mozok.click

Reakcja polimeryzacji

Jak pamiętacie z poprzedniego paragrafu, eten - to nienasycony węglowodór. Dzięki temu atomy węgla w jego molekułach mogą przyłączyć inne atomy. Jedną z reakcji chemicznych, w której ta właściwość etenu jest realizowana, jest reakcja polimeryzacji (z grec. polymeres - ten, który składa się z wielu części).

W wyniku działania pewnych substancji (inicjatorów) wiązanie podwójne w molekule etenu może pęknąć, a atomy węgla mogą przyłączyć inne atomy, mianowicie atomy węgla innej molekuły etenu:

Cząsteczka, która powstała, również jest zdolna do przyłączenia molekuły etenu:

I tak może trwać, dopóki w pewnych okolicznościach, przyłączanie się zatrzyma. W wyniku reakcji powstają bardzo duże molekuły, w których jednakowy fragment powtarza się wielokrotnie:

Umownie równanie reakcji polimeryzacji zapisujemy w następujący sposób:

Sens reakcji polimeryzacji polega na połączeniu dużej liczby molekuł nienasyconych węglowodorów - monomerów - jednego z jednym (rys. 28.1). Produkty reakcji polimeryzacji nazywamy polimerami, w ich molekułach wielokrotnie powtarza się fragment molekuły monomeru.

Polimeryzacja - proces łączenia wielu molekuł substancji o małej masie cząsteczkowej (monomeru) w molekułę polimeru.

Fragment w molekule polimeru, który się powtarza, nazywa się ogniwem podstawowym, liczba n - stopień polimeryzacji:

Stopień polimeryzacji pokazuje liczbę molekuł monomeru, które połączyły się w jedną molekułę polimeru. Może on być od tysiąca do setek tysięcy. Ze względu na to, że molekuły polimerów składają się z dużej liczby fragmentów, mają one bardzo duże masy molekularne. Właśnie dlatego inna nazwa polimerów - substancje makromolekularne.

We wzorach polimerów nie podano, czym kończy się łańcuch węglowy. Na końcach molekuły polimeru znajdują się fragmenty molekuł rozpuszczalnika albo inicjatora polimeryzacji. Te atomy prawie nie wpływają na właściwości polimeru.

Nazwy polimerów pochodzą od nazwy monomerów. W naszym przypadku do reakcji polimeryzacji przystąpił etylen (eten), dlatego produkt reakcji nazywamy polietylenem:

Należy pamiętać, że etylen i polietylen mają jednakowy skład jakościowy oraz ilościowy: obydwa składają się z atomów węgla i wodoru, a w obydwu substancjach na jeden atom węgla przypada dwa atomy wodoru. Ważną różnicą między nimi jest to, że w molekule etenu wiązanie

jest podwójne - to nienasycony węglowodór, a w polietylenie wszystkie wiązania są pojedyncze. Faktycznie polietylen - to alkan o dużej masie molekularnej, dlatego chemicznie jest on dość obojętny. Polietylen nie oddziaływuje ani z kwasami, ani z zasadami, jest odporny na działanie utleniaczy. Właśnie dzięki odporności chemicznej polietylenu można wytłumaczyć jego powszechne zastosowanie.

Ogniwo podstawowe polietylenu -CH₂-CH₂- składa się z dwóch identycznych grup atomów -CH2-. Więc dlaczego formuły polietylenu nie zapisuje się w postaci uproszczonej [—CH₂—]? Nie robi się tego, ponieważ wzór polimeru musi odzwiecie-dlać jego związek z substancją początkową - monomerem, w tym przypadku -etylenem CH₂=CH₂.

Większość polimerów (z wyjątkiem biopolimerów) różni się od substancji o małej masie molekularnej tym, że nie mają określonej masy molekularnej. W każdym przykładzie polietylenu wszystkie molekuły mają różne długości i masę, dlatego kiedy mówimy o polimerach używamy pojęcia średnia masa cząsteczkowa.

Właściwości fizyczne i zastosowanie polietylenu

Najbardziej rozpowszechnionym z polimerów jest polietylen. Jest to nieprzeźroczysta substancja, która słabo przewodzi ciepło i prąd, tłusta w dotyku oraz przypomina parafinę. Czasami potocznie błędnie nazywana jest celofan (celofan - to zupełnie inny materiał, który produkuje się z celulozy, wygląda jak folia polietylenowa).

W praktyce zwykle nie stosuje się czystych polimerów. Na ich podstawie produkuje się różnorode materiały, które nazywaje się tworzywa sztuczne lub plastiki. Do ich wytwarzania do polimerów dodaje się różne substancje: stabilizatory, plastyfikatory, barwniki, pianki itp. Ze względnie małej liczby polimerów produkuje się ogromną ilość różnych tworzyw sztucznych.

Większość polimerów ma również wady - niestabilność termiczną, ła-twopalność i delikatność, ale dzięki osiągnięciom nauki ostatnio wymyślono wiele nowych materiałów polimerowych. Może wkrótce tworzywa sztuczne staną się jedynym materiałem, z którego ludzkość będzie korzystać, zachowując przy tym materiały naturalne.

W przemyśle polietylen produkuje się w postaci granulek, które następnie poddaje się obróbce termicznej (rys. 28.2).

Masa cząsteczkowa polietylenu waha się od 30 tys. do 3 min w zależności od ciśnienia, w jakim ma miejsce reakcja polimeryzacji (tab. 11).

Tabela 11 Porównanie różnych rodzajów polietylenu

Cecha do porównania	Polietylen o niskiej gęstości LDPE (uzyskany pod ciśnieniem ok. 2000 atmosfer)	Polietylen o wysokiej gęstości HDPE (uzyskany pod ciśnieniem ok. 40 atmosfer)
Masa cząsteczkowa	Niska	Wysoka
Temperatura zmiękczania	Powyżej 100 °C	Powyżej 120 °C
Temperatura topnienia	Powyżej 120 °C	Powyżej 125 °C
Gęstość
Charakte rystyka	Dość giętki, miękki, reklamówki wyprodukowane z niego nie szeleszczą, błyszczą się, są podobne do wosku	Bardziej sztywny, mocniejszy, bardziej odporny na wysokie temperatury i działanie chemikaliów, posiada lepsze właściwości mechaniczne
Zastosowanie	Materiały opakowaniowe: folia owijająca, pojemniki, reklamówki wytrzymujące obciążenie do 4 kg	Rury o dużej średnicy, kanistry, pojemniki na rozpuszczalniki, reklamówki wytrzymujące obciążenie do 20 kg

W 1882 roku amerykański chemik Charles Mackintosh podczas eksperymentów z naturalnym kauczukiem przypadkowo wylał na swoje ubranie roztwór kauczuku w benzynie. Po jakimś czasie zauważył, że rozpryski wody spływają po ubraniu, a nie przesiąkają go. Ubiór stał się wodoodporny. Rok później Mackintosh rozpoczął produkcję płaszczy przeciwdeszczowych, które nazywano jego imieniem - „Mackintosh".

Myśl główna

Polietylen - syntetyczny związek organiczny, który nie występuje w przyrodzie. Jest on podstawą wielu cennych materiałów, które zastąpiły materiały

naturalne.

Pytania kontrolne

321. Jakie substancje nazywamy polimerami? Jakie są ich cechy wyróżniające je od innych materiałów?

322. Co jest wspólnego między monomerem a podstawowym ogniwem polimeru? Czym one się różnią?

323. Podajcie definicję pojęć „reakcja polimeryzacji", „monomer", „polimer", „stopień polimeryzacji" i „ogniwo podstawowe".

324. Opiszcie właściwości fizyczne polietylenu.

325. Wymieńcie zakres stosowania polietylenu.

326. Wytłumaczcie, dlaczego właściwości chemiczne polietylenu różnią się od właściwości etylenu.

Zadania utrwalające wiedzę

327. Określcie cechy wspólne oraz różnice między: a) alkanami a polietylenem; b) etenem a polietylenem.

328. Z §2 przypomnijcie sobie cechy szczególne właściwości fizycznych substancji amorficznych i krystalicznych. Na podstawie właściwości fizycznych polietylenu wyciągnijcie wniosek, do jakich substancji on należy: krystalicznych lub amorficznych.

329. Wymieńcie zakres stosowania polietylenu. Uzasadnijcie, dzięki jakim właściwościom fizycznym polietylen jest używany właśnie w taki sposób i czy jest uzasadnione zastąpienie materiałów naturalnych polietylenem.

330. Średnia względna masa cząsteczkowa polietylenu uzyskanego w niskim ciśnieniu wynosi 280 tys. Ile molekuł etylenu zużywa się średnio na stworzenie jednej molekuły polimeru?

331. Obliczcie i porównajcie udział masy węgla i wodoru: a) w etenie; b) w polietylenie składającym się z [-CH₂-CH₂-]₁₀₀₀.

332*. W dodatkowych źródłach znajdźcie informację na temat pozyskiwania, właściwości chemicznych i fizycznych oraz zastosowania tworzyw sztucznych.

333*. Jak uważacie, czy ludzkość może całkowicie porzucić stosowanie materiałów naturalnych na rzecz tworzyw sztucznych? Objaśnijcie „za" i „przeciwko" takiej zamiany.

Źródło: Chemia podręcznik dla klasy 9 Hryhorowycz