Transcript מצגת בנושא פולימרים 1

‫פולמרים ‪1‬‬
‫פולימרים סינטטיים‬
‫נושאי השיעור‬
‫מושגי בסיס‬
‫פילמור בסיפוח‬
‫סרטונים במצגת‬
‫פִ למור ניילון‪ -‬סרטון‬
‫פולימרים – חומרים‬
‫כבקשתך‪ ,‬יוטיוב‬
‫‪1‬‬
‫פולימרים כבקשתך ‪ -‬סרטון‬
‫צפו בסרטון "פולימרים חומרים כבקשתך" וענו על השאלות הבאות‪:‬‬
‫א‪ -‬אילו חפצים העשויים מפולימרים מוזכרים בסרטון?‬
‫ב‪ -‬מהו המקור לחומרי הגלם בתעשיית הפולימרים?‬
‫ג‪ -‬א‪ .‬מהן שתי הבעיות שנוצרו כתוצאה מריבוי החפצים העשויים‬
‫פולימרים – חומרים‬
‫כבקשתך‪ ,‬יוטיוב‬
‫מפלסטיק?‬
‫ב‪ .‬האם אפשר לפתור בעיות אלו? מה הן ההצעות לפתרון‬
‫המוזכרות בסרטון‪.‬‬
‫‪2‬‬
‫מקרומולקולות ‪ -‬המרכיב העיקרי של חומרים פלסטיים‬
‫הגדרות‪:‬‬
‫מקרומולקולה ‪ -‬מולקולת ענק שבה מאות או אלפי אטומים קשורים זה לזה בקשר קוולנטי‪.‬‬
‫מולקולת השרשרת בנויה מיחידות (‪-‬קב’ אטומים) החוזרות על עצמן וקשורות בקשר קוולנטי‪.‬‬
‫פולימר ‪ -‬הוא חומר המורכב ממקרומולקולות רבות‪ .‬פולימר מיוונית‪ :‬רב‪-‬יחידות‪.‬‬
‫פלסטיק ‪ -‬הוא פולימר סינטטי מעובד יחד עם תוספים שונים‪( .‬מיוונית‪ :‬עיבוד‪ ,‬עיצוב צורה)‬
‫רוב המוצרים הפלסטיים הנפוצים מופקים ממספר מצומצם של סוגי פולימרים‪.‬‬
‫המגוון העצום של התכונות מושג על ידי שיטות עיבוד שונות ועל ידי תוספים שונים‪.‬‬
‫באיור מצויר מודל המתאר שלוש‬
‫שרשרות מתוך שרשרות רבות‬
‫בחומר הנקרא פולימר‪.‬‬
‫‪3‬‬
‫מינוח של פולימרים‬
‫פילמור‪ -‬התהליך בו נוצרים פולימרים‪.‬‬
‫בתהליך הפילמור מתחברות מולקולות קטנות‪ ,‬מונומרים‪ ,‬זו לזו‪.‬‬
‫שם הפולימר יכול להינתן לפי שיטת המינוח כמו בחומרים אורגניים או לפי השם המסחרי‪.‬‬
‫השם השיטתי יהיה‪ :‬פולי(שם מונומר)‬
‫דוגמאות‪:‬‬
‫שם שיטתי‪:‬‬
‫שם מסחרי‪:‬‬
‫פולי(אתֶ ן) ‪-‬‬
‫פוליאתילן‬
‫פולי(פרופֶ ן) ‪-‬‬
‫פוליפרופילן‬
‫פולי(כלורואתֶ ן) ‪-‬‬
‫פוליוניל כלורי‬
‫המונומר‪:‬‬
‫‪CH2=CH2‬‬
‫‪CH2=CHCH3‬‬
‫‪CH2=CHCl‬‬
‫מודל המייצג חלק שרשרת של מולקולת פוליאתילן‬
‫‪4‬‬
‫פילמור ניילון ‪ ,‬סרטון ושאלות‬
‫צפו בסרטון הבא המדגים את תהליך הפלמור‬
‫של ניילון‪.‬‬
‫א‪ .‬מה מייצג אטב אחד?‬
‫ב‪ .‬מה מייצגת שרשרת האטבים?‬
‫ג‪ .‬הסבירו כיצד נוצר חוט הניילון‪.‬‬
‫פִ למור ניילון‪ -‬סרטון‬
‫‪5‬‬
‫פילמור ניילון ‪ ,‬סרטון ותשובות לשאלות‬
‫צפו בסרטון הבא המדגים את תהליך הפלמור‬
‫של ניילון‪.‬‬
‫א‪ .‬מה מייצג אטב אחד?‬
‫ב‪ .‬מה מייצגת שרשרת האטבים?‬
‫ג‪ .‬הסבירו כיצד נוצר חוט הניילון‪.‬‬
‫פִ למור ניילון‪ -‬סרטון‬
‫תשובות‪:‬‬
‫א‪ .‬אטב אחד מייצג מונומר‪.‬‬
‫ב‪ .‬שרשרת האטבים מייצגת מולקולת שרשרת אחת בחומר הנקרא פולימר‪.‬‬
‫ג‪ .‬הסרטון מציג הכנת חוט ניילון‪ .‬לכוס זכוכית מכניסים תמיסה נוזלית בה מומס מונומר ‪X‬‬
‫ומעליה מוסיפים תמיסה נוזלית אחרת בה מומס מונומר ‪ .Y‬שתי התמיסות לא מתערבבות זו‬
‫בזו לכן רק בשטח המגע בין שתי התמיסות מתחברות מולקולות ‪ X‬למולקולות ‪ Y‬ליצירת‬
‫קרום ניילון דק‪ .‬כאשר מושכים באיטיות את את הקרום שוב נפגשות שכבות הנוזלים ונוצר‬
‫קרום חדש המתחבר לקודם וחוזר חלילה‪ .‬באופן זה נוצר חוט ניילון‪.‬‬
‫‪6‬‬
‫מולקולות הפולימר‬
‫כל מולקולה בפולימר יכולה להכיל מאות‪ ,‬אלפים ומאות אלפים של אטומים‪.‬‬
‫השרשרות יכולות להיות מפותלות בפיתולים שונים אקראיים‪.‬‬
‫מולקולות הפולימר מתקפלות בצורות שונות‪ .‬מולקולה אחת לעולם אינה "רואה" בשלמות‬
‫את המולקולות שלידה‪.‬‬
‫לפולימרים מסות מולריות גבוהות‪ .‬הן יכולות להגיע למיליוני גרם למול‪.‬‬
‫לשרשרות באותו הפולימר אורכים שונים‪.‬‬
‫המולקולות בפולימר מפותלות‬
‫בפיתולים אקראיים כמו‬
‫ספגטי‬
‫‪Xandert /‬‬
‫‪MorqueFile‬‬
‫‪7‬‬
‫שפת הכימיה‬
‫דרך הכתיבה בפרק פולימרים‪:‬‬
‫נוסחת פולימר‪[-CH2-CH2-]n :‬‬
‫או‬
‫‪H-[CH2-CH2]n-H‬‬
‫יחידה חוזרת‪ :‬החלק שחוזר על עצמו בשרשרת הפולימר (יש להקפיד על כתיבת הקווים‪-‬‬
‫הקשרים בקצוות)‬
‫]‪ [-CH2-CH2-‬או ]‪[-CH2-‬‬
‫קטע פולימר‪ :‬מכיל יותר מיחידה חוזרת אחת (יש להקפיד על כתיבת הקווים‪-‬קשרים בקצוות)‬
‫‪-CH2-CH2-CH2-CH2‬‬‫תהליך פילמור‪ :‬קבלת הפולימר מן המונומרים‪:‬‬
‫‪nCH2=CHCH3 ------> [-CH2-CH(CH3)-]n‬‬
‫‪8‬‬
‫השרשרת הבודדת ‪ -‬תהליכי פילמור‬
‫בתהליך הפילמור מתחברות מולקולות קטנות (מונומרים) זו לזו‪ .‬קיימים שני סוגי פילמור‪:‬‬
‫סיפוח ודחיסה‪.‬‬
‫תהליכי פילמור‬
‫סיפוח‬
‫דחיסה‬
‫למונומרים קשר כפול ‪.C=C‬‬
‫למונומרים שתי קבוצות פונקציונליות‪.‬‬
‫הפילמור מתרחש אגב סיפוח‪:‬‬
‫פתיחת הקשר הכפול ויצירת‬
‫קשר קוולנטי בין המונומרים‪.‬‬
‫הפילמור מתרחש בתגובות דחיסה‪:‬‬
‫היווצרות קשר קוולנטי בין המונומרים אגב‬
‫יציאת מולקולות קטנות‪ ,‬לרוב מים‪.‬‬
‫‪9‬‬
‫‪ .I‬פילמור דרך סיפוח‬
‫המונומרים בעלי הקשר הכפול מסתפחים זה לזה לקבלת מולקולות ארוכות שרשרת‪.‬‬
‫(האיור הבא אינו מתאר את מנגנון התגובה)‬
‫הקשר הכפול נפתח ונוצר קשר קוולנטי יחיד בין מונומר אחד לאחר‬
‫‪C C‬‬
‫‪C C‬‬
‫‪C C‬‬
‫‪C C‬‬
‫‪C C‬‬
‫‪C C‬‬
‫‪C C‬‬
‫‪C C‬‬
‫‪nCH2=CH2 -----> [-CH2-CH2-]n‬‬
‫‪10‬‬
‫א‪ .‬יצירת פוליאתילן (‪ )PE‬נמוך צפיפות‪ ,‬שאלה ‪1‬‬
‫התנאים‪ :‬לחץ גבוה ‪ 1000 -‬אטמ’‪ ,‬טמפרטורה ‪ 3000 -‬צלזיוס‪.‬‬
‫במנגנון רדיקלי ‪ -‬עם יזם מהסוג ‪ ROOR‬אשר בחימום מתפרק לשני רדיקלים‪.‬‬
‫כל אחד משני הרדיקלים מתחיל יצירת שרשרת‪.‬‬
‫היזם ‪ -‬חומר המתחיל את תהליך הפילמור ונשאר קשור בקצה השרשרת‪.‬‬
‫היזם קובע את מנגנון התגובה‪ .‬מתקבלות שרשרות מסועפות בצורות שונות ובאורכים‬
‫שונים‪.‬‬
‫שאלה ‪ :1‬כיצד תשפיע כמות היזם על תהליך הפילמור‬
‫ועל מבנה הפולימר?‬
‫גרגרי פוליאתילן נמוך צפיפות‬
‫‪11‬‬
‫תשובה לשאלה ‪1‬‬
‫כיצד תשפיע כמות היזם על תהליך הפילמור ועל הפולימר?‬
‫תשובה‪:‬‬
‫ככל שכמות היזם גדלה‪ ,‬הפולימר המתקבל יהיה בעל שרשרות קצרות ומסועפות יותר‪.‬‬
‫מולקולות היזם מתחילות את פילמור השרשרת‪ .‬מולקולות יזם רבות המוכנסות לכמות נתונה‬
‫של חומר‪ ,‬תתחלנה בו בזמן מספר גדול של שרשרות‪ ,‬לכן תהליך הפילמור מהיר! מאחר‬
‫שכמות המונומרים מוגבלת‪ ,‬כל שרשרת שתיווצר תהיה קצרה יותר‪ .‬קצוות שרשרת‬
‫מתחברים לשרשרות אחרות אגב יצירת סיעופים‪.‬‬
‫אורך השרשרות ומידת הסיעוף משפיעים על תכונות הפולימר‪ .‬כשהשרשרות קצרות‬
‫ומסועפות יש יותר קצוות בעלי מידת פיתול גבוהה יותר‪ ,‬הסיעופים אינם מאפשרים לשרשרות‬
‫להתקרב זו לזו ולכן השרשרות נארזות טוב פחות וצפיפותן יורדת‪.‬‬
‫‪12‬‬
‫יצירת פולימר גבה צפיפות (‪)HD‬‬
‫התנאים‪ :‬לחץ ‪ 3 -‬אטמ’‪ ,‬טמפרטורה ‪ 700 -‬צלזיוס‪.‬‬
‫בנוכחות זרז זיגלר‪-‬נאטא (תערובת מוצקה המכילה אלומיניום תלת‪-‬‬
‫אתיל וטיטניום ארבע‪-‬כלורי או חומרים דומים)‪.‬‬
‫הפילמור‪ ,‬התחברות המונומרים‪ ,‬נעשה על שטח הפנים של הזרז‪.‬‬
‫אפשר לשלוט על אורך השרשרת בעזרת תוספת חומר כמו ‪ H2‬גז‪.‬‬
‫אטומי המימן מסיימים את הפילמור‪.‬‬
‫מתקבל פולימר לא מסועף ששרשרותיו נארזות בצפיפות‬
‫גבוהה יותר‪ ,‬בהתפלגות קטנה יותר של אורכי שרשרת‪.‬‬
‫זרז‬
‫‪13‬‬
‫שאלה ‪2‬‬
‫מדוע לא מוסיפים גם יזם כאשר מפלמרים פוליאתילן בנוכחות הזרז זיגלר‪-‬נאטא?‬
‫‪14‬‬
‫שאלה ‪2‬‬
‫מדוע לא מוסיפים גם יזם כאשר מפלמרים פוליאתילן בנוכחות הזרז זיגלר‪-‬נאטא?‬
‫תשובה‪:‬‬
‫יזם מתחיל את פילמור השרשרות בכל התערובת‪ ,‬לא על שטח הפנים של הזרז‪.‬‬
‫עובדה זו תמנע את יצירת מרבית השרשרות על שטח הפנים של הזרז‪.‬‬
‫לא יתקבל פולימר גבה צפיפות כמבוקש‪.‬‬
‫‪15‬‬
‫שאלה ‪3‬‬
‫נסחו את התהליך לקבלת הפולימרים הבאים‪:‬‬
‫א‪ .‬פולי וניל כלוריד )‪ (PVC‬מהמונומר‪CH2=CHCl :‬‬
‫ב‪ .‬פוליפרופילן )‪ (PP‬מהמונומר‪ :‬פרופן‪.CH2=CH-CH3 -‬‬
‫ג‪ .‬פוליסטירן )‪ (PS‬מהמונומר*‪:‬‬
‫* הסבר על מבנה הטבעת – בנזן‪ ,‬ראו בשקופית האחרונה‪.‬‬
‫רמז‪ :‬כדי לעבור לכתיבת קטע פולימר או יחידה חוזרת‪ ,‬תחילה ציירו את הקשר הכפול‪.‬‬
‫את המתמירים שמחוברים לפחמנים כתבו אנכית מעל ומתחת לקשר בדרך הבאה‪:‬‬
‫אח"כ בטלו את הקשר הכפול והוסיפו שני קשרים יחידים‪ ,‬אחד לכל פחמן‪.‬‬
‫‪16‬‬
‫שאלה ‪3‬‬
‫נסחו את התהליך לקבלת הפולימרים הבאים‪:‬‬
‫א‪ .‬פולי וניל כלוריד )‪ (PVC‬מהמונומר‪CH2=CHCl :‬‬
‫ב‪ .‬פוליפרופילן )‪ (PP‬מהמונומר‪ :‬פרופן‪.CH2=CH-CH3 -‬‬
‫ג‪ .‬פוליסטירן )‪ (PS‬מהמונומר*‪:‬‬
‫תשובה‪( :‬בשתי דרכי כתיבה שונות)‬
‫א‪.‬‬
‫ג‪.‬‬
‫‪nCH2=CHCH3 --------> [-CH2-CH(CH3)-]n‬‬
‫ב‪.‬‬
‫‪nCH2=CH-C6H5 --------> [-CH2-CH(C6H5)-]n‬‬
‫‪nCH2=CHCl --------> [-CH2-CHCl-]n‬‬
‫‪17‬‬
‫שאלה ‪4‬‬
‫לפניכם שלושה קטעים מייצגים של כמה פולימרים‪ .‬כתבו את המונומרים שהם בנויים מהם‪.‬‬
‫רמז‪ :‬תחילה זהו את היחידה החוזרת ואח"כ הוסיפו את הקשר הכפול‪.‬‬
‫‪18‬‬
‫שאלה ‪4‬‬
‫לפניכם שלושה קטעים מייצגים של כמה פולימרים‪ .‬כתבו את המונומרים שהם בנויים מהם‪.‬‬
‫תשובה‪:‬‬
‫או‬
‫‪CH2=CH2‬‬
‫‪CH2=CHF‬‬
‫‪CH2=CH-CH2-CH3‬‬
‫‪19‬‬
‫תנאי הפילמור והתכונות של פוליפרופילן‬
‫‪[-CH2-CH-]n‬‬
‫‪CH3‬‬
‫פילמור רדיקלי‪ ,‬בלא זרז‪ ,‬ייתן שרשרות מסועפות ומפותלות באריזה שאינה מסודרת‪.‬‬
‫נוצר חומר רך בעל שימוש מוגבל‪.‬‬
‫פילמור בנוכחות זרזי זיגלר נאטא‪ ,‬יהיה בלא סיעופים‪ ,‬ויתקבל חומר גבישי יותר וחזק‪.‬‬
‫הקב’ הבולטות משִ דרת הפולימר תפנינה לצד אחד‪ .‬כדי להתרחק זו מזו תיצורנה מבנה‬
‫סלילי ישר הנארז היטב‪.‬‬
‫שרשרות פוליפרופילן הנבדלות במיקום הקבוצה המתילית‪ .‬בשרשרת הראשונה הקבוצות‬
‫פונות לאותו צד‪ ,‬באחרת לצדדים שונים לסירוגין‪ .‬לפולימרים השונים תכונות שונות‪.‬‬
‫‪20‬‬
‫פילמור בוטדיאן‬
‫סיפוח ‪ 1-2‬או ‪1-4‬‬
‫בוטדיאן הוא מונומר המכיל ארבעה פחמנים ושני קשרים כפולים מצומדים (בין שני הקשרים‬
‫הכפולים קיים קשר יחיד)‪ .‬הוא יכול לעבור פילמור סיפוח בשתי דרכים‪:‬‬
‫פילמור ‪ 1-2‬הוא פילמור סיפוח לאחד הקשרים‪ .‬מתקבלת פולימר בעל קבוצה צדדית ובה‬
‫קשר כפול‪.‬‬
‫‪ 2,1‬פולי בוטדיאן‬
‫בוטדיאן‬
‫פילמור ‪ 1-4‬הוא פילמור סיפוח לאחד הקשרים הכפולים גם כן‪ ,‬אך בעקבותיו הקשר הכפול‬
‫שנותר עובר למרכז המונומר‪ .‬כל יחידת המונומר נכנסת לשדרת הפולימר‪ .‬מתקבל פולימר‬
‫בעל קשר כפול בשרשרת הפולימר‪.‬‬
‫‪n CH2=CH-CH=CH2 ----> [-CH2-CH=CH-CH2-]n‬‬
‫בוטדיאן‬
‫‪ 4,1‬פולי בוטדיאן‬
‫‪21‬‬
‫סיכום – פולימרים של סיפוח‬
‫מאפיינים של פולימרים המתקבלים בסיפוח‪:‬‬
‫בתהליך הסיפוח מגיבים רק מונומרים בעלי קשר כפול אחד לפחות‪.‬‬
‫לפולימרים הנוצרים בסיפוח‪ ,‬יש הרכב אטומים ביחידה החוזרת הזהה להרכב‬
‫האטומים במונומר‪.‬‬
‫לרוב‪ ,‬עמוד השִ דרה של הפולימרים מכיל אטומי פחמן בלבד‪.‬‬
‫סיפוח של המונומרים נעשה בזה אחר זה עד גמר המונומרים‪.‬‬
‫נהוג לכנות את תהליך יצירתם‪ ,‬פילמור בשרשרת‪.‬‬
‫‪22‬‬
‫שאלה ‪5‬‬
‫נתונים שלושה מונומרים‪CH2=C(CH3)COOCH3 )III( CF2=CF2 )II( CH2=CHCl (I) :‬‬
‫רשמו קטע פולימר המתקבל מהם‪.‬‬
‫רמז‪ :‬תחילה רשמו את הקשר הכפול במרכז ואת המתמירים של הפחמנים המחוברים אליו‬
‫מעל ומתחת למישור הקשר‪.‬‬
‫‪23‬‬
‫שאלה ‪5‬‬
‫נתונים שלושה מונומרים‪CH2=C(CH3)COOCH3 )III( CF2=CF2 )II( CH2=CHCl (I) :‬‬
‫נסחו עבורם את תהליך הפילמור‪.‬‬
‫רמז‪ :‬תחילה רשמו את הקשר הכפול במרכז ואת המתמירים של הפחמנים המחוברים אליו‬
‫מעל ומתחת למישור הקשר‪.‬‬
‫תשובה‪:‬‬
‫(‪ )I‬מתקבל פולי וניל כלוריד‬
‫(‪ )II‬מתקבל טפלון‬
‫(‪ )III‬מתקבל פולי מתיל מתאקרילט‬
‫‪24‬‬
‫מעט על בנזן‬
‫הבנזן‬
‫הבנזן היא מולקולה טבעתית שנוסחתה המולקולרית ‪.C6H6‬‬
‫במולקולה זו קיימת תופעה הנקראת אל‪-‬איתור‪ ,‬הדומה לתופעה הקיימת בגרפיט‪.‬‬
‫כל אטום פחמן בטבעת קשור בקשר קוולנטי לשני אטומי פחמן שכנים ולעוד אטום מימן‪.‬‬
‫נוסף על כך‪ ,‬לכל אטום פחמן יש אלקטרון אחד לא מאותר שיכול לעבור מפחמן לפחמן‬
‫בטבעת‪ .‬אפשר לייצג את הבנזן בכמה דרכים‪:‬‬
‫נוסחה המבליטה את תופעת‬
‫האל‪-‬איתור‪ .‬האלקטרונים‬
‫עוברים מפחמן לפחמן בטבעת‬
‫נוסחה המבליטה מצב של קשרים‬
‫כפולים לסירוגין שמתחלפים‬
‫מבנה הטבעת‪ :‬הטבעת מישורית וקשיחה‪ ,‬אורכי הקשר בין הפחמנים שווים זה לזה ואורכם‬
‫הוא בין קשר כפול לקשר יחיד‪.‬‬
‫אפשר למצוא טבעות בנזן במבנה של פולימרים רבים כקבוצות צדדיות או כחלק מעמוד‬
‫השדרה של שרשרות הפולימר‪.‬‬
‫דוגמה‪ :‬פוליסטירן הוא פולימר המתקבל מן המונומר‪:‬‬
‫‪25‬‬
‫סיכום‬
‫פולימר ‪ -‬הוא חומר המורכב ממקרומולקולות רבות‪.‬‬
‫יש שתי שיטות להכנת פולימרים – סיפוח ודחיסה‪.‬‬
‫פולימרים של סיפוח מכינים ממונומרים בעלי קשר כפול‪.‬‬
‫לרוב‪ ,‬פולימר סיפוח יכיל עמוד שדרה המורכב מאטומי פחמן בלבד‪.‬‬
‫לפולימרים השונים בכל שיטות הפילמור יש שרשרות בעלות אורך שונה‪.‬‬
‫מושגים חשובים‪:‬‬
‫מקרומולקולה‪ ,‬מונומר‪ ,‬פולימר‪ ,‬יחידה חוזרת‪ ,‬פלסטיק‪ ,‬פילמור בסיפוח‪ ,‬יזם‪ ,‬זרז‬
‫זיגלר נאטא‪ ,‬פולימר גבה ‪/‬נמוך צפיפות‬
‫‪26‬‬