Свойства различных органических, как, впрочем, и неорганических веществ в значительной мере зависят от размера их молекул. Вещества с крупными молекулами, состоящими из повторяющихся структурных единиц – мономеров, называют высокомолекулярными веществами, или полимерами. Огромное число природных соединений являются полимерами. К ним относятся белки, нуклеиновые кислоты, крахмал, целлюлоза, натуральный каучук и многие другие. Рассмотрим общие свойства, характерные для большинства полимеров.

Все эти соединения обладают очень большой молекулярной массой, поэтому их называют ещё и макромолекулами. Элементарные звенья (мономеры) – это остатки низкомолекулярных веществ. Полимер может состоять из одного типа мономеров, образуя последовательность типа А – А—А – А—А—… Такие молекулы называют гомополимерами.

Если полимер состоит из нескольких типов мономеров, повторяющихся в регулярном или случайном (часто кажущемся случайным) порядке, его называют гетерополимером: А – В—С – А—В – С– А – В—С—… или А – В—В – С—А – С—А – В—С – С—С – А—…

Некоторые полимеры могут быть разветвлёнными и образовывать сложные трёхмерные структуры (рис. 143).

История исследования полимеров.

Полимеры были известны уже давно (рис. 144). Однако даже в середине XIX в. химики не придавали им значения и даже считали помехой в исследованиях, пытаясь препятствовать нежелательной полимеризации исследуемых ими соединений.

Рис. 143.  Структура полимеров: А – линейная; Б – разветвлённая; В – пространственная

Химия полимеров возникла после создания А. М. Бутлеровым теории химического строения, когда была исследована связь между строением и устойчивостью образующихся в процессе полимеризации молекул. Эта отрасль науки стала особенно интенсивно развиваться в связи с исследованием возможности создания синтетического каучука. Каучук был впервые обнаружен Колумбом у индейцев Гаити, которые играли в мяч, сделанный из «сока дерева». Обитателям Юго-Восточной Азии он был известен ещё раньше, чем европейцам, они добывали этот сок и обмазывали им свои корзины и кувшины, чтобы сделать их водонепроницаемыми. Каучук можно добывать из многих растений, но больше всего его содержится в тропических видах, обитающих только вблизи экватора. Поэтому в Европе позапрошлого века он был очень дорог, а производимой на его основе резины, которую вначале использовали только для изготовления подвязок и подтяжек, требовалось всё больше. Попытки создать синтетический каучук и привели к открытию механизма полимеризации.

Получение и использование синтетических полимеров

Полимеры получают путём полимеризации или поликонденсации.

Рис. 144. В Древнем Египте природные полимеры (смолу дерева Liuamber orientalis) использовали для бальзамирования умерших

Различие между этими реакциями состоит в том, что при полимеризации превращение молекул в полимер происходит без выделения каких-либо других химических соединений, а поликонденсация сопровождается выделением какого-либо вещества, например воды. Реакция поликонденсации носит ступенчатый характер: сначала реагируют друг с другом две молекулы исходного вещества, затем образовавшееся соединение взаимодействует с третьей молекулой исходного вещества, с четвёртой и т. д.

Попытки промышленного создания материалов на основе полимеров начали предприниматься с начала прошлого века. Причём в этой отрасли сразу выделились два направления: создание необходимых материалов на основе естественных полимеров и получение синтетических полимеров из молекул мономеров. Первым из природных полимеров, нашедшим применение в промышленности, была целлюлоза (клетчатка). Это самое распространённое в природе органическое вещество, которое является основным структурным компонентом клеточной оболочки всех растений. Мономер целлюлозы – глюкоза, молекулы которой объединяются в длинную неразветвлённую полимерную цепь. Первым промышленным веществом, изготовленным на основе целлюлозы, был целлулоид. Начиная с середины XIX в. из него во всём мире изготавливались фото– и киноплёнки, различные галантерейные товары, игрушки, мячи для настольного тенниса и многое другое. Впоследствии на основе целлулоида стали производить прозрачную упаковочную плёнку – целлофан. В то же время началось массовое производство вискозы – искусственного волокна, изготовленного из целлюлозы. Вискоза получила огромное признание из-за широкого применения и дешевизны (она изготавливается из отходов текстильной и бумажной промышленности и даже из древесных опилок). Перед тем как из раствора вискозы вытянуть нити, в него можно добавить различные химические реагенты и красители, в результате можно получить ткань, которая будет похожа на хлопок, шёлк, шерсть и даже атлас или бархат. В Советском Союзе на основе вискозы изготавливали прочный и плотный материал – кирзу, из которой шили сапоги для солдат, охотников и колхозников.

Параллельно шла разработка производства пластических масс и волокон из синтетических полимеров. В 1906 г. была запатентована бакелитовая (фенолформальдегидная) смола, которая при нагревании превращается в трёхмерный полимер. В течение многих лет из неё изготавливали корпуса для разнообразной бытовой техники. В 30-х гг. XX в. началось массовое использование синтетического каучука. Одновременно с ним появились новые материалы: полиметилметакрилат, известный под названием плексиглас или «органическое стекло», а также полистирол и поливинилхлорид (рис. 145), которые служат прекрасными электроизолирующими материалами.

В послевоенные годы изделия из синтетических волокон стали пользоваться огромной популярностью. Появились очень модные в то время женские чулки из капрона.

Рис. 145. Применение поливинилхлорида: 1 – искусственная кожа; 2 – изолента; 3 – изоляция проводов; 4 – трубы; 5 – линолеум; 6 – клеёнка

Ему на смену пришли нейлон и отечественное изобретение – лавсан, название которого означает Лаборатория Высокомолекулярных Соединений Академии Наук. Редко кто в то время не мечтал о рубашке, платье или костюме, сшитых из этих материалов.

В середине 50-х гг. XX в. были открыты катализаторы, значительно ускоряющие полимеризацию многих соединений. В результате за короткое время появились такие незаменимые в наше время вещества, как полиэтилен и полиуретаны. Из полиэтилена изготавливают упаковочную плёнку, всевозможные виды тары, трубы для водопровода, канализации и газоснабжения, а также бронежилеты и корпуса для лодок и вездеходов (рис. 146). Полиуретан применяется почти во всех отраслях промышленности для изготовления всевозможных уплотнителей, защитных покрытий, герметиков, деталей машин, клеев и многого другого. Во время образования полиуретана выделяется газ, поэтому из него можно изготавливать пенополиуретан, или пенопласт.

Таким образом, полимеры за последние полвека коренным образом изменили жизнь человечества. Однако свою главную роль они сыграли задолго до появления человека и продолжают её играть, обеспечивая существование всех людей и вообще всей жизни на нашей планете.

Рис. 146. Применение полиэтилена: 1 – медицинское оборудование; 2 – предметы домашнего обихода; 3 – плёнка для парников; 4 – трубы и шланги; 5 – клейкая лента; 6 – упаковочная плёнка; 7 – пакеты; 8 – детали

Проверьте свои знания

1. Какие соединения называют полимерами? Почему их часто также называют макромолекулами?

2. Что такое гетерополимеры? Сравните гомо– и гетерополимеры.

3. Чем различаются реакции полимеризации и поликонденсации?

4. Какой природный полимер является самым распространённым?

5. Назовите полимеры, чаще всего используемые в промышленности.

Задания

1. Подберите эпиграф к данному параграфу.

2. Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, подготовьте сообщение или презентацию об использовании полимеров в современном обществе. Вместе с одноклассниками организуйте и проведите дискуссию на тему «Возможно ли развитие современного мира без искусственных полимеров?».