Что такое реакция полимеризации? Реакция полимеризации: уравнение и примеры

Долгое время люди пытались постичь все невероятные возможности, которые предлагает химическая наука. Однако большинство очень важных с технической точки зрения реакций просто не могли быть осуществлены из-за отсутствия нужного оборудования, его просто еще не сконструировали.

Время шло, человеческий мозг выдавал новые решения проблемы. Появились самые невероятные устройства, технические средства, которые позволили химии вступить в новую эру - время изделий из полимерных материалов, которые дает нам реакция полимеризации. Примеры таких предметов крайне многочисленны: начиная с канализационных труб и заканчивая мелкими бытовыми принадлежностями (полиэтиленовые пакеты, посуда, игрушки, упаковки и прочее).

История открытия

До XIX века о подобных взаимодействиях не слышал никто. Это было связано с тем, что сами вещества, способные полимеризоваться, были неизвестны. Однако уже к середине этого столетия были получены:

• метакриловая кислота;
• изопрен;
• винилхлорид;
• стирол и другие.

Стало понятно, какими свойствами могут обладать эти соединения. Появились первые попытки доказать опытным путем, что любое из вышеперечисленных веществ в реакцию полимеризации вступает весьма охотно, и образуются при этом ценные и необычные продукты.

С этих самых пор данные процессы стали осуществляться масштабно, однако суть их была все еще не ясна. Пролить свет на загадку о том, как осуществляется реакция полимеризации, сумели ученые.

Вклад ученых в развитие знаний о полимерах

Назовем самые громкие имена в истории полимерных исследований.

1. К. Циглер - немецкий химик, внесший огромный вклад в развитие знаний о полимерах, металлорганических соединениях, механизмах процессов реакций. Стал лауреатом самой знаменитой премии в области науки.
2. Г. Штаудингер - немецкий ученый, химик-практик. Указал на природу химических связей в полимерах, открыл одну из реакций, названную его именем.
3. Б. В. Бызов - отечественный ученый. Первым разработал технику синтеза каучука из продуктов нефтепереработки.
4. С. В. Лебедев - русский ученый, химик-синтетик. Первым организовал школу для изучения органических соединений. Работая в команде со своими коллегами, разработал способ получения каучука в промышленных масштабах.

Что такое реакция полимеризации, на чем она основана и как осуществляется? Все это изучили и подробно изложили эти великие химики. С тех самых пор, то есть с XX века, синтезы полимерных соединений получили широкое распространение и начали новую эпоху в становлении и развитии.

Реакция полимеризации: общее понятие

Если давать общую характеристику данным взаимодействиям, то в первую очередь следует отметить способность не всех соединений вступать в такие синтезы. Из неорганических соединений реакция полимеризации характерна для следующих веществ:

• пластическая сера;
• черный и красный фосфор;
• поликумулен и карбин;
• полифосфаты;
• селен и теллур особого цепочечного строения;
• кремниевая кислота и ее оксид;
• многие природные сетчатые полимеры, входящие в состав земной коры.

Данные соединения сами по себе представляют полимерные структуры. Если же говорить непосредственно о самих реакциях, в результате которых получаются продукты полимерного строения, то здесь исходными веществами служат те органические соединения, в строении которых есть хотя бы одна кратная связь. Неважно, двойная, тройная или две двойные и так далее.

Таким образом, в реакцию полимеризации вступает вещество, уязвимое по месту кратной связи. Именно эта особенность заставляет соединения быстро разрушать первоначальную структуру и преобразовываться в совершенно новые комбинации. Исходными молекулами из органических соединений могут быть:

• алкены;
• алкины;
• алкадиены;
• альдегиды;
• галогенуглеводороды с кратной связью;
• производные бензола;
• кетоны.

С каждым годом появляются все новые открытия в данной области, и реакция полимеризации становится возможной между огромным количеством веществ.

Что же по своей природе представляют собой подобные взаимодействия? Процесс сводится к уплотнению молекулы и формированию множественных дополнительных углеродных связей между частицами. Другими словами, реакция полимеризации - это соединение более простых исходных звеньев, называемых мономерными, в сложную макроструктуру - полимер.

Все названные выше органические и неорганические вещества - это как раз мономеры, которые в результате взаимодействия под влиянием определенных условий преобразуются в полимерные, крупные и длинные цепи. Молекулярная масса продукта может быть поистине огромной, достигая нескольких десятков и сотен тысяч единиц.

Из описанных примеров очевидно, что, например, реакция полимеризации алканов невозможна, так как природа этих углеводородов не располагает к разрыву связей и уплотнению структуры.

Примеры полимеров

Понять, насколько важны и значимы данные взаимодействия и в природе, и в жизни человека, можно, если привести примеры продуктов, которые дает реакция полимеризации. К ним относятся такие вещества, как:

• нуклеиновые кислоты;
• белки;
• полисахариды;
• каучуки;
• резины;
• стекло;
• керамика;
• волокна;
• пластмассы и многие другие.

Становится понятно, почему так важна реакция полимеризации. Примеры отчетливо демонстрируют, что без нее невозможно существование самой жизни. Да и если говорить о комфорте, окружающем человека, то без полимерных материалов он многого был бы лишен.

Классификация реакций

В основе распределения рассматриваемых реакций на группы могут лежать разные признаки. Рассмотрим классификацию по некоторым из них.

По характеру мономерных звеньев реакция полимеризации может быть двух типов:

1. Гомополимеризация, когда в синтезе принимают участие одинаковые исходные звенья - мономеры. Так осуществляют получение поливинилхлорида, полиэтиленов разного давления, полипропиленовых материалов.
2. Сополимеризация основана на использовании разных мономерных структур. Так синтезируют некоторые виды каучуков, резины.

По типу начала реакции, то есть ее инициирования, выделяются:

• фотополимеризация;
• термическая;
• под действием радиационного излучения.

По особенностям технологического выполнения процесса можно выделить стереорегулярные реакции, а также те, что проходят только при высоком давлении.

Механизм протекания

Суть происходящего при процессах превращения мономеров в полимеры достаточно сложна. Постараемся описать основные моменты и стадии.

1. Для начала необходимо образование высокореакционноспособных частиц - радикалов. Их формирование вызывают специальные катализаторы - инициаторы процесса (перекись водорода, органические гидроперекиси и так далее).
2. Затем происходит связывание радикалов по месту разрыва двойной связи, и начинается рост всей макроцепи.
3. Последним этапом наступает обрыв структуры благодаря компенсированию всех валентностей элементов в соединениях. Часто, чтобы управлять получаемыми продуктами, обрыв цепи делают искусственно. Так можно получить дополнительные низкомолекулярные вещества, более чистый полимер.

Именно поэтому реакция полимеризации характерна для соединений именно с кратными связями.

Полимеризация непредельных углеводородов

К таким соединениям относятся:

• алкены - двойная связь;
• алкины - тройная связь;
• алкадиены - две двойные;
• их галогенпроизводные.

В зависимости от того, какой именно продукт требуется получить, выбирают исходный мономер. Самыми первыми и успешными стали синтезы каучуков и полиэтиленов. Современные люди используют пакеты как тару под мусор, упаковочный материал, пленки для теплиц и во многих других областях. Однако даже не задумываются о том, как же получают это удивительное вещество и почему оно может быть таким разным. Оказывается, в основе лежит реакция полимеризации этилена. То есть исходный мономер - алкеновый углеводород, состоящий из двух атомов углерода. Его эмпирическая (молекулярная) формула - С₂Н₄. Именно он вступает в процесс гомополимеризации с образованием соответствующего продукта - полиэтилена разного качества.

Уравнение реакции выглядит так:

n(CH₂=CH₂) → (-CH₂ - CH₂-)_n, где

n - это степень полимеризации мономера, указывающая число исходных звеньев и затем их же число в составе макроцепи.

В зависимости от условий реакции, температуры, катализатора можно получать полиэтилены высокого и низкого давления. По своим свойствам они будут очень различны.

Получение каучуков

Впервые о получении в нашей стране такого важного и ценного полимера, как каучук, заговорили в советское время. Именно тогда С. В. Лебедев и придумал способ, ставший легендарным, - получение синтетического изомера природного каучука на основе алкадиена изопрена. Само сырье при этом ученый нашел способ синтезировать из этилового спирта, получаемого из растительной основы. Таким образом, были решены проблемы дороговизны продукции, стало возможным получать каучук в лаборатории.

Схематично реакцию можно изобразить так: изопрен → изопреновый каучук. Другое название изопрена - 2-метилбутадиен-1,3. Одна из двух двойных связей участвует в процессе образования макромолекулы каучука.

Получение резины

Реакция полимеризации этилена (изопрена, хлоризопрена) очень важна. Однако наиболее значимой является реакция сшивания полимера каучука с серой специальным способом. Данный процесс получил название "вулканизация". Результатом является резина, имеющая огромное хозяйственное и промышленное значение.

Полимеризация стирола

Производные бензола, такие как, например, стирол, также способны полимеризоваться (в отличие от предельных соединений, которые к этому не приспособлены). Так, реакция полимеризации алканов невозможна в силу их низкой химической активности и устойчивости молекулы.

Стирол же имеет в наличии кратные связи, поэтому легко преобразуется в полистирол. Данный материал применяется для изготовления упаковочных материалов, одноразовой посуды, игрушек, изоляционных материалов и прочих предметов.