Инфоурок / Химия / Конспекты / Конспект по химии на тему "Методы синтеза высокомолекулярных соединений"

Конспект по химии на тему "Методы синтеза высокомолекулярных соединений"


Напоминаем, что в соответствии с профстандартом педагога (утверждён Приказом Минтруда России), если у Вас нет соответствующего преподаваемому предмету образования, то Вам необходимо пройти профессиональную переподготовку по профилю педагогической деятельности. Сделать это Вы можете дистанционно на сайте проекта "Инфоурок" и получить диплом с присвоением квалификации уже через 2 месяца!

Только сейчас действует СКИДКА 50% для всех педагогов на все 184 курса профессиональной переподготовки! Доступна рассрочка с первым взносом всего 10%, при этом цена курса не увеличивается из-за использования рассрочки!

ВЫБРАТЬ КУРС И ПОДАТЬ ЗАЯВКУ
библиотека
материалов
hello_html_m5e21ca5c.gifhello_html_m5764ecaf.gifhello_html_m6663b0f5.gifhello_html_m5951b446.gifhello_html_m5951b446.gifhello_html_m161f44cf.gifhello_html_m161f44cf.gifhello_html_m6663b0f5.gifhello_html_718c7f57.gifhello_html_718c7f57.gifhello_html_718c7f57.gifhello_html_58d53235.gifhello_html_718c7f57.gifhello_html_718c7f57.gifhello_html_4c447aec.gifhello_html_4c447aec.gifhello_html_4c447aec.gifhello_html_4c447aec.gifhello_html_40838eaa.gifhello_html_40838eaa.gifhello_html_m4ac5d449.gifhello_html_m4ac5d449.gifhello_html_6713afe1.gifhello_html_6713afe1.gifhello_html_6713afe1.gifhello_html_7c1e5f63.gifhello_html_7c1e5f63.gifhello_html_7c1e5f63.gifhello_html_4f171b3b.gifhello_html_m5764ecaf.gifhello_html_m37ea52aa.gifhello_html_m37ea52aa.gifhello_html_m37ea52aa.gifhello_html_m37ea52aa.gifhello_html_m37ea52aa.gifhello_html_m37ea52aa.gifhello_html_m37ea52aa.gifhello_html_m37ea52aa.gifhello_html_m7a3292eb.gifhello_html_m513524ed.gifhello_html_m513524ed.gifhello_html_5c53c3f7.gifhello_html_m51eb1d11.gifhello_html_5c53c3f7.gifhello_html_5c53c3f7.gifhello_html_m1b567981.gifhello_html_m4cf63925.gifhello_html_18897fce.gifhello_html_m51eb1d11.gifhello_html_m48ee0790.gifhello_html_m48ee0790.gifhello_html_m37471370.gifhello_html_6060db92.gifhello_html_6060db92.gifhello_html_6060db92.gifhello_html_m4cf63925.gifhello_html_m1b567981.gifhello_html_m20419abd.gifhello_html_m4ac5d449.gifhello_html_m4ac5d449.gifhello_html_m4ac5d449.gifhello_html_m4ac5d449.gifhello_html_7c1e5f63.gifhello_html_7ccaa051.gifhello_html_m6f622974.gifhello_html_m3adae45c.gifhello_html_5aebad15.gifhello_html_m3adae45c.gifhello_html_5aebad15.gifhello_html_m6f622974.gifhello_html_m6f622974.gif

Методы синтез высокомолекулярных соединений


Нефтехимический синтез мономеров


Мономеры служат структурными единицами, «кирпичиками», из которых построены высокомолекулярные соединения. Основным источником мономеров являетсянефтехимический синтез, задача которого состоит в получении различных химических продуктов из нефти и газов (природных и попутных): синтетических моющих средств, растворителей, присадок, топлив, смазочных масел, аммиака, водорода и многих других. В промышленности нефтехимического синтеза используют в больших масштабах предельные, непредельные, ароматические и, в меньшей степени, нафтеновые углеводороды. При переработке нефтехимического сырья применяются процессы дегидрирования, изомеризации и циклизации, алкилирования, полимеризации и конденсации, а также галогенирования, нитрования, сульфирования, окисления и т. д.

Для получения низших мономеров могут использоваться процессы пиролиза газообразных углеводородов с hello_html_6d3e322c.gif(компоненты природных и попутных газов) и нефтяных фракций — от бензиновых (hello_html_m3d9d491b.gif) до газойлевых (hello_html_506b001f.gif). Основным продуктом пиролиза является этилен, который производится в огромных количествах.

Из газов, образующихся при термической или термокаталитической переработке нефтепродуктов, извлекают бутилены и амилены. Их можно также получать каталитическим дегидрированием бутанов ипентанов:


hello_html_m66a1f1be.gif


Из диеновых углеводородов наибольшее значение имеют бутадиен и изопрен. Первый промышленный способ получения бутадиена — каталитическое превращение этилового спирта — был разработан С.В.Лебедевым (1928). Сейчас бутадиен получают каталитическим дегидрированием н-бутана и н-бутилена, которые содержатся в природных газах и газах нефтеперерабатывающих заводов:


hello_html_2cb32c0a.gif


Бутадиен образуется также в качестве побочного продукта (в небольшом количестве) при пиролизе тяжелых бензиновых, керосиновых и газойлевых фракций. Высокотемпературный пиролиз пентано-амиленовой фракции нефтепереработки может дать изопрен. Наличие значительных количеств пентанов в попутных газах нефтедобычи и низкая их стоимость делают этот метод экономически выгодным:


hello_html_m30881273.gif

изопрен


В качестве мономера широко используется ацетилен, получающийся из карбида кальция, а также электрокрекингом, термоокислительным крекингом и высокотемпературным пиролизом метана и других алканов:


hello_html_m6d8d78b5.gif

(50%)


Для синтеза многих мономеров ароматического ряда служит бензол, который образуется при ароматизации циклоалканов или выделяется из каменноугольной смолы.

За последние годы наряду с нефтью, газами и углем для синтеза мономеров все шире используется растительное сырье. Речь идет прежде всего о пентозансодержащем сырье и различных отходах сельского хозяйств, которые могут являться источниками ценных химических продуктов, например фурфурола.

3.3 Цепная полимеризация


Существуют два основных способа получения высокомолекулярных соединений: полимеризация и поликонденсация.

Реакция соединения молекул мономера, протекающая за счет разрыва кратных связей и не сопровождающаяся выделением побочных низкомолекулярных продуктов, т. е. не приводящая к изменению элементного состава мономера, называется полимеризацией.

В цепную полимеризацию вступают в основном ненасыщенные мономеры, у которых двойная связь находится между углеродными атомами:


hello_html_7ec9352e.gif

винилхлоридполивинилхлорид


или между углеродом и любым другим атомом:


hello_html_m4740fdae.gif

формальдегид полиметиленоксид


В первом случае образуются карбоцепные полимеры, но втором — гетероцепные.

Возможна полимеризация и насыщенных соединений циклического строения с гетероатомом в цикле. Циклизация этих соединений происходит с размыканием цикла, в результате чего образуется гетероцепной линейный полимер:


hello_html_m38a38ab8.gif

оксид этиленаполиэтиленоксид


Как и любая химическая реакция, полимеризация начинается с разрыва одних химических связей и возникновения других. Такой разрыв, как известно, может происходить или по гетеролитическому, или по гомолитическому механизму. В первом случае образуются ионы, а во втором — свободные радикалы. Полимеризация, протекающая через образование ионов, называетсяионной полимеризацией, а идущая с участием свободных радикалов —радикальной. Таким образом, радикальная и ионная полимеризация различаются природой активного центра, начинающего и ведущего макромолекулярную цепь.


3.1.1 Радикальная полимеризация

Радикальная полимеризация — один из распространенных способов синтеза полимеров. Активным центром такой полимеризации являвшей свободный радикал.Как и всякий цепной процесс, радикальная полимеризация протекает через три основные стадии.

  1. Инициирование (образование активного центра). На этой стадии происходит инициирование молекулы мономера с образованием первичного свободного радикала (R'•), легко взаимодействующего с различными ненасыщенными соединениями (мономерами):


hello_html_4de219e3.gif


В зависимости от способа образования свободных радикалов, начинающих реакционную цепь, различают несколько видов полимеризации: термическую, фотохимическую, радиационную и инициированную.

Притермической полимеризации свободные радикалы образуются из мономеров под действием высоких температур (700—Ю00°С). Происходящий при этом разрыв двойной связи в молекуле приводит к появлению бирадикала:


hello_html_774b6b36.gif


который, взаимодействуя с молекулой мономера


hello_html_79a2d391.gif


образует более сложный бирадикал. Он, в свою очередь, превращается затем в мономакрорадикал. Следует, однако, отметить, что термическая полимеризация не имеет пока широкого практического значения, так как ее скорость сравнительно невелика.

Фотохимическая полимеризация инициируется при освещении молекул моно-мера. Возбужденная таким образом молекула мономера взаимодействует в результате соударения со второй молекулой с образованием бирадикала, который затемдиспропорционируется в два монорадикала:




hello_html_2db61b45.gif

hello_html_14f39f2.gif


Радиационная полимеризацияпротекает при действии на мономеры α-, β-, γ- и R-излучения. Образующиеся свободные радикалы инициируют затем реакцию полимеризации.

Однако наиболее распространенным и часто применяемым на практике методов полимеризации являетсяинициированная полимеризация. Она активируется соединениями, которые легко распадаются на свободные радикалы в условиях полимеризации. Такие соединения называютсяинициаторами полимеризации. Они содержат в своих молекулах неустойчивые химические связи (О—О, N—N, S—S, О—N и др.), которые разрываются при гораздо меньшей энергии, чем это требуется для образования свободного радикала из молекулы мономера (при ее активации). Инициаторами могут быть органические пероксиды и гидропероксиды, некоторые азо- и диазосоединения и другие вещества:


hello_html_m330be042.gif

пероксид бензола


hello_html_4732274c.gif

гидропероксид изопропилбензола

(гипериз)


hello_html_m239b18b5.gif


hello_html_1d889ada.gif

диазогидрат


Скорость распада инициатора на свободные радикалы можно увеличить не только повышением температуры, но и добавкой в реакционную среду специальных восстановителей —промоторов иактиваторов. Промоторы возбуждают химическую реакцию, действуя только в начале процесса, а активаторы поддерживают активность катализатора (инициатора) в течение всего процесса. Эти вещества способствуют образованию свободных радикалов из инициаторов при более низких температурах (окислительно-восстановительное инициирование). Роль таких добавок могут выполнять соли hello_html_1c56631f.gif и других металлов, а также пирогаллол, третичные амины, аскорбиновая кислота и др.:


hello_html_m7cbbf756.gif


Количество вводимого инициатора обычно невелико (0,1 — 1 %). Общая скорость радикальной полимеризации возрастает пропорционально корню квадратному из концентрации инициатора:hello_html_m69648624.gif,гдеhello_html_m39c4d306.gif— концентрация инициатора. В то же время средняя степень полимеризации (Р) обратно пропорциональна корню квадратному из этой величины:

hello_html_137d2a79.gif


Таким образом, при увеличении концентрации инициатора ускоряется процесс радикальной (инициированной) полимеризации с одновременным снижением средней степени полимеризации.


3.3.2 Ионная полимеризация

Если в радикальной полимеризации активным центром является радикал, то в ионной — ионы. Полимеризация, при которой ее активный центр — заряд иона — передается последовательно по макромолекулярной цепи при ее росте, называетсяионной полимеризацией.

Ионная полимеризация, как и радикальная, — цепной процесс. Однако растущая макромолекула при ионной полимеризации в отличие от радикальной представляет собой (в процессе роста) не свободный радикал, а ион — катион или анион. В зависимости от этого различаюткатионную (карбониевую) ианионную (карбанионную) полимеризацию.

Ионная полимеризация протекает в присутствии катализаторов, способствующих образованию ионов. Но в противоположность инициаторам они не входят в состав полимера, т. е. не расходуются в процессе полимеризации. Ионная полимеризация называется такжекаталитической полимеризацией.

Особенность ионной полимеризации — ее очень высокая скорость при низких температурах (от —50 до —70°С). Эта скорость зависит от полярности среды, в которой протекает полимеризация.

Ионная полимеризация, как и радикальная, протекает через три основные стадии.

Катионная (карбониевая) полимеризация. Этот тип полимеризации протекает через образование катионов.В этом случае используют катализаторы, обладающие электроноакцепторными свойствами. Присоединяя молекулу мономера, они образуют катион — ион карбония. В качестве веществ, катализирующих катионную полимеризацию, могут выступать кислоты и катализаторы Фриделя —Крафтса(hello_html_m1b465f76.gif и др.). Катионную полимеризацию можно ускорить с помощью добавок —сокатализаторов(вода, кислоты и другие вещества, являющиеся донорами протонов). Сокатализаторы существенно влияют на активность катализатора. В присутствии таких добавок катионную полимеризацию можно представить в виде следующих элементарных реакций (стадий).

  1. Инициирование. На этой стадии происходит взаимодействие катализатора (hello_html_31e27a44.gif) и сокатализатора (НВ) с образованием комплексного соединения, которое проявляет свойства сильной кислоты:


hello_html_5ed0cb65.gif


Эта кислота, отдавая протон молекуле мономера, превращает его в карбониевый ион, уравновешенный комплексным противоионом (ионная пара):


hello_html_508d75d2.gif

hello_html_m3e68b551.gif


Следует отметить, что сокатализаторами могут быть только те вещества, которые взаимодействуют с катализаторами. Роль сокатализатора во многом зависит от характера реакционной среды.

  1. Рост цепи. В процессе роста цепи поляризованные молекулы мономера присоединяются к растущему иону, «внедряясь» между макрокарбкатионом (со стороны его заряженной части) и противоположном hello_html_m190ce0e1.gif:


hello_html_ca6ea5c.gif


hello_html_5f5c4913.gif

hello_html_m3e68b551.gif


  1. Обрыв цепи. Рост цепи прекращается в результате отщепления (регенерации) от растущего иона комплексной кислоты или катализатора:


hello_html_3b981b55.gif

hello_html_m3e68b551.gif


hello_html_m4bca6616.gif


В результате обрыва цепи катализатор снова выделяется в свободном виде.

Суммарная скорость катионной полимеризации прямо пропорциональна концентрации катализатора, а средняя степень полимеризации от концентрации катализатора не зависит, но прямо пропорциональна концентрации мономера:

hello_html_63195790.gif, где [К] — концентрация катализатора; [М] — концентрация мономера.

По реакционной способности при проведении катионной полимеризации некоторые мономеры можно расположить в ряд:




hello_html_1de35e15.gif


hello_html_4446e996.gif


При распаде комплекса образуется смесь высокомолекулярных продуктов стереорегулярного строения:


hello_html_7b68c71a.gif


hello_html_m997d650.gif


Стереорегулярные полимеры (например, 1,4-цис-полиизопрен) образуются и при использовании литийорганических катализаторов (бутиллития, бутилнатрия и др.). При этом образование активного центра можно представить в виде


hello_html_m41174aa4.gif




Сополимеризация

Сополимеризация — процесс образования сополимеров совместной полимеризацией двух или нескольких различных по природе мономеров. Этим методом получают высокомолекулярные соединения с широким диапазоном физических и химических свойств. Например, в результате сополимеризации бутадиена с акрилонитрилом образуется бутадиеннитрильный каучук (СКН), обладающий высокой стойкостью к маслам и бензинам. Из него изготовляют уплотнительные прокладки для деталей, соприкасающихся с маслами и растворителями:


hello_html_m46943e0b.gif


Сополимеризацией изобутилена с изопреном получается бутилкаучук с высокой газонепроницаемостью:


hello_html_264a6804.gif


При сополимеризации мономеры могут вести себя несколько иначе, чем при их раздельной полимеризации. В этом случае проявляется взаимное влияние различных мономеров, в результате чего реакционная способность одного из них сильно зависит от природы второго. Процесс сополимеризации еще более усложняется, если в реакции принимают участие несколько мономеров.




3.3 Поликонденсация


Поликонденсация — процесс образования полимеров путем химического взаимодействия молекул мономеров, сопровождающийся выделением низкомолекулярных веществ (воды, хлороводорода, аммиака, спирта и др.).

В процессе поликонденсации происходит взаимодействие между собой функциональных групп, содержащихся в молекулах мономеров (—ОН, —СООН, —hello_html_m3db4f90c.gif, галогены, подвижный водород и др.). Мономеры, вступающие в реакцию поликонденсации, должны быть не менее чем бифункциональными.

Приведем примеры некоторых реакций поликонденсации. При реакции адипиновой кислоты с гексаметилендиамином на первой стадии образуется устойчивое соединение с той же функциональностью (т. е. бифункциональное):


hello_html_m93aad7a.gif


hello_html_m66158cee.gif


При дальнейшей поликонденсации процесс наращивания полимерной цепи может идти различными путями: или взаимодействием образовавшегося димера с одним или двумя различными мономерами, или реакцией между отдельными фрагментами будущего полимера:


hello_html_m1e25c303.gif

hello_html_m181a979.gif


В результате реакции образуется полиамид (полиамид-6,6).

Аминокислоты, реагируя друг с другом, также образуют полиамиды:


hello_html_m472ff05e.gif



Реакция между двухосновными кислотами и двухатомными спиртами приводит к получению полиэфиров, из которых наибольшее значение имеют полиэфиры на основе ароматических и непредельных двухосновных кислот:


hello_html_me9b8e0f.gif


Для ускорения реакции поликонденсации применяются катализаторы — органические и минеральные кислоты (уксусная, молочная, бензойная, соляная и серная).




Краткое описание документа:

Мономеры служат структурными единицами, «кирпичиками», из которых построены высокомолекулярные соединения. Основным источником мономеров являетсянефтехимический синтез, задача которого состоит в получении различных химических продуктов из нефти и газов (природных и попутных): синтетических моющих средств, растворителей, присадок, топлив, смазочных масел, аммиака, водорода и многих других. В промышленности нефтехимического синтеза используют в больших масштабах предельные, непредельные, ароматические и, в меньшей степени, нафтеновые углеводороды. При переработке нефтехимического сырья применяются процессы дегидрирования, изомеризации и циклизации, алкилирования, полимеризации и конденсации, а также галогенирования, нитрования, сульфирования, окисления и т. д

Общая информация

Номер материала: ДA-000712


Очень низкие цены на курсы переподготовки от Московского учебного центра для педагогов

Специально для учителей, воспитателей и других работников системы образования действуют 60% скидки (только до конца зимы) при обучении на курсах профессиональной переподготовки (124 курса на выбор).

После окончания обучения выдаётся диплом о профессиональной переподготовке установленного образца с присвоением квалификации (признаётся при прохождении аттестации по всей России).

Подайте заявку на интересующий Вас курс сейчас: KURSY.ORG

Похожие материалы

Только до конца зимы! Скидка 60% для педагогов на ДИПЛОМЫ от Столичного учебного центра!

Курсы профессиональной переподготовки и повышения квалификации от 1 400 руб.
Для выбора курса воспользуйтесь удобным поиском на сайте KURSY.ORG


Вы получите официальный Диплом или Удостоверение установленного образца в соответствии с требованиями государства (образовательная Лицензия № 038767 выдана ООО "Столичный учебный центр" Департаментом образования города МОСКВЫ).

Московские документы для аттестации: KURSY.ORG


Вам будут интересны эти курсы:

Курс повышения квалификации «Химия окружающей среды»
Курс профессиональной переподготовки «Химия: теория и методика преподавания в образовательной организации»
Курс профессиональной переподготовки «Управление персоналом и оформление трудовых отношений»
Курс «Гид-экскурсовод: Основы туристского сопровождения»
Курс повышения квалификации «Нанотехнологии и наноматериалы в биологии. Нанобиотехнологическая продукция»
Курс профессиональной переподготовки «Экскурсоведение: основы организации экскурсионной деятельности»
Курс повышения квалификации «Этика делового общения»
Курс повышения квалификации «Особенности подготовки к сдаче ОГЭ по химии в условиях реализации ФГОС ООО»
Курс профессиональной переподготовки «Биология и химия: теория и методика преподавания в образовательной организации»
Курс профессиональной переподготовки «Основы организации рекреационной деятельности и лечебного туризма»
Курс повышения квалификации «Современные образовательные технологии в преподавании химии с учетом ФГОС»
Курс повышения квалификации «Актуальные вопросы банковской деятельности»
Курс профессиональной переподготовки «Теория и методика музейного дела и Охраны исторических памятников»
Курс профессиональной переподготовки «Техническое сопровождение технологических процессов переработки нефти и газа»
Курс профессиональной переподготовки «Организация системы учета и мониторинга обращения с отходами производства и потребления»