Polimerizare și copolimerizare: lecție de chimie

1pe scurtstratul 1 din 3 · rezumatul lecției

Pe scurt

Polimerizarea prin adiție leagă monomeri cu dublă legătură fără eliminare de molecule mici. $nC H_{2} = C H_{2} \to [- C H_{2} - C H_{2} -]_{n}$ dă polietilenă; clorura de vinil dă PVC; stirenul dă polistiren. Copolimerizarea folosește monomeri diferiți: butadiena și stirenul dau cauciuc butadienă–stiren. Cauciucul natural este polimer de izopren; vulcanizarea formează punți între lanțuri și îmbunătățește rezistența.

Desen la lecția „Polimerizare și copolimerizare”

2în detaliustratul 2 din 3 · pentru clasă și Bacalaureat

În detaliu

Un monomer este molecula mică din care se formează lanțul, iar gradul de polimerizare $n$ este numărul unităților repetitive din lanț. Masa molară a polimerului este $M = n \cdot M_{0}$ , unde $M_{0}$ este masa unității repetitive. Într-o probă, lanțurile au grade de polimerizare diferite, deci $M$ este o valoare medie. Polimerizarea vinilică are trei etape: inițierea, în care un radical format din peroxid atacă dubla legătură, propagarea, în care lanțul adiționează monomeri succesivi, și terminarea, în care doi radicali se unesc sau lanțul se oprește.

Monomerii vinilici au formula $C H_{2} = CH - X$ și dau polimerii:

$X = H$ , etena, polietilena;
$X = C H_{3}$ , propena, polipropena;
$X = Cl$ , clorura de vinil, PVC;
$X = C_{6} H_{5}$ , stirenul, polistirenul;
$X = CN$ , acrilonitrilul, poliacrilonitrilul, din care se fac fibre;
$X = OCOC H_{3}$ , acetatul de vinil, poliacetatul de vinil, din care prin hidroliză rezultă alcoolul polivinilic;
$C F_{2} = C F_{2}$ , tetrafluoroetena, teflonul;
$C H_{2} = C (C H_{3}) COOC H_{3}$ , metacrilatul de metil, plexiglasul.

Polietilena are două variante. Cea de înaltă presiune, obținută prin polimerizare radicalică, are lanțuri ramificate și este flexibilă; cea de joasă presiune, obținută pe catalizatori Ziegler–Natta, are lanțuri liniare, este mai densă și mai rigidă. Polimerii vinilici liniari (polietilena, PVC, polistirenul) sunt termoplaști: se înmoaie la încălzire și se pot modela din nou. Cauciucul vulcanizat și rezita sunt reticulați, au lanțurile legate prin punți și nu se mai înmoaie reversibil.

Cauciucuri. Butadiena $C H_{2} = CH - CH = C H_{2}$ polimerizează în poziția 1,4 la polibutadienă, cu o dublă legătură în fiecare unitate, $[- C H_{2} - CH = CH - C H_{2} -]_{n}$ . Izoprenul, $C H_{2} = C (C H_{3}) - CH = C H_{2}$ , dă poliizopren, structura cauciucului natural din latexul arborelui Hevea. Poliizoprenul din cauciucul natural are configurația cis în jurul dublei legături din lanț; izomerul trans, gutaperca, este rigid. Cloroprenul dă policloropren (neopren). Copolimerii sunt lanțuri cu două tipuri de unități: butadiena cu stirenul dau cauciuc butadien-stirenic, iar butadiena cu acrilonitrilul dau cauciuc butadien-acrilonitrilic, rezistent la uleiuri. La vulcanizare, cauciucul crud se încălzește cu sulf; atomii de sulf formează punți între lanțuri, iar materialul devine elastic și rezistent, nu lipicios.

Exemplu rezolvat 1. Clorura de vinil se obține din acetilenă și HCl: $HC \equiv CH + HCl \to C H_{2} = CHCl$ . Pentru $1 t$ de PVC, la randament global $80%$ :

$M_{0} = 62, 5 g/mol$ , deci $1000/62, 5 = 16 kmol$ de unități.
Polimerizarea nu elimină nimic, deci sunt necesari $16 kmol$ monomer teoretic.
La randament $80%$ se pornește de la $16/0, 8 = 20 kmol$ acetilenă.
Volumul de acetilenă este $20 \cdot 22, 4 = 448 m^{3}$ (c.n.), iar HCl necesar este $20 \cdot 36, 5 = 730 kg$ .

Exemplu rezolvat 2. Un copolimer butadienă–acrilonitril ( $M_{0}$ : $54$ și $53 g/mol$ ) conține $8, 70%$ azot. Care este raportul molar al unităților?

Notăm $x$ unități de butadienă la o unitate de acrilonitril ( $y = 1$ , cu $14 g$ azot).
$14/ (54 x + 53) = 0, 087$ , deci $54 x + 53 = 160, 9$ .
Rezultă $x = 2$ : raportul butadienă:acrilonitril este $2 : 1$ .

Exemplu rezolvat 3. Poliizoprenul cu $M = 68000 g/mol$ are $n = 68 000/68 = 1000$ de unități, deci $1000$ de duble legături pe lanț. PVC cu $M = 125000 g/mol$ are $n = 2000$ . Procentul de clor din PVC nu depinde de $n$ : $35, 5/62, 5 \cdot 100 = 56, 8%$ . Unitatea teflonului, $C_{2} F_{4}$ ( $M_{0} = 100 g/mol$ ), are $4 \cdot 19/100 \cdot 100 = 76%$ fluor.

Exemplu rezolvat 4. Se polimerizează $52 kg$ stiren ( $M = 104 g/mol$ ) la randament $85%$ . Cantitatea de stiren este $52/104 = 0, 5 kmol$ , iar polistirenul rezultă fără pierdere de masă: $0, 5 \cdot 104 \cdot 0, 85 = 44, 2 kg$ . Un lanț cu $M = 52000 g/mol$ are $n = 500$ de unități și $500 \cdot 8 = 4000$ de atomi de carbon.

3pentru admiterestratul 3 din 3 · pentru examene

Pentru admitere

Complement grupat. Care dintre polimerii următori se obțin prin polimerizare prin adiție?

PVC.
PET.
Polistirenul.
Nylon-6,6.

A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte.
B. Numai 1 și 3 sunt corecte.
C. Numai 2 și 4 sunt corecte.
D. Numai 4 este corectă.
E. Toate sunt corecte sau toate sunt false.

PVC și polistirenul provin din monomeri cu dublă legătură (clorura de vinil, stirenul), care se adiționează fără eliminare de molecule mici; afirmațiile 1 și 3 sunt corecte. PET și nylon-6,6 se obțin prin policondensare, cu eliminare de apă; afirmațiile 2 și 4 sunt false. Răspuns: B.

Monomerul din unitatea repetitivă. Unitatea $[- C H_{2} - CH (CN) -]$ provine din acrilonitril; $[- C H_{2} - C (C H_{3}) = CH - C H_{2} -]$ provine din izopren; $[- C H_{2} - C (C H_{3}) (COOC H_{3}) -]$ provine din metacrilat de metil. Regula: cei doi atomi de carbon ai dublei legături devin atomi ai catenei principale.

Reacția cu bromul. Polibutadiena are câte o dublă legătură pe unitate ( $M_{0} = 54 g/mol$ ). O probă de $5, 4 g$ conține $0, 1 mol$ unități și adiționează $0, 1 mol$ $B r_{2}$ , adică $16 g$ ; masa soluției de brom de concentrație $4%$ decolorată este $16/0, 04 = 400 g$ . Polietilena nu decolorează soluția de brom.

Nesaturare. Care dintre polimerii următori decolorează soluția de brom?

Polietilena.
Polibutadiena.
PVC.
Cauciucul natural.

A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte.
B. Numai 1 și 3 sunt corecte.
C. Numai 2 și 4 sunt corecte.
D. Numai 4 este corectă.
E. Toate sunt corecte sau toate sunt false.

Polibutadiena și cauciucul natural (poliizoprenul) păstrează câte o dublă legătură în fiecare unitate repetitivă, deci decolorează bromul. În polietilenă și în PVC dubla legătură a monomerului s-a consumat la polimerizare. Afirmațiile 2 și 4 sunt corecte, iar 1 și 3 sunt false. Răspuns: C.

Hidroliza poliacetatului de vinil. Pe unitatea repetitivă ( $86 g/mol$ ), $[- C H_{2} - CH (OCOC H_{3}) -] + NaOH \to [- C H_{2} - CH (OH) -] + C H_{3} COONa$ . Din $8, 6 g$ polimer, adică $0, 1 mol$ unități, rezultă $4, 4 g$ alcool polivinilic și $8, 2 g$ acetat de sodiu, iar bilanțul de masă, cu $0, 1 mol$ NaOH ( $4 g$ ), este $8, 6 + 4 = 4, 4 + 8, 2 = 12, 6 g$ .

Compoziția copolimerului. Într-un copolimer cu raportul molar butadienă:stiren $3 : 1$ , masa unei serii de patru unități este $3 \cdot 54 + 104 = 266 g$ , deci conținutul de stiren este $104/266 \cdot 100 = 39, 1%$ în masă. Raportul molar $3 : 1$ nu coincide cu raportul maselor, care este $162 : 104$ .

Randament. Din $5, 6 m^{3}$ etenă (c.n.), adică $0, 25 kmol$ sau $7 kg$ , polimerizarea cu randament $90%$ dă $6, 3 kg$ polietilenă.

Greșeli frecvente

Greșit: Din 28 g etenă se obțin 10 g polietilenă prin eliminare de apă.
Corect: Nu se elimină apă; teoretic masa rămâne 28 g.
Greșit: PVC se obține prin polimerizarea etenei.
Corect: Monomerul este clorura de vinil, $C H_{2} = CHCl$ .
Greșit: Propanul polimerizează la polipropenă.
Corect: Alcanii nu au dublă legătură și nu adiționează; monomerul polipropenei este propena.
Greșit: Copolimerul butadienă–stiren este un amestec de polibutadienă și polistiren.
Corect: Fiecare lanț conține ambele tipuri de unități, legate covalent.
Greșit: Vulcanizarea rupe lanțurile cauciucului.
Corect: Sulful formează punți între lanțuri, iar cauciucul devine mai elastic și mai rezistent.

în contul tăuPremium

Testează-te pe această lecție

Lecția o citești aici, fără cont. Testele pe lecții și capitole sunt în cont, cu grile originale Didaxis și explicația fiecăreia: gratuit 10 grile pe zi, fără limită cu Premium, 49 de lei pe lună pentru fiecare copil.

Testează-te în cont

Înainte și după

ÎnainteCondensare și policondensareProduși de condensare și polimeri.DupăDiazotare și cuplareSăruri de diazoniu și coloranți azoici.CapitolulTransformări organiceToate lecțiile capitolului „Transformări organice”.

Surse și referințe

OMECI 5099/2009, Chimie X, conținuturi marcate cu asterisc, p. 5–9; rocnee.eu
OMECI 5099/2009, Chimie XI, programa 1/2, p. 7–9; rocnee.eu
OMECI 5099/2009, Chimie XI, programa 1/2, conținuturi marcate cu asterisc, p. 7–9; rocnee.eu
OMENCS 5070/2016, anexa 2, p. 4–6; aplicare în 2027 prin OMEC 5211/2026 art. 3(3); edu.ro
UMFCD, Tematica examenului de admitere la Facultatea de Medicină, iulie 2026, p. 3–4; umfcd.ro
OpenStax, Organic Chemistry, cap. 31, Summary; openstax.org

Desene: Redactare proprie (desen original)