Читать онлайн
учебники на ANSEVIK.RU

>>> Перейти на полную версию сайта >>>

Учебник для 11 класса

Естествознание

       

§ 12. Полимеры

  1. Перечислите предметы из различных полимерных материалов, окружающие вас в квартире, в школе, на транспорте.
  2. Расскажите, что вам известно об истории шёлка и Великом шёлковом пути.
  3. Докажите, что XXI век — это век полимеров.

Структура и классификация полимеров. В сознании любого человека понятие «полимеры» ассоциируется с чем-то необыкновенно большим, крупным. В действительности, это так и есть.

Полимерами называют вещества, молекулы которых состоят из множества повторяющихся структурных звеньев, соединённых между собой химическими связями.

Эти повторяющиеся структурные фрагменты в макромолекуле полимера называют элементарным звеном и в химической формуле записывают в круглых скобках. Число элементарных звеньев называют степенью полимеризации. Поскольку степень полимеризации для каждой конкретной молекулы полимера может варьироваться в значительных пределах, её обозначают не числом, а подстрочным индексом n в формуле вещества. Например, химическую формулу одного из самых распространённых полимеров — полиэтилена записывают так: (—CH2—CH2—)n, где (—CH2—CH2—) — элементарное звено, n — степень полимеризации.

Вещество, из которого образуется полимер, называется мономером. По природе мономера различают неорганические и органические полимеры.

Превращение мономера в полимер может осуществляться в ходе реакции полимеризации (в этом случае помимо полимера в результате реакции не образуется никаких других веществ) или реакции поликонденсации (в таких реакциях кроме полимера образуются также низкомолекулярные побочные продукты, например вода).

Приведём пример реакции полимеризации для получения полиэтилена:

nCH2=CH2 —> (- CH2- CH2-)n.

Примером реакции поликонденсации служит превращение углеводов — глюкозы в крахмал:

nC6H12O6 —> (C6H10O5)n + nH2O.

По происхождению различают природные полимеры, или биополимеры (они создаются самой природой, без участия человека), искусственные (это химически модифицированные природные полимеры) и синтетические полимеры (те, которые получают химическим путём).

Буквально на каждом шагу в повседневной жизни мы сталкиваемся с веществами полимерного строения. Это строительные, отделочные, упаковочные, изоляционные материалы; детали машин и механизмов; одежда, ткани и обувь; декоративные, антикоррозионные и специальные покрытия; резинотехнические изделия, эластомеры и многое другое. При этом сама жизнь немыслима без природных высокомолекулярных веществ — биополимеров, к числу которых относятся белки, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), полисахариды (крахмал, целлюлоза, гликоген, хитин и др.).

Кратко охарактеризуем наиболее важные группы известных вам полимеров — пластмассы и волокна.

Пластмассы. К первой группе полимерных материалов относятся пластмассы.

Пластмассы — это полимерные материалы, способные при нагревании приобретать заданную форму и сохранять её после охлаждения.

Как правило, пластмасса представляет собой смесь нескольких веществ, а полимер — это лишь одно из них, но самое важное. Именно он связывает все компоненты пластмассы в единое, более или менее однородное целое. Поэтому полимер в составе пластмассы называют связующим.

Понятно, что превращать в готовые изделия удобно те пластмассы, которые обратимо твердеют и размягчаются. Такие пластмассы называют термопластами или термопластичными полимерами. К ним относятся полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиамиды. Если же в процессе формования изделия происходит сшивка макромолекул и полимер, твердея, приобретает пространственную структуру, то подобные пластмассы называют реактопластами или термореактивными полимерами, — это фенолоформальдегидные, карбамидные и полиэфирные смолы. Обратно в вязкотекучее состояние такой полимер вернуть нельзя.

Кроме связующего полимера в состав пластмасс часто вводят разные добавки — наполнители, красители, а также вещества, повышающие механические свойства, термостойкость и устойчивость к старению. Наполнители не только значительно удешевляют пластмассы, но и придают им многие специфические свойства. Так, пластмассы с наполнителем в виде алмазной и карборундовой пыли — это абразивы, т. е. шлифовальный материал. Широкому применению пластмасс способствует их низкая стоимость, лёгкость переработки. По свойствам пластмассы часто не уступают металлам и сплавам, а иногда даже превосходят их.

Рис. 47. Примерное соотношение объёмов применения пластмасс в различных областях народного хозяйства

Основные потребители пластмасс — это строительная индустрия, машиностроение, электротехника, транспорт, производство упаковочных материалов, товаров народного потребления (рис. 47). Именно поэтому многими исследователями ХХ век был назван «пластмассовым» веком.

Понятие «полимеры» часто воспринимается как категория химическая, как нечто придуманное и синтезированное химиками-изо-бретателями. Однако многие полимеры встречаются в природе, и не в форме брошенных человеком и загрязняющих её отработанных изделий, а в виде натуральных веществ, синтезированных растительными и животными организмами. Так, растущее в Малой Азии дерево ликви-дамбар выделяет пахучую смолу, называемую стираксом, которую ещё 3000 лет назад древние египтяне использовали при бальзамировании умерших. Стиракс, так же как и «драконова кровь», выделяемая малайской пальмой ротангом, представляет собой не что иное, как полистирол. Жужелица чёрная (Abax ater) в случае опасности выстреливает жидкостью, состоящей в основном из мономерного метилме-такрилата, который, полимеризуясь на теле врага, делает его неподвижным.

Основные пластмассы и области их применения приведены в таблице 6.

Таблица 6
Пластмассы и их применение


Волокна. Ко второй группе полимерных материалов относятся волокна.

Волокна — это полимеры линейного строения, которые пригодны для изготовления текстильных материалов (нитей, жгутов, тканей).

Как и все полимеры, волокна бывают природные (натуральные) и химические.

Природные волокна по происхождению бывают растительные, животные и минеральные.

Волокна растительного происхождения (рис. 48) делят на волокна, формирующиеся на поверхности семян (хлопок); волокна стеблей растений — лубяные волокна (лён, джут, пенька); волокна оболочек плодов (копра орехов кокосовой пальмы).

Рис. 48. Волокна рас тительного происхождения: а — хлопок; б — лён; в — копра орехов кокосовой пальмы

Наиболее важное волокно растительного происхождения — хлопковое. Оно обладает хорошими механическими свойствами, износоустойчивостью, термостабильностью, умеренной гигроскопичностью, применяется в производстве различных тканей и трикотажа, ниток, ваты. Лён используется для изготовления бельевых, платьевых и декоративных тканей, лубяные волокна — в производстве тканей, из которых делают тару (мешки), канаты, верёвки.

К волокнам животного происхождения (рис. 49) относят шерсть и шёлк. При горении таких волокон можно почувствовать запах жжёного рога.

Рис. 49. Волокна животного происхождения: а — шёлк; б — шерсть

Натуральная шерсть характеризуется невысокой прочностью, большой эластичностью. Она идёт на изготовление тканей бытового и технического назначения, трикотажа, валяльно-войлочных изделий.

Натуральный шёлк вырабатывают многочисленные гусеницы и пауки. Самое известное насекомое, играющее важную экономическую роль в производстве шёлка, — это гусеница тутового шелкопряда.

Китайцам шёлк был известен более чем за 2500 лет до н. э. Секрет его изготовления охранялся государством, пока в 550 г., по легенде, два персидских монаха не вывезли контрабандой из Китая яйца шелковичных червей для разведения, спрятав их в полые бамбуковые трости. Они привезли их в Константинополь византийскому императору Юстиниану I.

Натуральный шёлк — это очень дорогое волокно. Например, в Японии шёлковое кимоно стоит около 30 000 долларов.

Раньше шёлк окрашивали натуральными красителями, например кошенилью, в различные цвета — пурпурные, алые, лиловые и т. д. Такой шёлк использовали для одежды царствующих особ, священнослужителей (рис. 50) и т. п.

Рис. 50. А. Ван Дейк. Портрет кардинала Гвидо Бентивольо. 1623

Единицей измерения шёлка является мумми — это единица массы (3,75 г), соотнесённая с квадратным метром ткани фабричного производства. Квадратный метр большинства сортов шёлка весит 16—22 мумми, однако некоторые китайские сорта весят только 4—8 мумми.

К природным волокнам минерального происхождения относятся асбесты, из которых получают технические волокна. После переработки этих волокон в пряжу из неё делают огнезащитные и химически стойкие ткани, фильтры, трубы, шифер и т. п.

Ещё асбестовое волокно используют в производстве композитов и картонов. Интересно, что в России асбест был известен давно под названием «горный лён». Из него на фабриках хозяина «Каменного пояса» (так нередко называли Уральские горы) промышленника Демидова делали несгораемое бельё, которое тот в качестве экзотических презентов дарил знатным людям, в том числе и императрице Екатерине Великой.

Химические волокна получают из растворов или расплавов волокнообразующих полимеров. Их делят на искусственные (вискозное, ацетатное и др.) и синтетические (капрон, лавсан, энант, нейлон). Искусственные волокна производят из природных полимеров или продуктов их переработки, главным образом из целлюлозы и её эфиров, а синтетические — из синтетических полимеров.

Неорганические полимеры. Рассмотрим ещё одну группу полимеров, которую обычно редко связывают с этим понятием. Это неорганические полимеры — вещества с атомной кристаллической решёткой.

Неорганический полимер — серу пластическую — нетрудно получить из кристаллической серы, выливая её расплав в холодную воду. В результате получается резиноподобное вещество, строение которого можно отобразить так:

Элементарным звеном в этом полимере являются атомы серы.

Другие неорганические полимеры, имеющие атомную структуру, — это все аллотропные видоизменения углерода (в том числе алмаз и графит), селен и теллур цепочечного строения, красный фосфор, кристаллический кремний. Последний обладает полупроводниковыми свойствами и используется для изготовления солнечных батарей (рис. 51).

Рис. 51. Солнечная батарея, изготовленная с применением кристаллического кремния

Мы привели примеры простых веществ, имеющих полимерную атомную структуру. Ещё более разнообразна группа неорганических полимеров — сложных веществ. Это, например, оксид кремния (IV):

Разновидностями этого полимера, который образует основную массу литосферы, являются кварц, кремнезём, горный хрусталь, агат (рис. 52).

Рис. 52. Агат

Не менее распространён и такой важный для литосферы полимер, как оксид алюминия. Чаще всего оба эти полимера образуют минералы, имеющие общее название алюмосиликаты. К ним относятся, например, белая глина (каолин), полевые шпаты, слюда.

Почти все минералы и горные породы представляют собой природные полимеры.

Следующий параграф будет посвящён смесям — твёрдым, жидким, газообразным, их классификации, составу, методам очищения основного вещества от примесей.

Теперь вы знаете

  • структуру и классификацию полимеров
  • что такое пластмассы
  • что такое волокна
  • что такое неорганические полимеры

Теперь вы можете

  • объяснить, чем отличаются реакции полимеризации и поликонденсации, и проиллюстрировать эти реакции примерами
  • назвать добавки, которые часто вводят в состав пластмасс, что придаёт пластмассам многие полезные свойства
  • перечислить известные вам природные неорганические полимеры и их разновидности, которые образуют основную массу литосферы Земли
  • сформулировать, что такое полимер, мономер, пластмасса, волокна

Выполните задания

  1. Перечислите биополимеры, которые вы знаете, охарактеризуйте их биологическую роль.
  2. Дайте определение понятия «пластмассы». Приведите их классификацию, назовите представителей пластмасс, области их применения.
  3. Дайте определение понятия «волокна». Приведите классификацию волокон, подкрепите свой ответ примерами волокон разных групп и назовите области их применения.
  4. Объясните, что объединяет неорганические полимеры. Какую роль они играют в природе и технике?

Темы для рефератов

  1. Синтетические материалы и их роль в современной технике.
  2. Полимеры — природные минералы.
  3. Полупроводники, их классификация и использование в электронной технике.
  4. История шёлка, шёлковое искусство.
  5. Русский лён: от Древней Руси до наших дней.

Рейтинг@Mail.ru