Довгий час люди намагалися осягнути все 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 пристрою, 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-який 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 вчені.
Внесок вчених в розвиток знань про полімери
Назвемо найгучніші імена в історії полімерних досліджень.
- К. Циглер - німецький хімік, який зробив величезний внесок у розвиток знань про полімери, металлорганических з`єднаннях, механізмах процесів реакцій. Став лауреатом найзнаменитішої 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 грунтується і як здійснюється? Все це вивчили і детально виклали ці великі хіміки. З тих самих пір, тобто з XX століття, синтези полімерних з`єднань отримали широке поширення і почали нову епоху в становленні і 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 наступних речовин:
- пластична сірка;
- чорний і червоний фосфор;
- полікумулен і карбін;
- 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 самих 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 цій галузі, і реакція полімеризації стає можливою між величезною кількістю речовин.
Що ж за своєю природою є подібні взаємодії? Процес зводиться до ущільнення молекули і формування 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 і 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 чітко демонструють, що без неї неможливе існування самого життя. Та й якщо говорити про комфорт, що оточує людину, 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 мономірних 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 в 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 - подвійний 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 дивовижне речовина і чому воно може бути таким різним. Виявляється, в основі лежить реакція полімеризації етилену. Тобто вихідний мономер - алкеновий вуглеводень, що складається з двох атомів вуглецю. Його емпірична (молекулярна) формула - З2Н4. 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 в складі макроланцюга.
Залежно від умов реакції, температури, каталізатора можна отримувати поліетілени високого і низького тиску. За своїми властивостями вони будуть дуже різні.
отримання каучуку
Вперше про отримання в нашій країні такого важливого і цінного полімеру, як каучук, заговорили за радянських часів. Саме тоді С. В. Лебедєв і придумав спосіб, що став легендарним, - отримання синтетичного ізомери 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 в процесі освіти 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, що має величезне господарське й промислове значення.
полімеризація стиролу
Похідні бензолу, такі як, наприклад, стирол, також здатні полимеризоваться (на відміну від граничних з`єднань, 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`язку, тому легко перетворюється в полістирол. Даний матеріал застосовується для виготовлення пакувальних матеріалів, одноразового посуду, іграшок, ізоляційних матеріалів та інших предметів.