Хімія. 9 клас. Лашевська

§ 29. Поняття про полімери на прикладі поліетилену. Застосування поліетилену

Після опрацювання параграфа ви зможете:

  • розрізняти за складом поліетилен і характеризувати його склад, фізичні властивості;
  • оцінювати вплив продуктів синтетичної хімії на навколишнє середовище в разі неправильного використання їх.

Які речовини є полімерами? Це, наприклад, поліетилен - чи не найвідоміша й найпоширеніша полімерна сполука, яку добувають полімеризацією етену.

Чи не забагато для одного речення слів із префіксом полі-? Що він означає, звідки походить? З грец. πολύ - численний, великий, більший за норму. Тому полімери зовсім небезпідставно називають гігантами органічного світу. Адже порівняно з іншими органічними сполуками їхня молекулярна маса величезна - від десятків тисяч до мільйонів. За підвищених температури й тиску та за участі каталізатора десятки й сотні тисяч молекул етену можуть з’єднуватися між собою в довгі ланцюги. Опис цього процесу на мікрорівні наведено на рисунку 29.1.

Рис. 29.1. Утворення поліетилену з етену. Показано лише фрагмент полімерного ланцюга, бо реальні розміри макромолекули не дають змоги зобразити її модель повністю

Де трапляються полімери і для чого їх застосовують? Нині чи не в кожному предметі навколо нас є частка натуральних і синтетичних речовин полімерної природи. Вони входять до складу клеїв і фарб, без них неможливо виготовити взуття та тканини, меблі й автомобілі, сантехнічні вироби й оздоблювальні матеріали. Полімери - складники засобів косметики та гігієни, лікарських препаратів, харчових продуктів тощо. Полімери та пластмаси на їхній основі - сучасні, дешеві, відносно надійні й безпечні матеріали, які заполонили світ, ставши невідокремною частиною життя кожної людини.

Чому поліетилен застосовують у найрізноманітніших галузях? Щоб відповісти на це запитання, розгляньмо склад і структуру молекул поліетилену - саме вони зумовлюють унікальний комплекс його властивостей.

З рисунку 29.1 легко зрозуміти, що поліетилен за властивостями і структурою докорінно відрізняється від етену. І зовнішнім виглядом, і на дотик цей полімер нагадує парафін. Так само як парафін поліетилен розм’якшується й плавиться за порівняно невисоких температур. Щоб пересвідчитися в цьому, нагріймо виріб з поліетилену (трубочку, пробку від пляшки тощо) над полум’ям пальника. Поліетилен швидко розм’якшується, тож можна змінити його форму - вона збережеться й після охолодження виробу. Накладемо одну поліетиленову плівку на край іншої такої самої плівки та накриємо їх аркушем паперу. Проведемо по ньому над місцем стикання плівок ледь нагрітим паяльником або іншим металевим предметом: плівки виявляться міцно «звареними». Ця властивість зумовила використання поліетилену для ламінування документів, друкованих наочних посібників тощо.

Поліетилен - пластичний матеріал, його легко формувати (рис. 29.2).

Рис. 29.2. 1. Гранули поліетилену. З його розтопу в різні способи легко формувати вироби. 2. Виготовлення поліетиленової плівки

Якщо поліетилен нагріти сильніше, він плавиться. Горить цей полімер синюватим полум’ям без кіптяви. Поліетилен не втрачає стійкості навіть за температури -70 °С, тому з нього виготовляють судки для зберігання харчових продуктів у морозильних камерах. Він нетоксичний, не розчиняється у воді й не змочується нею, стійкий до дії розчинів кислот, лугів, окисників, органічних розчинників тощо.

У молекулах поліетилену немає ділянок з підвищеною чи зниженою електронною густиною. Під дією змінного електричного поля молекули поліетилену не коливаються, тобто не поглинають і не розсіюють енергію поля, тому поліетилен - чудовий діелектрик. Недолік цього полімеру - його нестійкість до сонячної радіації, особливо УФ-променів.

Цікаво і пізнавально

Хімічні, фізичні й експлуатаційні властивості поліетилену залежать від густини й молекулярної маси полімеру. Тому вони різні для різних видів поліетилену. Наприклад, поліетилен з розгалуженим ланцюгом м’якший за поліетилен з нерозгалуженими молекулами.

У поліетилену високого тиску розгалуженість ланцюгів становить 15-25 відгалужень на 1000 атомів Карбону в ланцюзі, а в поліетилену низького тиску - лише 3-6 відгалужень. Тому густина, температури плавлення й розм’якшення, ступінь кристалічності в поліетилену з розгалуженим ланцюгом менші, ніж у поліетилену низького тиску, спосіб полімеризації якого зумовлює малу розгалуженість. Плівки з поліетилену низького тиску твердіші й щільніші, ніж з поліетилену високого тиску. Вони більш міцні, а їхня проникність значно нижча.

Надвисокомолекулярний поліетилен з відносною молекулярною масою понад 1 000 000 має підвищені експлуатаційні властивості. Температурний інтервал його використання від -260 до +120 °С. У нього низький коефіцієнт тертя, висока зносостійкість, стійкість до розтріскування, він хімічно стійкий у найагресивніших середовищах.

Унікальний комплекс фізичних і хімічних властивостей зумовив застосування поліетилену як одного з найважливіших сучасних матеріалів.

Поліетилен - синтетичний полімер, який не має природних аналогів. Тому мікроорганізмами в природних умовах він не утилізується. Це створює неабиякі екологічні проблеми, що потребують невідкладного розв’язання.

Завдання. Пригадайте маркування (рис. 29.3) на виробах з поліетилену та інших пластмас, поясніть, для чого на виробах з пластмас зазначають код переробки.

Рис. 29.3. Міжнародне маркування поліетиленових виробів. 1. LDPE (ПЕНТ) - поліетилен низького тиску. 2. HDPE (ПЕВТ) - поліетилен високого тиску

Цікаво і пізнавально

З 1 серпня 2016 р. в рамках акції «Сортуй заради майбутнього» кожен киянин та киянка можуть принести пластикові кришки, зібрані вдома або на роботі, у найближчий супермаркет мережі VARUS і залишити їх у прикасовій зоні в спеціальному контейнері з наклейкою (рис. 29.4). За кожні 100 кг зібраних кришечок школа отримає два муляжі з екологічно чистого пластику (PLA на основі кукурудзяного крохмалю) - 3D модель серця або молекули водню, або різнокольоровий пазл, який допоможе дитині швидше запам’ятати будову внутрішніх органів людини.

Рис. 29.4. Сортуй заради майбутнього!

З наступних параграфів цього підручника та з курсу біології ви докладніше дізнаєтеся про найважливіші природні полімери - полісахариди, білки, нуклеїнові кислоти тощо. Це допоможе вам осягнути значення природних і синтетичних високомолекулярних сполук у біологічних процесах і практичній діяльності людини.

ПРО ГОЛОВНЕ

• Поліетилен добувають полімеризацією етену.

• Поліетилен - синтетичний полімер, який не має природних аналогів, і мікроорганізмами у природних умовах не утилізується.

• Рециклізування - багаторазова переробка виробів з поліетилену та інших полімерних матеріалів.

Перевірте себе

1. Що таке полімери? 2. Як добувають поліетилен? 3. Що таке рециклізація полімерів? Для чого вона потрібна?

Застосуйте свої знання й уміння

4. Назвіть властивості поліетилену, які зумовили його застосування як матеріалу для виготовлення: а) обкладинок для зошитів і підручників; б) штучних суглобів; в) одноразових шприців; г) кожухів дротів; д) одноразового посуду; е) каністр для хімічних реактивів.

5. Нестійкість до сонячної радіації, особливо УФ-випромінювання - один з експлуатаційних недоліків поліетилену. Поясніть, для чого в деякі види поліетилену навмисно добавляють речовини, які пришвидшують його розкладання під дією світла.

6. Карині та Ігорю доручено разом з однокласниками й однокласницями написати сценарій і поставити за ним агітаційну п’єсу екологічного спрямування. Матеріалом для виготовлення сценічних костюмів вони вибрали різноманітні поліетиленові пакети. Поясніть, які властивості поліетилену зумовили такий вибір. Назвіть властивості цього полімеру, що обмежують його застосування як матеріалу для одягу щоденного вжитку.

7. Назвіть прості буденні дії, які має виконувати кожна цивілізована людина, щоб зменшити забруднення довкілля відходами поліетилену.

8. Проаналізуйте інформацію, наведену в уривку зі статті одного з інтернет-видань: «У 2016 році біологам і біологиням удалося виділити штам бактерій Ideonella sakaiensis 201-F6, який здатний гідролізувати пластик за допомогою спеціальних ферментів. Важливо, що організми не лише руйнують полімер, а й використовують його для отримання енергії. Рік потому дослідницька група з Європи виявила, що личинки метелика Galleria Mellonella, також відомого як воскова міль, здатні руйнувати пластик, з якого роблять пакети та інші продукти на основі поліетилену. Співавторка дослідження Федеріка Берточчіні з Національної дослідницької ради Іспанії є бджоляркою-аматоркою. Подальше дослідження цього процесу науковою спільнотою сприятиме розробленню нової технології утилізування пластикових відходів». Перевірте її достовірність та оцініть значення описаних у статті відкриттів для сталого розвитку людства.

Творча майстерня

9. Дослідіть властивості поліетилену за різних температур. Для цього покладіть його в морозильну камеру, потім потримайте біля нагрівального приладу. Після кожної дії спробуйте розтягти, подряпати. Склейте розплавленим поліетиленом папір, тканину, виготовте в такий спосіб для молодшого брата (чи сестри) аплікацію на одяг. Створіть власну колекцію виробів з поліетилену - реальну або віртуальну, обґрунтуйте застосування поліетилену у вигляді конкретного виробу його властивостями. Створіть рекламу або антирекламу для вибраних вами виробів з поліетилену, наприклад поліетиленового пакета або одноразового стаканчика. За бажання залучіть до цієї роботи батьків, друзів, знайомих. З’ясуйте, чи розкладається поліетилен за тривалого перебування в землі чи воді, у засобах побутової хімії. За результатами дослідження підготуйте презентацію.

Дізнайтеся більше

  • https://www.youtube.com/watch?v=q4qhZ0KUzDQ
  • https://www.youtube.com/watch?v=iTm2duWZcng
  • https://www.youtube.com/watch?v=m7mNgXe6-TU
  • https://www.youtube.com/watch?v=OOPwqfqCuSY