Polimery

Polimery to bardzo duża i interesująca klasa związków chemicznych. Ich wykorzystanie w codziennym życiu ludzi sprawia, że jest ono łatwiejsze, komfortowe, a nawet bardziej higieniczne. Wiąże się to z z ich wielobranżowym wykorzystaniem. Wyróżniamy polimery naturalne i sztuczne. Te naturalne to oczywiście związki występujące naturalnie w przyrodzie. Należą do nich m.in. kauczuk naturalny, wielocukry (np. skrobia) oraz polipeptydy i białka.

Polimery sztuczne otrzymywane są w wyniku reakcji polimeryzacji. Wśród nich wyróżnia się: polimery łańcuchowe (np. PP, PE, PVC, PS, PLA, PU) i polimery kondensacyjne (np. nylon, PET, silikony).

Reakcja polimeryzacji

Polimeryzacja to reakcja, w wyniku której małe cząstki (zwane monomerami) łączą się w makrocząsteczki – polimery (łańcuchy lub sieci) – o masie cząsteczkowej przekraczającej $10000$ u. Monomerami mogą być cząsteczki, które posiadają wiązanie wielokrotne (najczęściej podwójne) lub dwie grupy funkcyjne.

Schematycznie polimeryzacja wygląda następująco:

RezYf89vfRbHW

Ilustracja przedstawia schemat reakcji polimeryzacji: n moli cząsteczek monomeru A ulega reakcji polimeryzacji, tworząc długi łańcuch złożony z merów A, połączonych liniowo. Jest to polimer. Inny zapis wzoru polimeru wykorzystuje nawiasy kwadratowe. Wewnątrz nawiasu znajduje się monomer A, który posiada wiązania pojedyncze wychodzące poza nawiasy. W indeksie dolnym względem nawiasu umieszczono literę n, oznaczającą, że mer w cząsteczce powtarza się n razy.

Czy tworzywo sztuczne to to samo, co polimer?

Tworzywo sztuczne i polimer to nie są synonimy. Otóż z chemicznego punktu widzenia polimer to wielkocząsteczkowy, organiczny związek chemiczny zbudowany z wielu ( > 10000) powtarzających się jednostek polimerowych, zwanych merami. Natomiast tworzywa sztuczne są to materiały utworzone poprzez połączenie polimerów z dodatkami, które w zależności od zastosowanych dodatków mają różne interesujące właściwości. Tworzywa sztuczne są integralnymi częściami naszego życia, ponieważ różnorodność polimerów i szereg różnych dodatków pozwala na otrzymywanie tworzyw sztucznych zaprojektowanych do ściśle określonych celów.

Jakie dodatki stosuje się do polimerów w celu otrzymania tworzyw sztucznych?

Tworzywa sztuczne

Do najbardziej uniwersalnych i wielofunkcyjnych materiałów w światowej gospodarce należą m.in. tworzywa sztuczne. Według danych opracowanych przez Our World in Data, w $2015$ r. globalna produkcja tworzyw sztucznych wyniosła $407$ mln ton, z czego około $302$ mln ton skończyło jako odpady. Opakowania stanowiły blisko połowę z nich, bo aż $141$ mln ton. Tworzywa sztuczne stały się podstawą nowoczesnego życia, a największym obszarem ich zastosowań jest właśnie produkcja pojemników (w $2015$ r. wyprodukowano $146$ mln ton opakowań z tworzyw sztucznych).

RhENNZ13IGuMs

Grafika przedstawia procentowe zużycie tworzyw sztucznych w Europie wg segmentów zastosowań w 2019 roku. Całkowite zapotrzebowanie na przetwórstwo tworzyw sztucznych w Europie wynosiło 50,7 mln ton. Udział procentowy w poszczególnych segmentach: opakowania: 39,6%; budownictwo: 20,4%;motoryzacja: 9,6%; przemysł elektryczny i elektroniczny: 6,2%; artykuły gospodarstwa domowego, odpoczynek, sport: 4,1%;rolnictwo: 3,4%; inne, m.in. budowa maszyn, meble, artykuły o przeznaczeniu medycznym: 16,7%

Do produkcji opakowań wykorzystuje się m.in. takie tworzywa sztuczne, jak polietylen (PE), polipropylen (PP), polistyren (PS), poli(chlorek winylu) (PVC), poli(metakrylan metylu) (PMMA),  poli(tereftalan etylenu) (PET). Przyjrzyjmy się bliżej każdemu z nich.

Polietylen (PE) to polimer etenu, a właściwości uzyskanego tworzywa różnią się w zależności od warunków przeprowadzenia reakcji (temperatury, ciśnienia, katalizatora).

RSeyiKxYIAQMs

Grafika przedstawiająca reakcję polimeryzacji etylenu. Cząsteczki zostały przedstawione za pomocą wzorów grupowych. N cząsteczek etylenu C H indeks dolny dwa koniec indeksu wiązanie podwójne C H indeks dolny dwa koniec indeksu (nazwa systematyczna: eten) pod wpływem odpowiedniej temperatury, ciśnienia i katalizatora prowadzi do otrzymania polietylenu o skrócie PE, nawias kwadratowy wiązanie pojedyncze C H indeks dolny dwa koniec indeksu wiązanie pojedyncze C H indeks dolny dwa koniec indeksu wiązanie pojedyncze zamknięcie nawiasu indeks dolny N koniec indeksu . Pod wzorami zostały zapisane nazwy związków biorących udział reakcji.

Polietylen o niskiej gęstości (PE‑LD) jest miękki, przezroczysty, giętki, bezwonny i przepuszczalny dla gazów. Z kolei polietylen o wysokiej gęstości (PE‑HD) jest twardszy i mniej przezroczysty niż PE‑LD, ma wyższą wytrzymałość mechaniczną i odporność chemiczną oraz wykazuje mniejszą przepuszczalność dla gazów. Polietylen jest uważany za bezpieczny dla organizmu człowieka, dlatego mogą być z niego wykonywane produkty do przechowywania żywności. Wykonuje się z niego m.in. zakrętki butelek, folię spożywczą czy woreczki foliowe.

Polipropylen (PP) to polimer propenu, który pod względem właściwości wykazuje podobieństwo do polietylenu. Obecnie jest jednym z najczęściej wykorzystywanych tworzyw sztucznych. Charakteryzuje go niska gęstość (niższa od gęstości wody) oraz duża odporność chemiczna.

RRE19RT2jSr90

Grafika przedstawiająca reakcję polimeryzacji propylenu. Cząsteczki zostały przedstawione za pomocą wzorów grupowych. N cząsteczek propylenu C H indeks dolny dwa koniec indeksu wiązanie podwójne C H wiązanie pojedyncze C H indeks dolny trzy koniec indeksu pod wpływem odpowiedniej temperatury, ciśnienia i katalizatora prowadzi do otrzymania polipropylenu o skrócie PP nawias kwadratowy wiązanie pojedyncze CH dwa wiązania pojedyncze, jedno w górę C H indeks dolny trzy koniec indeksu, drugie w prawo C H wiązanie pojedyncze, zamknięcie nawiasu indeks dolny n koniec indeksu . Pod wzorami zostały zapisane nazwy związków biorących udział reakcji.

PP jest bezbarwnym, bezwonnym materiałem, który jest fizjologicznie obojętny. Łatwość przetwórstwa i odporność na działanie wody oraz kwasów i większości rozpuszczalników organicznych. Znajduje zastosowanie w produkcji m.in. pojemniki do przechowywania żywności, elementy samochodowe, a nawet meble.

RmouoQxw2wZtX

Schemat przedstawiający właściwości i zastosowania PP w branży opakowań. W górnej części grafiki znajduje się model kulkowy fragmentu łańcucha polipropylenu, jego oznaczenie literowe oraz oznaczenie pojawiające się na opakowaniach wykonanych z polipropylenu - trzy strzałki, układające się w kształt trójkąta, grot każdej z nich skierowany jest do początku strzałki kolejnej. Pod spodem napis PP, a w środku trójkąta ze strzałek napis zero pięć. Model kulkowy polipropylenu to połączone ze sobą pojedynczymi kreskami 8 czerwonych, większych kulek, od których w górę odchodzą pojedyncze kreski , na których końcach znajdują się mniejsze, niebieskie kulki. W dół również odchodzą pojedyncze kreski, na których końcach znajdują się naprzemiennie kulki niebieskie, lub kulki czerwone połączone z trzema kulkami niebieskimi. Na dole grafiki znajdują się przykładowe produkty wykonane z PP, takie jak: skrzynki, pojemniki na żywność, pojemniki na kosmetyki, butelka dziecięca, tace do posiłków.

Polistyren (PS) także jest tworzywem powstającym w wyniku reakcji polimeryzacji. Jest twardym, kruchym, lekkim materiałem o bardzo niewielkiej elastyczności. W czystej postaci jest bezbarwny, ale może być w łatwy sposób barwiony. PS jest odporny na działanie wody, stężone kwasy nieutleniające i zasady, ale za to jest łatwopalny.

RZRuIFPGCwtVV

Grafika przedstawiająca reakcję polimeryzacji styrenu. Cząsteczki zostały przedstawione za pomocą wzorów grupowych. N cząsteczek styrenu przedstawionego jako sześciokąt foremny z naprzemiennie ułożonymi trzema wiązaniami podwójnymi z wychodzącą z jednego z kątów pojedynczą linią symbolizująca wiązanie pojedyncze, do którego dołączona jest grupa C H połączona wiązaniem podwójnym z grupą C H indeks dolny dwa koniec indeksu, pod wpływem odpowiedniej temperatury, ciśnienia i katalizatora prowadzi do otrzymania polistyrenu o skrócie PS przedstawionego jako jako sześciokąt foremny z naprzemiennie ułożonymi trzema wiązaniami podwójnymi z wychodzącą z jednego z kątów pojedynczą linią symbolizująca wiązanie pojedyncze, do którego dołączona jest grupa C H połączona wiązaniem pojedynczym z grupą C H indeks dolny dwa koniec indeksu. Od grup C H i C H indeks dolny dwa koniec indeksu odchodzą pojedyncze wiązania przecięte przez nawiasy kwadratowe, w których wzór się znajduje. W indeksie dolnym za nawiasem N. Pod wzorami zostały zapisane nazwy związków biorących udział reakcji.

Charakteryzuje się dużą trwałością i łatwością formowania. Znalazł zastosowanie m.in. do produkcji opakowań żywności, leków czy izolacji cieplnej lub elektrycznej. Najpowszechniejszym i najlepiej kojarzonym materiałem z tego polimeru jest styropian, czyli polistyren spieniony, wykorzystywany chociażby w budownictwie do ocieplania budynków.

RTgof0AJftfOb

Grafika będąca zestawieniem czterech zdjęć. Pierwsze z nich przedstawia fragment uformowanego styropianu, dwa kolejne przedstawiają pojemniczek wykonany z polistyrenu przystosowany do kontaktu z żywnością, czwarte zdjęcie przedstawia opakowanie na płytę CD. Na górze grafiki znajduje się symbol umieszczany na opakowaniach wykonanych z polistyrenu, czyli trzy strzałki z grotami skierowanymi do początku kolejnej strzałki układające się w kształt trójkąta, liczba 6 w środku trójkąta, oraz jego oznaczenie literowe, PS.

Doświadczenie 1

Czy istnieje sposób, by zmniejszyć ilość odpadów ze styropianu? Przeprowadź doświadczenie, w którym sprawdzisz, jak można doprowadzić do rozpadu polistyrenu. Sformułuj odpowiednie obserwacje i wnioski. Doświadczenie należy przeprowadzić pod wyciągiem.

Uwaga! Tego doświadczenia nie wolno wykonywać w warunkach domowych.

R15sFxlU5jvbY

Problem badawczy:. Hipoteza:. Co będzie potrzebne: ;. Instrukcja: 1.

Czy istnieje sposób, by zmniejszyć ilość odpadów ze styropianu? Przeprowadzono doświadczenie, w którym sprawdzono, jak można doprowadzić do rozpadu polistyrenu. Przeanalizuj przebieg doświadczenia, a następnie rozwiąż zamieszczone do niego zadania.

Problem badawczy:

W jaki sposób można zmniejszyć ilość odpadów ze styropianu?

Hipoteza:

Styropian można spalić lub roztworzyć w niektórych rozpuszczalnikach.

Co było potrzebne:

• próbki styropianu;

• trójnóg;

• palnik;

• metalowe szczypce;

• probówka z octanem etylu (etanianem etylu);

• probówka z acetonem (propanonem);

• probówka ze stężonym wodnym roztworem kwasu siarkowego($\text{VI}$);

• probówka ze stężonym wodnym roztworem wodorotlenku sodu.

Wykonywane czynności:

$1$. Próbkę styropianu umieszczono w płomieniu palnika za pomocą metalowych szczypiec. Zapaloną próbkę wyjęto z płomienia palnika i obserwowano zmiany towarzyszące spalaniu tego tworzywa. $2$. Próbki styropianu wprowadzono do probówek, które zawierają kolejno: octan etylu (etanian etylu; zmywacz do paznokci), aceton (propanon; rozpuszczalnik stosowany przez kosmetyczki), stężony wodny roztwór kwasu siarkowego($\text{VI}$) i stężony wodny roztwór wodorotlenku sodu. $3$. Obserwowano zachodzące zmiany.

Obserwacje:

$1$. Próbka styropianu, po wprowadzeniu do palnika, nadtapia się i spala żółtym, silnie kopcącym płomieniem, który utrzymuje się również po wyjęciu próbki z palnika. Spalaniu się styropianu towarzyszy słodkawy zapach. $2$. Próbka styropianu roztwarza się w zlewkach, które zawierają octan etylu i aceton. Z kolei w zlewkach ze stężonymi roztworami ${\text{H}}_2{\text{SO}}_4$ i $\text{NaOH}$ nie zaobserwowano żadnych zmian.

Wnioski:

$1$. Styropian jest tworzywem łatwopalnym. Kopcący płomień świadczy o tym, że w strukturze cząsteczki znajdują się nienasycone wiązania lub pierścienie aromatyczne, a spalanie przebiega w sposób niecałkowity. Podczas spalania styropianu dochodzi do powstania mieszaniny szkodliwych związków chemicznych, dlatego ten proces nie jest bezpieczny dla zdrowia i środowiska i nie wolno go przeprowadzać w warunkach domowych. $2$. Styropian roztwarza się rozpuszczalnikach organicznych, takich jak aceton i octan etylu, jest jednak odporny na działanie stężonych kwasów nieutleniających oraz stężonych zasad.

Podsumowanie:

Styropian nadtapia się i pali żółtym, silnie kopcącym płomieniem, a towarzyszący temu procesowi zapach jest słodkawy. Polistyren roztwarza się w octanie etylu i acetonie, natomiast nie ulega działaniu stężonego wodnego roztworu kwasu siarkowego($\text{VI}$) ani stężonego wodnego roztworu wodorotlenku sodu. Ze względu na powstawanie mieszaniny substancji chemicznych. które zawierają szkodliwe substancje, styropianu nie można spalać w piecach ani roztwarzać w rozpuszczalnikach na własną rękę.

R1QzVngUVdCcB

Film przedstawia szereg doświadczeń chemicznych mających na celu zbadanie właściwości polistyrenu. W pierwszym doświadczeniu badana jest jego palność, w drugim rozpuszczalność w wybranych rozpuszczalnikach. Dodatkowo wskazane zostały zagrożenia związane z użyciem rozpuszczalników wykorzystywanych w doświadczeniu.

Film przedstawia szereg doświadczeń chemicznych mających na celu zbadanie właściwości polistyrenu. W pierwszym doświadczeniu badana jest jego palność, w drugim rozpuszczalność w wybranych rozpuszczalnikach. Dodatkowo wskazane zostały zagrożenia związane z użyciem rozpuszczalników wykorzystywanych w doświadczeniu.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1QzVngUVdCcB

Film przedstawia szereg doświadczeń chemicznych mających na celu zbadanie właściwości polistyrenu. W pierwszym doświadczeniu badana jest jego palność, w drugim rozpuszczalność w wybranych rozpuszczalnikach. Dodatkowo wskazane zostały zagrożenia związane z użyciem rozpuszczalników wykorzystywanych w doświadczeniu.

1

Polecenie 1

R1GqLeBTnkVGz

Obserwacje: (Uzupełnij). Wnioski: (Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Obserwacje:

$1$. Zaobserwuj, czy próbka zapala się od razu, czy może się topi. Jaką barwę przyjmuje płomień palnika? Czy temu procesowi towarzyszy jakiś zapach? Czy płomień jest kopcący, czy utrzymuje się również po wyjęciu próbki z płomienia palnika? $2$. W jaki sposób próbka styropianu zachowywała się w zlewkach z różnymi cieczami? Czy we wszystkich zlewkach zaobserwowane zmiany były takie same? Jeżeli nie, to o jakich właściwościach polistyrenu może to świadczyć?

Wnioski:

$1$. Na jakiej właściwości fizycznej styropian opiera się to doświadczenie? O jakich elementach strukturalnych cząsteczki polimeru może świadczyć kopcący płomień? Czy w związku z tym spalanie styrenu jest bezpieczne? $2$. Na jakie czynniki chemiczne odporny jest styropian?

Pokaż odpowiedź

Obserwacje:

$1$. Próbka styropianu, po wprowadzeniu do palnika, nadtapia się i spala żółtym, silnie kopcącym płomieniem, który utrzymuje się również po wyjęciu próbki z palnika. Spalaniu się styropianu towarzyszy słodkawy zapach. $2$. Próbka styropianu roztwarza się w zlewkach, które zawierają octan etylu i aceton. Z kolei w zlewkach ze stężonymi roztworami ${\text{H}}_2{\text{SO}}_{4 }$ i $\text{NaOH}$ nie zaobserwowano żadnych zmian.

Wnioski:

$1$. Styropian jest tworzywem łatwopalnym. Kopcący płomień świadczy o tym, że w strukturze cząsteczki znajdują się nienasycone wiązania lub pierścienie aromatyczne, a spalanie przebiega w sposób niecałkowity. Podczas spalania styropianu dochodzi do powstania mieszaniny szkodliwych związków chemicznych, dlatego ten proces nie jest bezpieczny dla zdrowia i środowiska i nie wolno go przeprowadzać w warunkach domowych. $2$. Styropian roztwarza się rozpuszczalnikach organicznych, takich jak aceton i octan etylu, jest jednak odporny na działanie stężonych kwasów nieutleniających oraz stężonych zasad.

Podsumowanie:

Styropian nadtapia się i pali żółtym, silnie kopcącym płomieniem, a towarzyszący temu procesowi zapach jest słodkawy. Polistyren roztwarza się w octanie etylu i acetonie, ale nie ulega działaniu stężonego wodnego roztworu kwasu siarkowego($\text{VI}$) ani stężonego wodnego roztworu wodorotlenku sodu. Ze względu na powstawanie mieszaniny substancji chemicznych, które zawierają szkodliwe substancje, styropianu nie można spalać w piecach ani roztwarzać w rozpuszczalnikach na własną rękę.

1

Polecenie 1

R1JLPEocliJGf

Odpowiedź: (Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Przypomnij sobie, jakie wnioski wyciągnięto z przeprowadzonego doświadczenia. Jak zbudowana jest cząsteczka polistyrenu?

Pokaż odpowiedź

Spalanie lub rozpuszczanie polistyrenu będzie prowadzić do powstania niebezpiecznych dla zdrowia związków chemicznych, w tym związków aromatycznych, które mogą mieć działanie rakotwórcze.

Poli(chlorek winylu) (PVC lub PCW) to polimer otrzymywany w wyniku polimeryzacji chlorku winylu (chloroetenu).

Rx9Bn2tU9CkeU

Grafika przedstawiająca reakcję polimeryzacji chlorku winylu. Cząsteczki zostały przedstawione za pomocą wzorów grupowych. N cząsteczek chlorku winylu CH indeks dolny dwa koniec indeksu wiązanie podwójne C H wiązanie pojedyncze C L pod wpływem odpowiedniej temperatury, ciśnienia i katalizatora prowadzi do otrzymania poli(chlorku winylu) wiązanie pojedyncze C H indeks dolny dwa koniec indeksu wiązanie pojedyncze C H wiązanie pojedyncze w prawo, wiązanie pojedyncze w dół C L o skrócie PVC. Cały wzór zamknięty w nawiasie kwadratowym, indeks dolny n koniec indeksu. Pod wzorami zostały zapisane nazwy związków biorących udział reakcji.

Ten pozbawiony smaku i zapachu polimer charakteryzuje się dużą wytrzymałością  mechaniczną i odpornością chemiczną. Jest obojętny na działanie szeregu rozpuszczalników, w tym alkoholi i olei mineralnych (mieszanin różnorodnych płynnych węglowodorów), a także na działanie stężonych kwasów i zasad. Wykorzystuje się go w produkcji m.in. stolarki okienno‑drzwiowej, rur, wykładzin, a nawet strzykawek, cewników i drenów stosowanych w medycynie.