§ 19. Поліетилен (Григорович)

ПОМІРКУЙТЕ

Висловіть аргументи «за» та «проти» щодо можливості молекул етену приєднувати одна одну.

Аргумент «за»: етен є ненасиченим вуглеводнем і містить подвійний зв’язок. Під дією речовин-ініціаторів або каталізаторів подвійний зв’язок розривається з утворенням одинарного, і атоми Карбону отримують вільні валентності для сполучення з іншими молекулами етену.

Аргумент «проти»: за звичайних умов однойменні молекули етену є стабільними частинками з електронними хмарами, які відштовхуються одна від одної, тому самочинно реакція сполучення між ними не починається без нагрівання, високого тиску чи ініціатора.

Зважаючи на будову молекули поліетилену, спрогнозуйте його фізичні та хімічні властивості. До речовин якого гомологічного ряду вони будуть подібні?

У ланцюзі молекули поліетилену всі зв’язки між атомами Карбону є одинарними, тому за будовою та властивостями він подібний до алканів (насичених вуглеводнів). Фактично поліетилен — це високомолекулярний алкан. Він хімічно інертний, не взаємодіє з кислотами, лугами і стійкий до дії окисників. За фізичними властивостями це малопрозора, пластична речовина, жирна на дотик і подібна до парафіну, яка не проводить струм і теплоту.

Елементарна ланка поліетилену –CH2–CH2– складається з двох однакових груп атомів –CH2–. Чому формулу поліетилену не записують у спрощеному вигляді [–CH2–]n?

Формула будь-якого полімеру повинна відображати його генетичний зв’язок із вихідною речовиною — мономером. Для поліетилену мономером є етилен $C H_{2} = C H_{2}$ , тому елементарна ланка містить два атоми Карбону: $[- C H_{2} - C H_{2} -]_{n}$ .

Зважаючи на будову молекул поліетилену, спрогнозуйте його фізичні властивості.

Через високу молярну масу та довгі гнучкі полімерні ланцюги поліетилен є твердою малопрозорою речовиною, легшою за воду (густина $0, 90 - 0, 95 г / см^{3}$ ), жирною на дотик, діелектриком і поганим провідником тепла. Під час нагрівання він поступово розм’якшується і переходить у пластичний стан (термопластичність).

Зважаючи на властивості поліетилену, спрогнозуйте галузі його застосування.

Хімічна стійкість, пластичність і гідрофобність зумовлюють використання поліетилену в таких напрямках:

виготовлення пакувальних плівок, обгорткових матеріалів, пакетів для покупок та пакетів для сміття;
виробництво контейнерів, пляшок і посуду для харчових продуктів;
виготовлення каністр і місткостей для транспортування їдких речовин, кислот та розчинників;
випуск міцних водопровідних, газових і каналізаційних труб великого діаметра;
покриття теплиць і гідроізоляція у будівництві.

РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ

223. Порівняйте фізичні й хімічні властивості алкенів і поліетилену, склавши діаграму Венна.

Відмінні ознаки (Алкени, на прикладі етену)	Спільні ознаки	Відмінні ознаки (Поліетилен)
• Гази або рідини за звичайних умов (етен — газ). • Ненасичені вуглеводні з кратним зв’язком $C = C$ . • Хімічно активні: знебарвлюють бромну воду та розчин $KMn O_{4}$ , вступають у реакції приєднання. • Здатні виступати мономерами.	• Складаються з атомів Карбону й Гідрогену (вуглеводні). • Якісний склад виражається співвідношенням $C : H = 1 : 2$ (найпростіша формула $C H_{2}$ ). • Горять на повітрі з утворенням $C O_{2}$ та $H_{2} O$ . • Погано проводять електричний струм і теплоту, нерозчинні у воді.	• Тверда речовина, парафіноподібна, жирна на дотик. • Насичена макромолекула: містить виключно одинарні зв’язки $C - C$ . • Хімічно інертний: не реагує з бромною водою, розчином $KMn O_{4}$ , лугами й кислотами. • Високомолекулярна сполука (полімер).

224. За таблицею 7 на с. 153 обґрунтуйте різне застосування поліетилену високої та низької густини.

Поліетилен низької густини (LDPE) утворюється за високого тиску (близько 2000 атмосфер), через що його макромолекули мають розгалужену форму та меншу щільність упакування. Це робить матеріал м’яким, еластичним і глянцевим, тому з нього роблять тонку пакувальну плівку, фасувальні пакети (із навантаженням до 4 кг) і м’які контейнери.

Поліетилен високої густини (HDPE) утворюється за помірного тиску (близько 40 атмосфер), його молекули майже лінійні й щільно прилягають одна до одної. Завдяки цьому HDPE має підвищену міцність, твердість, вищу температуру плавлення (понад 125 °С) і хімічну стійкість. Його використовують для виготовлення водопровідних труб великого діаметра, каністр для розчинників та міцних пакетів (навантаження до 20 кг).

225. За матеріалом параграфа сформулюйте визначення понять «реакція полімеризації», «мономер», «полімер», «ступінь полімеризації» та «елементарна ланка».

Реакція полімеризації — це процес сполучення багатьох молекул низькомолекулярної речовини (мономеру) в одну велику молекулу полімеру.
Мономер — це низькомолекулярна речовина, яка вступає в реакцію полімеризації та утворює полімер.
Полімер — це високомолекулярна сполука, макромолекула якої складається з великої кількості однакових повторюваних груп атомів.
Ступінь полімеризації ( $n$ ) — це число, яке показує, скільки молекул мономеру об’єдналося в одну молекулу полімеру.
Елементарна ланка — це багаторазово повторюваний фрагмент у складі макромолекули полімеру.

226. Порівняйте терміни, склавши для них діаграми Венна:
а) «полімери» й «високомолекулярні сполуки»;
б) «мономер» і «елементарна ланка».

а) Порівняння понять «полімери» й «високомолекулярні сполуки»:

Відмінні ознаки (Полімери)	Спільні ознаки	Відмінні ознаки (Високомолекулярні сполуки)
• Завжди побудовані з чітко повторюваних однакових елементарних ланок. • Утворюються регулярним з’єднанням молекул одного або кількох мономерів (полімеризація або поліконденсація).	• Мають великі значення відносної молекулярної маси (від десятків тисяч до мільйонів). • Макромолекули складаються з сотень і тисяч атомів. • Не мають фіксованої температури плавлення, для них характерна середня молекулярна маса.	• Ширше родове поняття для будь-яких молекул велетенських розмірів. • Охоплює речовини без строго повторюваної ланки (наприклад, білки зі складною черговістю різних амінокислот або складні гумінові кислоти).

б) Порівняння понять «мономер» і «елементарна ланка»:

Відмінні ознаки (Мономер)	Спільні ознаки	Відмінні ознаки (Елементарна ланка)
• Окрема індивідуальна речовина (низькомолекулярна сполука). • Існує самостійно до початку хімічної реакції. • Містить ненасичений подвійний або потрійний зв’язок (наприклад, $C H_{2} = C H_{2}$ ).	• Мають однаковий якісний склад і однакове співвідношення атомів хімічних елементів ( $C : H = 1 : 2$ ).	• Частина макромолекули, яка не може існувати ізольовано як окрема речовина. • Утворюється внаслідок розриву кратного зв’язку і має тільки одинарні зв’язки ( $- C H_{2} - C H_{2} -$ ).

227. Знайдіть інформацію про те, скільки часу потрібно для повного розкладання в природних умовах поліетиленового та паперового пакетів. Порівняйте з тривалістю використання поліетиленового пакета в побуті. Зробіть висновок про раціональність використання поліетилену.

Поліетиленовий пакет у природних умовах не піддається дії бактерій і розкладається під дією ультрафіолету від 100 до 400 років, поступово подрібнюючись на небезпечний мікропластик. Паперовий пакет є природною целюлозою, тому повністю перегниває у ґрунті за 1–2 місяці.

Середній час користування поліетиленовим пакетом від каси супермаркету додому становить лише 15–20 хвилин. Співвідношення 20 хвилин використання до 400 років існування на сміттєзвалищі доводить повну нераціональність одноразового поліетилену. Екологічно правильним рішенням є повна відмова від тонких одноразових кульків на користь багаторазових тканинних торбинок і сіток.

228. Знайдіть щонайменше два приклади, як поліетиленові відходи шкодять тваринам (морським і наземним). Поясніть, чому тварини можуть сприймати поліетилен за їжу. Які наслідки це має для тварин і екосистем?

Приклади шкідливого впливу поліетилену:

1) Морські черепахи масово ковтають тонкі пакети, що плавають у товщі води, бо плутають їх зі своєю природною здобиччю — медузами. Пакети забивають стравохід і шлунок, викликають псевдоситість і тварина гине від виснаження.

2) Птахи (альбатроси, мартини) та наземні звірі на звалищах з’їдають пакети разом із залишками їжі. Плівка заплутується у травному тракті, перфорує кишечник або викликає удушення молодняка.

Тварини сприймають поліетилен за їжу через оптичну схожість, а також через запах: у воді пластик швидко вкривається шаром бактерій і водоростей, які пахнуть диметилсульфідом (сигналом їжі для багатьох морських жителів). Накопичення поліетилену призводить до падіння популяцій тварин і міграції токсичного мікропластику харчовими ланцюгами аж до людини.

229. Прочитайте й проаналізуйте три фрагменти тексту. Один із них розміщений на офіційному сайті підприємства «Водоканал», інші — з телеграм-каналу та науково-популярного журналу. Визначте джерело кожного з фрагментів і дайте відповіді на запитання.

Фрагмент №1 належить телеграм-каналу — на це вказують емоційні оціночні фрази («вразило спільноту», «варто замислитися») та перелік хештегів у кінці.
Фрагмент №2 розміщений на офіційному сайті підприємства «Водоканал» — тут ідеться про безпеку міської мережі, відповідність державним нормам і прямий заклик довіряти воді з-під крана.
Фрагмент №3 взятий із науково-популярного журналу — подано зважений академічний стиль, описуються конкретні механізми міграції часток і наголошується на верифікації фактів у рецензованих джерелах.

• Висловіть судження про те, яким джерелам інформації можна довіряти, яким — ні.

Довіряти можна рецензованим науковим виданням, науково-популярним журналам із прозорою редакцією та офіційним звітам сертифікованих лабораторій, оскільки вони подають виміряні цифри і перевірені методики. Не варто довіряти анонімним телеграм-каналам і соцмережам, які використовують клікбейт і маніпулюють людськими страхами задля охоплень.

• Якщо вам потрібно дізнатися інформацію про стан води у водогоні вашого поселення, то до яких джерел інформації ви будете звертатися? Обґрунтуйте свою думку.

Потрібно звертатися до публічних звітів місцевого «Водоканалу» та офіційних сторінок Держпродспоживслужби або місцевого центру контролю та профілактики хвороб МОЗ України. Ці органи щоденно здійснюють лабораторні аналізи води за фізико-хімічними й бактеріологічними нормами та несуть юридичну відповідальність за достовірність даних.

РОЗУМІННЯ ЯВИЩ ПРИРОДИ (РОБОТА В ГРУПАХ)

230. Поясніть, чому хімічні властивості поліетилену відрізняються від властивостей етилену.

Хімічні властивості речовин залежать від типу хімічних зв’язків. Етилен $C H_{2} = C H_{2}$ містить подвійний зв’язок (один $σ$ - і один рухливий $π$ -зв’язок), тому він легко вступає в реакції приєднання, окиснюється та знебарвлює бромну воду. У молекулі поліетилену $[- C H_{2} - C H_{2} -]_{n}$ усі зв’язки є одинарними $σ$ -зв’язками Карбон–Карбон і Карбон–Гідроген, які є дуже міцними. Завдяки відсутності кратних зв’язків поліетилен поводиться як насичений вуглеводень і виявляє високу стійкість до дії реагентів.

231. Пригадайте особливості фізичних властивостей аморфних і кристалічних речовин. За фізичними властивостями поліетилену зробіть висновок, до яких речовин він належить: кристалічних чи аморфних.

Кристалічні речовини мають чітку просторову кристалічну ґратку і плавляться за строго фіксованої сталої температури. Аморфні речовини не мають регулярного порядку розташування молекул у всьому об’ємі, тому в них немає певної точки плавлення: під час нагрівання вони поступово розм’якшуються у широкому інтервалі температур.

Поліетилен не має фіксованої точки плавлення, а спочатку розм’якшується в інтервалі від 100 °С до 125 °С, тому за своїми основними фізичними характеристиками він належить до аморфних (або частково кристалічних, аморфно-кристалічних) полімерів.

232. Як ви вважаєте, чи є виправданою заміна природних матеріалів на поліетилен? Наведіть аргументи «за» і «проти».

Заміна природних матеріалів на поліетилен є частково виправданою, але потребує суворого екологічного контролю:

Аргументи «за»:

поліетилен набагато дешевший у виробництві, ніж вироби зі скла, деревини чи металу;
він має малу масу, водонепроникний, не зазнає корозії та стійкий до агресивних хімічних речовин;
використання полімерів зменшує вирубування лісів для виробництва тари.

Аргументи «проти»:

поліетилен практично не розкладається у природі, накопичується у ґрунтах та утворює мікропластик;
сировиною для нього є вичерпні природні ресурси (нафта та природний газ);
вироби з поліетилену є горючими та плавляться при порівняно низьких температурах.

233. Середня відносна молекулярна маса поліетилену, одержаного за низького тиску, дорівнює 280 тис. Скільки молекул етилену витрачається в середньому на утворення однієї молекули полімеру?

Дано:

$M_{r} (поліетилену) = 280000$
Мономер: $C_{2} H_{4}$
$A_{r} (C) = 12$
$A_{r} (H) = 1$

Знайти:

$n - ?$

Розв’язання:

1) Обчислимо відносну молекулярну масу мономеру етену ( $C_{2} H_{4}$ ):
$M_{r} (C_{2} H_{4}) = 2 \cdot A_{r} (C) + 4 \cdot A_{r} (H) = 2 \cdot 12 + 4 \cdot 1 = 24 + 4 = 28$

2) Знайдемо кількість молекул етилену (ступінь полімеризації $n$ ):
$n = \frac{M _{r} ( поліетилену )}{M _{r} ( C _{2} H _{4} )} = \frac{280 000}{28} = 10000$

Відповідь: $n = 10000$ молекул етилену.

234. Обчисліть і порівняйте масові частки Карбону й Гідрогену: а) в етені; б) у поліетилені складу [—CH2–CH2—]1000.

Дано:

а) етен $C_{2} H_{4}$
б) поліетилен $[- C H_{2} - C H_{2} -]_{1000}$ ( $C_{2000} H_{4000}$ )
$A_{r} (C) = 12$
$A_{r} (H) = 1$

Знайти:

$w (C), w (H) - ?$

Розв’язання:

1) Для молекули етену $C_{2} H_{4}$ :
$M_{r} (C_{2} H_{4}) = 2 \cdot 12 + 4 \cdot 1 = 28$
$w (C) = \frac{2 \cdot A _{r} ( C )}{M _{r} ( C _{2} H _{4} )} \cdot 100% = \frac{2 \cdot 12}{28} \cdot 100% = \frac{24}{28} \cdot 100% \approx 85, 71%$
$w (H) = 100% - 85, 71% = 14, 29%$

2) Для поліетилену складу $[- C H_{2} - C H_{2} -]_{1000}$ :
$M_{r} (полімеру) = 2000 \cdot 12 + 4000 \cdot 1 = 24000 + 4000 = 28000$
$w (C) = \frac{2000 \cdot A _{r} ( C )}{M _{r} ( полімеру )} \cdot 100% = \frac{2000 \cdot 12}{28 000} \cdot 100% = \frac{24 000}{28 000} \cdot 100% \approx 85, 71%$
$w (H) = 100% - 85, 71% = 14, 29%$

3) Порівняння:
Масові частки Карбону й Гідрогену в етені та поліетилені абсолютно однакові, тому що під час реакції полімеризації сполучаються лише молекули етену без виділення чи приєднання інших речовин, і співвідношення атомів залишається сталим: $N (C) : N (H) = 1 : 2$ .

Відповідь: масові частки елементів в етені та поліетилені однакові: $w (C) \approx 85, 71%$ , $w (H) \approx 14, 29%$ .

235. Як ви вважаєте, чи може людство повністю відмовитися від використання природних матеріалів на користь пластмас? Наведіть аргументи «за» і «проти» такої заміни.

Повністю замінити природні матеріали пластмасами неможливо.

Аргументи «за»:

пластмаси прості й дешеві у виготовленні, дозволяють отримувати вироби будь-якої складної конфігурації методом штампування чи лиття;
вони не гниють, захищені від корозії, мають малу вагу та добрі ізоляційні властивості.

Аргументи «проти»:

природні матеріали (метали, камінь, скло) мають незрівнянно вищу термостійкість і механічну міцність;
природні волокна (бавовна, льон, шерсть) повітропроникні й гігієнічні для людини, чого не забезпечують звичайні полімери;
сировиною для більшості пластмас є нафта — невідновлюваний ресурс;
повний перехід на пластмаси призведе до катастрофічного накопичення нерозкладних відходів на планеті.

236. Дізнайтеся про способи утилізації поліетилену, що існують у вашій громаді (спалювання, захоронення, вторинна переробка). Обговоріть: які з них найбільш доцільні з погляду охорони довкілля. Створіть пам’ятку «Що робити з поліетиленовими пакетами після використання?».

Захоронення поліетилену на звалищах вилучає родючі землі й призводить до утворення стійкого мікропластику. Просте спалювання на відкритому повітрі категорично заборонене, оскільки приводить до утворення чадного газу, сажі та канцерогенних сполук. Найбільш екологічним і доцільним способом є вторинна механічна переробка (рециклінг), коли чистий відсортований поліетилен подрібнюють, плавлять і повторно перетворюють на гранули для нових технічних виробів.

Пам’ятка «Що робити з поліетиленовими пакетами після використання?»:

1) Не беріть новий пакет у магазині, якщо покупки можна покласти в багаторазову екоторбинку або рюкзак.

2) Використовуйте кожен поліетиленовий пакет багаторазово якомога довше.

3) Очищайте та висушуйте використані пакети перед здачею на переробку.

4) Складайте поліетиленові кульки в спеціальні контейнери для збору пластику (жовтий бак) або здавайте у пункти прийому вторсировини.

5) Уникайте пакетів із позначкою «оксорозкладні», бо вони лише швидко кришаться на небезпечний мікропластик.

6) Ніколи не паліть поліетилен у печах, грубках чи вогнищах на присадибній ділянці.

§ 19. Поліетилен (Григорович)

Теги статті:

До уроку