Полимеры: строение, свойства и применение

Полимеры содержат макромолекулы — очень большие молекулы. Строение цепей, связи между ними и добавки влияют на свойства пластика, резины и волокон. Разберём получение и применение этих материалов, смысл маркировки и правила сортировки отходов.

Что называют полимером

Молекулы некоторых веществ состоят из очень большого числа связанных атомов. Такие молекулы называют макромолекулами. Полимер — вещество, в макромолекулах которого многократно повторяются структурные звенья. В одном образце молекулы обычно различаются длиной. Поэтому изображение одной короткой цепочки объясняет принцип, но не передаёт весь материал.

Мономер — небольшая молекула, способная участвовать в образовании полимера. Звено в готовой цепи и исходный мономер связаны по составу, но их связи могут отличаться. Не любой набор одинаковых маленьких молекул становится полимером: между звеньями должны появиться химические связи.

Цепи могут быть линейными, разветвлёнными или связанными в пространственную сетку. Строение цепи, состав звеньев, длина и расположение макромолекул влияют на свойства. Нельзя объяснить все различия между пакетом, резиной и тканью только словами «молекула большая».

Как образуется полиэтилен

Этилен, или этен, имеет формулу CH₂=CH₂. При его полимеризации двойная связь изменяется, а исходные молекулы соединяются в цепь с повторяющимся звеном —CH₂—CH₂—. Продукт называют полиэтиленом. В этой реакции атомы исходных молекул входят в полимерную цепь.

Упрощённая запись: n CH₂=CH₂ → [—CH₂—CH₂—]ₙ. Буква n обозначает число повторяющихся звеньев. Концевые группы опущены. Для подсчёта атомов именно в повторяющейся части цепи получаем 2n атомов углерода и 4n атомов водорода.

Например, в восьми звеньях C₂H₄ содержится 16 атомов C и 32 атома H. Это расчёт состава показанного фрагмента, а не утверждение, что молекула реального полиэтилена имеет всего восемь звеньев. Не переносите правило 2n и 4n на другой полимер без проверки формулы его звена.

Приставка «поли-» встречается в названиях многих полимеров. Полистирол получают из стирола, полипропилен — из пропилена. Однако название не всегда сразу раскрывает строение: для этого нужны формула и сведения о получении.

Природные и синтетические полимеры

Полимеры существовали задолго до производства пластиков. Целлюлоза входит в состав клеточных стенок растений; её много в хлопке и льне. Крахмал служит запасным веществом растений. Белки построены из связанных остатков аминокислот. Природный каучук получают из латекса некоторых растений.

Крахмал и целлюлоза построены из связанных остатков глюкозы, но характер связей и организация цепей различаются. Отсюда различия в свойствах. Глюкоза сама по себе — небольшая молекула; раствор отдельных молекул глюкозы не становится полимером только потому, что этих молекул много.

Синтетические полимеры получают химическими реакциями. Часто используют сырьё из нефти и природного газа, но возможны и другие источники. Природное происхождение не означает автоматически безопасность или быстрое разложение; синтетическое не означает автоматически низкое качество.

Полимер, пластик и изделие

Полимер — химическая основа. Пластик — материал, содержащий полимер и, нередко, добавки. Контейнер, плёнка или деталь — изделие из материала. Эти три уровня полезно различать: химический состав основы не описывает полностью готовую вещь.

Красители меняют цвет. Наполнители в подходящей рецептуре могут изменять жёсткость и другие свойства. Совместимый пластификатор может повысить гибкость. Стабилизаторы помогают материалу выдерживать определённые воздействия. Результат зависит от сочетания веществ, их долей и технологии; нельзя считать, что любая добавка одинаково действует на любой полимер.

Многие распространённые пластики лёгкие, не растворяются в воде и плохо проводят электрический ток. Эти свойства удобны для упаковки и изоляции. Но утверждение «все полимеры водонерастворимы» неверно. Свойства нужно связывать с конкретным материалом и условиями использования.

Одни полимерные материалы размягчаются при нагревании и допускают повторное формование — это термопласты. У материалов с достаточно развитой сеткой связей нагрев не вызывает обычного обратимого плавления. Сильный нагрев может привести к разрушению. Поэтому неизвестный пластик нельзя определять домашним поджиганием.

Несколько распространённых полимеров

Полиэтилен используют для плёнок, пакетов и разных видов упаковки. Маркировки HDPE и LDPE обозначают разновидности полиэтилена с разной плотностью и особенностями структуры. Полипропилен встречается в жёстких контейнерах и волокнах. Полистирол используют как плотный или вспененный материал.

Полиэтилентерефталат, или ПЭТ/PET, применяют для некоторых бутылок и полиэстеровых волокон. Поликарбонат используют там, где требуется определённое сочетание прозрачности и механических свойств. Политетрафторэтилен, или PTFE, известен низким трением и химической стойкостью. Название полимера не заменяет указания изготовителя о назначении изделия.

В материале могут сочетаться полимер и армирующие волокна. Например, углеродные или стеклянные волокна вводят в полимерную основу. Получается композит: компоненты выполняют разные роли. Стекловолокно не становится органическим полимером из-за соседства с полимерной матрицей.

Каучук, вулканизация и эластичность

Эластичность — способность восстанавливать форму после снятия нагрузки в определённых пределах. У эластомеров гибкие участки цепей меняют форму при растяжении. Поперечные связи помогают сохранять целостность сетки и возвращаться к исходному состоянию. Это не бесконечная растяжимость: чрезмерная нагрузка вызывает повреждение.

Каучук бывает природным и синтетическим. При вулканизации некоторых каучуков сера участвует в образовании поперечных связей. Свойства материала изменяются. В русском языке материал после такой обработки обычно называют резиной. Не все эластомеры получают с помощью серы.

Более частая сетка ограничивает изменение формы. Сильно сшитый твёрдый материал на основе каучука называют эбонитом. В интерактивной схеме сравниваются тенденции при одинаковой условной нагрузке. Показанное увеличение длины не является измерением реальной резины или универсальным законом.

Как получают волокна

Один из способов получения синтетического волокна — формование из расплава. Подготовленный расплав проходит через мелкие отверстия фильеры. Возникают тонкие струйки, которые охлаждают и вытягивают. Волокна затем собирают в нить. Некоторые другие волокна получают из растворов, поэтому схема расплава подходит не для всех материалов.

Вытягивание может ориентировать цепи вдоль волокна. Это влияет на его свойства, но нельзя объявлять любое синтетическое волокно прочнее любого природного. Важны состав, толщина, обработка, влажность и способ испытания. Для ткани также важны структура нитей и переплетение.

Хлопок — природное волокно, главным полимером которого служит целлюлоза. Полиэстер — синтетическое волокно. Вискозное волокно получают промышленной переработкой природной целлюлозы; его относят к искусственным, а не синтетическим. Поэтому «получено на заводе» и «синтетический полимер» — разные признаки.

Что сообщает маркировка 1–7

Коды материала помогают различать группы пластмасс: 1 — PET; 2 — HDPE; 3 — PVC; 4 — LDPE; 5 — PP; 6 — PS; 7 — прочие материалы и некоторые сочетания. Категория 7 не обозначает один конкретный полимер. Дополнительная буквенная маркировка и сведения изготовителя могут уточнять состав.

Код не гарантирует, что предмет принимают в местный сбор, и не устанавливает его пригодность для еды, нагревания или повторного использования. Для этих вопросов нужны отдельные сведения. Возможность переработки зависит также от формы изделия, загрязнения, сочетания материалов и доступной технологии. EPA: правила обращения с распространёнными отходами.

Пример: пункт принимает чистые бутылки PET, но не принимает текстиль. Полиэстеровая футболка может содержать PET, однако в контейнер для этих бутылок её класть нельзя. Сначала читают правила пункта, затем сопоставляют с ними материал и вид предмета.

Использование и отходы

Полимерные материалы помогают получать лёгкие вещи, защищать продукты и изолировать провода. Одновременно долговечность некоторых материалов создаёт проблему отходов. В природе изделие может дробиться на всё более мелкие фрагменты; это не то же самое, что полное химическое разложение вещества.

Источник сырья и способность разлагаться — разные свойства. Материал из растительного сырья может быть долговечным. Компостируемые материалы требуют определённых условий, которые не обязательно существуют на обочине, в море или в домашнем компосте. EPA: материалы и пластиковое загрязнение.

Сначала полезно избегать ненужного одноразового расхода. Затем — продлевать использование подходящих вещей и отдельно собирать те отходы, для которых существует приём. Переработка может включать сортировку, очистку, измельчение и получение нового материала. Смешение несовместимых материалов осложняет процесс; не всякий отход можно переработать одинаковым способом.

Небольшое исследование дома или в классе

Выберите три чистых целых предмета: например, упаковку, ткань и предмет с резиновой частью. Запишите название вещи, материал по маркировке, полезное свойство и способ продлить использование. Если маркировки нет, напишите «неизвестно». Не определяйте полимер по цвету или ощущению пальцев.

Свяжите свойство с назначением: оболочка провода должна изолировать, упаковка — выполнять свои защитные функции, эластичная деталь — восстанавливать форму. Сравните требования к металлической и полимерной части одного предмета. Вывод должен опираться на назначение и сведения о материале.

Сайт проверяет, заполнены ли поля, но не подтверждает правильность определения материала. Обсудите записи с учителем и сверьте их с этикетками. Для переноса результатов скачайте CSV. Не нагревайте и не поджигайте неизвестные материалы; для этого исследования такие действия не нужны.

Типичные ошибки

«Много молекул — значит полимер». Нет: звенья должны быть химически связаны в макромолекуле. «Полимер и пластиковая вещь — одно и то же». Нет: добавки и обработка меняют материал, а конструкция влияет на изделие. «Любая резина растянется сколько угодно». Нет: существует предел обратимого изменения формы.

«Цифра в треугольнике гарантирует переработку». Нет: она помогает определить группу материала. «Натуральное всегда разлагается быстро». Нет: нужны сведения о составе и условиях. «Бутылка и ткань содержат PET, значит их собирают вместе». Нет: правила могут различаться для разных видов изделий.

Задачи и объяснения

1. В пяти повторяющихся звеньях полиэтилена сколько атомов C и H, без концевых групп?

Ответ и объяснение

C: 2 × 5 = 10; H: 4 × 5 = 20.

2. В показанном фрагменте 36 атомов H. Сколько звеньев C₂H₄ и атомов C?

Ответ и объяснение

n = 36 / 4 = 9. Атомов C: 2 × 9 = 18.

3. Почему раствор глюкозы не является крахмалом?

Ответ и объяснение

В растворе находятся отдельные молекулы глюкозы. В крахмале остатки глюкозы связаны в макромолекулы.

4. Назовите основной полимер хлопка и его происхождение.

Ответ и объяснение

Целлюлоза, природный полимер.

5. Почему яркий цвет не позволяет определить тип пластика?

Ответ и объяснение

Цвет может быть результатом добавленного красителя. Разные полимерные основы могут иметь одинаковый цвет.

6. При равной условной нагрузке какая сетка в модели растягивается меньше?

Ответ и объяснение

Более частая сетка: поперечные связи сильнее ограничивают изменение формы. Это тенденция модели, а не универсальная численная формула.

7. Что делает фильера при формовании волокна?

Ответ и объяснение

Её мелкие отверстия превращают расплав в тонкие струйки. Затем струйки охлаждают и вытягивают.

8. Почему вискозу нельзя называть синтетическим полимером только из-за заводского производства?

Ответ и объяснение

Её получают переработкой природной целлюлозы. Происхождение полимера и способ получения волокна — разные признаки.

9. Пункт принимает чистые бутылки PET, но не плёнку. Можно ли сдать чистую плёнку LDPE?

Ответ и объяснение

Нет, по указанным правилам этот вид упаковки не принимают. Нужен другой подходящий способ обращения.

10. Пункт принимает контейнеры PP. Контейнер содержит пищу. Что сделать до сдачи?

Ответ и объяснение

Удалить содержимое и очистить контейнер по правилам приёмщика. Соответствие материала не отменяет подготовку.

11. У пластиковой детали код 7. Можно ли назвать один определённый полимер?

Ответ и объяснение

Нет. Это категория прочих материалов и некоторых сочетаний. Нужно дополнительное обозначение или сведения изготовителя.

12. Изделие распалось на мелкие кусочки. Доказывает ли это полное разложение?

Ответ и объяснение

Нет. Дробление изменяет размеры фрагментов; химическое разложение вещества — другой процесс.

Методические заметки учителю

Цель: ученик различает мономер, полимер, материал и изделие; объясняет повторение звеньев; связывает эластичность с гибкими цепями и поперечными связями; описывает формование волокна; читает маркировку без необоснованных выводов и применяет конкретные правила сбора.

Рекомендуемые два занятия: первое — молекулярные цепи, природные полимеры, добавки и эластичность; второе — волокна, маркировка, сбор и исследование предметов. На первом занятии начните с различий между пакетом, резинкой и тканью. На втором сравните предметы из одного полимера с разным назначением. Для одного занятия выберите ключевые интерактивы, а чтение и таблицу предложите для подготовки.

Проверяйте объяснение, а не только выбранный вариант. Попросите ученика назвать структурный признак, связанное с ним свойство и подходящее применение. В игре сбора основанием ответа должны быть записанные правила. Уточняйте: свойства не определяются исключительно длиной цепи, а номер материала не заменяет сведения о назначении.

Поддержка: дайте формулу звена и предложите сначала вычислить состав двух звеньев; в классификации оставьте три образца. Усложнение: обсудите изделие из нескольких материалов, неизвестную маркировку и причины невозможности уверенного вывода. Для свободной таблицы принимайте честное «неизвестно» при отсутствии данных.

Наблюдение по этикеткам доступно без лабораторного оборудования. Рассматривайте только целые чистые вещи. Не проводите поджигание, нагрев неизвестных пластиков или домашнюю вулканизацию. Виртуальная нагрузка не соответствует определённой силе в ньютонах, а схема сетки не является молекулярной фотографией. Результаты сайта тренируют рассуждение и не заменяют измерение реального материала.

Итоговая дискуссия: какие свойства нужны изоляции провода, эластичному уплотнению и ткани? Почему одинаковый PET не означает одинаковое изделие или одинаковый поток отходов? Какие сведения необходимы, когда маркировки недостаточно? При печати ответы автоматически раскрываются; на странице их можно открывать по одному.

Дополнительное чтение

Вводные материалы о полимерах: ACS: World of Polymers and Plastics. Внешние ссылки необязательны: полный текст, задания и изображения есть в локальном комплекте.