Способы получения полимеров приведите уравнения реакций

Классификация по структуре

По структуре полимеры делятся на: линейные, разветвленные и пространственные.

Линейные	Разветвленные	Пространственные
Состоят из последовательности повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечному размеру.Целлюлоза, полиэтилен низкого давления, капрон	Макромолекулы разветвленных имеют боковые ответвления от цепи, называемой главной или основнойКрахмал	Химические связи имеются и между цепями, образуя пространственную структуру Резина,фенолформальдегидныесмолы

Линейные — макромолекулы состоят из последовательности повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечному размеру (целлюлоза, полиэтилен низкого давления, капрон).

Разветвленные — макромолекулы которых имеют боковые ответвления от цепи, называемой главной или основной (крахмал).

Сетчатые (пространственные) — химические связи имеются и между цепями (резина, фенолформальдегидные смолы).

Классификация по химическому характеру

По химическому характеру и составу полимеры и химические волокна бывают: полиэфирные, полиамидные, элементоорганические (например, кремнийорганические полимеры).

Полиэфирные полимеры	Полиамидные полимеры	Элементоорганические
Содержат группу -СОО- Лавсан (полиэтилентерефталат)	Содержат группу -СО-NH₂— Найлон, капрон	Содержат атомы других хим. элементов (кремний и др.). Кремнийорганические полимеры

Полиэфирные полимеры — содержат группу сложных эфиров -СОО-.

Полиамидные полимеры — содержат пептидную связь -СО-NH₂-.

Элементоорганические полимеры — содержат атомы других химических элементов (помимо С, Н, О, N).

Свойства полимеров

По свойствам полимеры можно разделить на: термореактивные, термопластичные и эластомеры.

Термореактивные	Термопластичные	Эластомеры
Неплавкие и неэластичные материалы.Фенолформальдегидныесмолы,полиуретан	Меняют форму при нагревании и сохраняют её.Полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид	Эластичные вещества при разных температурах.Натуральный каучук,полихлоропрен

Термореактивные полимеры — пластмассы, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала.

Например, фенолформальдегидные смолы, полиуретан.

Термопластичные полимеры — меняют форму в нагретом состоянии и сохраняют её после охлаждения.

Например, полиэтилен, полистирол, полихлорвинил и т.д.

Эластомеры – обладают высокоэластичными свойствами в широком интервале температур.

Например, натуральный каучук.

Кевлар

Кевлар — очень прочный пластик. Он имеет очень востребованные свойства, так как состоит из волокон, сильно прижатых друг к другу.Это родственник нейлона, он считается суперполимером и был представлен на рынке в 70-х годах.

Это очень прочный материал, но относительно легкий. Не плавится, а разлагается только при температуре выше 450 ° C; холод ему тоже не вредит, выдерживает морозы до -196 ° С. Он устойчив к воздействию различных химикатов, а влажность не повреждает его.

Кевлар — отличный антибаллистический материал, так как пуля или нож с трудом проходят сквозь волокна. Он прочнее стали, как современная броня, но легче и гибче стали.

Кевлар также используется в производстве шин для велосипедов, парусных лодок и пластиков для музыкальных барабанов.

Понятие о полимерах

Полимер. Что это такое? Ответить можно с разных точек зрения. С одной стороны, это современный материал, используемый для изготовления множества бытовых и технических предметов.

С другой стороны, можно сказать, это специально синтезированное синтетическое вещество, получаемое с заранее заданными свойствами для использования в широкой специализации.

Каждое из этих определений верное, только первое с точки зрения бытовой, а второе — с точки зрения химической. Еще одним химическим определением является следующее. Полимеры — это макромолекулярные соединения, в основе которых лежат короткие участки цепи молекулы — мономеры. Они многократно повторяются, формируя макроцепь полимера. Мономерами могут быть как органические, так и неорганические соединения.

Поэтому вопрос: «полимер — что это такое?» — требует развернутого ответа и рассмотрения по всем свойствам и областям применения этих веществ.

Виды полимеров

Существует множество классификаций полимеров по различным признакам (химической природе, термостойкости, строению цепи и так далее). В ниже приведенной таблице коротко рассмотрим основные виды полимеров. Классификация полимеров

Принцип	Виды	Определение	Примеры
По происхождению (возникновению)	Природные (натуральные)	Те, что встречаются в естественных условиях, в природе. Созданы природой.	ДНК, РНК, белки, крахмал, янтарь, шелк, целлюлоза, каучук натуральный
Синтетические	Получены в лабораторных условиях человеком, не имеют отношения к природе.	ПВХ, полиэтилен, фенолформальдегидные смолы, полипропилен, полиуретан и другие
Искусственные	Созданы человеком в лабораторных условиях, но на основе природных полимеров.	Целлулоид, ацетатцеллюлоза, нитроцеллюлоза
С точки зрения химической природы	Органической природы	Большая часть всех известных полимеров. В основе мономер органического вещества (состоит из атомов С, возможно включение атомов N, S, O, P и других).	Все синтетические полимеры
Неорганической природы	Основу составляют такие элементы, как Si, Ge, O, P, S, H и другие. Свойства полимеров: не бывают эластичными, не образуют макроцепей.	Полисиланы, полидихлорфосфазен, полигерманы, поликремниевые кислоты
Элементоорганической природы	Смесь органических и неорганических полимеров. Главная цепь — неорганика, боковые — органика.	Полисилоксаны, поликарбоксилаты, полиорганоциклофосфазены.
Различие главной цепочки	Гомоцепные	Главная цепь представлена либо углеродом, либо кремнием.	Полисиланы, полистирол, полиэтилен и другие.
Гетероцепные	Основной остов из разных атомов.	Полимеры примеры — полиамиды, белки, этиленгликоль.

Также различают полимеры линейного, сетчатого и разветвленного строения. Основа полимеров позволяет быть им термопластичными или термореактивными. Также они имеют различия по способности к деформации при обычных условиях.

Виды полимеров

Принцип	Виды	Определение	Примеры
По происхождению (возникновению)	Природные (натуральные)	Те, что встречаются в естественных условиях, в природе. Созданы природой.	ДНК, РНК, белки, крахмал, янтарь, шелк, целлюлоза, каучук натуральный
Синтетические	Получены в лабораторных условиях человеком, не имеют отношения к природе.	ПВХ, полиэтилен, фенолформальдегидные смолы, полипропилен, полиуретан и другие
Искусственные	Созданы человеком в лабораторных условиях, но на основе природных полимеров.	Целлулоид, ацетатцеллюлоза, нитроцеллюлоза
С точки зрения химической природы	Органической природы	Большая часть всех известных полимеров. В основе мономер органического вещества (состоит из атомов С, возможно включение атомов N, S, O, P и других).	Все синтетические полимеры
Неорганической природы	Основу составляют такие элементы, как Si, Ge, O, P, S, H и другие. Свойства полимеров: не бывают эластичными, не образуют макроцепей.	Полисиланы, полидихлорфосфазен, полигерманы, поликремниевые кислоты
Элементоорганической природы	Смесь органических и неорганических полимеров. Главная цепь – неорганика, боковые – органика.	Полисилоксаны, поликарбоксилаты, полиорганоциклофосфазены.
Различие главной цепочки	Гомоцепные	Главная цепь представлена либо углеродом, либо кремнием.	Полисиланы, полистирол, полиэтилен и другие.
Гетероцепные	Основной остов из разных атомов.	Полимеры примеры – полиамиды, белки, этиленгликоль.

Применение синтетических полимеров

Синтетические полимерные материалы используются человечеством в различных областях, из них изготавливают самые разные предметы, оборудования и приспособления.

Одним из первых материалов, изготовление которого было перенесено на промышленные масштабы, является целлулоид. Он использовался при производстве различных видов материалов. Одним из основных толчков в развитии фабрикации синтетических полимерных материалов стало появление автомобильной промышленности.

Раньше при изготовлении машин использовали только натуральные материалы, что сильно осложняло процесс производства. В настоящее время синтетические полимерные материалы используются не только для внутренней облицовки салона автомобиля, но и для выпуска огромного спектра деталей.

Также их активно применяют в радиоэлектронике и строительстве, поэтому многие предприятия и фирмы вкладывают немалые денежные средства в разработку новых технологий и рецептур для создания полимерных материалов.

Их очень часто используют при фабрикации разных радиодеталей и бытовой техники, это неимоверно помогло при создании различных видов приборов, без которых сложно представить жизнь современного общества.

Строительные материалы из полимера обладают многими исключительными свойствами, например, имеют большую прочность при малом весе, высокую пропускаемость светового излучения, низкую теплопроводность и повышенную огнестойкость.

Все виды полимеров, использующиеся в быту, проходят специальные исследования и тесты для того, чтобы максимально снизить отрицательное влияние на организм человека.

Полимеризация

Степень полимеризации — это число, показывающее сколько молекул мономера соединилось в макромолекулу.

Степень полимеризации обычно обозначается индексом «n» за скобками, включающими в себя структурное (мономерное) звено: (–CH2–CH2–)n

Характерные признаки полимеризации.

В основе полимеризации лежит реакция присоединения.
Полимеризация – цепная реакция, включает стадии инициирования, роста и обрыва цепи.
Элементный состав (молекулярные формулы) мономера и полимера одинаков.

Катализаторами полимеризации могут быть: металлический натрий, пероксиды, кислород, металлоорганические соединения, комплексные соединения.

Процесс образования высокомолекулярных соединений при совместной полимеризации двух или более различных мономеров называют сополимеризацией.

Например, схема сополимеризации этилена с пропиленом:

Важнейшие синтетические полимеры

Изображение с портала orgchem.ru

Важнейшие синтетические полимеры, получаемые реакцией полимеризации, и области их применения:

Полимер	Мономер	Характеристики полимера	Применение полимера
Полиэтилен (–СН2–СН2–)n	ЭтиленСН2=СН2	Синтетический, линейный, термопластичный, химически стойкий	Упаковка, тара
Полипропилен	ПропиленСН2=СН–СН3	Синтетический, линейный, термопластичный, химически стойкий	Трубы, упаковка, ткань (нетканый материал)
Поливинилхлорид	ВинилхлоридСН2=СН–Сl	Синтетический линейный полимер, термопластичный	Натяжные потолки, окна, пленка, трубы, полы, изолента и т.д
Полистирол	Стирол	Синтетический линейный полимер, термопластичный	Упаковка, посуда, потолочные панели
Полиметилметакрилат Метиловый эфир метакриловой кислоты	Синтетический линейный полимер, термопластичный	Очки, корпуса фар и светильников, душевые кабины, мебель и т.д
Тефлон(политетрафторэтилен)	Тетрафторэтилен	Синтетический линейный полимер. Термопластичный (t = 260-3200C) Обладает очень высокой химической стойкостью	Посуда, пластины утюгов, ленты и скотч, упаковка, изоляция
Искусственный каучук Мономер: бутадиен-1,3 (дивинил)	Синтетический, линейный, эластомер, содержит двойные связи	Резина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Натуральный каучук Мономер: 2-метилбутадиен-1,3	Природный, линейный, эластомер, содержит двойные связи	Резина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Хлоропреновый каучук Мономер: 2-хлорбутадиен-1,3	Синтетический, линейный, эластомер, содержит двойные связи	Резина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Бутадиен-стирольный каучук Мономеры: бутадиен-1,3 и стирол	Синтетический, эластомер	Резина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Полиакрилонитрил	Акрилонитрил	Синтетический, линейный	Волокна, пластмассы

Что такое синтетические полимеры?

Человечество издавна использует натуральные полимерные материалы в своем быту; меха, кожу, шелк, шерсть, известь, хлопок, цемент, и глину. Но изготовление цепных полимеров в широких масштабах началось только 20 веке. В 1906 году, ученый Лео Бакеланд открыл смолу, которая ныне носит название “бакелит” — результативный продукт при сгущении фенола и формальдегидного вещества, которое при увеличении температуры переходило в трехмерное состояние. Еще очень долгого, впоследствии, он выпускался для корпусных обшивок телевизоров, электроприборов, розеток и аккумуляторных коробок, а в современном мире его стали использовать как адгезирующее связующее вещество.

Полимеры – это вещества, с неорганической и органической основой, с аморфным и кристаллическим строением, в состав которых входят соединенные мономерные макромолекулярные звенья.

Синтетический полимер — это искусственный полимерный материал, являющийся альтернативой природному сырью. Его получают лабораторным путем двумя методами: полимеризационным и поликонденсационным.

Типы полимеров

По химическому составу различают:

органические;
элементоорганические;
неорганические.

Органические полимеры:

природные;
искусственные (модифицированные);
синтетические.

Природные полимеры

Такие полимеры можно найти в природе. Человек не участвует в производстве таких полимеров. В качестве примера можно привести белки, крахмал, натуральный каучук, хлопок, шерсть и др.

Искусственные полимеры

Чтобы получить такие полимеры, человек проводит химические опыты. Например, чтобы получить модифицированный полимер, который затем будет применён при производстве красок, химики добавляют в раствор стирола в толуоле или ксилоле льняное или касторовое масло и нагревают его.

Пример такого полимера — целлюлоза.

Синтетические полимеры

Произвести такие полимеры можно с помощью химического синтеза (т. е. химическим путём). В синтезе участвуют высокомолекулярные органические продукты. Например, чтобы получить синтетический полимер лавсан нужно поликонденсировать (т. е. провести химический опыт) терефталевую кислоту и этиленгликоль.

Пример — капрон, нейлон, полиэтилен, полипропилен, полистирол, фенолформальдегидные смолы.

Элементоорганические полимеры

Содержат атомы других химических элементов, например кремния, алюминия, титана и др. Выделяют:

термостойкие полимеры;
полимеры с высокой электропроводностью и полупроводниковыми свойствами;
вещества с высокой твёрдостью и эластичностью;
биологические активные полимеры и др.

Химики получают такие полимеры при взаимодействии определённых органических веществ с солями или заменяя некоторые атомы углерода в молекулах на другие составляющие. Пример — полисилоксаны, полититаноксаны и др.

Неорганические полимеры

Полимеры, молекулы которых построены из неорганических боковых цепей (или неорганических радикалов). Неорганические полимеры можно обнаружить в составе земной коры.

Полимеры могут отличаться составом мономерных звеньев. Мономерное звено — это составная часть макромолекулы полимера. Различают:

гомополимеры;
гетерополимеры (или сополимеры).

Гомополимеры

Это такие полимеры, у которых одинаковые мономерные звенья. Например: полихлорвинил, поливинилацетат и полистирол.

Гетерополимеры

Это полимеры, которые имеют различные мономерные звенья. Например: сополимер хлористого винила с винилацетатом, сополимер стирола с бутадиеном.

Полимеры могут также подразделяются также на карбоцепные (или гомоцепные) и гетероцепные полимеры.

Гетероцепные полимеры

Главные цепи макромолекул таких полимеров включают не только атомы углерода, но ещё и атомы кислорода, азота и серы. Например: простые эфиры (например, полиэтиленгликоль), сложные эфиры (глифталевые смолы, полипептиды (белки) и др.).

Полимеры также могут подразделяться в зависимости от расположения мономерных цепей в пространстве. Различают:

стереорегулярные (полимеры с линейной структурой);
нестереорегулярные (или атактические).

Строение макромолекул полимеров может быть различным. Таким образом, есть полимеры:

линейные;
разветвлённые;
лестничные;
трёхмерные сшитые (сетчатые, пространственные).

Полимеры можно получить разными способами:

если полимер получают с помощью поликонденсации, то такой полимер называют поликонденсационным (или реактопластами);
если с помощью полимеризации — речь идёт о полимеризационном полимере.

В зависимости от реакции полимера на нагревание выделяют:

термопластичные (полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол);
термореактивные полимеры (полиэфиры, эпоксидные, меламиновые и фенольные смолы).

Виды полимерного сырья

Полимерное сырье – общий термин, который включает в себя три вида синтетических пластиков:

Полимеры – высокомолекулярные вещества с различными добавками: стабилизаторами, ингибиторами, пластификаторами, смазками и прочими включениями.
Пластмассы-композиты на базе полимеров, включающие в себя различные наполнители, пигменты и прочие компоненты. В свою очередь, подразделяются на две группы: термопластические и термореактивные. Первые могут быть расплавлены и сформованы многократно, а вторые – только один раз, после затвердения изменить форму термореактивной пластмассы уже невозможно. Практически все виды пластмасс относятся к первой группе – это полиэтилен, поливинилхлорид (ПВХ), нейлон или капрон, поликарбонат и другие.
Полимерные композиционные материалы, которые также именуются армированным пластиком – это разновидности пластмасс с содержанием усиливающих компонентов – различных волокон, войлока, тканей, лент, кристаллов. Такие наполнители позволяют получить высокопрочный пластик, обладающий акустическими, деформационно-прочностными и другими электро-физическими характеристиками, которые соответствуют самым высоким стандартам.

Вторичное и первичное полимерное сырье

Полимеры применяются практически во всех отраслях производства. Благодаря свойству некоторых видов сырья возвращать первоначальные характеристики после переработки, существует отдельная сфера промышленности, которая занимается выпуском вторичного полимерного сырья.

Такое сырьё применяется для тех же задач, что и первичное, но имеет некоторые ограничения, которые относятся к пищевой и медицинской промышленности.

Первичное полимерное сырье

Полипропилен — синтетический материал в форме твёрдых гранул белого цвета. Различают каучуковый, металлоценовый, вспенивающийся и гомополимер.

Полистирол – твёрдый синтетический термопластик, подобен стеклу. Является диэлектриком, стойко переносит радиацию, не вступает в реакцию со щелочью и кислотами, кроме ледяной уксусной и азотной. Прозрачные цилиндрические гранулы применяются для изготовления продукции методом экструзионного выдавливания.

Полиэтилен низкого давления – высокопрочный материал, применяется для изготовления пакетов, способных выдерживать высокие нагрузки. Благодаря особым физико-химическим характеристикам из этого сырья возможно выдать очень тонкую пленку. Производится в виде твёрдых, плотных, полупрозрачных гранул.

Полиэтилен высокого давления – также называется полиэтиленом низкой плотности. Обычно применяется в пищевом и медицинском производстве. Выпускается в виде белых гранул с глянцевым блеском.

Поливинилхлорид (ПВХ) – производится в формате мелкодисперсного порошка, легко преобразуется в твердые и мягкие виды пластмассы. Широко применяется в строительстве, из него производятся трубы, пленки, линолеум и прочие строительные материалы.

Линейный полиэтилен высокого давления – из этого вида сырья изготавливаются тонкие эластичные пленки для упаковки и ламинирования. По своим характеристикам занимает среднюю позицию между полиэтиленом с низкой и высокой плотностью.

Вторичное полимерное сырье

Многие предприятия, чей производственный процесс включает в себя использование полимеров, отправляет брак полимерной продукции на вторпереработку, благодаря чему достигается практически безотходное производство.

Кроме того, на рынке существует обширная группа предприятий, которые специализируются на переработке полимеров во вторичное сырье с целью последующей перепродажи.

Многоступенчатый, трудоемкий процесс включает в себя сбор полимерных отходов, сортировку, мойку, измельчение и переплавку. Готовая продукция почти не отличается от первичного сырья, однако, ее стоимость значительно ниже, поэтому вторичное сырье пользуется высоким спросом на многих предприятиях.

Образование полимеров

В природе биологические полимеры или биополимеры получаются естественным путем в процессе жизнедеятельности растительных и животных организмов. Искусственные же полимеры производят как правило нефтехимические и газохимические предприятия путем двух основных видов химических реакций: полимеризации и поликонденсации

Полимеризация – это процесс синтеза полимера путем присоединения повторяющихся цепочек молекул (звеньев) мономера к активному центру роста макромолекулы высокомолекулярного соединения. В упрощенном виде механизм полимеризации можно расписать по следующим стадиям:

образование центров полимеризации;
рост макромолекул полимера при присоединения очередных звеньев;
возникновение новых центров полимеризации на других молекулы и их интенсивный рост;
возникновение разветвленных молекул полимеров;
прекращение роста макромолекул.

Обычно полимеризация не возникает при нормальных условиях. Для начала химического процесса полимеризации на низкомолекулярное сырье оказывают разнообразные методы воздействия в зависимости от каждого конкретного техпроцесса: воздействие светом или другим типом облучением, повышенным давление, высокими температурами. При этом, наиболее эффективно процесс идет в среде катализатора, подбираемого для каждого конкретного процесса получения определенного полимера персонально. При образовании полимеров при помощи полимеризации не выделяется побочных веществ реакции, химический состав веществ остается неизменным, но меняется структура связей в веществе.

Рис. 2 Завод по производству полиэтилена

Поликонденсация – это процесс синтеза полимеров из низкомолекулярных веществ при помощи перегруппировки атомов выделения побочных продуктов поликонденсации. Это могут быть различные низкомолекулярные соединения, например вода. Методом поликонденсации выпускают такие крупнотоннажные полимеры, как полиуретаны, поликарбонаты, фенолоальдегидные смолы.

Карбоцепные и гетероцепные ВМС

Классификация полимеров по химическому составу основной полимерной цепи предполагает деление этих веществ на две большие группы.

Карбоцепные, у которых основная цепочка макромолекулы ВМС состоит лишь из атомов углерода.
Гетероцепные, в которых в главной цепочке находятся вместе с атомами углерода другие атомы, придающие данному веществу дополнительные свойства.

Каждая из этих больших групп состоит из следующих подгрупп, отличающихся строением цепочки, количеством заместителей, их составом, числом боковых ветвей:

соединения с насыщенными связями в цепях, примером которых могут служить полиэтилен или полипропилен;
полимеры с ненасыщенными связями в главной цепи, например полибутадиен;
галогензамещенные высокомолекулярные соединения – тефлон;
полимерные спирты, примером чего является поливиниловый спирт;
ВМС, полученные на основе производных спиртов, пример — поливинилацетат;
соединения, полученные на основе альдегидов и кетонов, такие как полиакролеин;

полимеры, полученные на основе карбоновых кислот, представителем которых является полиакриловая кислота;
вещества, полученные из нитрилов (ПАН);
высокомолекулярные вещества, полученные из ароматических углеводородов, например полистирол.

Материалы

Как мы писали выше, синтетика плохо переносит высокие температуры, воспламеняется и выделяет при тлении токсичные вещества. Во избежание этого химики экспериментальным способом добавляют различные примеси. При синтезе они используют бром или хлор. После обработки получается галогенизированное сырье, способное при сгорании выделять газ, который повышает коррозийность металлических изделий.

Мы рассмотрим примеры и определим, что относится к полимерным материалам:

• Самый знакомый всем – это полиэтилен. Из него изготавливают упаковку для различных целей, используется во всех отраслях народного хозяйства. Он различается по типам (низкого и высокого давления). Эти виды обладают одинаковым химическим составом, но отличаются молекулярной структурой.
• Пропилен. Благодаря своим характеристикам (легкость, высокие эксплуатационные качества, гибкость, эластичность, прочность, водонепроницаемость) широко применяется при строительстве жилых комплексов и промышленных объектов. Из него изготавливаются трубы для горячего и холодного водоснабжения, для отопительной системы. Они не подвержены коррозии, не деформируются при динамической и статистической нагрузках, не производят шум и не вибрируют. Единственный минус – вступают в реакцию с кислородом и не выносят ультрафиолет. Поэтому при монтаже необходимо устанавливать защитную систему.
• Поливинилхлорид. Что это за полимерные материалы и какие примеры можно привести, ведь все уже забыли об этом термине и области применения. Популярным они были в середине прошлого столетия. Они обладают хрупкостью и невысокой экологичностью, потому что при тлении выделяют ядовитый диоксин. Поэтому современные вещества вытеснили с рынка потребления старый образец.
• Полиолефин создан на основе составляющих полиэтилена и полипропилена. Более половины продукции во всем мире изготовлена из этого сырья. Так как он имеет огромное преимущество перед другими пластмассами. Он не разрывается, не дает усадку, не нагревается, а при утилизации и производстве не выделяет вредные для организма вещества.