Esercizi: Polimerizzazione per addizione

L'etene ($\mathrm{CH_2=CH_2}$) è la materia prima fondamentale per la produzione industriale del polietilene mediante polimerizzazione per addizione radicalica o catalitica.

1. a) Scrivi l'equazione chimica generale del processo di polimerizzazione utilizzando la notazione con parentesi quadre per l'unità ripetitiva e indicando il significato del pedice $n$.
2. b) Giustifica perché la massa molecolare dell'unità ripetitiva coincide esattamente con quella del monomero di partenza, spiegando se questo tipo di polimerizzazione genera sottoprodotti come acqua o acido cloridrico.

Il cloroetene (comunemente detto cloruro di vinile) polimerizza dando luogo al poli(cloruro di vinile) (PVC), un materiale di grande rilevanza tecnica in tubazioni e profili.

1. a) Scrivi, mediante formule di struttura condensate, la molecola di cloroetene e l'unità ripetitiva del poli(cloruro di vinile).
2. b) Spiega se la presenza del sostituente cloro nella catena carboniosa influisce sulla massa molecolare dell'unità rispetto al monomero e spiega perché non si deve generalizzare che tutti i polimeri vinilici abbiano la stessa flessibilità o rigidità meccanica a temperatura ambiente.

Il politetrafluoroetene (PTFE) è un polimero di addizione noto per la sua straordinaria inerzia chimica e antiaderenza.

1. a) Scrivi la formula del monomero tetrafluoroetene e dell'unità costituente ripetitiva del politetrafluoroetene.
2. b) Indica con un ragionamento se il legame presente nel monomero che consente la polimerizzazione si mantiene nel polimero risultante e giustifica perché gli atomi di fluoro conferiscono grande stabilità chimica nei confronti di acidi e ossidanti forti senza che ciò implichi necessariamente un'elevata durezza meccanica.

Nella caratterizzazione strutturale dei polimeri sintetici lineari è fondamentale correlare la sequenza di atomi della catena con il monomero da cui deriva. Di seguito è illustrato un frammento rappresentativo di una catena lineare di polietilene priva di ramificazioni

1. a) A partire dal frammento osservato, identifica e disegna la formula di struttura condensata dell'unità ripetitiva corrispondente all'incorporazione di una molecola di etene e quella del monomero precursore corrispondente.
2. b) Se un lotto industriale di questo polimero presenta una massa molare media di $M = 84\,150\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$, calcola il grado di polimerizzazione medio $n$, giustificando l'approssimazione di trascurare la massa dei gruppi terminali.

Dati: Masse molari atomiche: $M(\mathrm{C}) = 12{,}01\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{H}) = 1{,}008\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$.

Puoi svolgerlo su carta e inviare una foto con la tua risposta.

Il polipropilene si ottiene industrialmente mediante l'addizione successiva di propene utilizzando catalizzatori stereospecifici di Ziegler-Natta.

1. a) Scrivi la reazione di polimerizzazione del propene mostrando la formula di struttura condensata del monomero e quella dell'unità ripetitiva del polipropilene.
2. b) Un polipropilene commerciale isotattico ha un grado di polimerizzazione medio $n = 3\,500$. Determina la massa molare media del polimero trascurando i gruppi terminali. Se, in un modello di bilancio di massa, i due estremi di una catena con lo stesso numero di unità fossero gruppi fenile legati ($\mathrm{-C_6H_5}$, massa molare $77{,}10\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$ ciascuno), calcola l'errore percentuale che si commetterebbe omettendo tali gruppi terminali nella massa molare calcolata.

Dati: Masse molari atomiche: $M(\mathrm{C}) = 12{,}01\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{H}) = 1{,}008\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$.

Si analizza un campione di policloroetene (PVC) in un laboratorio di controllo qualità.

1. a) Se la massa molare media determinata sperimentalmente per il campione è $175\,000\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$, calcola il grado di polimerizzazione medio $n$, trascurando gli estremi di catena.
2. b) Determina la percentuale teorica in massa di cloro nell'unità ripetitiva del PVC puro. Se l'analisi elementare del lotto rivela una percentuale reale di cloro pari a $54{,}50\,\%$, spiega se questo solo dato permette di distinguere tra degradazione con perdita di acido cloridrico e presenza di unità derivate dall'etene nella catena, e proponi una prova aggiuntiva per distinguerle.

Dati: Masse molari atomiche: $M(\mathrm{C}) = 12{,}01\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{H}) = 1{,}008\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{Cl}) = 35{,}45\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$.

Il copolimero ETFE si sintetizza per polimerizzazione per addizione congiunta di etene ($\mathrm{CH_2=CH_2}$) e tetrafluoroetene ($\mathrm{CF_2=CF_2}$) senza perdita di materia. Un campione puro di questo materiale ha una massa molare media di $180\,000\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$ e un contenuto di fluoro del $59{,}34\,\%$ in massa.

1. a) Calcola la frazione molare di tetrafluoroetene e di etene nel copolimero.
2. b) Calcola il numero medio totale di residui monomerici che formano ciascuna macromolecola e indica la massa di etene teoricamente consumata per produrre $250\text{ kg}$ di questo copolimero.

Dati: Masse molari atomiche: $M(\mathrm{C}) = 12{,}01\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{H}) = 1{,}008\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{F}) = 19{,}00\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$.

Si sintetizza un copolimero speciale per elastomeri mediante addizione congiunta di propene ($\mathrm{CH_2=CH-CH_3}$) e tetrafluoroetene ($\mathrm{CF_2=CF_2}$). Un campione essiccato di $2{,}500\text{ g}$ di tale copolimero viene sottoposto a combustione e mineralizzazione completa in atmosfera ossidante, raccogliendo tutto il fluoro in soluzione acquosa sotto forma di ioni fluoruro, $\mathrm{F^-}$. La titolazione di questi fluoruri richiede $44{,}30\text{ mL}$ di una soluzione di $\mathrm{La(NO_3)_3}$ $0{,}200\text{ M}$, con formazione quantitativa del precipitato $\mathrm{LaF_3}$.

1. a) Determina la percentuale in massa di tetrafluoroetene e di propene nel copolimero.
2. b) Calcola il rapporto molare propene : tetrafluoroetene nelle catene polimeriche e indica il grado di polimerizzazione totale medio se la massa molare media del polimero è $214\,000\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$.

Dati: Masse molari atomiche: $M(\mathrm{C}) = 12{,}01\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{H}) = 1{,}008\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{F}) = 19{,}00\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$.

Nell'industria dei rivestimenti si sintetizza un copolimero per addizione impiegando etene ($\mathrm{CH_2=CH_2}$) e cloroetene ($\mathrm{CH_2=CHCl}$). La polimerizzazione avviene con un iniziatore radicalico azobis(isobutirronitrile) (AIBN). Le catene terminano esclusivamente per accoppiamento bimolecolare (combinazione), così che ogni molecola di polimero contiene esattamente due frammenti di iniziatore di formula $\mathrm{-C(CH_3)_2CN}$ come gruppi terminali.

1. a) Deduci l'espressione della massa molare del polimero in funzione del numero di unità di etene ($x$) e di cloroetene ($y$) per catena, e indica la formula generale di tale macromolecola.
2. b) Un'analisi chimica determina che il copolimero ha un $25{,}00\,\%$ in massa di cloro e una massa molare media di $141\,900\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$. Calcola il numero medio di unità di cloroetene ($y$) e di etene ($x$) per macromolecola e verifica se trascurare la massa degli estremi comporterebbe un errore superiore al $0{,}2\,\%$ nel calcolo della massa molare.

Dati: Masse molari atomiche: $M(\mathrm{C}) = 12{,}01\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{H}) = 1{,}008\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{N}) = 14{,}01\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{Cl}) = 35{,}45\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$.