Синтетические полимеры. Производство новых веществ и материалов. Нефть

Учебниковая опора

• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9 класс», часть 2, 9 класс, Мектеп, 2019, с. 123–125
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9 класс», часть 2, 9 класс, Мектеп, 2019, с. 138–148
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия» (ОГН), 11 класс, Мектеп, 2019, с. 205–219
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия» (ОГН), 11 класс, Мектеп, 2019, с. 17, 216, 217, 231, 234
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия» (ОГН), 11 класс, Мектеп, 2019, с. 103–104

Главное

• Полимер — вещество из множества повторяющихся структурных звеньев; мономер — исходное вещество; степень полимеризации $n$ — число звеньев.
• По $M_r$: < 500 — низкомолекулярные, 500–5000 — олигомеры, > 5000 — высокомолекулярные.
• Полимеризация — без побочных продуктов, звено = мономер по составу; поликонденсация — с выделением $H_2O$, HCl, $NH_3$.
• Нефть разгоняют на фракции (ректификация); выход бензина при перегонке — не более 20 %.

Теория

Полимеризация — соединение молекул мономера за счёт разрыва кратных связей или раскрытия цикла: $nM \to (-M-)_n$.

Полимер	Мономер	Звено	Свойства / применение
полиэтилен	$CH_2{=}CH_2$	$-CH_2{-}CH_2-$	$\rho \approx 0{,}92$, жирный на ощупь, химически стоек, термопласт; трубы, плёнки
полипропилен	$CH_2{=}CH{-}CH_3$	$-CH_2{-}CH(CH_3)-$	лёгкий, прочный, теплостойкость выше, чем у полиэтилена
полистирол	$CH_2{=}CH{-}C_6H_5$	$-CH_2{-}CH(C_6H_5)-$	прозрачный, хрупкий; электроизоляция, пенопласт
ПВХ	$CH_2{=}CHCl$	$-CH_2{-}CHCl-$	линолеум, трубы, кровля
оргстекло (ПММА)	метилметакрилат	—	пропускает > 99 % света
тефлон	$CF_2{=}CF_2$	$-CF_2{-}CF_2-$	исключительно химически стоек

Сополимеризация — из разных мономеров, например бутадиенстирольный каучук. Первый промышленный синтетический каучук получил С. В. Лебедев из этанола через бутадиен: $2C_2H_5OH \xrightarrow{ZnO,\ Al_2O_3,\ t} CH_2{=}CH{-}CH{=}CH_2 + H_2 + 2H_2O.$ Резина — вулканизованный каучук с наполнителем (сажа), сетчатый, эластичный. Пластмассы — материалы на основе полимеров, меняющие форму при нагревании и сохраняющие её при охлаждении.

Поликонденсация. Звено не равно мономеру (уходит малая молекула). Связи — сложноэфирные или амидные, поэтому такие полимеры гидролизуются и биоразлагаемы:

• капрон: $(-NH{-}(CH_2)_5{-}CO-)_n + nH_2O \to nH_2N{-}(CH_2)_5{-}COOH$;
• лавсан (полиэтилентерефталат) — полиэфир этиленгликоля и терефталевой кислоты; ткани, ленты, паруса;
• фенолформальдегидные смолы — сетчатые термореактивные; с наполнителями: волокнит, текстолит, фрикционные материалы. Полимеры с цепью C–C (полиэтилен, полипропилен, полистирол) практически не гидролизуются и сохраняются в природе сотни лет.

Утилизация полимеров: ограничения (около 40 стран ограничили пластиковые пакеты), замена бумагой, рециклинг (термопласты перерабатываются, термореактивные — нет), биоразлагаемые пластики (компостный, биопластик, окси-биопластик); сжигание ограничено из-за токсичных выбросов.

Новые материалы и нанотехнология. Создание материалов объединяет неорганическую, органическую, полимерную, физическую химию, материаловедение, нанохимию, аналитическую химию. Основоположники полимерной химии в Казахстане — Б. А. Беремжанов, С. Р. Рафиков, Б. А. Жубанов. Наночастица — 1–100 нм ($1\ нм = 10^{-9}$ м); большая доля атомов на поверхности → высокая активность, низкая температура спекания, квантовые эффекты (цвет золота зависит от размера), нанокатализаторы.

Природные источники углеводородов: природный и попутный газы, нефть, каменный уголь. Теплота сгорания: 1 кг нефти — 46 000 кДж, 1 м³ газа — ~38 000 кДж, 1 кг угля — до 29 000 кДж. 95 % углеводородов сжигается как топливо. Альтернативы — спирты из растительного сырья, биогаз (метан).

Нефть — маслянистая жидкость, легче воды, нерастворима в ней; содержит парафины, циклоалканы, ароматические углеводороды. Перегонка (ректификация) — физическое разделение по температурам кипения: печь нагревает нефть до 320–350 °C, ректификационная колонна высотой ~40 м. Фракции: сжиженный газ, бензины, реактивное топливо, керосин, дизельное топливо, мазут (~75 %). Мазут перегоняют под вакуумом (гудрон, масла), из него получают парафин, битум, асфальт.

Вторичная переработка нефти. Термический крекинг (около 470–550 °C) расщепляет тяжёлые молекулы: $C_{16}H_{34} \to C_8H_{18} + C_8H_{16}$; бензин невысокого качества, нестоек при хранении, содержит алкены. Каталитический крекинг (алюмосиликаты) сопровождается изомеризацией алканов и даёт бензин с более высоким октановым числом, большей детонационной стойкостью и стабильностью. Риформинг (470–550 °C, Pt) ароматизирует бензиновые фракции: алканы и циклоалканы превращаются в арены, например гептан и метилциклогексан — в толуол. Пиролиз — термическое разложение при высокой температуре, даёт ароматические углеводороды и газ.

Примеры

1. $M_r$ полиэтилена 56 000. Степень полимеризации? $n = 56000/28 = 2000$.
2. Сколько м³ воздуха нужно для сжигания 10 м³ метана? $O_2$ — 20 м³, воздуха (20 % $O_2$) — около 100 м³.
3. Какой полимер получают поликонденсацией: полистирол или капрон? Капрон.
4. Почему лавсан со временем разлагается, а полиэтилен нет? У лавсана сложноэфирные связи гидролизуются, у полиэтилена — прочные C–C.

Типичные ошибки на ЕНТ

• Путают мономер и структурное звено (у полиэтилена звено $-CH_2{-}CH_2-$, а не $CH_2{=}CH_2$).
• Считают перегонку нефти химическим процессом — это физическое разделение.
• Относят капрон и лавсан к продуктам полимеризации.
• Думают, что термореактивные пластмассы можно переплавлять.
• Путают тефлон ($CF_2{=}CF_2$) и ПВХ ($CH_2{=}CHCl$).

Самопроверка

1. Кто получил первый синтетический каучук? — С. В. Лебедев.
2. Какая фракция нефти составляет основную массу при перегонке? — Мазут.
3. Мономер полистирола? — Стирол $CH_2{=}CH{-}C_6H_5$.
4. Размер наночастиц? — 1–100 нм.
5. Как называется полимеризация разных мономеров? — Сополимеризация.