Реакції полімеризації

Синтетичні полімери (вироблені штучним шляхом) хімічна промисловість отримує за допомогою реакцій полімеризації і поліконденсації.

В основі реакції полімеризації лежить процес з’єднання (за допомогою ковалентних зв’язків) один з одним мономерів (молекул низькомолекулярної сполуки), які і формують високомолекулярна сполука (синтетичний полімер).

В ході процесу полімеризації відбувається розкриття подвійних зв’язків в молекулах ненасичених вуглеводнів, які потім з’єднуються один з одним в одну макромолекулу гігантських розмірів. При розриві подвійного зв’язку вивільняється атом з високою реакційною активністю, званий радикалом, у якого є непарний електрон. Після цього, радикал з’єднується з іншим радикалом (при цьому обидва вони отримують парні електрони), даючи тим самим старт утворенню полімерного ланцюга.

поліетилен
Розглянути процес полімеризації найзручніше на прикладі поліетилену, що є найпростішим синтетичним полімером.

На першому етапі виконується реакція дегідрування, коли при високій температурі в присутності металевого каталізатора етан перетворюється в етилен (від молекули етану отщепляется два атома водню, в результаті чого формується подвійний зв’язок):

CH3-CH3 (г) → CH2 = CH2 (г) + H2 (г)
Утворився етилен є мономером, який в подальшому буде використаний для побудови полімеру (поліетилену). Для цього етилен в присутності каталізатора піддається високому нагріванню без доступу повітря, що призводить до розриву подвійний вуглецевого зв’язку, з утворенням двох радикалів (на малюнку зображені червоним кольором):

полімеризація етилену
Образовашіеся радикали тут же починають “пошук” ще одного електрона, щоб відновити розірвану зв’язок, що призводить до з’єднання двох радикалів один з одним з утворенням ковалентного зв’язку. Даний процес йде з обох кінців молекули, що призводить до зростання ланцюга (молекулярна маса молекули поліетилену досягає 10 000 – 1 000 000 г / моль):

Види поліетилену, які можна отримати шляхом реакції полімеризації:

ПЕВТ (поліетилен високого тиску) або ПЕНП (поліетилен низької щільності), молекулярна маса 10 000 – 45 000. Складається зі складної мережі розгалужених полімерних ниток, тому, не упакований так щільно, як лінійний полімер, будучи м’яким і гнучким. Основна область застосування: пакувальний матеріал, що володіє високою хімічною стійкістю.

ПЕНД (поліетилен низького тиску) або ПЕВЩ (поліетилен високої щільності), молекулярна маса 70 000 – 400 000. Складається з лінійних ланцюгів, які дуже тісно упаковані, тому, має більш високу твердість і міцністю. Основна область застосування: виготовлення дитячих іграшок, різних технічних виробів, шлангів, труб та ін.

ПЕПС (поліетилен з поперечними зв’язками). Складається з лінійних ниток, що складаються з мономерів, які з’єднані один з одним, що надає матеріалу високу міцність. Відкриваючи пластикову пляшку Кока-Коли, будьте впевнені, що кришечка, якою закрита пляшка, зроблена з ПЕПС.

поліпропілен

У структурній формулі пропілену один атом водню заміщений метилової групою. Оскільки молекула пропілену має подвійну зв’язок, вона також може брати участь в реакціях полімеризації (по аналогії з етиленом), утворюючи поліпропілен.

полімеризація етилену
Коефіцієнт n вказує число мономірних ланок, з яких утворена макромолекула. Кажуть, що n висловлює ступінь полімеризації.

У поліпропілені CH3 є функціональною групою. Змінюючи умови полімеризації, можна створювати молекули з функціональними групами, які будуть розташовуватися по-різному (з одного боку молекули; по обидві її сторони; в випадковому порядку), отримуючи, таким чином, молекули пропілену з різними властивостями. Властивості поліпропілену настільки сильно залежать від розташування в його молекулі метилової групи, що з даного полімеру виходять найрізноманітніші вироби, використовувані для внутрішньої і зовнішньої обробки приміщень, виготовлення корпусів для акумуляторних батарей, пляшок, канатів та ін.

полівінілхлорид
У структурній формулі вінілхлориду один з атомів водню замінений атомом хлору. З вінілхлориду шляхом реакції полімеризації отримують полівінілхлорид (ПВХ):

полімеризація етилену
ПВХ є дуже міцним полімером, що знайшли широке застосування при виготовленні лінолеуму, іграшок, садових шлангів, різних труб.

полістирол
У молекулі стиролу один атом водню замінений бензольні кільцем. З стиролу за допомогою реакції полімеризації отримують полістирол (безбарвну тверду пластмасу з хорошими діелектричними властивостями):

полістирол
Основне застосування полістиролу: виготовлення посуду, гудзиків, пакувальних і електроізоляційних матеріалів. Полістирол важко піддається рециркуляції, тому, “зелені” активно виступають проти його застосування.

політетрафторетилен
У молекулі тетрафторетилену замість атомів водню присутні атоми фтору. За допомогою реакції полімеризації з тетрафторетилену отримують політетрафторетилен (тефлон або фторопласт):

полістирол

Політетрафторетилен має високу стійкість до лужних і кислим середах, високу жароміцних і дуже гладкою поверхнею. Основне застосування: виготовлення підшипників, як антипригарного покриття сковорідок і каструль.

Деякі інші синтетичні полімери, одержувані за допомогою полімеризації:

  • Акрилонитрил → Поліакрилонітрил: перуки, пряжа, килими.
  • Винилацетат → Полівінілацетат: текстильні покриття, жувальна гумка, фарба, латекс, клеючі засоби.
  • Метилметакрилат → Полиметилметакрилат: органічне скло, контактні лінзи.
...
ПОДІЛИТИСЯ: