Що таке реакція полімеризації? Реакція полімеризації: рівняння і приклади
Довгий час люди намагалися осягнути всі неймовірні можливості, які пропонує хімічна наука. Однак більшість дуже важливих з технічної точки зору реакцій просто не могли бути здійснені через відсутність потрібного обладнання, його просто ще не сконструювали.
Час йшов, людський мозок видавав нові рішення проблеми. З'явилися найнеймовірніші пристрої, технічні засоби, які дозволили хімії вступити в нову еру - час виробів із полімерних матеріалів, які дає нам реакція полімеризації. Приклади таких предметів вкрай численні: починаючи з каналізаційних труб і закінчуючи дрібними побутовими речами (поліетиленові пакети, посуд, іграшки, упаковки та інше).
Історія відкриття
До XIX століття про подібні взаємодіях не чув ніхто. Це було пов'язано з тим, що самі речовини, здатні полимеризоваться, були невідомі. Проте вже до середини цього століття були отримані:
- метакрилова кислота;
- изопрен;
- вінілхлорид;
- стирол та інші.
Стало зрозуміло, якими властивостями можуть володіти ці сполуки. З'явилися перші спроби довести дослідним шляхом, що будь-яке з перерахованих вище речовин в реакцію полімеризації вступає вельми охоче, і утворюються при цьому цінні і незвичайні продукти.
З цих самих пір дані процеси стали здійснюватися масштабно, проте суть їх була все ще не ясна. Пролити світло на загадку про те, як здійснюється реакція полімеризації, зуміли учені.
Внесок вчених в розвиток знань про полімери
Назвемо найгучніші імена в історії полімерних досліджень.
- К. Циглер - німецький хімік, що вніс величезний внесок у розвиток знань про полімери, металлорганических з'єднаннях, механізмах процесів реакцій. Став лауреатом самої знаменитої премії в галузі науки.
- Г. Штаудингер - німецький вчений, хімік-практик. Вказав на природу хімічних зв'язків в полімерах, відкрив одну з реакцій, названу його ім'ям.
- Б. В. Бизов - вітчизняний вчений. Першим розробив техніку синтезу каучуку з продуктів нафтопереробки.
- С. В. Лебедєв - російський вчений, хімік-синтетик. Першим організував школу для вивчення органічних сполук. Працюючи в команді зі своїми колегами, розробив спосіб отримання каучуку в промислових масштабах.
Що таке реакція полімеризації, на чому вона заснована і як здійснюється? Все це вивчили і докладно виклали ці великі хіміки. З тих самих пір, тобто з XX століття, синтези полімерних сполук набули широкого поширення і почали нову епоху в становленні та розвитку.
Реакція полімеризації: загальне поняття
Якщо давати загальну характеристику даними взаємодій, то в першу чергу слід відзначити здатність не всіх з'єднань вступати в такі синтези. З неорганічних сполук реакція полімеризації характерна для таких речовин:
- пластична сірка;
- чорний і червоний фосфор;
- полікумулен і карбин;
- поліфосфати;
- селен і телур особливого цепочечного будови;
- кремнієва кислота і її оксид;
- багато природні сітчасті полімери, що входять до складу земної кори.
Дані сполуки самі по собі представляють полімерні структури. Якщо ж говорити безпосередньо про самі реакціях, в результаті яких виходять продукти полімерного будови, то тут вихідними речовинами служать ті органічні сполуки, в будові яких є хоча б одна кратна зв'язок. Неважливо, подвійна, потрійна або дві подвійні і так далі.
Таким чином, в реакцію полімеризації вступає речовина, вразливе за місцем кратного зв'язку. Саме ця особливість змушує з'єднання швидко руйнувати первісну структуру і перетворюватися в абсолютно нові комбінації. Вихідними молекулами з органічних сполук можуть бути:
- алкени;
- алкіни;
- алкадіени;
- альдегіди;
- галогенвуглеводні з кратною зв'язком;
- похідні бензолу;
- кетони.
З кожним роком з'являються все нові відкриття в даній області, і реакція полімеризації стає можливою між величезною кількістю речовин.
Що ж за своєю природою являють собою подібні взаємодії? Процес зводиться до ущільнення молекули і формуванню множинних додаткових вуглецевих зв'язків між частинками. Іншими словами, реакція полімеризації - це з'єднання більш простих вихідних ланок, званих мономірними, в складну макроструктуру - полімер.
Всі названі вище органічні та неорганічні речовини - це якраз мономери, які в результаті взаємодії під впливом певних умов перетворюються в полімерні, великі і довгі ланцюги. Молекулярна маса продукту може бути воістину величезною, досягаючи декількох десятків і сотень тисяч одиниць.
З описаних прикладів очевидно, що, наприклад, реакція полімеризації алканів неможлива, так як природа цих вуглеводнів не розташовує до розриву зв'язків і ущільнення структури.
Приклади полімерів
Зрозуміти, наскільки важливі і значущі дані взаємодії і в природі, і в житті людини, можна, якщо навести приклади продуктів, які дає реакція полімеризації. До них відносяться такі речовини, як:
- нуклеїнові кислоти;
- білки;
- полісахариди;
- каучуки;
- гуми;
- скло;
- кераміка;
- волокна;
- пластмаси та багато інших.
Стає зрозуміло, чому так важлива реакція полімеризації. Приклади виразно демонструють, що без неї неможливе існування самого життя. Та й якщо говорити про комфорт, навколишньому людини, то без полімерних матеріалів він багато чого був би позбавлений.
Класифікація реакцій
В основі розподілу розглянутих реакцій на групи можуть лежати різні ознаки. Розглянемо класифікацію за деякими з них.
За характером мономерних ланок реакція полімеризації може бути двох типів:
- Гомополімерізація, коли в синтезі беруть участь однакові вихідні ланки - мономери. Так здійснюють отримання полівінілхлориду, поліетиленів різного тиску, поліпропіленових матеріалів.
- Сополимеризация заснована на використанні різних мономерних структур. Так синтезують деякі види каучуків, гуми.
За типом початку реакції, тобто її ініціювання, виділяються:
- фотополімеризація;
- термічна;
- під дією радіаційного випромінювання.
За особливостями технологічного виконання процесу можна виділити стереорегулярность реакції, а також ті, що проходять тільки при високому тиску.
Механізм протікання
Суть того, що відбувається при процесах перетворення мономерів в полімери досить складна. Постараємося описати основні моменти і стадії.
- Для початку необхідно освіту високореакціонноспособних частинок - радикалів. Їх формування викликають спеціальні каталізатори - ініціатори процесу (перекис водню, органічні гидроперекиси і так далі).
- Потім відбувається зв'язування радикалів за місцем розриву подвійного зв'язку, і починається ріст всієї макроланцюга.
- Останнім етапом настає обрив структури завдяки компенсування всіх валентностей елементів у з'єднаннях. Часто, щоб управляти одержуваними продуктами, обрив ланцюга роблять штучно. Так можна отримати додаткові низькомолекулярні речовини, більш чистий полімер.
Саме тому реакція полімеризації характерна для сполук саме з кратними зв'язками.
Полімеризація неграничних вуглеводнів
До таких сполук відносяться:
- алкени - подвійна зв'язок;
- алкіни - потрійний зв'язок;
- алкадіени - дві подвійні;
- їх галогенпохідних.
Залежно від того, який саме продукт потрібно отримати, вибирають вихідний мономер. Найпершими і успішними стали синтези каучуків і поліетиленів. Сучасні люди використовують пакети як тару під сміття, пакувальний матеріал, плівки для теплиць і в багатьох інших областях. Однак навіть не замислюються про те, як же отримують це дивна речовина і чому воно може бути таким різним. Виявляється, в основі лежить реакція полімеризації етилену. Тобто вихідний мономер - алкеновие вуглеводень, що складається з двох атомів вуглецю. Його емпірична (молекулярна) формула - С2Н4. Саме він вступає в процес гомополімеризації з утворенням відповідного продукту - поліетилену різної якості.
Рівняння реакції виглядає так:
n (CH2= CH2) - (-CH2 - CH2-)n, де
n - це ступінь полімеризації мономера, яка вказує число вихідних ланок і потім їх же число у складі макроланцюга.
Залежно від умов реакції, температури, каталізатора можна отримувати поліетілени високого і низького тиску. За своїми властивостями вони будуть дуже різні.
Отримання каучуків
Вперше про отримання в нашій країні такого важливого і цінного полімеру, як каучук, заговорили в радянський час. Саме тоді С. В. Лебедєв і придумав спосіб, що став легендарним, - отримання синтетичного изомера природного каучуку на основі алкадіени ізопрену. Саме сировину при цьому вчений знайшов спосіб синтезувати з етилового спирту, одержуваного з рослинної основи. Таким чином, були вирішені проблеми дорожнечі продукції, стало можливим отримувати каучук в лабораторії.
Схематично реакцію можна зобразити так: изопрен - ізопреновий каучук. Інша назва ізопрену - 2-метілбутадіен-1,3. Одна з двох подвійних зв'язків бере участь у процесі утворення макромолекули каучуку.
Отримання гуми
Реакція полімеризації етилену (ізопрену, хлорізопрена) дуже важлива. Однак найбільш значущою є реакція зшивання полімеру каучуку з сіркою спеціальним способом. Даний процес отримав назву "вулканізація". Результатом є гума, яка має величезне господарське й промислове значення.
Полімеризація стиролу
Похідні бензолу, такі як, наприклад, стирол, також здатні полимеризоваться (на відміну від граничних сполук, які до цього не пристосовані). Так, реакція полімеризації алканів неможлива в силу їх низької хімічної активності і стійкості молекули.
Стирол ж має в наявності кратні зв'язки, тому легко перетворюється в полістирол. Даний матеріал застосовується для виготовлення пакувальних матеріалів, одноразового посуду, іграшок, ізоляційних матеріалів та інших предметів.
