Конспект урока «Полимеры»
Конспект направлен для самостоятельного изучения материала.
Просмотр содержимого документа
«Конспект урока «Полимеры»»
Урок химии в 11 классе. «_____»_______________ 20___ г.
Цель. Обобщить знания обучающихся о полимерах..
Образовательные. расширить знания учащихся о полимерах, их строении, свойствах, классификации, получении и применении.
Развивающие. Продолжить развивать умение работать самостоятельно с текстом учебника, составлять схемы и систематизировать знания в виде таблиц; реально оценивать результаты своей работы.
Воспитательные. Воспитывать правильную самооценку и оценку деятельности своих одноклассников, деловые качества, необходимые для работы в парах и группах.
Изучение новой темы.
Полимеры – вещества с очень большой молекулярной массой, содержащие многократно повторяющуюся группировку атомов.
По происхождению полимеры бывают:
Природные – биополимеры: растительного (целлюлоза, крахмал), животного происхождения (белки, нуклеиновые кислоты).
Химические — полимеры , полученные переработкой природного полимера, называют искусственными (эфиры целлюлозы). Химические полимеры, полученные синтезом, называют синтетическими (полиэтилен, полипропилен, капрон).
Мономер – низкомолекулярное вещество, из которого в результате синтеза образуются ВМС. (наличие кратной связи или функциональных групп).
Структурное звено – группа атомов, многократно повторяющиеся в макромолекуле ВМС.
Степень полимеризации – число, которое показывает количество структурных звеньев в макромолекуле.
Молекулярная масса полимера (М ср.) = n ср * М структурного звена.
Реакции полимеризации – процесс соединения множества молекул мономеров в крупные молекулы – макромолекулы (участвуют мономеры с кратными связями)
Реакции поликонденсации – химический процесс соединения исходных мономеров в макромолекуле, идущий с образованием побочного низкомолекулярного вещества (чаще воды). Мономеры должны иметь функциональные группы.
Впишите понятия химии полимеров для реакции, уравнение которой:
Найдите структурное звено полимера и определите структурную формулу мономера.
M ср. полиэтилена =500. Вычислите степень полимеризации.
Составьте реакции синтеза:
А) поливинилхлорида, мономер которого хлорэтен;
Б) волокна энант, мономер которого амино-энантовая кислота H2N – (CH2)6 – COOH
Запишите формулу структурного звена, назовите реакцию синтеза.
По свойствам и применению:
Пластмассы – это конструкционные материалы, содержащие полимер способный при нагревании приобретать заданную форму и сохранять ее после охлаждения.
По отношению к нагреванию пластмассы делятся:
— термопластичные – при нагревании размягчаются и в этом состоянии легко изменяют форму;
— термореактивные – при нагревании становятся пластичными, но затем утрачивают пластичность, становятся неплавкими, нерастворимыми.
Заполните таблицу «Термопластичные и термореактивные полимеры».
4.2.4. Высокомолекулярные соединения. Реакции полимеризации и поликонденсации. Полимеры. Пластмассы, волокна, каучуки.
Высокомолекулярными соединениями (ВМС) называют соединения с молекулярной массой более 10000.
Практически все высокомолекулярные вещества являются полимерами.
Полимеры — это вещества, молекулы которых состоят из огромного числа повторяющихся структурных звеньев, соединенных между собой химическими связями.
Полимеры могут быть получены с помощью реакций, которые можно разделить на два основных типа: это реакции полимеризации и реакции поликонденсации.
Реакции полимеризации
Реакции полимеризации — это реакции образования полимера путем объединения огромного числа молекул низкомолекулярного вещества (мономера).
Количество молекул мономера ( n ), объединяющихся в одну молекулу полимера, называют степенью полимеризации.
В реакцию полимеризации могут вступать соединения с кратными связями в молекулах. Если молекулы мономера одинаковы, то процесс называют гомополимеризацией, а если различны — сополимеризацией.
Примерами реакций гомополимеризации, в частности, является реакция образования полиэтилена из этилена:
Примером реакции сополимеризации является синтез бутадиен-стирольного каучука из бутадиена-1,3 и стирола:
Полимеры, получаемые реакцией полимеризации, и исходные мономеры
Мономер
Получаемый из него полимер
Структурная формула
Варианты названия
Структурная формула
Варианты названия
Реакции поликонденсации
Реакции поликонденсации — это реакции образования полимеров из мономеров, в ходе которых, помимо полимера, побочно образуется также низкомолекулярное вещество (чаще всего вода).
В реакции поликонденсации вступают соединения, в состав молекул которых входят какие-либо функциональные группы. При этом реакции поликонденсации по тому, один используется мономер или больше, аналогично реакциям полимеризации делятся на реакции гомополиконденсации и сополиконденсации.
К реакциям гомополиконденсации относятся:
* образование (в природе) молекул полисахарида (крахмала, целлюлозы) из молекул глюкозы:
* реакция образования капрона из ε-аминокапроновой кислоты:
К реакциям сополиконденсации относятся:
* реакция образования фенолформальдегидной смолы:
* реакция образования лавсана (полиэфирного волокна):
Материалы на основе полимеров
Пластмассы
Пластмассы — материалы на основе полимеров, которые способны под действием нагревания и давления формоваться и сохранять заданную форму после охлаждения.
Помимо высокомолекулярного вещества в состав пластмасс входят также и другие вещества, однако основным компонентом все же является полимер. Благодаря своим свойствам он связывает все компоненты в единую целую массу, в связи с чем его называют связующим.
Пластмассы в зависимости от их отношения к нагреванию делят на термопластичные полимеры (термопласты) и реактопласты.
Термопласты — вид пластмасс, способных многократно плавиться при нагревании и застывать при охлаждении, благодаря чему возможно многоразовое изменение их изначальной формы.
Реактопласты — пластмассы, молекулы которых при нагревании «сшиваются» в единую трехмерную сетчатую структуру, после чего изменить их форму уже нельзя.
Так, например, термопластами являются пластмассы на основе полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида (ПВХ) и т.д.
Реактопластами, в частности, являются пластмассы на основе фенолформальдегидных смол.
Каучуки
Каучуки — высокоэлластичные полимеры, углеродный скелет которых можно представить следующим образом:
Как мы видим, в молекулах каучуков имеются двойные C=C связи, т.е. каучуки являются непредельными соединениями.
Каучуки получают полимеризацией сопряженных диенов, т.е. соединений, у которых две двойные C=C связи, разделены друг от друга одной одинарной С-С связью.
Так например, особо зарекомендовавшими себя мономерами для получения каучуков являются:
В общем виде (с демонстрацией только углеродного скелета) полимеризация таких соединений с образованием каучуков может быть выражена схемой:
Таким образом, исходя из представленной схемы, уравнение полимеризации изопрена будет выглядеть следующим образом:
Весьма интересным является тот факт, что впервые с каучуком познакомились не самые продвинутые в плане прогресса страны, а племена индейцев, у которых промышленность и научно-технический прогресс отсутствовали как таковые. Естественно, индейцы не получали каучук искусственным путем, а пользовались тем, что давала им природа: в местности, где они проживали (Южная Америка), произрастало дерево гевея, сок которого содержит до 40-50% изопренового каучука. По этой причине изопреновый каучук называют также натуральным, однако он может быть получен и синтетическим путем.
Все остальные виды каучука (хлоропреновый, бутадиеновый) в природе не встречаются, поэтому всех их можно охарактеризовать как синтетические.
Однако каучук, не смотря на свои преимущества, имеет и ряд недостатков. Так, например, из-за того что каучук состоит из длинных, химически не связанных между собой молекул, его свойства делают его пригодным для использования только в узком интервале температур. На жаре каучук становится липким, даже немного текучим и неприятно пахнет, а при низких температурах подвержен затвердеванию и растрескиванию.
Технические характеристики каучука могут быть существенно улучшены его вулканизацией. Вулканизацией каучука называют процесс его нагревания с серой, в результате которого отдельные, изначально не связанные друг с другом, молекулы каучука «сшиваются» друг с другом цепочками из атомов серы (полисульфидными «мостиками»). Схему превращения каучуков в резину на примере синтетического бутадиенового каучука можно продемонстрировать следующим образом:
Волокна
Волокнами называют материалы на основе полимеров линейного строения, пригодные для изготовления нитей, жгутов, текстильных материалов.
Классификация волокон по их происхождению
Искусственные волокна (вискозу, ацетатное волокно) получают химической обработкой уже существующих природных волокон (хлопка и льна).
Синтетические волокна получаются преимущественно реакциями поликонденсации (лавсан, капрон, нейлон).
Полимеры (Химия 11 класс)
Если относительная молекулярная масса соединения больше 10 тыс., то такое соединение принято называть высокомолекулярным. Большинство высокомолекулярных соединений — полимеры.
Полимерами называют вещества, молекулы которых состоят из множества повторяющихся структурных звеньев, соединенных между собой химическими связями.
Вы уже знаете два основных способа получения полимеров — реакции полимеризации и реакции поликонденсации.
Реакция полимеризации — это химический процесс соединения множества исходных молекул низкомолекулярного вещества (мономера) в крупные молекулы (макромолекулы ) полимера.
В реакцию полимеризации, как вы, очевидно, помните, могут вступать соединения, содержащие кратные связи, то есть непредельные соединения. Это могут быть молекулы одного мономера или разных мономеров.
В первом случае происходит реакция гомополимеризации — соединение молекул одного мономера, во втором — реакция сополимеризации — соединение молекул двух и более исходных веществ.
К реакциям гомополимеризации относятся реакции получения полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида и т. д., например:
Выражение в скобках называют структурным звеном, а число п в формуле полимера — степенью полимеризации.
К реакциям сополимеризации относится, например, реакция получения бутадиен-стирольного каучука.
Реакция поликонденсации — это химический процесс соединения исходных молекул мономера в макромолекулы полимера, идущий с образованием побочного низкомолекулярного продукта (чаще всего воды ).
В реакции поликонденсации вступают молекулы мономеров с функциональными группами.
Как и в случае полимеризации, процессы поликонденсации разделяют на:
• реакции гомополиконденсации, если полимер образуется из молекул одного мономера. Например, из молекул моносахаридов (глюкозы) в клетках растений образуются полисахариды, а в промышленности получают синтетическое волокно — энант
• реакция сополиконденсации — если полимер образуется из молекул двух и более исходных веществ. Например, к ним относятся синтезы белковых молекул из разных аминокислот или реакция получения фенолформальдегидных смол:
С помощью реакций поликонденсации получают полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, полиакрил и т. д.
Макромолекулы полимеров могут иметь различную гео. метрическую форму в зависимости от строения основной цепи (рис. 18):
• линейную, при которой структурные звенья соединены в длинные цепи последовательно одно за другим (именно такую структуру имеют в основном известные нам полиэтилен и полипропилен);
• разветвленную (с ними мы встречались при изучении крахмала);
• пространственную, при которой линейные молекулы соединены между собой химическими связями (например, в вулканизированном каучуке — резине).
Геометрическая форма макромолекул полимеров, как увидим далее, существенно сказывается на их свойствах.
Линейные и разветвленные цепи полимеров можно превратить в пространственные структуры с помощью света, радиации или «сшивания» под действием химических реагентов. Вспомните хотя бы вулканизацию каучуков, а также отверждение фенолформальдегидных и полиэфирных смол или образование прочных пленоки покрытий из высыхающих масел и природных смол.
Линейные полимеры могут иметь как кристаллическую, так и аморфную структуру. Под кристалличностью полимеров понимают упорядоченное расположение макромолекул или их частей. Аморфное строение характеризуется отсутствием упорядоченности. Разветвленные и пространственные полимеры, как правило, являются аморфными.
Физические свойства линейных и разветвленных полимеров очень зависят от межмолекулярного взаимодействия их макромолекул. Например, у целлюлозы они взаимодействуют между собой по всей длине, и поэтому ее волокна обладают высокой прочностью. Аналогично особо прочные волокна дают многие синтетические полимеры (полипропилен, полиэфиры, полиамиды), линейные молекулы которых расположены вдоль оси растяжения. А вот разветвленные молекулы крахмала взаимодействуют лишь отдельными участками и поэтому не образуют прочных волокон.
Трехмерные структуры пространственных полимеров могут лишь временно деформироваться при растяжении, если они имеют сравнительно редкую сетку (вспомните резину), или бывают упругими либо хрупкими при наличии густой пространственной сети в зависимости от ее строения.
Понятие молекулярная масса для полимеров имеет некоторые особенности. При полимеризации в макромолекулы соединяется различное число молекул мономера в зависимости от того, когда произойдет обрыв растущей полимерной цепи. Вследствие этого образуются макромолекулы разной длины и, следовательно, разной массы, для такого вещества молекулярная масса — это только среднее ее значение.
На свойства полимеров большое влияние оказывает регулярность, которая проявляется в строгой последовательности соединения исходных молекул мономеров в макромолекуле полимера.
Полимеры, макромолекулы которых построены из звеньев одинаковой пространственной конфигурации или же из звеньев различной конфигурации, но обязательно чередующихся в цепи в определенном порядке, называют стереорегу-лярными. Полимеры с произвольным чередованием звеньев различной пространственной конфигурации называют несте-реорегулярными.
Стереорегулярность имеет большое значение, как мы уже указывали ранее, в проявлении такого важнейшего свойства каучуков, как эластичность, которая играет определяющую роль при использовании этих материалов в автомобильных и авиационных шинах, испытывающих во время движения автомобилей и самолетов на посадочных полосах многократные деформации. Натуральный или изопреновый каучук имеет стереорегулярное строение.
Атомы углерода при двойной связи в каждом звене соединены с разными атомами (группами атомов). Поэтому здесь возможна геометрическая изомерия. Оказалось, что группы —СН2— в макромолекулах каучука расположены не беспорядочно, а по одну и ту же сторону двойной связи в каждом звене, то есть находятся в цис-положении.
Такое расположение групп —СН2—, через которые осуществляется связь звеньев в макромолекуле, способствует естественному скручиванию ее в клубок, что и обусловливает высокую эластичность каучука. В случае же транс-строения звеньев макромолекулы оказываются более вытянутыми, и такой полимер (гуттаперча) эластичностью не обладает.
В условиях химического синтеза добиться стереорегуляр-ного строения долгое время не удавалось, и это отражалось на свойствах полимера.
Но проблему синтеза изопренового каучука все же удалось решить. Выли найдены катализаторы, которые, как и при синтезе стереорегулярного полипропилена, обеспечивали регулярную укладку мономерных звеньев в растущую полимерную цепь. Теперь изопреновый каучук, аналогичный натуральному по строению и свойствам, промышленность выпускает в большом количестве.
Получен и бутадиеновый каучук стереорегулярного строения. Чтобы такой каучук отличить от бутадиенового, не имеющего регулярного строения, его называют дивиниловым. Оказалось, что по стойкости к истиранию дивиниловый каучук даже превосходит натуральный. Это делает его особенно ценным для изготовления протекторов (наружной части) шин, которые изнашиваются особенно быстро.
Многие неорганические вещества представляют собой полимеры. Мы уже называли их. Это пластическая сера, черный фосфор, красный фосфор, селен и теллур цепочечного строения, диоксид кремния и кремниевая кислота, силикаты, полифосфаты и т. д. Природные сетчатые неорганические полимеры входят в состав большинства минералов земной коры.
Вам, вероятно, известно и такое неорганическое волокно, как асбест или горный лен.
Природные сетчатые неорганические полимеры перерабатывают в стекла, волокна, ситаллы, керамику и т. д.
Интересны такие неорганические полимеры, которые являются аллотропными видоизменениями углерода:
и поликумулен . =С=С=С=С=.
Элементоорганические полимеры — это такие полимеры, которые в основной цепи содержат атомы не углерода, а других химических элементов (кислорода, титана, кремния). Боковые цепи в таких полимерах представлены органическими радикалами.
Так, в 1935 г. нашим соотечественником К. А. Андриановым были получены кремнийорганические полимеры — силиконы, состав которых можно отобразить так:
Эти вещества имеют высокую термостойкость, замечательные электроизоляционные свойства, они химически инертны, гидрофобны (не смачиваются водой) и т. д. Дальнейшее повышение термостойкости полимеров, очевидно, связано с проблемой синтеза неорганических полимеров, в молекулах которых нет атомов углерода.
Пластмассами называют материалы, изготовляемые на основе полимеров, способные приобретать при нагревании заданную форму и сохранять ее после охлаждения.
Как правило, пластмасса — это смесь нескольких веществ; полимер — это лишь одно из них, но самое важное. Именно он связывает все компоненты пластмассы в единое, более или менее однородное целое. Поэтому полимер называют связующим.
Первые пластмассы получали на основе природных полимеров — производных целлюлозы, каучука и т. д. Потом в качестве связующих стали применять и синтетические полимеры — фенолформальдегидные смолы, полиэфиры и т. д.
Понятно, что превращать в готовые изделия удобнее те пластмассы, которые обратимо твердеют и размягчаются. Это так называемые термопласты, или термопластичные полимеры. Их можно рационально обрабатывать и перерабатывать методом литья под давлением, вакуумной формовки, профильным прессованием. К таким пластмассам относятся полиэтилен, полистирол, поливинил хлорид, полиамиды.
Если же в процессе формования изделия происходит сшивка макромолекул и полимер, твердея, приобретает сетчатое строение, то это вещество уже нельзя возвратить в вязко-текучее состояние нагреванием или растворением. Такие пластмассы называют реактопластами или термореактивными полимерами. К ним относятся фенолформальдегидные, карбамидные и полиэфирные смолы.
Кроме связующего полимера в пластмассы часто вводят добавки разного назначения, наполнители, красители, вещества, повышающие механические свойства, термостойкость и устойчивость к старению.
Наполнители в виде порошка или волокна, которые вводят в пластмассы, значительно удешевляют их. Вместе с тем они могут придать пластмассам и многие специфические свойства. Так, пластмассы с наполнителем в виде алмазной и карборундовой пыли — это абразивы, то есть отличный шлифовальный материал.
Основные потребители пластмасс — это прежде всего строительная индустрия, машиностроение, электротехника, транспорт, производство упаковочных материалов, товаров народного потребления.
Широкому применению пластмасс способствуют низкая стоимость, легкость переработки и свойства, которые часто не уступают металлам и сплавам или даже превосходят их. Так, изделия из пластмасс очень легкие, устойчивы к коррозии и агрессивным средам, прочны, обладают отличными оптическими и изоляционными свойствами.
Волокна — это полимеры линейного строения, которые пригодны для изготовления нитей, жгутов, текстильных материалов.
Природные волокна по происхождению делят на:
• растительные (хлопок, лен, пенька и т. д.);
• животные (шерсть, шелк);
• минеральные (асбест).
Химические волокна получают из растворов или расплавов волокнообразующих полимеров. Их подразделяют на:
• искусственные, которые получают из природных полимеров или продуктов их переработки, главным образом из целлюлозы и ее эфиров (вискозные, ацетатные и др.);
• синтетические, которые получают из синтетических полимеров (капрон, лавсан, энант, нейлон и др.).
Биополимеры — это хорошо известные вам белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты.
Белки — это биополимеры, состоящие из остатков а-аминокислот.
В белках выделяют четыре уровня структур:
Первичную структуру белков можно рассматривать как линейную структуру. Она определяется порядком чередования остатков молекул аминокислот в полипептидной цепи и обусловливает белковую индивидуальность всех живых организмов на Земле. Как из букв алфавита можно построить бесконечное множество слов, так и из немногим более чем 20 а-аминокислот природа создает все многообразие белков. У каждого организма свой неповторимый, как рисунок отпечатков пальцев, набор белковых молекул. На неприятии «чужих» белковых наборов (например, микробных) основана такая защитная реакция организма, как иммунитет и отторжение.
Вторичная структура белков (чаще всего спиралевидная) определяется особенностями скручивания (типом укладки) полипептидных цепей белковых молекул в спираль за счет возникновения водородных связей между группами —С—О и — NH —
l
Третичная структура белков (клубочковидная или глобулярная) определяется пространственным расположением белковых спиралей за счет возникновения водородных, амидных и дисульфидных связей. Третичная структура в виде определенной пространственной конфигурации с выступами и впадинами, с обращенными наружу функциональными группами обусловливает специфическую биологическую активность белковой молекулы.
Некоторые белки (например, гемоглобин) имеют четвертичную структуру.
Четвертичная структура относится к макромолекулам, в состав которых входит несколько полипептидных цепей. Эта структура соответствует размещению в пространстве полипептидных цепей, не связанных между собой ковалентными связями.
Полисахариды — это биополимеры, состоящие из остатков моносахаридов.
Представителями полисахаридов являются крахмал и целлюлоза. И опять вы можете убедиться в том, насколько важное значение имеет пространственное строение для свойств веществ. Ведь в основе столь разительных отличий крахмала и целлюлозы, имеющих общую формулу (С6Н10О5)n, лежит тот факт, что крахмал — ценное питательное вещество, запасной углевод растительной клетки — построен из остатков молекул а-глюкозы, а целлюлоза — дополнительная механическая оболочка растительной клетки — построена из остатков молекул бета-глюкозы:
Полинуклеотиды, или нуклеиновые кислоты, — это биополимеры, состоящие из остатков нуклеотидов.
Подобно молекулам белков, нуклеиновые кислоты также характеризуются последовательностью чередования в их макромолекуле всего четырех видов нуклеотидов -— аденинового (А), гуанинового (Г), цитозинового (Ц) (в молекуле любой нуклеиновой кислоты), урацилового (У) — в РНК или тиминового (Т)-в ДНК.
Макромолекулы ДНК представляют собой спираль, состоящую из двух цепей, закрученных вокруг общей оси. Это их вторичная структура (рис. 22). В поддержании ее, как и в белках, важная роль принадлежит водородным связям. Образуются они между азотистыми основаниями разных цепей макромолекулы, располагающимися, в отличие от радикалов белковых молекул, не снаружи, а внутри спирали.
Нуклеиновые кислоты — РНК и ДНК — выполняют важнейшую роль в хранении и передаче наследственной информации организма, в биосинтезе белка, о чем вы конечно же знаете из курса общей биологии. Изучение биополимеров, особенно белков и нуклеиновых кислот, привело к созданию новых наук — биоорганической химии, молекулярной биологии, генной инженерии, открывающих перед человечеством неисчерпаемые возможности глубокого проникновения в тайны жизни и все более широкого использования постигаемых закономерностей в практических целях.
В заключение обобщим наши сведения о классификации полимеров с помощью схемы 2.
Рис. 22. Схема строения двойной спирали ДНК
1. Какие вещества называют полимерами?
2. Почему поливинилхлорид и фенолформальдегидные пластмассы «относятся» к нагреванию по-разному?
3. Чем объяснить, что при обычных условиях этилен — газ, а полиэтилен — твердое нелетучее вещество?
4. Почему так различны по физическим свойствам углекислый газ СO2 и кварц SiO2?
5. Приведите примеры реакций полимеризации, сополиме-ризации, поликонденсации.
6. Какие из перечисленных признаков характеризуют натуральный каучук: а) пространственный полимер; б) термопластичный полимер; в) стереорегулярный полимер; г) продукт вулканизации; д) искусственный полимер?
Cхема 2
Классификация полимеров
Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.
Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь — Образовательный форум.
http://scienceforyou.ru/teorija-dlja-podgotovki-k-egje/polimery
http://edufuture.biz/index.php?title=%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D1%80%D1%8B_(%D0%A5%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%8F_11_%D0%BA%D0%BB%D0%B0%D1%81%D1%81)