Näidisküsimused liitmispolümerisatsiooni kohta
Polümerisatsioon on protsess, mille käigus monomeerid – sarnase struktuuriga väikesed molekulid – ühinevad, moodustades suuremaid molekule, mida nimetatakse polümeerideks. Polümerisatsiooni on kahte peamist tüüpi: aditseerimispolümerisatsioon ja kondensatsioonpolümerisatsioon. See artikkel käsitleb ühte neist tüüpidest, aditseerimispolümerisatsiooni, rõhutades näiteid ja arutelu, et anda sellest kontseptsioonist sügavam arusaam.
Liitmispolümerisatsiooni mõistmine
Liitmispolümerisatsioon on protsess, mille käigus monomeerid ühinevad ilma väikesi molekule, näiteks vett või HCl, kaotamata. Liitmispolümerisatsioonis osalevad tavaliselt alkeenid ja polariseeritud alkeenid, millel on süsinik-süsinik (C=C) kaksiksidemed. Kui need monomeerid reageerivad, kaksiksidemed katkevad, võimaldades monomeeridel ühineda pikkadeks ahelateks.
Liitmispolümerisatsiooni teel toodetud polümeeride näideteks on polüetüleen (PE), polüpropüleen (PP), polüstüreen (PS) ja polüvinüülkloriid (PVC). Kõik need polümeerid on oma tugevuse, stabiilsuse ja laia kasutusvõimaluste tõttu olulised nii tööstuses kui ka igapäevaelus.
Liitmispolümerisatsiooni mehhanism
Liitmispolümerisatsiooni mehhanismi saab jagada kolmeks põhietapiks:
1. Initsiatsioon: etapp, kus reaktsiooni käivitamiseks tekivad vabad radikaalid või ioonid.
2. Paljundamine: etapp, kus monomeerid jätkavad kombineerumist pikkade ahelate moodustamiseks.
3. Lõpp-punkt: etapp, kus reaktsioon peatub kahe vaba radikaali ahela ühinemise või inhibiitoriga kohtumise tõttu.
Selguse huvides on siin mitu näidet liitumispolümerisatsiooni küsimustest.
Näidisküsimused ja arutelu
Küsimus 1: Polüetüleeni polümerisatsioon
Küsimus: Selgitage etüleeni (C2H4) aditseerimispolümerisatsiooniprotsessi polüetüleeni (PE) moodustamiseks ja lisage toimuva reaktsiooni võrrand.
Arutelu:
– Algatamine:
Initsieerimist saab saavutada katalüsaatorite või vabade radikaalide abil. Oletame, et me kasutame vabu radikaale. Radikaalide initsiaatorid, näiteks bensoüülperoksiid (C14H10O4), võivad kuumutamisel vabu radikaale vabastada.
\[
C14H10O4 \rightarrow 2C6H5COO^{\cdot}
\]
– Paljundamine:
Need radikaalid ründavad etüleenmonomeeri kaksiksidemeid, tekitades uusi radikaale, mis saavad jätkata järgmise monomeeri ründamist.
\[
R^{\cdot} + CH2=CH2 \rightarrow R-CH2-CH2^{\cdot}
\]
Järgmisena jätkavad ahela lõpus olevad radikaalid etüleenmonomeeride lisamist, nii et ahel pikeneb.
\[
R-CH2-CH2^{\cdot} + nCH2=CH2 \rightarrow R-(CH2-CH2)_n^{\cdot}
\]
– Lõpetamine:
Lõpetamine võib toimuda kahe radikaalahela kombinatsiooni kaudu või radikaali ja inhibiitori vahelise reaktsiooni kaudu.
\[
R-(CH2-CH2)_n^{\cdot} + R-(CH2-CH2)_m^{\cdot} \rightarrow R-(CH2-CH2)_{n+m}-R
\]
Lõpptulemuseks on polüetüleen (PE), polümeer, mis on toodetud paljude etüleenmonomeeride (etüleeni) kombineerimisel.
Küsimus 2: Polüstüreeni polümerisatsioon
Küsimus: Keemiatööstus soovib toota polümeeri monomeerstüreenist (C8H8). Selgitage toimuvat polümerisatsioonireaktsiooni ja kirjutage polüstüreeni struktuurivalem.
Arutelu:
– Algatamine:
Nii nagu polüetüleeni puhul, on reaktsiooni algatamiseks vaja vabu radikaale. Oletame, et kasutame peroksiidradikaale.
\[
ROOR \rightarrow 2RO^{\cdot}
\]
– Paljundamine:
Vabad radikaalid ründavad stüreeni monomeere, millel on süsinik-süsinik kaksiksidemed.
\[
RO^{\cdot} + C6H5-CH=CH2 \rightarrow RO-C6H5-CH^{\cdot}-CH3
\]
Paljundamisetapp viib selleni, et need radikaalid jätkavad teiste stüreeni monomeeride ründamist.
\[
RO-C6H5-CH^{\cdot}-CH3 + n(C6H5-CH=CH2) \rightarrow RO-(C6H5-CH-CH2)_n-C6H5-CH^{\cdot}-CH3
\]
– Lõpetamine:
Lõpetamine toimub siis, kui kaks radikaalset polümeerahelat kohtuvad.
\[
RO-(C6H5-CH-CH2)_n^{\cdot} + RO-(C6H5-CH-CH2)_m^{\cdot} \rightarrow RO-(C6H5-CH-CH2)_{n+m}-RO
\]
Saadud polüstüreeni (PS) struktuur on pikk ahel, mis koosneb korduvatest stüreeni monomeerühikutest.
Küsimus 3: Polüvinüülkloriidi (PVC) polümerisatsioon
Küsimus: Kirjeldage vinüülkloriidmonomeeri (C2H3Cl) aditspolümerisatsiooni ja tooge näiteid polüvinüülkloriidi (PVC) rakenduste kohta.
Arutelu:
– Algatamine:
Nagu eelmises näites, tekivad vabad radikaalid peroksiididest.
\[
ROOR \rightarrow 2R-O^{\cdot}
\]
– Paljundamine:
Vabad radikaalid ründavad vinüülkloriidmonomeeride kaksiksidemeid.
\[
RO^{\cdot} + CH2=CHCl \rightarrow RO-CH2-CHCl^{\cdot}
\]
Paljunemine jätkub monomeerühikute ühinemisega ahela pikendamiseks.
\[
RO-CH2-CHCl^{\cdot} + nCH2=CHCl \paremnool RO-(CH2-CHCl)_n^{\cdot}
\]
– Lõpetamine:
Lõpetamine toimub kahe radikaalahela ühinemisel.
\[
RO-(CH2-CHCl)_n^{\cdot} + RO-(CH2-CHCl)_m^{\cdot} \rightarrow RO-(CH2-CHCl)_{n+m}-RO
\]
Polüvinüülkloriid (PVC) on polümeer, mida toodetakse ja kasutatakse erinevates rakendustes, näiteks veetorudes, elektrikaablites ja mitmesugustes muudes plasttoodetes.
Järeldus
Liitmispolümerisatsioon on oluline keemiline protsess, mis hõlmab monomeeride kombinatsiooni ilma väikeste molekulide eraldamiseta. Liitmispolümerisatsiooni mehhanismide ja reaktsioonide, näiteks polüetüleeni, polüstüreeni ja PVC puhul täheldatute mõistmine aitab meil neid teadmisi õppida ja rakendada nii tööstuses kui ka igapäevaelus. Nende näidete ja arutelude kaudu saame sügavama arusaama liitumispolümerisatsioonist tulenevatest protsessidest ja toodetest, samuti selle praktilistest rakendustest, mis mõjutavad tehnoloogiat ja tänapäeva elu.
