Näidisküsimused ja polümerisatsioonireaktsioonide arutelu
Polümerisatsioonireaktsioonid on orgaanilise keemia võtmeteema. See protsess hõlmab monomeermolekulide ühendamist hiiglaslikeks molekulideks, mida nimetatakse polümeerideks. Polümeerid on igapäevaelus hädavajalikud, alates plastide ja kummi valmistamiseks kasutatavatest toorainetest kuni tekstiilkiududeni. Selles artiklis käsitleme mitmeid polümerisatsioonireaktsioonide ja nende lahenduste näiteid.
Polümerisatsiooni tüübid
Üldiselt võib polümerisatsiooni jagada kahte põhitüüpi:
1. Liitmispolümerisatsioon – see protsess hõlmab kaksik- või kolmiksidemeid sisaldavate monomeeride ühendamist polümeeri moodustamiseks ilma kõrvalsaadusi tekitamata. Liitumispolümeeri tavaline näide on polüetüleen, mis moodustub etüleenist (CH₂=CH₂).
2. Kondensatsioonpolümerisatsioon – Selles protsessis tekib kahe spetsiifilisi funktsionaalrühmi sisaldava monomeeri vahelise reaktsiooni tulemusel polümeer koos kõrvalsaadustega, nagu vesi või metanool. Levinud näide on nailon, mis moodustub diamiinist ja dihappest.
Lisamispolümerisatsiooni probleemi näide
Küsimus 1:
Etüleen (CH₂=CH₂) on monomeer, mis polümeriseerub polüetüleeniks. Kirjeldage polümerisatsioonireaktsiooni ja tooge esile saadud produktid.
Arutelu:
Polüetüleen on polümeer, mis moodustub etüleenmonomeeridest aditseerimispolümerisatsioonireaktsiooni teel. Selle reaktsiooni saab kirjutada järgmiselt:
\[ n \text{(CH₂=CH₂)} \rightarrow \text{ -[CH₂-CH₂]- }_n \]
Kus \(n \) on monomeerühikute arv. Moodustunud polüetüleen on pikk etüleenmonomeeride ahel ilma kõrvalsaadusteta.
Kondensatsioonpolümerisatsiooni näidisküsimused
Küsimus 2:
Heksametüleendiamiini ja adipiinhappe vahelise reaktsiooni tulemusel moodustub nailon-6,6 polümeer. Kirjutage reaktsioon ja loetlege kõrvalsaadused.
Arutelu:
Nailon-6,6 on polümeer, mis tekib heksametüleendiamiini (\( \text{H₂N-(CH₂)₆-NH₂} \)) ja adipiinhappe (\( \text{HOOC-(CH₂)₄-COOH} \)) vahelise reaktsiooni tulemusena. Moodumisreaktsiooni saab formuleerida järgmiselt:
\[ \text{n (H₂N-(CH2)₆-NH2) + n (HOOC-(CH2)4-COOH)} \paremnool \text{ -[NH-(CH₂)₆-NH-CO-(CH2)₄-CO]- }_n + \ 2n \tekst
Kõrvalsaadus on vesi (H₂O).
Muud polümerisatsiooniga seotud küsimused
Küsimus 3:
Polüetüleentereftalaati (PET) kasutatakse plastpudelite ja kangaste tootmisel. PETi moodustavad monomeerid on etüleenglükool (\( \text{HOCH₂CH₂OH} \)) ja tereftaalhape (\( \text{HOOC-C₆H₄-COOH} \)). Selgitage PETi moodustumise protsessi ja arvutage kõrvalsaaduste kogus, kui alustame 5 mooli igast monomeerist.
Arutelu:
PET-i moodustamise kondensatsioonipolümerisatsioonireaktsioon on järgmine:
\[ n \text{(HOCH₂CH₂OH)} + n \text{(HOOC-C₆H₄-COOH)} \rightarrow \text{ -[OOC-C₆H₄-COO-CH₂CH₂O]- }_n + 2n \text{H₂O} \]
Kus \(n \) on monomeeri moolide arv. Kui alustame 5 mooli etüleenglükooli ja 5 mooli tereftaalhappega, siis on saadud kõrvalsaadused 5 × 2 = 10 mooli H₂O.
Polümerisatsiooni kinemaatilised aspektid
Polümerisatsioonireaktsioonides on reaktsioonikineetika oluline kaalutlus. Polümerisatsioonikiirust võivad mõjutada mitmesugused tegurid, näiteks temperatuur, rõhk ja monomeeri kontsentratsioon.
Küsimus 4:
Kui reaktsiooni polümerisatsioonikiirus on \(k[M]^x \), kus k on kiiruskonstant, [M] on monomeeri kontsentratsioon ja x on reaktsiooni järk monomeeri suhtes, siis selgita, kuidas monomeeri kontsentratsiooni muutus mõjutab reaktsioonikiirust, kui x = 2.
Arutelu:
Kui x on 2, siis reaktsioonikiirus on \(k[M]^2 \). See tähendab, et reaktsioonikiirus on otseselt proportsionaalne monomeeri kontsentratsiooni ruuduga. Kui monomeeri kontsentratsiooni kahekordistada, suureneb reaktsioonikiirus neljakordseks (2² = 4).
Redokspolümerisatsioon
Teist tüüpi polümerisatsioonireaktsioon on redokspolümerisatsioon. See hõlmab kahe aine vahelist redoksreaktsiooni, mis käivitab polümerisatsiooni.
Küsimus 5:
Polümeer moodustub bensoüülperoksiidi ja stüreeni vahelise redoksreaktsiooni kaudu. Kirjutage tekkinud initsieerimisreaktsioon.
Arutelu:
Bensoüülperoksiidi ja stüreeni vaheline initsieerimisreaktsioon tekitab vabu radikaale, mis käivitavad polümerisatsiooni. Reaktsioon on järgmine:
\[ \text{(C₆H₅CO)₂O₂} \rightarrow 2 \text{C₆H₅COO·} \]
Seejärel reageerib bensoüüloksüülradikaal (\( \text{C₆H₅COO·} \)) stüreeniga, käivitades polümerisatsiooni ahelreaktsiooni.
\[ \text{C₆H₅COO· + CH₂=CHC₆H₅} \rightarrow \text{C₆H₅COOCH₂-CH·C₆H₅} \]
See reaktsioon jätkub seni, kuni süsteemis olev ülejäänud stüreen on reageerinud polüstüreeni moodustamiseks.
Järeldus
Polümerisatsioonireaktsioonide ja nende taga olevate mehhanismide mõistmine on ülioluline kõigile, kes on seotud keemia või materjaliteadusega. Ülaltoodud näidete abil eeldatakse, et lugejad mõistavad liitumis- ja kondensatsioonpolümerisatsiooni põhiprotsesse, aga ka mõningaid edasijõudnumaid aspekte, nagu reaktsioonikineetika ja redokspolümerisatsioon. Kindla aluse abil saame paremini aru polümeeride olulisest rollist tänapäeva elu erinevates aspektides.
