Полимеры

Как получают молекулы-гиганты

Одно дело — разгадать, как устроен природный полимер, а другое — искусственно воспроизвести его или похожий на него полимер, т. е. «собрать» составляющие его звенья в нужную длинную цепочку.

Химик, совершающий такое волшебство, чем-то напоминает строителя. Но вместо одинаковых реально осязаемых кирпичей у химиков множество невидимых кирпичиков и даже целые готовые блоки из них — самых различных размеров и формы, образованные из молекул исходных органических веществ — мономеров.

Не все органические вещества способны образовывать полимеры. Органические соединения, состоящие лишь из атомов углерода, обрамленных с нескольких сторон атомами водорода, называют предельными или насыщенными углеводородами. Сами по себе молекулы этих веществ соединяться в еще более длинные цепочки не могут.

Однако в молекулах некоторых углеводородов атомы углерода связаны между собой двойными и даже тройными связями. Такие углеводороды называют непредельными, или ненасыщенными. В химическом отношении они намного активнее насыщенных. Таковы, например, газы:

Особенность молекул непредельных углеводородов заключается в том, что при определенных условиях одна из связей между атомами углерода может быть разорвана, и тогда молекула приобретает способность присоединять к себе одну за другой множество таких же молекул. Образуется одна гигантская молекула-цепочка, состоящая из нескольких десятков и сотен тысяч метиленовых групп СН₂. Таким путем появился на свет полиэтилен. Из газа было получено твердое вещество, обладающее большой механической прочностью.

Некоторые мономеры и соответствующие им полимеры.

Благодаря своим исключительным свойствам в промышленности, изготовляющей электрические кабели и провода, 1 т легкого полиэтилена заменяет 3 т очень дорогого свинца. Из полиэтилена можно изготовлять и всевозможную тару: химическую, обычную посуду и даже огромные цистерны для перевозки жидкостей. Полиэтилен — отличный материал для внутренней облицовки металлических труб, применяемых для перекачки кислот и других жидкостей, разъедающих металлы. Там, где стальные трубы приходилось менять каждые два месяца, трубы, облицованные полиэтиленом, служат больше трех лет. Из полиэтилена изготовляют и сплошные трубы — прочные, гибкие, практически «вечные».

Дно будущего оросительного канала выстилают полимерной пленкой, чтобы вода не уходила в землю. На снимке: строительство Каховского оросительного канала.

Не все большие молекулы представляют собой цепочки, состоящие только из атомов углерода. Последовательность атомов углерода время от времеци может прерываться введением атома азота. Последний отличается от углерода тем, что может присоединять только три атома водорода. Поэтому, войдя в состав такой цепи, атом азота присоединит к себе только один атом водорода, а не два, как атом углерода. Если еще при этом заменить два атома водорода у^г одного из углеродных атомов одним атомом кислорода, получается молекула полиамидного соединения — нейлона:

По химической структуре подобные соединения (капрон, анид, энант) родственны природным белковым волокнам — шерсти и шелку, но превосходят их высокой механической прочностью. Наиболее известен капрон, из которого делают почти невесомые чулки, прочные мужские носки, шубы и многое другое. Важное значение имеет и техническое примене-ние капрона. Изготовленные из него морские канаты в несколько раз прочнее самых лучших пеньковых, очень эластичны и не рвутся при рывках. Рыболовные сети из капрона не намокают и не гниют. Делают из него и особенно прочную ткань для автомобильных и самолетных шин — шинный корд, резервуары для нефти вместимостью до 600 т. Караваны таких «танкеров» можно буксировать по воде одним судном. Капроновые шестерни меньше изнашиваются, чем металлические, и почти бесшумны в работе.

Способностью соединяться в длинные цепочки (полимеры) обладают атомы углерода, с которыми соединены несколько атомов водорода, — так называемые углеводороды. Если в такой молекуле содержится менее 5 атомов углерода, то вещество обычно имеет газообразную форму (А); от 5 до 11 атомов углерода — это уже жидкости (Б); более 12 атомов углерода — твердые вещества (В). Цепочки из десятков и сотен тысяч атомов углерода образуют высокопрочные пластические вещества (Г).

Из соединения терефталевой кислоты и этиленгликоля получается полиэфирная смола, из которой вырабатывается синтетическое волокно лавсан. Названо волокно по первым буквам Лаборатории высокомолекулярных соединений Академии наук СССР, где оно впервые было получено. Это белоснежное и мягкое, как пух, шелковистое волокно, по внешнему виду напоминает первоклассную шерсть, а по своим качествам значительно превосходит ее. Лавсан не боится кислот и щелочей, это самое термостойкое из волокон, не разрушающееся на свету. Из него делают высокопрочный шинный корд, невоспламеняющиеся транспортерные ленты (особенно нужны они во взрывоопасных угольных шахтах), приводные ремни, химические фильтры, изоляцию. Из него вырабатывают не пропускающие воду брезенты, пожарные рукава, складные лодки и байдарки, палатки, шланги, паруса, специальную одежду для рыбаков и трактористов. Пленки из лавсана почти не пропускают газа и более прочны, чем алюминиевая фольга одинаковой с ним толщины. Их широко применяют для изоляции электрических проводов, упаковки пищевых товаров, для изготовления баллонов, в которых хранят газы и жидкости, для производства немнущихся тканей.

Как мы уже говорили, простейший мономер — этилен. Однако столь же простым мономером может быть также молекула этилена, в которой один из атомов водорода замещен каким-либо другим атомом или группой атомов. Если в ней один из четырех атомов водорода заменен атомом хлора, то получается уже другой мономер — винилхлорид, из которого образуется полимер поливинилхлорид — материал, имеющий тысячи применений:

По сравнению с полиэтиленом поливинилхлорид обладает меньшей горючестью, большей жесткостью и высокой механической прочностью, особенно при ударных нагрузках. Из пропитанной им ткани изготовляют прочные ремни для шахтных транспортеров, плитки для полов, водопроводные трубы и множество других изделий. Поливинилхлорид с успехом заменяет металлы. 1 т этого полимера сберегает 6 т стали.

. В южных районах, особенно в Средней Азии, вода очень ценится. Для орошения полей вода поступает через сильно разветвленную сеть ирригационных сооружений. При этом значительная часть воды просачивается сквозь стенки многочисленных каналов и уходит в землю, не дойдя до посевов. Но если стенки каналов выстлать тонкой поливинилхлоридной пленкой, утечка воды практически прекратится.

Замена в молекуле этилена одного из атомов водорода группой CN — приводит к образованию мономера акрилонитрила (СН₂=СН—CN). Из него получается полиакрилонитрил — материал для изготовления синтетических волокон (орлон, нитрон, ани-лан). Нити из нитрона в четыре раза прочнее натуральной шерсти. Меха, ковры, одеяла, перчатки, носки, свитера из нитрона так же теплы и мягки, как и сделанные из верблюжьей шерсти. Изделия из него после стирки не нужно гладить. Они не теряют своей первоначальной формы.

Цепочка полимера, «собранного» из многих мономеров, в свою очередь, может принять три различные формы. Если боковые группы Cl, CN, СН₃ и другие «смотрят» в разные стороны, то такие полимеры называют атеистическими. Если все боковые группы «направлены» в какую-либо одну сторону, то цепочки легко укладываются параллельно одна другой и способны образовывать полимеры, напоминающие вещества с частично кристаллической структурой. Их называют изотактическими. Наконец, полимеры, боковые группы которых хотя и располагаются по обеим сторонам, но в каком-то определенном порядке чередования, такие полимеры называют синдиотактическими.

Полимеры могут состоять не из одинаковых, а из разных мономеров, которые также соединяются один с другим в цепочки в полном беспорядке или в каком-то определенном порядке. У таких полимеров в качестве боковых отростков на месте отдельных атомов или групп атомов могут быть присоединены мономерные и даже полимерные молекулы.

Мы видим, какое огромное количество вариантов цепочек можно составить, имея в своем распоряжении столь богатые возможности, комбинировать порядок расположения атомов и групп атомов в пределах мономеров, а сами мономеры — в цепочке всего полимера! И каждое изменение в структуре полимера приводит к определенному изменению механических или иных его свойств.