Przeczytaj

bg‑cyan

Polimery

PolimerypolimerPolimery 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.

RWvE5E3OKTbKi1

Wzór półstrukturalny – izopren i poliizopren

Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

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

bg‑cyan

Przykładowe zastosowania polimerów łańcuchowych

Rodzaj polimeru	Nazwa systematyczna	Przykładowe zastosowania
PP	polipropylen	Rda1lbBRsm7yK Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna. przemysł włókienniczy	RoyW34SOzbVUd Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna. przemysł meblarski	R11joRjHMeprz Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna. przemysł chemiczny i farmaceutyczny
PE	polietylen	R15XeKEgXHvcG Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna. produkcja zabawek	Rpnw9jzKZcuJd Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna. produkcja butelek	RZbXvBngKHOtt Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna. produkcja kanistrów
PS	polistyren	R1UUSw7nv7ujV Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna. szczoteczki do zębów	Rzw7u95CUMOQh Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna. styropian	RCc1grEnlpt9i Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna. elementy sprzętów AGD
PVC	polichlorek winylu	R1Pj9agK7iINo Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna. izolacja kabli	R12RaivJJggxA Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna. dachówki	RL3a8yQI03eaQ Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna. rury kanalizacyjne
PLA	polilaktyd	R1OWCSDhTrU3B Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna. nośniki leków	R4Wq1Udge71Kz Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna. implantologia	R17Fh9FtWFrGd Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna. plastikowe opakowania, słomki, kubki

bg‑cyan

Reakcja polimeryzacji

Polimeryzacja to reakcja, w wyniku której małe cząstki (zwane monomeramimonomermonomerami) 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. — Schemat reakcji polimeryzacji
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑cyan

Rodzaje reakcji, w których powstają polimery

Istnieje wiele różnych rodzajów polimeryzacji. Ogólnie polimery możemy otrzymywać na drodze m.in.:

RBcuEEl8dy4qo1

Dany rodzaj mechanizmu polimeryzacji jest zależny od zastosowanego inicjatorainicjator polimeryzacjiinicjatora i rodzaju monomeru. Niezależnie od tego, każda reakcja polimeryzacji składa się z trzech etapów. Poniższy przykład dotyczy polimeryzacji rodnikowej.

bg‑cyan

Inicjacja polimeryzacji

Inicjacja jest to najwolniejszy etap reakcji polimeryzacji. W nim rozpoczyna się polimeryzacja.

I \overset{k_{d}}{\to} 2 R^{.}

$I$ – inicjator reakcji;

$R^{.}$ – rodnik inicjujący reakcję polimeryzacji;

$k_{d}$ – stała szybkości reakcji.

Przykład 1

Nadtlenek benzoilu, jako inicjator, zastosowany został do polimeryzacji:

RojlN5QyEg0xB

ilustracja przedstawia schemat reakcji otrzymywania rodników do inicjacji reakcji polimeryzacji z nadtlenkiem benzoilu. Po lewej stronie równania znajduje się cząsteczka nadtlenku benzoilu: sześcioczłonowy pierścień aromatyczny połączony z atomem węgla, tworzącym wiązanie podwójne z jednym atomem tlenu i wiązanie pojedyncze z drugim atomem tlenu.Ten atom tlenu tworzy wiązanie z kolejnym atomem tlenu, połączonym wiązaniem pojedynczym z atomem węgla. Ten atom tworzy wiązanie podwójne z atomem tlenu i wiązanie pojedyncze z atomem węgla sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego. Strzałki symbolizujące reakcję to dwie poziome strzałki: górna skierowana w prawo, dolna w lewo a nad nimi gracka litera delta. W wyniku reakcji powstają dwie cząsteczki rodnika benzoilowego, budowa: sześcioczłonowy pierścień aromatyczny połączony z atomem węgla, tworzącym wiązanie podwójne z jednym atomem tlenu i wiązanie pojedyncze z drugim atomem tlenu, który posiada niesparowany elektron. Obie cząsteczki są ujęte w nawias kwadratowy. — Schemat przedstawia reakcję otrzymywania rodników do inicjacji reakcji polimeryzacji z nadtlenku benzoilu.
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Powstały w czasie inicjacji rodnik przenosi niesparowany elektron na cząsteczkę monomeru i tworzy rodnik startowy:

R^{.} + M \to {RM}^{.}

R1X7AdVAsRZO1

Ilustracja przedstawia otrzymywanie rodnika startowego. Po lewej stronie jedna cząsteczka rodnika benzoilowego budowa: sześcioczłonowy pierścień aromatyczny połączony z atomem węgla, tworzącym wiązanie podwójne z jednym atomem tlenu i wiązanie pojedyncze z drugim atomem tlenu, który posiada niesparowany elektron. Reaguje z jedną cząsteczką alkenu zbudowaną z grupy metylenowej połączonej za pomocą wiązania podwójnego z grupą CH podstawioną grupą R. W wyniku tej reakcji powstaje następujący rodnik: sześcioczłonowy pierścień aromatyczny połączony z atomem węgla, tworzącym wiązanie podwójne z jednym atomem tlenu i wiązanie pojedyncze z drugim atomem tlenu, który tworzy wiązanie z łańcuchem: grupa metylenowa wiązanie pojedyncze grupa CH posiadającą niesparowany elektron w postaci kropki i podstawioną grupą R. — Schemat reakcji przedstawia otrzymywanie rodnika startowego.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑cyan

Propagacja polimeryzacji

Propagacja to szybki etap polimeryzacji. Następuje w nim wzrost łańcucha polimeru.
Rodniki startowe reagują z kolejnymi cząsteczkami monomeru:

{RM}^{.} + n M \to {RM}_{n + 1}^{.}

Przykład 2

R1AX2MUKdtbkj

Ilustracja przedstawia etap propagacji reakcji polimeryzacji. Po lewej stronie równania jedna cząsteczka rodnika reaguje z alkenem. Budowa rodnika: sześcioczłonowy pierścień aromatyczny połączony z atomem węgla, tworzącym wiązanie podwójne z jednym atomem tlenu i wiązanie pojedyncze z drugim atomem tlenu. Atom tlenu tworzy wiązanie z łańcuchem: grupa metylenowa wiązanie pojedyncze grupa CH wiązanie pojedyncze R. Przy grupie CH znajduje się niesparowany elektron. Budowa alkenu: grupa metylenowa wiązanie podwójne grupa CH wiązanie pojedyncze R. W wyniku tej reakcji powstaje następujący związek: sześcioczłonowy pierścień aromatyczny połączony z atomem węgla, tworzącym wiązanie podwójne z jednym atomem tlenu i wiązanie pojedyncze z drugim atomem tlenu. Ten atom tworzy wiązanie z łańcuchem: grupa metylenowa wiązanie pojedyncze CH, wiązanie pojedyncze grupa CH, w dół wiązanie do R, wiązanie pojedyncze do grupy metylenowej, wiązanie pojedyncze grupa CH - tu znajduje się niesparowany elektron. Grupa ta w dół łączy się z grupą R. — Schemat przedstawia etap propagacji reakcji polimeryzacji.
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Terminalne (końcowe) grupy, utworzone przez inicjatory, usuwane są z materiałów polimerowych w wyniku różnych procesów, np.: wymywania (w różnicującym rozpuszczalniku), utleniania, pirolizy, redukcji.

bg‑cyan

Terminacja polimeryzacji

Terminacja to zakończenie łańcucha polimerowego. Ten etap może przebiegać na drodze dysproporcjonowania lub rekombinacji. Podczas dysproporcjonowania atom wodoru z jednego makrorodnika jest przenoszony na drugi, co w efekcie daje dwie nieaktywne makrocząsteczki (jedna z wiązaniem podwójnym).

Przykład 3

RlpKsdisVujbV

Ilustracja przedstawia reakcję terminacji na drodze dysproporcjonowania. Cząsteczki umieszczone w tym równaniu posiadają jedno wiązanie, które jest pofalowane: symbolizuje ono pominięty fragment cząsteczki w celu uproszczenia rysunku. Równanie: dwie cząsteczki zbudowane: pofalowane wiązanie grupa metylenowa wiązanie pojedyncze grupa CH, wiązanie w dół do R. Przy grupie CH znajduje się niesparowany elektron. Od grupy metylenowej w pierwszej cząsteczce do grupy CH w drugiej cząsteczce poprowadzono łukiem strzałkę. Cząsteczki te reagują ze sobą, tworząc alken: pofalowane wiązanie CH wiązanie podwójne CH grupa R dodać alkan pofalowane wiązanie grupa metylenowa wiązanie pojedyncze grupa metylenowa, wiązanie w dół do R. — Schemat przedstawia reakcję terminacji na drodze dysproporcjonowania.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

W wyniku rekombinacji dwa makrorodniki łączą się w jeden.

Przykład 4

R1ORSssoJKA1N

Ilustracja przedstawia reakcję terminacji na drodze rekombinacji. Cząsteczki umieszczone w tym równaniu posiadają jedno wiązanie, które jest pofalowane: symbolizuje ono pominięty fragment cząsteczki w celu uproszczenia rysunku. Równanie: dwie cząsteczki zbudowane: pofalowane wiązanie grupa metylenowa wiązanie pojedyncze grupa CH. Grupa w dół łączy się z R. W grupach CH występuje jeden niesparowany elektron w atomie węgla. Reagują ze sobą, tworząc alken: pofalowane wiązanie grupa metylenowa wiazanie pojedyncze CH, wiązanie w dół do R, wiązanie w prawo do CH, wiązanie w dół do R, wiązanie w prawo do grupy metylenowej, wiązanie pofalowane. — Schemat przedstawia reakcję terminacji na drodze rekombinacji.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 1

Zapisz schemat reakcji, w wyniku której powstaje polipropylen (PP).

RqNzMZljzBO7o

R9AzOFhevSIKx

Ćwiczenie 1

Ciekawostka

R1H6Shg7q1wqY

Ilustracja przedstawia schemat reakcji wulkanizacji kauczuku naturalnego. Wzór kauczuku naturalnego: wiązanie pojedyncze grupa metylenowa wiązanie pojedyncze C wiązanie podwójne w górę grupa metylowa wiązanie od atomu węgla w prawo grupa CH wiązanie pojedyncze grupa metylenowa. Dwie cząsteczki kauczuku naturalnego reagują z siarką w podwyższonej temperaturze. Atom siarki tworzy wiązanie pomiędzy atomami węgla, wcześniej połączonymi wiązaniem podwójnym, pochodzącymi z różnych cząsteczek. — Schemat przedstawia reakcję wulkanizacji kauczuku naturalnego.
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

W wyniku wulkanizacji naturalnego kauczuku powstaje guma. Proces ten polega na sieciowaniu polimeru poprzez addycję siarki do zawartych w nim wiązań podwójnych.

Słownik

polimeryzacja

reakcja łączenia się małych cząsteczek zawierających wiązania wielokrotne – monomerów w duże związki – polimery (łańcuchowe lub sieciowe), które posiadają wielokrotnie większe masy cząsteczkowe; do jej przeprowadzenia stosuje się katalizatory i czasem także wysokie ciśnienie

mer

najmniejszy powtarzający się w polimerze fragment łańcucha

inicjator polimeryzacji

związek chemiczny, który jest zdolny do wytworzenia wysokoenergetycznych rodników na skutek rozpadu termicznego, kwantu światła lub reakcji redoks

monomer

(gr. „pojedyncza cząsteczka”) związek, którego cząsteczki mogą ulegać polimeryzacji

oligomer

jednostka strukturalna, przejściowa (przed polimerem właściwym), złożona z jednakowych merów w ilości od $1000$ do $l0000$

polimer

związek wielkocząsteczkowy, w postaci łańcucha lub sieci powtarzających się merów w ilości od $l0000$ do $l000000$ i więcej

Bibliografia

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Węglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Kompendium terminologii oraz nazewnictwa związków organicznych. Poradnik dla nauczycieli i uczniów, Kraków 2020.

Otrzymywanie i odyfikacja wybranych makrocząsteczek, online: http://www.chorg.ump.edu.pl/images/materialy/Cwiczenie_9_i_10_-2020.pdf, dostęp: 20.09.2021.

Wprowadzenie

Audiobook

Polimery

Przykładowe zastosowania polimerów łańcuchowych

Reakcja polimeryzacji

Rodzaje reakcji, w których powstają polimery

Inicjacja polimeryzacji

Propagacja polimeryzacji

Terminacja polimeryzacji

Słownik

Bibliografia