Синтетикалық полимерлер. Жаңа заттарды және материалдарды өндіру. Мұнай

Оқулықтық тірек

• Усманова М. Б., Тантыбаева Б. С., Даутова З. С., Попова М. В. «Химия. 11-сынып» (ЖМ бағыт), 2-бөлім, 11-сынып, Атамұра, 2020, 147–156 б.
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9-сынып», 2-бөлім, 9-сынып, Мектеп, 2019, 111, 112, 136, 137, 140–145 б.
• Усманова М. Б., Сақариянова Қ. Н., Сахариева Б. Н. «Химия. 8-сынып», 8-сынып, Атамұра, 2018, 189, 190 б.
• Оспанова М. Қ., Аухадиева Қ. С., Белоусова Т. Г. «Химия» (ҚГБ), 11-сынып, Мектеп, 2019 (орыс тіліндегі басылым), 103–104, 107-б.
• Википедия, «Ацетилсалициловая кислота», https://ru.wikipedia.org/wiki/Ацетилсалициловая_кислота
• Wikipedia, «Aspirin», https://en.wikipedia.org/wiki/Aspirin

Негізгі ұғымдар

• Мономер — полимер құрамына кіретін төменгі молекулалы зат ($CH_2{=}CH_2$).
• Құрылымдық буын — макромолекулада қайталанатын фрагмент ($-CH_2{-}CH_2-$).
• Полимерлену дәрежесі $n$ — буындар саны; полиэтиленде 300-ден 100 000-ға дейін.
• Олигомер — буын саны шектеулі молекула (мальтоза, лактоза, сахароза).
• Полимерлену — қосымша зат бөлінбейді; поликонденсация — кіші молекула (көбінесе су) бөлінеді.
• Мұнайды айдау (ректификация) — құрамын өзгертпей фракцияларға бөлу.
• Нанобөлшек — өлшемі 1–100 нм бөлшек; $1$ нм $= 10^{-9}$ м.

Теория

Полимерлену реакциясы. Қос немесе үш еселік байланыс үзіліп, мономерлер бір-біріне қосылады: $nCH_2{=}CH_2 \rightarrow (-CH_2{-}CH_2-)_n,\qquad nCH_2{=}CH(CH_3) \rightarrow (-CH_2{-}CH(CH_3)-)_n$

Поликонденсация. Кемінде екі функционалдық тобы бар мономерлер қатысады, бейорганикалық зат бөлінеді:

• капрон: $nH_2N{-}(CH_2)_5{-}COOH \rightarrow (-NH{-}(CH_2)_5{-}CO-)_n + nH_2O$;
• лавсан (полиэфир): этиленгликоль + терефталь қышқылы $\rightarrow (-O{-}CH_2CH_2{-}O{-}CO{-}C_6H_4{-}CO-)_n + 2nH_2O$;
• фенолформальдегид шайыры: фенол + формальдегид (мономерлері әртүрлі кластан).

Пластмассалар және олардың қолданылуы

Полимер	Буыны	Қасиеттері	Қолданылуы
Полиэтилен	$-CH_2{-}CH_2-$	диэлектрик, су мен газ өткізбейді	кабель оқшаулағышы, қаптама, жылыжай пленкасы
Полипропилен	$-CH_2{-}CH(CH_3)-$	берік, балқу $t$ 160–170 °C	түтік, машина тетіктері, арқан, тор
Полистирол	$-CH_2{-}CH(C_6H_5)-$	түссіз, шыны тәрізді, 250–300 °C деполимерленеді	радиоаппаратура тетіктері, ойыншықтар
Тефлон	$-CF_2{-}CF_2-$	$-70$…$+270$ °C, ешбір еріткіште ерімейді	ыдыс жабыны, медицина, химиялық аппаратура
ПВХ	$-CH_2{-}CHCl-$	берік, жанбайды, қыздырғанда $HCl$ бөліп ыдырайды	винипласт (қатты), пластикат (жұмсақ)
ПММА	—	органикалық шыны: мөлдір, жеңіл, соққыға төзімді	шыны орнына
Лавсан	полиэфир	берік, тозуға, ыстыққа төзімді	талшық
Фенолформальдегид шайыры	—	термореактивті	желім, лак, подшипник, электртехника

Биологиялық ыдырау. Поликонденсация арқылы алынған полимерлерде (полиамид, полиэфир, полипептид) амидтік, эфирлік байланыстар бар; су мен ферменттер (протеаза, эстераза) оларды гидролиздейді. Полилактид (сүт қышқылынан) — ыдырайтын қаптама, тігіс материалы, дәрі капсуласы. Бұл «жасыл химия» принциптеріне сай, бірақ мұндай полимерлер қымбат және ыдырауға қолайлы жағдай (ылғал, температура, микроағзалар) қажет.

Жаңа материалдар — наноматериалдар. Нанобөлшектердің қасиеті ірі түйірлерден өзгеше, өйткені меншікті бет ауданы күрт артады. Нанохимия — нанобөлшектерді синтездеу және зерттеу; нанотехнология — олардан материалдар мен құрылғылар жасау. Көміртекті наноқұрылымдар:

• фуллерен $C_{60}$ — алтыбұрыш пен бесбұрыштан тұратын «футбол добы» тәрізді сфера;
• графен — графиттің бір қабаты (ара ұясы тәрізді); 2010 ж. К. Новоселов пен А. Гейм Нобель сыйлығын алды; ең берік материал;
• нанотүтік — цилиндр болып оралған графен; наножіп, наноталшық.

Мұнай. Шикі мұнай сусыздандырылып, қоспалардан тазартылады. Бірінші реттік өңдеу — айдау: мұнай түтікті пеште 320–350 °C-қа дейін қыздырылып, табақшалары бар ректификациялық колоннаға (биіктігі 40 м-ге дейін) беріледі. Төменгі табақшаларда газойль, жоғарырақ керосин, лигроин конденсацияланады, ең ұшқыштары бензин береді. Бензин шығымы 20%-дан аспайды, мазут ~75%, қалғандары 5%. Мазутты вакуумда айдап, қосымша бензин алады; қалдығы — гудрон (асфальт).

Өнімдері: сұйытылған газ, бензин, реактивті отын, керосин, дизель отыны, мазут (отын); майлау майлары, вазелин; екінші реттік өңдеуден — каучук, пластмасса, жуғыш заттар, еріткіштер, тыңайтқыштар; қалдықтан — кокс. Мұнайдың шамамен 90%-ы отынға жұмсалады. Д. И. Менделеев: мұнайды жағу — ақша жаққанмен бірдей.

Қазақстан. Газ кен орындары: Қарашығанақ, Жетібай, Қаламқас. Мұнай: Ембі, Доссор, Мақат, Өзен, Жетібай, Қызылорда облысы; жылына 50 млн т-дан астам (әлемде ~8 млрд т). Ембі мұнайы парафинге, Жетібай — нафтенге, Прорва — аренге бай. Төгілген мұнай суда ерімей, жұқа қабыршақпен жайылады (10 л — 10 км²-ге дейін); бір тамшы 25 л суды жарамсыз етеді.

Мұнайды екінші реттік өңдеу. Термиялық крекинг (шамамен 470–550 °C): ауыр молекулалар ыдырайды, $C_{16}H_{34} \to C_8H_{18} + C_8H_{16}$. Каталитикалық крекинг (алюмосиликаттар) алкандар изомерленуімен жүреді, октан саны жоғары, тұрақты бензин береді. Риформинг (470–550 °C, Pt) алкан мен циклоалкандарды аренге айналдырады. Пиролиз — жоғары температурада термиялық ыдырату.

Ілеспе мұнай газы мұнайда еріген немесе оның үстінде «қалпақ» түзеді; метан аз (30–60 %), этан, пропан, бутан, пентан көп, олардан этилен, пропилен, бутилен алынады.

Аспирин (ацетилсалицил қышқылы, $C_9H_8O_4$) — салицил қышқылының күрделі эфирі. Салицил қышқылын сірке ангидридімен этерификациялап алады, катализатор — $H_2SO_4$, қосымша өнім — сірке қышқылы. Ауыруды басады, қызуды түсіреді, қабынуға қарсы әсер етеді.

Формулалар / ережелер

• $M(\text{полимер}) = n \cdot M(\text{буын})$.
• $n$ молекула аминқышқылының поликонденсациясында $(n-1)$ молекула су бөлінеді (ұзын тізбекте $\approx n$).
• Полимерленуге қос немесе үш еселік байланысы бар қосылыстар түседі.

Мысалдар

1. Полипропиленде $n = 2000$. Макромолекула массасы? $M(C_3H_6) = 42$, $M = 2000 \cdot 42 = 84\,000$ г/моль.
2. 6 моль $\varepsilon$-аминкапрон қышқылы поликонденсацияланды. Су массасы? $6 - 1 = 5$ моль, $5 \cdot 18 = 90$ г.
3. 400 т мұнайдан бензин мен мазуттың ең көп мөлшері? Бензин $400 \cdot 0{,}20 = 80$ т, мазут $\approx 400 \cdot 0{,}75 = 300$ т.
4. Қай реакция поликонденсация: полиэтилен немесе капрон алу? Капрон — әр буын сайын $H_2O$ бөлінеді.

ҰБТ-дағы жиі қателер

• Мономер мен құрылымдық буынды шатастыру: этиленде қос байланыс бар, буында — жоқ.
• Капрон, лавсан, фенолформальдегид шайырын полимерлену өнімі деу — бұлар поликонденсация.
• Олигомер мен полимерді айырмау: олигомердің буын саны шектеулі.
• Айдау кезінде мұнай құрамы өзгереді деу — айдау физикалық бөлу ғана.
• Бензин шығымын мазуттан көп деп санау — бензин ≤ 20%, мазут ~75%.
• Тефлонның буынын $-CH_2{-}CF_2-$ деп жазу — дұрысы $-CF_2{-}CF_2-$.

Өзіңді тексер

1. Полимерлену дәрежесі деген не? — Макромолекуладағы құрылымдық буындар саны $n$.
2. Лавсанның мономерлері? — Этиленгликоль және терефталь қышқылы.
3. Қай полимер қыздырғанда $HCl$ бөліп ыдырайды? — Поливинилхлорид.
4. Мазутты вакуумда айдағанда қалатын қалдық? — Гудрон (асфальт үшін).
5. Графен дегеніміз не? — Графиттің бір атомдық қабаты; нанотүтік — оның цилиндрге оралған түрі.