Полимеры и реакции полимеризации

Пропилен CH2=CH-CH3 даёт полимер (-CH2-CH(CH3)-)n. Ученик, который запомнил полиэтилен как (-CH2-CH2-)n, по аналогии пишет полипропилен как (-CH2-CH2-CH2-)n: метильная группа ушла в цепь, и вместо двух углеродов на звено в основной цепи их оказалось три. Ошибка выглядит мелкой, но формула звена неверна, а значит, неверно и всё уравнение, и такой ответ не принимают.

Тема стоит в конце курса органики, и к ней подходят уставшими от остального. Между тем держится она на нескольких правилах записи, которые выучиваются без труда, если понять, что именно происходит с молекулой мономера. Дальше о правилах и о том, где они чаще нарушаются.

Что остаётся в цепи и что висит сбоку

При полимеризации двойная связь мономера раскрывается, и два углерода при ней становятся звеном основной цепи. Всё, что было прикреплено к этим двум углеродам, остаётся сбоку. Группу CH2=CH- называют винилом, и винилхлорид — это хлорэтен. Отсюда запись: nCH2=CHCl даёт (-CH2-CHCl-)n, поливинилхлорид; nCH2=CH-C6H5 даёт (-CH2-CH(C6H5)-)n, полистирол; nCF2=CF2 даёт (-CF2-CF2-)n, тефлон. Основная цепь всегда состоит из двух углеродов бывшей двойной связи, а метильная группа, хлор, фенил и любой другой заместитель висят на ней. В оргстекле, полиметилметакрилате, действует то же правило, только заместителей у одного из углеродов два.

Название полимера обычно подсказывает мономер: слово «поли» и название исходного вещества, полистирол из стирола, поливинилхлорид из винилхлорида. Исключения составляют тривиальные названия вроде тефлона и капрона, их приходится запоминать вместе с мономером. Звено записывают в круглых скобках, число повторений обозначают буквой n у закрывающей скобки, а чёрточки на концах показывают свободные связи. Запись без скобок и без n описывает всего одно звено. В уравнении n стоит ещё и перед формулой мономера, и забытое там n — одна из самых частых мелких потерь: слева одна молекула, справа цепь, и баланс не сходится.

Обратная задача, найти мономер по полимеру, решается так же в обратную сторону. Берётся повторяющееся звено, из него выбираются два углерода основной цепи, на их месте восстанавливается двойная связь, а всё остальное остаётся на тех же углеродах: из (-CH2-CHCl-)n получается CH2=CHCl. Ошибаются обычно в том, что берут в мономер больше двух углеродов цепи или присоединяют заместитель не к тому атому.

Диены: куда уходят двойные связи

Мономеры с двумя двойными связями ведут себя иначе, и здесь ошибаются чаще, чем с алкенами. Бутадиен-1,3 полимеризуется так: nCH2=CH-CH=CH2 даёт (-CH2-CH=CH-CH2-)n. Присоединение идёт по концам диена (его называют 1,4-присоединением), и в звене двойная связь оказывается посередине, на новом месте. В школьных заданиях ожидается именно такая запись. Ученик, который оставляет двойные связи там, где они были, получает формулу, которая полимером бутадиена не является. Изопрен подчиняется тому же правилу: nCH2=C(CH3)-CH=CH2 даёт (-CH2-C(CH3)=CH-CH2-)n, натуральный каучук; у хлоропрена на месте метильной группы стоит хлор.

В звене каучука двойная связь остаётся, и из этого следуют химические свойства: полибутадиен обесцвечивает бромную воду, а полиэтилен нет. На этом различии построены задания на выбор вещества, которое можно отличить бромной водой. Двойные связи в звене работают и в реакциях присоединения: полиизопрен присоединяет водород, (-CH2-C(CH3)=CH-CH2-)n + nH2 даёт (-CH2-CH(CH3)-CH2-CH2-)n, то есть звено становится насыщенным.

Каучук мягкий, потому что цепи между собой не связаны, и для получения резины его нагревают с серой: атомы серы сшивают цепи в сетку. Это вулканизация, реакция другого типа, полимеризацией её не называют. Бутадиен и стирол иногда полимеризуют вместе, и получается сополимер, в цепи которого звенья обоих мономеров чередуются в произвольном порядке.

Что вообще полимеризуется

Полимеризации подвергаются вещества с кратной связью (алкены, диены, винильные производные) и некоторые циклические соединения вроде капролактама. Предельные углеводороды, бензол, спирты и простые эфиры в школьных реакциях в полимеры не превращаются, и «полимер из этана» в задании означает, что условие составлено с ошибкой или проверяет внимательность. Ученик, увидевший слово «мономер», иногда берёт первое попавшееся вещество, и до записи стоит спросить себя, есть ли в нём двойная связь.

Число n в уравнении означает число молекул мономера, а в расчёте оно заменяется молями: n молей мономера дают n молей звеньев. Для задач важно соотношение один к одному, и сам n остаётся буквой, пока не потребуется степень полимеризации.

Поликонденсация: вода выделяется всегда

Если у мономера нет двойной связи, но есть две функциональные группы, цепь строится иначе: при соединении двух молекул отщепляется вода или другое простое вещество. Это поликонденсация, и по записи её отличить легко: в правой части есть побочный продукт. Четыре примера, на которых это отрабатывается:

• нейлон: nH2N-(CH2)6-NH2 + nHOOC-(CH2)4-COOH дают (-NH-(CH2)6-NH-CO-(CH2)4-CO-)n + 2nH2O;
• капрон из аминокапроновой кислоты: nH2N-(CH2)5-COOH дают (-NH-(CH2)5-CO-)n + nH2O;
• капрон из капролактама: это полимеризация с раскрытием цикла, воды нет, а звено то же самое;
• лавсан: nHOOC-C6H4-COOH + nHOCH2CH2OH дают (-OC-C6H4-CO-OCH2CH2O-)n + 2nH2O.

Число молекул воды равно числу образовавшихся связей. Нейлон строится из двух мономеров, на каждое звено приходится две амидные связи и две молекулы воды, откуда 2n. Капрон из аминокислоты на каждое звено даёт одну связь и одну воду, откуда n. Ученик, который берёт «воду n» везде по образцу аминокислоты, получает неверный коэффициент у нейлона и лавсана. И ещё одно наблюдение: у капрона формула полимера одна, а способов получения два, и по формуле способ не определить, его называют в условии.

Поликонденсацию можно обратить гидролизом: цепь полиамида рвётся по амидным связям, и из капрона получается аминокапроновая кислота, (-NH-(CH2)5-CO-)n + nH2O = nH2N-(CH2)5-COOH. Продукты полимеризации с углеродной цепью, такие как полиэтилен, водой не разрушаются, и это ещё один способ различить две реакции в задании.

Фенолформальдегидные смолы получают так же: nC6H5OH + nCH2O даёт (-C6H3(OH)-CH2-)n + nH2O. Они отличаются от полиэтилена тем, что после отверждения не плавятся, тогда как полиэтилен при нагревании размягчается.

Масса звена, степень полимеризации и природные полимеры

При полимеризации масса сохраняется: из 28 г этилена получается 28 г полиэтилена, если мономер прореагировал полностью. При поликонденсации масса полимера меньше суммы масс мономеров на массу выделившейся воды. Для нейлона на одно звено расходуется по молю адипиновой кислоты (146 г) и гексаметилендиамина (116 г), выделяются два моля воды (36 г), и звено весит 146 + 116 − 36 = 226. Из двух молей каждого мономера, 292 г кислоты и 232 г диамина, получится 452 г полимера и 72 г воды: 292 + 232 − 72 = 452.

Если в условии дан выход, он применяется к массе так же, как в любой другой реакции: из 56 г этилена при полной конверсии получится 56 г полиэтилена, а при выходе 80% 44,8 г. Степень полимеризации находят делением молярной массы полимера на молярную массу звена: полиэтилен с молярной массой 28000 состоит из тысячи звеньев по 28. Полимер состоит из цепей разной длины, поэтому и молярная масса, и степень полимеризации в таких задачах средние. Это важно для понимания, почему значение n не обязано быть «круглым» в реальном веществе, хотя в учебных задачах его берут круглым. У поливинилхлорида звено весит 62,5, и при степени полимеризации 800 молярная масса полимера равна 50000. Расчётные части таких заданий опираются на расчёты по уравнению реакции.

Крахмал и целлюлоза тоже поликонденсаты глюкозы: nC6H12O6 = (C6H10O5)n + nH2O, звено весит 162. Обратная реакция гидролиза: (C6H10O5)n + nH2O = nC6H12O6. Белки получаются так же из аминокислот: nH2N-CH2-COOH даёт (-NH-CH2-CO-)n + nH2O, это полипептид, и о том, как устроены сами аминокислоты, рассказано в статье про азотсодержащие органические вещества. Ещё одна ловушка классификации: ацетатное и вискозное волокна называют искусственными, потому что их делают из целлюлозы, а капрон и лавсан синтетические, потому что их собирают из мономеров.

Конец десятого класса и порядок повторения

Полимеры стоят в десятом классе ближе к концу курса органики, когда учебное время почти вышло. К экзамену тема сохраняется хуже других именно из-за положения в курсе: после неё ничего не строится, и повторять её не за чем. Для тех, кто сдаёт химию в 2027 году, разумно вернуться к ней зимой, когда основная органика уже закрыта и записи звеньев можно сверять с известными вам реакциями присоединения. На экзамене она встречается в задачах на мономер и полимер, на тип реакции и на расчёт. Что именно спрашивают, видно в структуре ЕГЭ по химии и во второй части, а на каком этапе школьного курса стоят полимеры, расписано в порядке изучения химии.

Заучивать структуры полимеров как картинки, на мой взгляд, незачем: хватает двух правил для полимеризации (двойная связь раскрывается, заместители остаются сбоку) и одного для поликонденсации (в правой части есть вода). Названия пластмасс и каучуков лучше запоминать через мономер: тефлон от тетрафторэтилена, оргстекло от метилметакрилата, натуральный каучук от изопрена и капрон от капролактама.

Для начала возьмите полиэтилен и выпишите десять мономеров со своими полимерами: этилен, пропилен, винилхлорид, стирол, тетрафторэтилен, акрилонитрил, бутадиен, изопрен, хлоропрен, метилметакрилат. Для каждого проговаривайте вслух, что осталось в цепи и что сбоку; у акрилонитрила, например, сбоку группа CN, и звено выглядит как (-CH2-CH(CN)-)n. Через несколько дней добавьте диены и проверьте, куда ушли двойные связи. Поликонденсацию оставьте на третий заход: к этому времени запись звена уже не вызывает затруднений, и остаётся разобраться с водой.

Понят ли материал, проще всего проверить вслепую: кто-то называет мономер, вы пишете полимер, потом наоборот, и каждый раз объясняете, где двойная связь и где заместитель. Такую проверку удобно провести на пробном уроке.

Начать поиск:

• репетиторы по химии
• подготовка к ЕГЭ по химии
• химия для 10–11 класса

Вопросы и ответы

Как отличить полимеризацию от поликонденсации по уравнению? В правой части поликонденсации есть побочный продукт, обычно вода, а в полимеризации справа только полимер.

Почему у диенов двойные связи в полимере оказываются в другом месте? Присоединение идёт по крайним атомам углерода диена. Две исходные двойные связи исчезают, а между двумя средними атомами возникает одна новая. Результат одинаков для бутадиена и изопрена, и заместитель, например метильная группа у изопрена, остаётся сбоку у того атома, где был.

Нужно ли знать названия всех пластмасс? Достаточно тех, что есть в программе: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, тефлон, оргстекло, каучуки, капрон, нейлон, лавсан. Выучить их надо вместе с мономерами, потому что в заданиях спрашивают именно связь мономера и полимера, и название без мономера мало что даёт.

Как не забыть n перед мономером? Записывайте уравнение в два приёма: сначала полимер со скобками и n, потом проставляйте n слева. Обведите его кружком, чтобы при проверке сразу видеть, что оно есть с обеих сторон.