Автор: Шульпин Г.Б.
Теги: химия
Текст
ЭТИ РАЗНЫЕ ПОЛИМЕРЫ Кандидат химических наук Г. ШУЛЬПИН. Был век каменный, был век бронзовый, потом — железный. Мы живем, безусловно, в век полимерных материалов. Представить нашу жизнь без полимеров невозможно — без пластмасс, заменяющих дерево и ме- талл, без волокон, используемых для изго- товления тканей и канатов... Но что такое полимеры? Это не просто очень длинные, очень большие молекулы. (Углеводород СвоН^г имеет молекулу весь- ма длинную, но к полимерам этот парафин не относят.) К полимерам принадлежат такие вещест- ва, молекулы которых состоят из повторя- ющихся звеньев, а число таких звеньев ве- лико и неопределенно. Что значит неопре- деленно? Это значит, что в одной молекуле их может быть три тысячи, а в другой — три тысячи пятьсот, в третьей — две с по- ловиной тысячи. В среднем же число звень- ев в молекулах такого полимера будет при- мерно три тысячи. Полимеров сегодня известно великое мно- жество. Их можно разделить на три класса: полимеры природные (выделенные из при- родных продуктов), искусственные (то есть полученные воздействием каких-то хими- ческих реагенов на природные полимеры) и, наконец, синтетические (полученные на хи- мических заводах из веществ небольшого молекулярного веса, называемых мономера- ми, молекулы которых становятся звенья- ми полимерных цепей). Природные и синте- тические полимеры могут иметь примерно одинаковое строение. Поэтому синтетиче- ские материалы часто имеют свойства, по- хожие на свойства природных полимеров. Внутри каждого из этих классов полиме- ры можно расклассифицировать по разным признакам — например, разделить на пласт- массы, волокна, пленки. Можно относить материалы к тому или иному подразделу в зависимости от устойчивости, скажем, к нагреву или кислотам. Здесь мы положим в основу классификации химическое строе- ние, рассортируем известные полимеры в соответствии с тем, из каких группировок построены полимерные цепи. Наиболее просто устроены полимеры, от- носящиеся к классу так называемых карбо- цепных соединений — цепной остов их моле- кул составлен только атомами- углерода, а те соединены только с водородными или опять-таки с углеродными атомами. Тако- вы полиэтилен и полипропилен. (Отметим характерные особенности хими- ЛАБОРАТОРИЯ ЛЮБИТЕЛЯ НАУКИ сн2=сн2 L-CH2-CH2-]n этилен сн3 СН=СН2 пропилен полиэтилен сн3 [-СН-СН2-]П полипропилен ческих формул, обозначающих полимеры: в квадратных скобках показано строение эле- ментарного звена полимерной цепи, а ин- декс п выражает последовательное много- кратное повторение этой группировки в молекуле полимера.) Полиэтилен широко применяется в бы- ту — из него делают прозрачную белова- тую пленку, он идет на изготовление изоля- ционных материалов для радиотехнических устройств, им пропитывают ткани, бумагу. Из полипропилена делают весьма прочное волокно. При обычной температуре эти ма- териалы не растворяются ни в каких раство- рителях, но стоит погрузить их в четырех- хлористый углерод или толуол и поднять температуру до 80° С, как они начнут на- бухать, а затем растворяться. Полиэтилен легко отличить от других по- лимерных материалов. Внесите кусочек по- лиэтиленовой пленки в пламя газовой го- релки. Полиэтилен расплавится, будет сте- кать каплями, затем загорится сначала го- лубоватым, потом желтым пламенем. При этом вы ощутите запах парафина. Зто и неудивительно — полиэтилен и парафин имеют одинаковый состав. СН2=СН [-СН2-СН-]П стирол полистирол Если в этилене один из атомов водорода заменить на фенильное кольцо, получится стирол, который легко полимеризируется в полистирол. Этот полимер применяют в ка- честве электроизоляционного материала, из него делают легкий пенопласт. Полистирол размягчается при нагревании уже до 80° С. Если к кусочку полистирола поднести пла- мя горелки или спички, он быстро воспла- менится и будет гореть желтым коптящим пламенем, выделяя пары с характерным сладковатым запахом. Нагрейте в пробирке маленький кусочек полистирола на пламени горелки. Выделя- ются белые тяжелые пары — происходит деполимеризация полимера и образуется стирол. В длинной цепи полиэтилена некоторые атомы водорода можно заменить на атомы галогена, кислорода, азота и получить поли- меры с новыми ценными свойствами. Но за- менить подородные атомы непосредственно 80
в полиэтилене — дело весьма трудное, если не невозможное вообще. Поступают другим способом — заменяют один или несколько атомов водорода в этилене, а затем про- дукт замещения полимеризуют. CL I СН2=СН винилхлорид С1 I [-СН2-СН-]П поливинилхлорид Вот самый простой вариант: замещаем в этилене один атом водорода на хлор и по- лучившийся при этом винилхлорид подверга- ем полимеризации. В результате получаем поливинилхлорид, весьма широко применяе- мый как изолятор электрических проводов. Полнвинилхлорид растворяется в ацето- не, хлороформе и этилацетате, еще лучше растворим он в смеси ацетона с бензолом. Отличить поливинилхлорид от других поли- меров нетрудно. Прокалите на газовой го- релке медную проволоку, горячей проволо- кой коснитесь неизвестного вам полимер- ного материала и снова внесите проволоку в пламя. В присутствии хлора пламя окра- сится в зеленый цвет. Значит, вы имеете дело с поливинилхлорндом (или его сополи- мером, то есть с соединением, длинные мо- лекулы которого содержат фрагменты по- ливинилхлорида и, например, поливинилаце- тата, полиакрилонитрила). В пламени по- ливинилхлорид сгорает, но с трудом, пла- мя имеет зеленоватый оттенок. Очень ценен продукт полимеризации пол- ностью фторированного этилена — политет- рафторэтилен, или, как его еще часто на- зывают, тефлон. Это белый, ни в чем не ра- створимый полимер, он не изменяется при охлаждении до —100° С или нагревании до +250° С. Действие соляной, серной или азот- нон кислоты не приводит к разрушению те- флона. Его используют в электро- и радио- технике, он идет на изготовление химиче- ски стойких труб и насосов, получают из него и волокна. Отличить политетрафтор- этилен нетрудно по его белому цвету, на ощупь он «жирный». СН2=С I • соосн, сн COOCH метилметанрилат полиметилметакрилат (органическое стекло) Если прозрачную полиэтиленовую плен- ку разглядывать на большом расстоянии, она выглядит мутной. Но вот если в поли- этиленовой цепи заменить при каждом вто- ром углеродном атоме один водород на ме- тил СН3, а второй — на сложноэфирную группу СООСНз, получим полимер весьма прозрачный. Полиметилметакрилат — это всем хорошо знакомое органическое стекло. Этот полимер легко растворяется в ацето- не, хлороформе, этилацетате (проверьте это, проведя опыт с маленьким кусочком орга- нического стекла). Обратите внимание: до сих пор мы гово- рили о полимерах, молекула которых пост- роена из длинной цепи углеродных атомов, соединенных простыми связями и несущих те или иные группировки. Познакомимся те- перь с полимерами более сложной структу- ры. Прилейте в пробирке или на дне стакана к кристаллическому фенолу (его называют еще карболовой кислотой, возьмите его при- мерно одну чайную ложку) раствор фор- мальдегида в воде (так называемый 40-про- центный формалин, возьмите его около од- ной чайной ложки). Перемешайте смесь па- лочкой и добавьте к ней несколько капель концентрированной соляной кислоты, а за- тем сразу же погрузите пробирку в холод- ную воду. (Тут необходимо обратить вни- мание, что все используемые в этом опыте вещества весьма агрессивны, работать с ними необходимо в резиновых перчатках и ни в коем случае не вдыхать пары форма- лина!) Через несколько секунд погрузите в пробирку деревянную или стеклянную па- лочку и перенесите прилипший комок вяз- кой жидкости в другую пробирку — со спиртом. Образовавшийся полимер раство- ряется в спирте. ОСТАТКИ ФЕНОЛА ОСТАТКИ ФОРМАЛЬДЕГИДА резол Что же это за полимер? Под действием кислоты формальдегид СНгО замещает в феноле атомы водорода, образуя длинные цепи. Выньте пробирку из холодной воды и перенесите в кастрюлю с кипящей водой. Через несколько минут полученный вами полимер станет твердым, вам придется раз- бить пробирку, чтобы вынуть кусок смолы. Попробуйте растворить его в спирте — он не растворяется. Что же произошло? 6. «Наука и жизнь» № 3. 81
Реакция фенола с формальдегидом пошла дальше, молекулы формальдегида приня- лись сшивать между собой длинные нити резола, и получилась пространственная сет- ка резита. Теперь молекулы растворителя не могут оторвать одну нить полимерной молекулы от другой, потому-то полимер и не переходит в раствор. Итак, вы получили феноло-формальдегидную смолу, которая весьма широко применяется для изготов- ления электроизоляционных материалов, пластмасс, пластиков, пуговиц и многих других изделий. Перейдем к гетероцепторным полиме- рам, то есть таким, у которых нити моле- кул, помимо углеродных атомов, включают атомы кислорода, азота и других элемен- тов. Три гетероцепторных полимера, из ко- торых изготовляют волокна, широко изве- стны. Это капрон, найлон и лавсан. Первые два полимера имеют в своей основе струк- туру амида (для него характерно наличие группы — CONH—). Лавсан — это сложный эфир (здесь характерный признак — груп- па —СОО—). [-C-(CH2M-NH-]n капрон (полиамид) о о [-C-(CH2L-C-NH-(CH2N-NH-]n найлон (полиамид) лавсан (полиэфир) Внесите в пламя газовой горелки кусочек ткани из полиамидного волокна. Нити рас- плавятся и потекут отдельными каплями. Обратите внимание на характерный непри- ятный запах. Через некоторое время от тка- ни останется коричневато-черная твердая масса. Полиамидное волокно растворяется в ледяной уксусной кислоте при нагревании. Полиэфирное волокно в пламени горелки медленно горит желтым пламенем с корич- невыми парами и копотью. В отличие от полиамидного волокна лавсан не растворя- ется в кипящей концентрированной соляной кислоте, однако растворим в концентриро- ванной азотной кислоте при кипячении. По этим признакам можно распознать волок- на. К гетероцептным полимерам относятся и природные волокна — шерсть, шелк, лен и хлопок. Шерсть и шелк состоят из белков (а белок, как известно, составлен из амино- кислот). Таким образом, и шерсть и шелк— это полиамидные волокна. В состав шер- сти входит белок кератин, содержащий мно- го серы. А вот белки, образующие шелк, се- ры не содержат. Поэтому шелк нетрудно отличить от шерсти по запаху, если внес- ти испытуемое волокно в пламя газовой го- релки. Шерсть горит с более резко выра- женным неприятным запахом паленых во- лос. Лен и хлопок, как и бумага, состоят из целлюлозы. Поэтому сгорают они с запа- хом горелой бумаги. Целлюлоза же — это полисахарид: много раз повторяющееся в ее молекуле шестичленное кольцо с харак- терными довесками типично для разновид- ностей сахара. сн2он глюкоза сн2он ОН -о он он он сн2он 0- целлюлоза (полисахарид) Природный полисахарид — хлопковую ва- ту — нетрудно химически обработать, мо- дифицировать и получить искусственные продукты. Для этого прежде всего в ста- кане, погруженном в кастрюлю с холодной водой, к концентрированной азотной кисло- те очень осторожно прибавьте немного кон- центрированной серной кислоты. Вы полу- чили нитрующую смесь. Погрузите в эту смесь клочок хлопковой ваты величиной с грецкий орех на 2—3 минуты (не больше!). ¦Зацепите кусок ваты стеклянной палочкой и поместите его под струю водопроводной воды. Через несколько минут отожмите ва- ту, расстелите ее на листе промокательной бумаги и высушите на воздухе. Что же происходит с целлюлозой при действии нитрующей смеси? Посмотрите на формулу целлюлозы — каждое шестичлен- ное звено несет три гидроксильные группы ОН. С азотной кислотой эти группы обра- зуют сложный эфир С—ONO2. Обрабаты- вая целлюлозу всего 2—3 минуты, вы ввели в каждое кольцо только две нитрогруппы и получили так называемый динитрат целлю- лозы. С ним можно провести интересные опыты. После того как динитрат высохнет, растворите его в смеси эфира и спирта (при- мерно в соотношении 2:1; будьте весьма ос- торожны с эфиром — он легко воспламеня- ется!). Вы получили вязкий раствор, кото- рый называется коллодием и используется для герметизации пробок на склянках с раз- личными веществами. Для этого корковую пробку в месте соединения со склянкой обмазывают коллодием и дают возможность 82
ФОКУСЫ ЯЙЦО И КОНФЕТТИ Раздел ведет народный артист Армянской ССР Арутюн АКОПЯН. На столе перед фокус- ником стоит красочная ко- робка, наполненная кон- фетти. Фокусник берет ста- кан и, опустив его в короб- ку, зачерпывает полный конфетти. Затем высыпает обратно в коробку и кладет туда же стакан. После этого он берет в одну руку куриное яйцо, а в другую веер. Зажимает яйцо в кулаке и начинает обмахивать его веером. А потом изо всех сил сжима- ет кулак, раздавливает скорлупу и ее мелкие ку- сочки, похожие на конфет- ти, сыплет сквозь пальцы в коробку. Затем снова на- полняет стакан, высыпает его содержимое и так не- сколько раз, чтобы зрите- ли могли убедиться, что конфетти настоящее, а ста- кан не таит в себе никакого секрета. Наконец, стакан напол- нен в последний раз. Фо- кусник ставит его на ладонь, засучивает рукава, берет со стола платочек и накрыва- ет стакан. А когда снимает, в нем вместо конфетти ока- зывается яйцо. Фокусник достает его, разбивает скорлупу, выливает содер- жимое в стакан и предла- гает желающим сделать го- голь-моголь. Секрет фокуса. Для де- монстрации понадобится коробка из-под обуви, ко- торую надо красочно офор- мить. Коробку наполовину заполняют конфетти. По- требуется также тонкостен- ный стакан, платочек, веер и два куриных яйца. В скорлупе одного проде- лывают иглой отверстие и удаляют (выпивают) содер- жимое. Скорлупу просуши- вают, чтобы она стала лег- кой и хрупкой. Секрет фокуса кроется в картонном цилиндре с крышкой, который склеи- вается по внутреннему раз- меру стакана. В центре крышки проделывают не- большое отверстие, сквозь которое продергивают нит- ку длиной 10 см. К ее кон- цам привязывают бусинку. Поверхность цилиндра об- клеивают двумя-тремя сло- ями конфетти. Перед демонстрацией фокуса настоящее яйцо вкладывают в цилиндр, по- мещают его в коробку и присыпают конфетти. Но прежде нитку втягивают внутрь цилиндра так, что- бы на крышке виднелась только бусинка. После то- го, как фокусник несколько раз насыплет и высыплет из стакана конфетти, он вкладывает в стакан ци- линдр. Остается накрыть стакан платком, нащупать бусинку и, снимая платок, вытащить цилиндр. А пока все с изум- лением разглядывают яйцо, платок с цилиндром не- брежно положить обратно в коробку. растворителю испариться. Удобно исполь- зовать коллодий и для заклеивания мелких ран на коже. В другом опыте к раствору камфоры в спирте (можно использовать продающийся в аптеке камфорный спирт) прибавьте по- немногу динитрат целлюлозы, смоченный спиртом. Полученную массу тщательно пе- ремешайте и ровным слоем намажьте на металлический лист. Через некоторое вре- мя спирт испарится, оставив пленку, назы- ваемую целлулоидом. Нитраты целлюлозы применяются для из- готовления пленок, лаков, пластмасс. Вмес- то азотной кислоты можно использовать ук- сусную: в этом случае получают ацетаты целлюлозы, которые идут на изготовление негорючей кинопленки, ацетатного волокна, то есть искусственных целлюлозных мате- риалов. ЛИТЕРАТУ РА Э. Гроссе, X. Вайсмантель. «Хи- мия для любознательных». Л., «Химия», 1978. А. В. Аверина, А. Я. Снегирева. «Лабораторный практикум по органической химии». М., «Высшая школа». 1975. 83