Tworzywa sztuczne

Zadanie 25.2 – Wzór półstrukturalny (grupowy) poli(kwasu mlekowego) PLA

1. Krok 1: Przypomnienie budowy monomeru – kwasu mlekowego

   Kwas mlekowy (kwas 2-hydroksypropanowy) ma wzór półstrukturalny:

   $$\text{CH}_3\text{-CH(OH)-COOH}$$

   Cząsteczka kwasu mlekowego zawiera dwie grupy funkcyjne umożliwiające polikondensację:

   • grupę hydroksylową $\text{-OH}$ (przy drugim węglu)
   • grupę karboksylową $\text{-COOH}$ (przy pierwszym węglu)

2. Krok 2: Określenie rodzaju reakcji polimeryzacji

   PLA powstaje w reakcji polikondensacji (kondensacyjnej polimeryzacji). Grupy $\text{-OH}$ jednej cząsteczki reagują z grupami $\text{-COOH}$ kolejnej cząsteczki, z wydzieleniem wody ($\text{H}_2\text{O}$), tworząc wiązanie estrowe $\text{-COO-}$.

   Schemat tworzenia wiązania estrowego:

   $$\text{-COOH} + \text{HO-} \longrightarrow \text{-COO-} + \text{H}_2\text{O}$$

3. Krok 3: Wyznaczenie jednostki powtarzalnej

   Po utworzeniu wiązania estrowego między kolejnymi monomerami, jednostka powtarzalna pochodzi z jednej cząsteczki kwasu mlekowego po odłączeniu $\text{H}_2\text{O}$:

   $$\text{CH}_3\text{-CH(OH)-COOH} \xrightarrow{-\text{H}_2\text{O}} \left[\text{-CH(CH}_3\text{)-COO-}\right]_n$$

   Jednostka powtarzalna to: $\text{-CH(CH}_3\text{)-COO-}$

4. Krok 4: Zapis wzoru półstrukturalnego PLA

   Wzór półstrukturalny (grupowy) poli(kwasu mlekowego) zapisujemy, umieszczając jednostkę powtarzalną w nawiasie z indeksem $n$:

Wynik końcowy:

lub równoważnie w zapisie półstrukturalnym:

Co można zapisać również jako:

Podsumowanie: Wzór półstrukturalny PLA to $\left[\text{-CH(CH}_3\text{)-COO-}\right]_n$. Łańcuch polimerowy zbudowany jest z jednostek powtarzalnych połączonych wiązaniami estrowymi, powstałymi w wyniku kondensacji grup hydroksylowych i karboksylowych kwasu mlekowego.

Jak to rozwiązać — bilans spalania

Krok 1. Gaz X (2 atomy, ostry zapach) to HCl. Fragment (C₂H₃Cl)₄ zawiera 8 C, 12 H, 4 Cl.

Krok 2. Bilans produktów: 8 C → 8 CO₂; 4 Cl → 4 HCl (zabiera 4 H); pozostałe 8 H → 4 H₂O. Sprawdzenie stosunku 8 : 4 : 4 = 2 : 1 : 1 ✓.

Krok 3. Bilans tlenu: po prawej 8·2 + 4 = 20 atomów O → 10 O₂.

(C₂H₃Cl)₄ + 10 O₂ → 8 CO₂ + 4 H₂O + 4 HCl

✔ Zgodne z kluczem.

Jak to rozwiązać — polikondensacja (analogia do estryfikacji fosgenu)

Każda grupa –ONa reaguje z atomem Cl fosgenu, odłączając NaCl i tworząc wiązanie estrowe (węglanowe). Powstaje łańcuch poliwęglanu, a produktem ubocznym jest 2n NaCl:

n NaO–C₆H₄–C(CH₃)₂–C₆H₄–ONa + n COCl₂ → [–O–C₆H₄–C(CH₃)₂–C₆H₄–O–CO–]_n + 2n NaCl

✔ Zgodne z kluczem: mer poliwęglanu –O–Ar–C(CH₃)₂–Ar–O–CO– oraz 2n NaCl.

Rozwiązanie

Nie ma izomerów cis-trans — przy każdym atomie węgla wiązania podwójnego w CF₂=CF₂ znajdują się dwa jednakowe podstawniki (dwa atomy F). Fragment polimeru: –CF₂–CF₂–CF₂–CF₂–.

Rozwiązanie

1. $n($CH₂=CHCl$)=\dfrac{10^6}{62{,}5}=16000$ mol.
2. Dichloroetan (wyd. $90\%$): $\dfrac{16000}{0{,}90}=17778$ mol; eten (wyd. $80\%$): $\dfrac{17778}{0{,}80}=22222$ mol.
3. $V=22222\cdot22{,}4=497800$ dm³ $\approx\mathbf{497{,}8}$ m³.

Rozwiązanie

Kwas: HOOC–C₆H₄–COOH (kwas tereftalowy, benzeno-1,4-dikarboksylowy). Alkohol: HO–CH₂–CH₂–OH (etano-1,2-diol, glikol etylenowy).