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 металл, без волокон, используемых для изготовления тканей и канатов...
Но что такое полимеры? Это не просто очень длинные, очень большие молекулы. (Углеводород С80Н162 имеет молекулу весьма длинную, но к полимерам этот парафин не относят.)
К полимерам принадлежат такие вещества, молекулы которых состоят из повторяющихся звеньев, а число таких звеньев велико и неопределенно. Что значит неопределенно? Это значит, что в одной молекуле их может быть три тысячи, а в другой — три тысячи пятьсот, в третьей — две с половиной тысячи. В среднем же число звеньев в молекулах такого полимера будет примерно три тысячи.
Полимеров сегодня известно великое множество. Их можно разделить на три класса: полимеры природные (выделенные из природных продуктов), искусственные (то есть полученные воздействием каких-то химических реагенов на природные полимеры) и, наконец, синтетические (полученные на химических заводах из веществ небольшого молекулярного веса, называемых мономерами, молекулы которых становятся звеньями полимерных цепей). Природные и синтетические полимеры могут иметь примерно одинаковое строение. Поэтому синтетические материалы часто имеют свойства, похожие на свойства природных полимеров.
Внутри каждого из этих классов полимеры можно расклассифицировать по разным признакам — например, разделить на пластмассы, 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 строение, рассортируем известные полимеры в соответствии с тем, из каких группировок построены полимерные цепи.
Наиболее просто устроены полимеры, относящиеся к классу так называемых карбоцепных соединений — цепной остов их молекул составлен только атомами углерода, а те соединены только с водородными или опять-таки с углеродными атомами. Таковы полиэтилен и полипропилен.
(Отметим характерные особенности химических формул, обозначающих полимеры: в квадратных скобках показано строение элементарного звена полимерной цепи, а индекс и выражает последовательное многократное повторение этой группировки в молекуле полимера.)
Полиэтилен широко применяется в быту — из него делают прозрачную беловатую пленку, он идет на изготовление изоляционных материалов для радиотехнических устройств, им пропитывают ткани, бумагу. Из полипропилена делают весьма прочное волокно. При обычной температуре эти материалы не растворяются ни в каких растворителях, но стоит погрузить их в четыреххлористый углерод или толуол и поднять температуру до 80° С, как они начнут набухать, а затем растворяться.
Полиэтилен легко отличить от других полимерных материалов. Внесите кусочек полиэтиленовой пленки в пламя газовой горелки. Полиэтилен расплавится, будет стекать каплями, затем загорится сначала голубоватым, потом желтым пламенем. При этом вы ощутите запах парафина. Это и неудивительно — полиэтилен и парафин имеют одинаковый состав.
Если в этилене один из атомов водорода заменить на фенильное кольцо, получится стирол, который легко полимеризируется в полистирол. Этот полимер применяют в качестве электроизоляционного материала, из него делают легкий пенопласт. Полистирол размягчается при нагревании уже до 80° С. Если к кусочку полистирола поднести пламя горелки или спички, он быстро воспламенится и будет гореть желтым коптящим пламенем, выделяя пары с характерным сладковатым запахом.
Нагрейте в пробирке маленький кусочек полистирола на пламени горелки. Выделяются 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 полимеры с новыми ценными свойствами. Но заменить подородные атомы непосредственно в полиэтилене — дело весьма трудное, если не невозможное вообще. Поступают другим способом — заменяют один или несколько атомов водорода в этилене, а затем продукт замещения полимеризуют.
Вот самый простой вариант: замещаем в этилене один атом водорода на хлор и получившийся при этом винилхлорид подвергаем полимеризации. В результате получаем поливинилхлорид, весьма широко применяемый как изолятор электрических проводов.
Поливинилхлорид растворяется в ацетоне, хлороформе и этилацетате, еще лучше растворим он в смеси ацетона с бензолом. Отличить поливинилхлорид от других полимеров нетрудно. Прокалите на газовой горелке медную проволоку, горячей проволокой коснитесь неизвестного вам полимерного материала и снова внесите проволоку в пламя. В присутствии хлора пламя окрасится в зеленый цвет. Значит, вы имеете дело с поливинилхлоридом (или его сополимером, то есть с соединением, длинные молекулы которого содержат фрагменты поливинилхлорида и, например, поливинилацетата, полиакрилонитрила). В пламени поливинилхлорид сгорает, но с трудом, пламя имеет зеленоватый оттенок.
Очень ценен продукт полимеризации полностью фторированного этилена — политетрафторэтилен, или, как его еще часто называют, тефлон. Это белый, ни в чем не растворимый полимер, он не изменяется при охлаждении до —100° С или нагревании до +250° С. Действие соляной, серной или азотной кислоты не приводит к разрушению тефлона. Его используют в электро- и радиотехнике, он идет на изготовление химически стойких труб и насосов, получают из него и волокна. Отличить политетрафторэтилен нетрудно по его белому цвету, на ощупь он «жирный».
Если прозрачную полиэтиленовую пленку разглядывать на большом расстоянии, она выглядит мутной. Но вот если в полиэтиленовой цепи заменить при каждом втором углеродном атоме один водород на метил СН3 а второй — на сложноэфирную группу СООСН3, получим полимер весьма прозрачный. Полиметилметакрилат — это всем хорошо знакомое органическое стекло. Этот полимер легко растворяется в ацетоне, хлороформе, этилацетате (проверьте это, проведя опыт с маленьким кусочком органического стекла).
Обратите внимание: до сих пор мы говорили о полимерах, молекула которых построена из длинной цепи углеродных атомов, соединенных простыми связями и несущих те или иные группировки. Познакомимся теперь с полимерами более сложной структуры.
Прилейте в пробирке или на дне стакана к кристаллическому фенолу (его называют еще карболовой кислотой, возьмите его примерно одну чайную ложку) раствор формальдегида в воде (так называемый 40-процентный формалин, возьмите его около одной чайной ложки). Перемешайте смесь палочкой и добавьте к ней несколько капель концентрированной соляной кислоты, а затем сразу же погрузите пробирку в холодную воду. (Тут необходимо обратить внимание, что все используемые в этом опыте вещества весьма агрессивны, работать с ними необходимо в резиновых перчатках и ни в коем случае не вдыхать пары формалина!) Через несколько секунд погрузите в пробирку деревянную или стеклянную палочку и перенесите прилипший комок вязкой жидкости в другую пробирку — со спиртом. Образовавшийся полимер растворяется в спирте.
Что же это за полимер? Под действием кислоты формальдегид СН2О 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 разбить пробирку, чтобы вынуть кусок смолы. Попробуйте растворить его в спирте — он не растворяется. Что же произошло?
Реакция фенола с формальдегидом пошла дальше, молекулы формальдегида принялись сшивать между собой длинные нити резола, и получилась пространственная сетка 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 изготовления электроизоляционных материалов, пластмасс, пластиков, пуговиц и многих других изделий.
Перейдем к гетероцепторным полимерам, то есть таким, у которых нити молекул, помимо углеродных атомов, включают атомы кислорода, азота и других элементов. Три гетероцепторных полимера, из которых изготовляют волокна, широко известны. Это капрон, найлон и лавсан. Первые два полимера имеют в своей основе структуру амида (для него характерно наличие группы — CONH—). Лавсан — это сложный эфир (здесь характерный признак — группа —СОО—).
Внесите в пламя газовой горелки кусочек ткани из полиамидного волокна. Нити расплавятся и потекут отдельными каплями. Обратите внимание на характерный неприятный запах. Через некоторое время от ткани останется коричневато-черная твердая масса. Полиамидное волокно растворяется в ледяной уксусной кислоте при нагревании. Полиэфирное волокно в пламени горелки медленно горит желтым пламенем с коричневыми парами и копотью. В отличие от полиамидного волокна лавсан не растворяется в кипящей концентрированной соляной кислоте, однако растворим в концентрированной азотной кислоте при кипячении. По этим признакам можно распознать волокна.
К гетероцептным полимерам относятся и природные волокна — шерсть, шелк, лен и хлопок. Шерсть и шелк состоят из белков (а белок, как известно, составлен из аминокислот). Таким образом, и шерсть и шелк— это полиамидные волокна. В состав шерсти входит белок кератин, содержащий много серы. А вот белки, образующие шелк, серы не содержат. Поэтому шелк нетрудно отличить от шерсти по запаху, если внести испытуемое волокно в пламя газовой горелки. Шерсть горит с более резко выраженным неприятным запахом паленых волос.
Лен и хлопок, как и бумага, состоят из целлюлозы. Поэтому сгорают они с запахом горелой бумаги. Целлюлоза же — это полисахарид: много раз повторяющееся в ее молекуле шестичленное кольцо с характерными довесками типично для разновидностей сахара.
Природный полисахарид — хлопковую вату — нетрудно химически обработать, модифицировать и получить искусственные продукты. Для этого прежде всего в стакане, погруженном в кастрюлю с холодной водой, к концентрированной азотной кислоте очень осторожно прибавьте немного концентрированной серной кислоты. Вы получили 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 вату, расстелите ее на листе промокательной бумаги и высушите на воздухе.
Что же происходит с целлюлозой при действии нитрующей смеси? Посмотрите на формулу целлюлозы — каждое шестичленное звено несет три гидроксильные группы ОН. С азотной кислотой эти группы образуют сложный эфир С—0N02. Обрабатывая целлюлозу всего 2—3 минуты, вы ввели в каждое кольцо только две нитрогруппы и получили так называемый динитрат целлюлозы. С ним можно провести интересные опыты. После того как динитрат высохнет, растворите его в смеси эфира и спирта (примерно в соотношении 2:1; будьте весьма осторожны с эфиром — он легко воспламеняется!). Вы получили вязкий раствор, который называется коллодием и используется для герметизации пробок на склянках с различными веществами. Для этого корковую пробку в месте соединения со склянкой обмазывают коллодием и дают возможность растворителю испариться. Удобно использовать коллодий и для заклеивания мелких ран на коже.
В другом опыте к раствору камфоры в спирте (можно использовать продающийся в аптеке камфорный спирт) прибавьте понемногу динитрат целлюлозы, смоченный спиртом. Полученную массу тщательно перемешайте и ровным слоем намажьте на металлический лист. Через некоторое время спирт испарится, оставив пленку, называемую целлулоидом.
Нитраты целлюлозы применяются для изготовления пленок, лаков, пластмасс. Вместо азотной кислоты можно использовать уксусную: в этом случае получают ацетаты целлюлозы, которые идут на изготовление негорючей кинопленки, ацетатного волокна, то есть искусственных целлюлозных материалов.
