Химия · Органическая химия · 10 класс

Полимеры, каучук, волокна

Как устроены полиэтиленовый пакет, шина и хлопковое волокно и куда они идут?

Ситуация

В сумке, принесённой с рынка, лежат полиэтиленовый пакет, кусок ПВХ-трубы, полистироловый стаканчик и платок из хлопка. Во дворе стоит старая автомобильная шина. Всё это полимеры: огромные молекулы, образованные соединением тысяч маленьких молекул (мономеров) в цепь. Почему пакет при нагревании размягчается, а шина не плавится? Почему при горении хлопка пахнет жжёной бумагой, а при горении шерсти — палёными волосами? Куда девается использованный пластик и бумага и что из них можно получить снова?

Тема

Полимеры, каучук и волокна; переработка отходов. Полиэтиленовый пакет, ПВХ-труба, автомобильная шина и хлопковое волокно: как образуются полимеры и куда они потом попадают

Ключевые понятия

Степень полимеризации n
Вулканизация
Волокно и переработка

Формулы

M = n \cdot M_{мономера}

Средняя молярная масса полимера: $n$ — степень полимеризации (число звеньев в цепи).

n CH_{2} = CH_{2} \overset{\overset{}{t, p, к а т \cdot}}{\to} (- CH_{2} - CH_{2} -)_{n}

Полимеризация: двойные связи раскрываются, и мономеры соединяются в цепь.

n CH_{2} = C (CH_{3}) - CH = CH_{2} \overset{}{\to} (- CH_{2} - C (CH_{3}) = CH - CH_{2} -)_{n}

Натуральный каучук — цис-1,4-полиизопрен; при вулканизации серой получается резина.

n H_{2} N - (CH_{2})_{5} - COOH \overset{}{\to} [- NH - (CH_{2})_{5} - CO^{-}]_{n} + n H_{2} O

Поликонденсация (капрон): при росте цепи выделяется вода.

C_{6} H_{12} O_{6} \overset{\overset{}{б а к т е р и и}}{\to} 3 CH_{4} + 3 CO_{2}

Биогаз из органических отходов: бактерии без доступа воздуха образуют метан.

Теория

Полимер, мономер, степень полимеризации

Полимер — высокомолекулярное соединение, построенное из многократно повторяющихся одинаковых фрагментов (элементарных звеньев); образующая его маленькая молекула — мономер. Число звеньев в цепи $n$ — степень полимеризации, $M = n \cdot M_{мономера}$ . В одном образце цепи имеют разную длину, поэтому $n$ и $M$ — средние значения. Полимеризация — соединение в цепь ненасыщенных мономеров с раскрытием двойной связи (этилен → полиэтилен, пропилен → полипропилен, винилхлорид → ПВХ, стирол → полистирол); поликонденсация — при росте цепи выделяется маленькая молекула, например воды (капрон, лавсан, фенолформальдегидные смолы). По происхождению полимеры бывают природные (крахмал, целлюлоза, белки, натуральный каучук), искусственные (химически изменённые природные полимеры: вискоза, ацетат) и синтетические; по строению — линейные, разветвлённые и сетчатые (сшитые). Линейные и разветвлённые полимеры при нагревании размягчаются и могут быть переформованы (термопласты: ПЭ, ПП, ПВХ, ПС), а сетчатые не плавятся (резина, эбонит, фенопласты).

Каучук и резина (2.12)

Натуральный каучук получают из сока бразильской гевеи (латекса); это цис-1,4-полиизопрен ${(- CH_{2} - C (CH_{3}) = CH - CH_{2}^{-})}_{n}$ : цепи свёрнуты в клубки, при растяжении выпрямляются. Сырой каучук в тепле липкий, на холоде хрупкий, при растяжении цепи скользят друг по другу, и форма не восстанавливается. В 1839 году Ч. Гудьир, нагрев каучук с серой, открыл способ вулканизации (патент — 1844): за счёт двойных связей между цепями образуются серные «мостики» — сетчатая структура. Несколько процентов серы дают эластичную резину (шины, резиновые изделия), 25–50 % — твёрдый эбонит. Синтетические каучуки: по способу С. В. Лебедева — бутадиеновый каучук (1932), изопреновый, бутадиен-стирольные каучуки. В шинную резину для прочности добавляют сажу (технический углерод). Транс-1,4-полиизопрен — гуттаперча: он не эластичен.

Природные и искусственные волокна (3.22)

Природные волокна: растительные — хлопок, лён (в основном целлюлоза; около 90–96 % сухого хлопкового волокна), животные — шерсть и натуральный шёлк (белки). Химические волокна: искусственные — из переработанного природного полимера: вискоза (целлюлозу растворяют и осаждают заново), ацетат (ацетат целлюлозы); синтетические — из синтетических полимеров: капрон (полиамид, нейлон-6), лавсан (полиэфир — полиэтилентерефталат, ПЭТ; из него делают и бутылки для напитков), нитрон. Синтетические волокна прочны, не гниют, их не ест моль, но они плохо пропускают воздух и влагу. Узбекистан — крупный производитель хлопка; из хлопкового волокна получают нити и ткани, а из хлопковой целлюлозы — искусственные волокна и порох.

Определение волокон по горению (практическая работа)

Несколько волокон из образца берём щипцами, вносим в пламя спиртовки и наблюдаем. Хлопок, вискоза: горят быстро, горят и вне пламени, запах жжёной бумаги, мягкий серый пепел. Шерсть, шёлк: горят медленно, потрескивают, вне пламени гаснут, запах палёных волос (пера), чёрный хрупкий шарик — растирается пальцами (белок). Ацетат: плавится и горит, запах уксуса, твёрдый коричневый шарик. Капрон: сначала плавится, капает, остаётся твёрдый блестящий шарик. Лавсан: плавится, горит коптящим пламенем, твёрдый чёрный шарик. Безопасность: опыт проводите в вытяжном шкафу или в проветриваемом месте, с небольшим количеством образца, удерживая его щипцами; капли расплавленного синтетического волокна прилипают к коже и обжигают — подложите под образец керамическую плитку; запах определяйте, направляя его к себе движением руки.

Органические отходы и переработка (4.2–4.3)

Пластики разлагаются в природе очень медленно — десятки и сотни лет. Поэтому их сортируют: цифра в треугольнике на изделии (1 — PET, 2 — PE-HD, 3 — PVC, 4 — PE-LD, 5 — PP, 6 — PS, 7 — прочие) обозначает тип полимера. Механическая переработка: промывают, измельчают, расплавляют и гранулируют (легче всего перерабатываются PET, PE, PP). Химическая переработка: пиролиз или деполимеризация — снова получают мономер или топливо. При сжигании ПВХ выделяется $HCl$ , поэтому его нельзя сжигать обычным способом. Бумага (практическая работа 4.3): макулатуру замачивают в воде, превращают в кашицу, волокна вылавливают сетчатой рамкой, отжимают и сушат; при каждой переработке волокна немного укорачиваются — бумагу на практике можно перерабатывать примерно 5–7 раз, затем добавляют новое волокно. Пищевые и растительные остатки превращают в компост или сбраживают без доступа воздуха, получая биогаз (в основном метан).

Границы модели

Молекулы показаны с реальными длинами связей и углами (1 Å ≈ 4 см); в настоящей цепи звеньев тысячи, здесь — три. Распределение длин цепей принято по Флори (при радикальной полимеризации, когда цепь обрывается диспропорционированием). Каучуковая сетка схематична: цепи в модели бусин, при растяжении объём сохраняется, напряжение $σ = G (λ - 1 / λ^{2})$ , зависимость $G$ от доли серы и точки разрыва — приближённые. Горение волокон показано по наблюдениям из учебников. Уменьшение длины волокна при каждой переработке (12 %) — схематическое значение.

Знаете ли вы?

Говорят, что Чарльз Гудьир в 1839 году случайно уронил смесь каучука и серы на горячую печь и так открыл вулканизацию; в 1844 году он получил на этот способ патент США. Название «вулканизация» происходит от имени древнеримского бога огня Вулкана.
Хлопковое волокно — почти чистая целлюлоза: около 90–96 % сухого волокна составляет целлюлоза. Молекула целлюлозы — линейная цепь из тысяч остатков β-глюкозы.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Химия в нашем теле — 7 класс
Органическая химия: строение — 10 класс
Изомеры и номенклатура — 10 класс
Алканы и циклоалканы — 10 класс
Алкены и алкадиены — 10 класс
Алкины, бензол и стирол — 10 класс
Природный газ, нефть и каменный уголь — 10 класс
Спирты и простые эфиры — 10 класс
Фенол, альдегиды и кетоны — 10 класс
Кислоты, эфиры и мыло — 10 класс