Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Нижнетагильская государственная социально-педагогическая академия
В. А. Трофимов
ХИМИЯ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Учебно-методическое пособие
для студентов химико-биологического факультета
Нижний Тагил
2008
ББК 24.239я73
Т761
Печатается по решению кафедры химии и методики обучения химии НТГСПА (протокол № 5 от 31 января 2008 года)
Трофимов, В. А. Химия высокомолекулярных соединений : учеб.-метод. пособие для студентов химико-биологического факультета / В. А. Трофимов ; Нижнетагильская гос. соц.-пед. акад. – Нижний Тагил, 2008. – 140 с.
Рецензенты: И. Г. Белавина, кандидат химических наук, профессор
кафедры химии и МОХ НТГСПА;
В. И. Шилов, кандидат химических наук, доцент кафедры
химии и методики обучения химии НТГСПА
Настоящее пособие написано в соответствии с требованиями нового образовательного стандарта и полностью соответствует учебной программе курса «Химия высокомолекулярных соединений». В нем отображен авторский подход к изложению учебного материала, где высокомолекулярные соединения рассматриваются как вещества, свойства которых находятся в тесной зависимости от строения их макромолекул. Значительное внимание в пособии уделено рассмотрению механизмов образования ВМС, вопросам их стереоизомерии, химическим превращениям, экологическим проблемам утилизации полимерных отходов. Пособие содержит набор вопросов и тестовых заданий для контроля (и самоконтроля) знаний студентов химико-биологического факультета, изучающих высокомолекулярные соединения.
© Нижнетагильская государственная
социально-педагогическая академия, 2008
СОДЕРЖАНИЕ
Введение......................................................................................................... 5
1. Терминология и основные понятия
химии высокомолекулярных соединений..................................................... 6
2. Классификация и номенклатура............................................................... 8
3. Основные отличия ВМС от низкомолекулярных соединений............... 11
4. Методы изучения структуры полимеров................................................ 12
5. Фазовые состояния полимеров................................................................ 15
6. Изомерия полимеров
6.1. Структурная изомерия.................................................................... 18
6.2. Стереоизомерия ВМС...................................................................... 20
6.2.1. Энантиоморфная (конформационная) изомерия.................. 20
6.2.2. Геометрическая изомерия...................................................... 21
7. Синтез мономеров.................................................................................... 24
8. Получение мономеров из низкомолекулярных соединений
8.1. Полимеризация................................................................................ 29
8.1.1. Радикальная полимеризация................................................. 30
8.1.2. Ионная полимеризация.......................................................... 34
8.1.2.1. Катионная (карбониевая) полимеризация....................... 34
8.1.2.2. Анионная (карбанионная) полимеризация...................... 36
8.1.2.3. Ионно-координационная полимеризация....................... 38
8.2. Сополимеризация............................................................................. 40
8.3. Способы полимеризации................................................................. 42
8.4. Высокомолекулярные соединения, получаемые реакцией
полимеризации........................................................................................ 44
8.5. Поликонденсация............................................................................. 45
8.5.1. Классификация....................................................................... 46
8.5.2. Основные закономерности и отличительные особенности
реакции поликонденсации............................................................... 50
8.5.3. Сополиконденсация и блок-сополиконденсация.................. 53
8.5.4. Способы проведения поликонденсации................................ 54
8.5.5. ВМС, получаемые реакцией поликонденсации.................... 54
9. Достижения химии ВМС – дендримеры................................................. 57
10. Элементорганические полимеры........................................................... 60
10.1. Полимеры с неорганическими главными цепями
и органическими боковыми группами................................................... 60
10.2. Элементорганические полимеры
с органонеорганическими цепями.......................................................... 61
10.3. Элементорганические полимеры с органическими главными
цепями и неорганическими боковыми группами................................... 62
11. Строение мономеров и их способность к образованию полимеров... 63
12. Химические свойства и превращения полимеров................................ 65
12.1. Полимераналогичные превращения............................................. 66
12.2. Макромолекулярные реакции....................................................... 68
12.3. Деструкция полимеров.................................................................. 70
12.4. Стабилизация полимеров.............................................................. 71
13. Каучуки.................................................................................................. 72
13.1. Натуральный каучук...................................................................... 73
13.2. Синтетические каучуки.................................................................. 75
14. Пластические массы............................................................................... 81
14.1. Классификация пластмасс.............................................................. 81
14.1.1. По отношению к нагреванию.............................................. 81
14.1.2. По составу............................................................................ 82
14.2. Способы переработки пластмасс................................................... 83
15. Синтетические волокна
15.1. Производство синтетических волокон.......................................... 85
15.1.1. Полиамидные волокна......................................................... 86
15.1.2. Полиэфирные волокна......................................................... 87
15.1.3. Волокно хлорин................................................................... 88
15.1.4. Полиакрилонитрильное волокно нитрон........................... 88
15.2. Преимущество и значение синтетических волокон...................... 89
16. Ионообменные смолы (иониты)
16.1. Классификация............................................................................... 90
16.2. Получение полимерных ионитов.................................................. 91
16.3 Механизм действия ионообменных смол....................................... 95
16.4. «Емкость» ионита........................................................................... 96
16.5. Амфотерные иониты (полиамфолиты).......................................... 96
16.6. Применение ионитов...................................................................... 97
17. Экологические проблемы утилизации отходов ВМС.......................... 98
18. Заключение........................................................................................... 102
19. Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы........ 104
20. Типовые зачетные тестовые задания................................................... 106
Литература.................................................................................................. 133
Приложение 1............................................................................................. 134
Приложение 2............................................................................................. 138
ВВЕДЕНИЕ
Химия высокомолекулярных соединений (ВМС) начала выделяться в самостоятельный раздел химической науки в начале 30-х годов прошлого столетия. Основоположниками этой науки были Г. Штаудингер, высказавший предположение о существовании макромолекул, размеры которых определяют их особенности, и У. Карозерс, внесший большой вклад в установление природы химических связей в макромолекулах.
Дальнейшее развитие химии макромолекул обязано исследованиям ученых многих стран, в том числе отечественных химиков П. П. Шорыгина, В. В. Коршака, П. П. Кобеко, С. С. Медведева и многих других.
Химия ВМС – комплексная наука. Она впитала в себя основные достижения из области органического синтеза, физико-химических и биологических исследований и инженерных решений.
Современные исследования в области химии полимеров направлены, прежде всего на создание синтетических полимерных материалов, обладающих необходимыми человеку свойствами. Однако это не исключает изучение высокомолекулярных продуктов природного происхождения, их совершенствование и модернизацию.
Были разработаны методы синтеза соединений, совмещающих в себе свойства органических и неорганических веществ и содержащих наряду с углеродом атомы кремния, алюминия, титана, бора и другие (элементорганические ВМС).
Создаются стеклопластики и углеродные волокна, по прочности не уступающие стали. Успешно развиваются работы по получению привитых и блок-сополимеров, сшитых и взаимопроникающих сетчатых полимеров, термостойких полимеров и других. Были усовершенствованы технологии производства ВМС, постоянно ведутся научные поиски новых материалов и путей усовершенствования уже имеющихся.
Наш век принято называть веком полимеров. Трудно назвать отрасль народного хозяйства, в которой бы не применялись полимерные материалы или изделия на их основе.
1. ТЕРМИНОЛОГИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
В ХИМИИ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Высокомолекулярные соединения – это химические соединения, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся (точно или приближенно) одинаковых звеньев, обладающих большой молекулярной массой и особыми свойствами.
Химия ВМС изучает вещества, молекулы которых состоят из огромного числа атомов, соединенных между собой обычными ковалентными связями. Такие молекулы называют макромолекулами, например макромолекулы полиэтилена (C2Н4)n, целлюлозы (С6Н10О5)n, натурального каучука (С5Н8)n, полихлорвинила (С2Н3Cl)n и другие.
Типы связей между отдельными элементарными звеньями в макромолекуле такие же, как и у всех органических соединений. При этом характер связи имеет большое значение, определяя физические и химические свойства полимеров. В табл. 1 (приложение 1) приведены некоторые характерные для полимеров типы связей между элементарными звеньями.
Макромолекулы большинства полимеров построены из одинаковых, многократно повторяющихся групп атомов – элементарных (мономерных) звеньев, связанных между собой.
Например:
…−СН2−СН2−СН2−СН2–… полиэтилен