелиусом в 1883 году для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Таким образом, содержание термина не соответствовало современным представлением о полимерах. Истинные синтетические полимеры к тому времени еще не были известны.
Недостатками многих высокомолекулярных соединений является склонность к старению и, в частности, к деструкции – процессу уменьшения длины цепи и размеров молекул. Деструкция может быть вызвана механическими нагрузками, действий света, теплоты, воды и особенно кислорода и озона. Процесс уменьшения цепи идёт за счёт разрушения связей С-С и образования радикалов, которые в свою очередь, способствуют дальнейшему разрушению полимерных молекул.
Полимерные молекулы представляют собой обширный класс соединений, основными отличительными характеристиками которых являются большая молекулярная масса и высокая конформационная гибкость цепи. Все характеристические свойства таких молекул, а также связанные с этими свойствами возможности их применения обусловлены вышеуказанными особенностями. Большой интерес представляет исследование возможности априорного предсказания химического и физического поведения полимера на основании анализа его строения. Такую возможность предоставляют методы молекулярной механики и молекулярной динамики, реализованные в виде компьютерных расчетных программ.
Особенности строения и свойств полимеров.
Следствием вышеуказанных особенностей строения полимеров является возникновение гибкости цепной молекулы. Она заключается в её способность изменять форму под влиянием теплового движения звеньев или внешнего поля, в которое помещен полимер. Это свойство связано с внутренним вращением отдельных частей молекулы относительно друг друга. В реальных молекулах полимеров валентные углы имеют вполне определённую величину, а звенья расположены не произвольно, и положение каждого последующего звена оказывается зависимым от положения предыдущего.
Полимеры, у которых наблюдаются достаточно интенсивные крутильные колебания, называются гибкоцепными, а полимеры, у которых повороты одной части цепи относительно другой затруднены – жесткоцепными.
Значит, молекулы могут вращаться и изменять своё строение без разрыва химических связей, образуя различные конформации, под которыми понимают различные пространственные формы молекулы, возникающие при изменении относительной ориентации отдельных её частей в результате внутреннего вращения атомов или групп атомов вокруг простых связей, изгиба связей и др.
Таким образом: полимеры –- химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы, входящие в состав макромолекул, соединены друг с другом силами главных и (или) координационных валентностей.
Классификация полимеров.
По происхождению полимеры делятся на природные (биополимеры), например белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные, и синтетические, например полиэтилен, полипропилен, феноло-формальдегидные смолы. Значение биополимеров определяется тем, что они составляют основу всех живых организмов и участвуют практически во всех процессах жизнедеятельности.
Атомы или атомные группы могут располагаться в макромолекуле в виде: открытой цепи или вытянутой в линию последовательности циклов (линейные полимеры, например каучук натуральный); цепи с разветвлением (разветвленные полимеры, например амилопектин – одна их фракций крахмала), трехмерной сетки (сшитые полимеры, например отверждённые эпоксидные смолы). Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами (например поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза). Макромолекулы одного и того же химического состава могут быть построены из звеньев различной пространственной конфигурации. Если макромолекулы состоят из одинаковых стереоизомеров или из различных стереоизомеров, чередующихся в цепи в определенной периодичности, полимеры называются стереорегулярными.
Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блоксополимерами. К внутренним (неконцевым) звеньям макромолекулы одного химического строения могут быть присоединены одна или несколько цепей другого строения. Такие сополимеры называются привитыми.
Полимеры, в которых каждый или некоторые стереоизомеры звена образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах одной макромолекулы, называются стереоблоксополимерами.
В зависимости от состава основной (главной) цепи полимеры, делят на: гетероцепные, в основной цепи которых содержатся атомы различных элементов, чаще всего углерода, азота, кремния, фосфора, и гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов. Из гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепные полимеры, главные цепи которых состоят только из атомов углерода, например полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторзтилен. Примеры гетероцепных полимеров – полиэфиры (полиэтилентерефталат, поликарбонаты), полиамиды, мочевино-формальдегидные смолы, белки, некоторые кремнийорганические полимеры. Полимеры, макромолекулы которых наряду с углеводородными группами содержат атомы неорганогенных элементов, называются элементоорганическими. Отдельную группу полимеров образуют неорганические полимеры, например пластическая сера, полифосфонитрилхлорид.
Свойства полимеров.
Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств: способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные волокна и пленки, способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям; способность в высокоэластичном состоянии набухать перед растворением; высокая вязкость растворов. Этот комплекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гибкостью макромолекул. При переходе от линейных цепей к разветвленным, редким трехмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комплекс свойств становится всё менее выраженным. Сильно сшитые полимеры нерастворимы, неплавки и неспособны к высокоэластичным деформациям.
Полимеры могут существовать в кристаллическом и аморфном состояниях. Необходимое условие кристаллизации – регулярность достаточно длинных участков макромолекулы. В кристаллических полимерах возможно возникновение разнообразных надмолекулярных структур (фибрилл, сферолитов, монокристаллов, тип которых во многом определяет свойства полимерного материала. Надмолекулярные структуры в незакристаллизованных (аморфных) полимерах менее выражены, чем в кристаллических.
Незакристаллизованные полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. Полимеры с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластичное состояние называются эластомерами, с высокой – пластиками. В зависимости от химического состава, строения и взаимного расположения макромолекул свойства полимеры могут меняться в очень широких пределах. Так, 1,4.-цисполибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20°С – эластичный материал, который при температуре 60°С переходит в стеклообразное состояние; полиметилметакрилат, построенный из более жестких цепей, при температуре около 20°С – твердый стеклообразный продукт, переходящий в высокоэластичное состояние лишь при 100°С. Целлюлоза – полимер с очень жесткими цепями, соединенными межмолекулярными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластичном состоянии до температуры ее разложения. Большие различия в свойствах полимеров могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики.
Полимеры могут вступать в следующие основные типы реакций:
– образование химических связей между макромолекулами (так называемое сшивание), например при вулканизации каучуков, дублении кожи;
– распад макромолекул на отдельные, более короткие фрагменты, реакции боковых функциональных групп полимеров с низкомолекулярными веществами, не затрагивающие основную цепь (так называемые полимераналогичные превращения);
– внутримолекулярные реакции, протекающие между функциональными группами одной макромолекулы, например внутримолекулярная циклизация.
Сшивание часто протекает одновременно с деструкцией. Примером полимераналогичных превращений может служить омыление поливтилацетата, приводящее к образованию поливинилового спирта. Скорость реакций полимеров с низкомолекулярными веществами часто лимитируется скоростью диффузии последних в фазу полимера. Наиболее явно это проявляется в случае сшитых полимеров. Скорость взаимодействия макромолекул с низкомолекулярными веществами часто существенно зависит от природы и расположения соседних звеньев относительно реагирующего звена. Это же относится и к внутримолекулярным реакциям между функциональными группами, принадлежащими одной цепи.
Некоторые свойства полимеров, например растворимость, способность к вязкому течению, стабильность, очень чувствительны к действию небольших количеств примесей или добавок, реагирующих с макромолекулами. Так, чтобы превратить линейный полимер из растворимого в полностью нерастворимый, достаточно образовать на одну макромолекулу 1-2 поперечные связи.
Важнейшие характеристики полимеров – химический состав, молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение, степень разветвленности и гибкости макромолекул, стереорегулярность и другие. Свойства полимеров существенно зависят от этих характеристик.
Получение полимеров.
Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. С помощью экстракции, фракционного осаждения и других методов они могут быть выделены из растительного и животного сырья. Синтетические полимеры получают полимеризацией и поликонденсацией. Полимеризация или полиприсоединение происходит за счет разрыва кратных связей или циклов, а поликонденсация – за счет взаимодействия функциональных групп. Карбоцепные полимеры обычно синтезируют полимеризацией мономеров с одной или несколькими кратными углеродными связями или мономеров, содержащих неустойчивые карбоциклические группировки (например, из циклопропана и его производных), Гетероцепные полимеры получают поликонденсацией, а также полимеризацией мономеров, содержащих кратные связи углеродоэлемента (например, С=О, С=N, N=С=О) или непрочные гетероциклические группировки.
Применение полимеров.
До недавних пор широкому использованию полимерных материалов в машиностроении препятствовали два, казалось бы, общепризнанных недостатка полимеров: их низкая (по сравнению с марочными сталями) прочность и низкая теплостойкость. Рубеж прочностных свойств полимерных материалов удалось преодолеть переходом к композиционным материалам, главным образом стекло- и углепластикам. Так что теперь выражение “пластмасса прочнее стали” звучит вполне обоснованно. В то же время полимеры сохранили свои позиции при массовом изготовлении огромного числа тех деталей, от которых не требуется особенно высокая прочность: заглушек, штуцеров, колпачков, рукояток, шкал и корпусов измерительных приборов. Еще одна область, специфическая именно для полимеров, где четче всего проявляются их преимущества перед любыми иными материалами – это область внутренней и внешней отделки.
То же самое можно сказать и о машиностроении. Почти три четверти внутренней отделки салонов легковых автомобилей, автобусов, самолетов, речных и морских судов и пассажирских вагонов выполняется ныне из декоративных пластиков, синтетических пленок, тканей, искусственной кожи. Более того, для многих машин и аппаратов только использование антикоррозионной отделки синтетическими материалами обеспечило их надежную, долговременную эксплуатацию. К примеру, многократное использование изделия в экстремальных физико-технических условиях (космосе) обеспечивается, в частности, тем, что вся его внешняя поверхность покрыта синтетическими плитками, к тому же приклеенными синтетическим полиуретановым или полиэпоксидным клеем. А аппараты для химического производства? У них внутри бывают такие агрессивные среды, что никакая марочная сталь не выдержала бы. Единственный выход – сделать внутреннюю облицовку из платины или из пленки фторопласта. Гальванические ванны могут работать только при условии, что они сами и конструкции подвески покрыты синтетическими смолами и пластиками.
Еще одна область применения полимерных материалов в машиностроении, достойная отдельного упоминания, – изготовление металлорежущего инструмента. По мере расширения использования прочных сталей н сплавов все более жесткие требования предъявляются к обрабатывающему инструменту. И здесь тоже на выручку инструментальщику и станочнику приходят пластмассы. Но не совсем обычные пластмассы сверхвысокой твердости, такие, которые смеют поспорить даже с алмазом. Король твердости, алмаз, еще не свергнут со своего трона, но дело идет к тому. Некоторые оксиды (например. из рода фианитов), нитриды, карбиды, уже сегодня демонстрируют не меньшую твердость, да к тому же и большую термостойкость. Вся беда в том, что они пока еще более дороги, чем природные и синтетические алмазы, да к тому же им свойствен “королевский порок” – они в большинстве своем хрупки. Вот и приходится, чтобы удержать их от растрескивания, каждое зернышко такого абразива окружать полимерной упаковкой чаще всего из фенолформальдегидных смол. Поэтому сегодня три четверти абразивного инструмента выпускается с применением синтетических смол. Кстати, те же преимущества стимулируют и широкое применение полимерных материалов в авиационной промышленности. Например, замена алюминиевого сплава графитопластиком при изготовлении предкрылка крыла самолета позволяет сократить количество деталей с 47 до 14, крепежа с 1464 до 8 болтов, снизить вес на 22%, стоимость – на 25%. При этом запас прочности изделия составляет 178%. Лопасти вертолета, лопатки вентиляторов реактивных двигателей рекомендуют изготовлять из поликонденсационных смол, наполненных алюмосиликатными волокнами, что позволяет снизить вес самолета при сохранении прочности и надежности. По английскому патенту № 2047188 покрытие несущих поверхностей самолетов или лопастей роторов вертолетов слоем полиуретана толщиной всего 0,65 мм в 1,5-2 раза повышает их стойкость к дождевой эрозии. Жесткие требования были поставлены перед конструкторами первого англо-французского сверхзвукового пассажирского самолета “Конкорд”. Было рассчитано, что от трения об атмосферу внешняя поверхность самолета будет разогреваться до 120-150°С, и в то же время требовалось, чтобы она не поддавалась эрозии в течение по меньшей мере 20000 часов. Решение проблемы было найдено с помощью поверхностного покрытия защиты самолета тончайшей пленкой фторопласта.
Оболочку двигателя ракет изготавливают из углепластика, наматывая на трубу ленту из углеволокна, предварительно пропитанную эпоксидными смолами. После отверждения смолы и удаления вспомогательного сердечника получают трубу с содержанием углеволокна более двух третей, достаточно прочную на растяжение и изгиб, стойкую к вибрациям и пульсации. Остается начинить заготовку ракетным топливом, приладить к ней отсек для приборов и фотокамер, и можно отправлять ее в полет.
Таковы лишь некоторые примеры н основные тенденции внедрения полимерных материалов в подотрасли машиностроения. Самое же первое место по темпам роста применения пластических масс среди других подотраслей занимает сейчас автомобильная промышленность. Десять лет назад в автомашинах использовали от 7 до 12 видов различных пластиков, к концу 70-х годов это число перешагнуло за 30. С точки зрения химической структуры, как и следовало ожидать, первые места по объему занимают стирольные пластики, поливинилхлорид и полиолефины. Пока еще немного уступают им, но активно догоняют полиуретаны, полиэфиры, акрилаты и другие полимеры. Перечень деталей автомобиля, которые в тех или иных моделях в наши дни изготовляют из полимеров, занял бы не одну страницу. Кузова и кабины, инструменты и электроизоляция, отделка салона и бамперы, радиаторы и подлокотники, шланги, сиденья, дверцы, капот. Более того, несколько разных фирм за рубежом уже объявили о начале производства цельнопластмассовых автомобилей. Наиболее характерные тенденции в применении пластмасс для автомобилестроения, в общем, те же, что и в других подотраслях. Во-первых, это экономия материалов: безотходное или малоотходное формование больших блоков и узлов. Во-вторых, благодаря использованию легких и облегченных полимерных материалов снижается общий вес автомобиля, а значит, будет экономиться горючее при его эксплуатации. В-третьих, выполненные как единое целое, блоки пластмассовых деталей существенно упрощают сборку и позволяют экономить живой труд.
Основные типы полимерных материалов:
План урока по химии по теме: «Строение и свойства полимеров»
ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ПРИМОРСКОГО КРАЯ
Краевое государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение
« СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ»
На этом занятии обучающиеся познакомятся с общими понятиями химии полимеров, узнают об истории их открытия, свойствах, экологической безопасности распространения и утилизации полимеров.
Далее представления о полимерах будут развиваться при изучении производных углеводородов.
Данная разработка открытого занятия может быть использована как преподавателями общеобразовательных дисциплин, так и дисциплин общепрофессионального и профессионального циклов.
Преподаватель (ФИО): Заболотная Ирина Сергеевна
Тема программы. Полимеры.
Тема урока. Строение и свойства полимеров.
Познакомить с классификацией полимеров; рассмотреть зависимость свойств полимеров от их состава и строения; акцентировать внимание на применении и утилизации синтетических полимеров.
Развивать логическое мышление, познавательную активность.
Развитие наблюдательности, самостоятельности.
Привитие чувства личной ответственности и сознательного отношения к правильным и безопасным методам лабораторной работы;
Способствовать повышению интереса к предмету, воспитанию потребности в приобретении новых знаний
Ключевой вопрос: В чем уникальность свойств полимеров? Могут ли полимеры конкурировать с традиционными материалами?
Тип урока: комбинированный
На столе преподавателя: мультимедийный проектор, компьютер, экран.
химические реактивы и посуда : образец полиэтилена для демонстрации термопластичности, тигельные щипцы, спиртовка., спички, ложечка для сжигания веществ, образцы полиэтилена, полистирола, капрона, шелка, в пробирках растворитель, конц. серная кислота, раствор щелочи.
инструкция по проведению лабораторной работы;
коллекции «Пластмассы», «Волокна», «Каучук».
словесные (беседа, рассказ)
наглядные (инструкции, методические пособия, презентация)
практические (лабораторная работа)
проблемные (проблемный вопрос)
I. Организационный момент.
II . Повторение материала, изученного на предыдущем уроке.
Объясните причину частичной поляризации л-связи и закономерности протекания реакций присоединения для несимметричных углеводородов с полярными молекулами.
Как протекают реакции у этиленовых углеводородов с четным и нечетным количеством атомов углерода с полярными молекулами? Ответ подтвердите уравнениями реакций.
3. Покажите смещение электронной плотности в молекуле пен-
тена-1. Дайте характеристику ее строения и свойств.
При взаимодействии каких этиленовых углеводородов и с какими веществами можно применять правило Марковникова? Ответ подтвердите уравнением реакции.
Сравните, химические свойства предельных и этиленовых угле водородов. Ответ иллюстрируйте уравнениями реакций.
III. Изучение нового материала
СПОСОБЫ ОБРАЗОВАНИЯ ПОЛИМЕРОВ.
Синтез полимеров из низкомолекулярных соединений (мономеров) основан на реакциях двух типов: полимеризации и поликонденсации.
Полимеры используют для изготовления на их основе пластмасс, волокон и других материалов.
Пластмассы – материалы, изготавливаемые на основе полимеров, способные приобретать при нагревании заданную форму и сохранять ее после охлаждения. По масштабу производства занимают 1-е место среди полимеров. Пластмассы состоят из полимера (смола, связывающее вещество), наполнителей (древесная мука, ткань, асбест, стекловолокно, которые улучшают механические свойства и снижают стоимость), пластификаторов (возможны высококипящие сложные эфиры, они придают повышенную эластичность и меньшую хрупкость), стабилизаторов (антиоксиданты, светостабилизаторы, сохраняющие свойства пластмасс при переработке), красителей и др.
Геометрическая форма макромолекул может быть линейной, разветвленной, пространственной или трехмерной, что существенно влияет на свойства.
Кристалличность полимеров – упорядоченное распределение макромолекул. Благодаря упорядоченности цепей молекулы в кристаллах располагаются ближе друг к другу, и притяжение между ними усиливается. Механическая прочность и твердость полимера увеличиваются.
Аморфность – отсутствие упорядоченности. Степень кристалличности может меняться у одного и того же полимера. Молекулярная масса полимера представляет собой среднее значение. У отдельных макромолекул могут быть отклонения в большую или меньшую сторону от средней молекулярной массы.
Особенность линейных полимеров состоит в том, что они при нагревании размягчаются, плавятся, но не перегоняются (разлагаются). Пространственные структуры разлагаются, не переходя в вязкое состояние. Помимо того, полимеры линейной структуры с трудом, но могут растворяться в некоторых растворителях (образуются вязкие растворы), пространственные полимеры нерастворимы (только набухают). Высокая механическая прочность (особенно пространственных полимеров) объясняется наличием больших сил межмолекулярного взаимодействия.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ С НАГРЕВАТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ, ХИМИЧЕСКОЙ ПОСУДОЙ И ХИМИЧЕСКИМИ ВЕЩЕСТВАМИ.
— Какие правила безопасной работы со спиртовкой необходимо соблюдать?
— Чем опасно попадание кислот и щелочей на кожу?
— Что необходимо сделать при попадании на кожу кислоты? Щелочи?
Выполните лабораторные опыты.
Опыт 1. Рассмотрите образцы полиэтилена и полипропилена. Попробуйте их на ощупь, на разрыв. Что наблюдается? Какой вывод можно сделать о их цвете, механической прочности?
Опыт 2. Испытайте образцы полиэтилена и полипропилена на электрическую проводимость с помощью прибора для определения электрической проводимости. Что наблюдается? Какой вывод можно сделать об этом свойстве?
Опыт 3. Опустите кусочки полимеров или их гранулы в воду: в один стакан — полиэтилен, в другой — полипропилен. Что наблюда ется? Какой вывод можно сделать об их плотности?
ИНСТРУКТИВНАЯ КАРТОЧКА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПЛАСТМАССЫ
Положите образец пластмассы в ложечку для нагревания веществ. Обратите внимание на изменения, происходящие при нагревании пластмассы. Сравните свои наблюдения с определительной таблицей.
Для изучения характера горения пластмассы, возьмите образец тигельными щипцами и внесите в пламя спиртовки. Обратите внимание на характер горения. Сравните ваши наблюдения с таблицей по определению пластмасс.
Запишите наблюдаемые явления в тетрадь. Сделайте вывод.
IV . Задание для самоконтроля
Почему для полимеров молекулярная масса выражается средним числом?
Покажите на примерах зависимость физических свойств поли меров от состава, строения и молекулярной массы.
Сравните физические свойства полиэтилена и полипропилена. Укажите сходство и различие.
Что такое термопластичность? Какое она имеет практическое значение?
Почему для полиэтилена и полипропилена характерны химиче ские свойства предельных углеводородов?
В чем сходство и различие полипропилена нерегулярного и
стереорегулярного строения? Как строение влияет на их свойства?
Свойства, на которых основано его
1. Изоляционный материал
2 Упаковочный материал
Перечислите области применения полипропилена и укажите свойства, на которых основано его использование.
Изготовьте модель структурного звена макромолекулы поли пропилена. На основании этой модели объясните строение и свойства полипропилена.
Индивидуальные задания для слабых учащихся:
Число, показывающее, сколько молекул мономера соединилось в молекулу полимеров, называют ____________________ ______________________.
Молекулу полимера называют ________________________.
Низкомолекулярное соединение, из которых образуются полимеры называют ______________.
Группа атомов, многократно повторяющаяся в молекуле полимера, называется _________________ ______________________________.
V . Подведение итогов урока и выставление оценок . Выводы. Рефлексия.
Скажите, какую пользу для себя вы извлекли из данного урока?
— Сегодня на уроке я узнал…..
— Мне показалось интересным….
— Для себя открыл новое….
— Я буду заботиться о своём здоровье потому, что….
VI . Оценивание учащихся и оглашение домашнего задания.