ВВЕДЕНИЕ - Тюменский государственный архитектурно

1
Министерство образования Российской Федерации
Тюменская государственная архитектурно-строительная академия
Кафедра Общей и специальной химии
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторной работе по теме
СВОЙСТВА ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
для студентов всех специальностей 1 курса
Тюмень -2003
2
Получение высокомолекулярных соединений: ст. преподаватель
ДОЛМАТОВА Н.Н., методические указания к лабораторной работе для
студентов всех специальностей, дневное отделение – 1 курс, 2 семестр,
Тюмень: ТюмГАСА, 2003 год, стр.
Рецензент: к.х.н., доцент Топалова Ольга Викторовна
(степень, звание, Фамилия, Имя, Отчество)
Учебно-методический материал утвержден на заседании кафедры:
Протокол № _________от «_____» __________________2003 г.
Учебно-методический материал утвержден на УМС академии:
Протокол №_______ от «_____» __________________2003 г.
Тираж____50____ экземпляров
3
ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
При работе в химической лаборатории необходимо знать и строго соблюдать правила по технике безопасности, так как это обеспечивает личную
безопасность и безопасность окружающих людей.
1. Рабочее место необходимо содержать в чистоте и порядке, не загромождать его посторонними предметами.
2. При работе соблюдать порядок и последовательность операций, указанных в руководстве.
3. Реактивы общего пользования не уносить на рабочие места.
4. Сухие реактивы брать при помощи пластмассовых или фарфоровых
шпателей.
5. При нагревании или кипячении жидкости в пробирке производить
нагрев по всему объему, при этом отверстие пробирки должно быть
направлено от себя и работающих рядом.
6. Все опыты с органическими веществами производить только в вытяжном шкафу.
7. Использованную химическую посуду мыть сразу после опыта.
8. Во время работы соблюдать тишину.
9. По окончании лабораторной работы рабочее место должно быть приведено в порядок.
4
ВВЕДЕНИЕ
Целью данной работы является ознакомление студентов с основными
методами получения высокомолекулярных соединений, а также закрепление
в ходе экспериментальных работ полученных по теме знаний.
5
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Общие сведения
Высокомолекулярные соединения и полимеры – это особый класс веществ, которые обладают ценными и своеобразными свойствами и широко
используются в современном строительстве в виде конструкционных материалов, пластических масс, синтетических волокон, каучуков, вяжущих и отделочных материалов. В дорожном строительстве широко применяются полимерцементные бетоны, представляющие собой затвердевшие смеси цемента и
полимера с наполнителями или без них. Полимер, будучи равномерно распределен в бетоне, улучшает сцепление цементного камня с наполнителем и
отдельных цементных зерен между собой.
Вещества, молекулы которых состоят из многих структурных звеньев,
называются высокомолекулярными соединениями.
Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов.
Молекулы полимеров, называемые также макромолекулами, состоят из
большого числа повторяющихся мономерных звеньев. Исходные вещества
для получения полимеров называются мономерами. Вследствие большой
молекулярной массы макромолекул полимеры приобретают некоторые спе-
6
цифические свойства, поэтому они выделены в особую группу химических
соединений.
Макромолекула может иметь линейное, разветвленное или сетчатое
строение. Физические и механические свойства полимеров в большой степени зависят от их пространственного строения.
Различают неорганические, органические и элементоорганические полимеры. Если цепь макромолекулы состоит из атомов углерода, то полимер
называют органическим. Если цепь составлена атомами кремния, фосфора и
другими, к которым присоединены углеродные атомы или группы, то такие
полимеры называются элементоорганическими. Если же в цепи и группах
атомы углерода отсутствуют, то полимер называют неорганическим. Органические полимеры, в свою очередь, подразделяются на природные и синтетические. В данной работе рассматриваются только синтетические полимеры.
Методы получения полимеров
Полимеры получают методами полимеризации и поликонденсации.
Полимеризация (полиприсоединение) – это реакция образования полимеров путем последовательного присоединения молекул мономера. При
полимеризации не образуется побочных продуктов, поэтому элементный состав макромолекул не отличается от состава молекул мономеров. В качестве
мономеров используются органические соединения с кратными (двойными
7
или тройными) связями, которые разрываются в процессе полимеризации, за
счет чего и возникают химические связи между группами с образованием
макромолекул. Например:
nСН2=СН2 → (-СН2–СН2-)n
этилен
полиэтилен
nСН2=СН → (-СН2-СН-)n
|
|
С6Н5
С6Н5
стирол
полистирол
n СН≡СН → (- СН=СН-)n
ацетилен
полиацетилен
По числу видов участвующих мономеров различают гомополимеризацию
(один вид мономера) и сополимеризацию (два и более видов полимеров).
Полимеризация - это самопроизвольный экзотермический процесс
(∆G<0, ∆H<0). Однако для начала и более быстрого осуществления реакции
полимеризации необходимо внешнее воздействие в виде инициаторов и катализаторов. В зависимости от характера активных частиц полимеризация бывает радикальной и ионной.
При радикальной полимеризации процесс инициируется свободными
радикалами. Процесс проходит стадии инициирования, роста цепи и обрыва
цепи. В качестве инициаторов обычно используются вещества, способные
при умеренной температуре распадаться с образованием свободных радикалов, например, перекись водорода, различные органические перекиси и гид-
8
роперекиси. Образовавшиеся свободные радикалы легко реагируют с молекулой мономера, например при полимеризации хлорвинила:
•
•
R + CH2=CH → RCH2-CH
|
|
Cl
Cl
Затем образуются макрорадикалы:
•
•
RCH2-CH + CH2=CH → RCH2-CH-СН2-CH и т.д.
|
|
|
|
Cl
Cl
Cl
Cl
Рост цепи происходит за счет присоединения к радикалам образующихся мономеров с получением новых радикалов.
Обрыв цепи заключается в переносе активного центра на другую молекулу (мономер, полимер, молекулы растворителя):
•
R-(-CH2-CH-)n-СН2-CH + CH2=CH →
|
|
|
Cl
Cl
Cl
•
→ R-(-CH2-CH-)n-СН2-CH2 + CH=CH
|
|
|
Cl
Cl
Cl
В результате рост цепи прекращается, а молекула-передатчик инициирует новую реакционную цепь. В случае если передатчиком служит полимер,
то возможно образование разветвленной цепи.
Радикальная полимеризация используется при получении промышлен-
9
ным способом многих важных полимеров таких, как поливинилхлорид
[-СH2-СH-]n,
|
поливинилацетат [-СH2-СH-]n,
|
Cl
полистирол
OCOCH3
CH3
|
[-СH2-СH- ]n , полиакрилат [-СH2-C- ]n и др.
|
|
C6H5
COOR
Ионная полимеризация также проходит через стадию образования активных центров, роста и обрыва цепи. Роль активных центров играют катионы и анионы. В качестве инициаторов применяются, например, серная и соляная кислоты, металлоорганические соединения и др. Метод ионной полимеризации используется при получении полиизобутилена [-СH2-C(CH3)2- ]n,
полиформальдегида [-СН2О- ]n и др.
Поликонденсация – реакция синтеза полимера из соединений, имеющих две или более функциональные группы, сопровождающаяся выделением
низкомолекулярных продуктов (H2O, NH3, HCl, CH2O и др.). Поликонденсация бифункциональных соединений называется линейной, например, в случае образования поликапроамида из аминокапроновой кислоты.
Поликонденсация соединений с тремя или более функциональными
группами называется трехмерной. Примером трехмерной поликонденсации
служит получение фенолформальдегидной и карбамидной смол. Кроме того,
методом поликонденсации получаются почти все полимеры многоосновных
10
кислот. Например, на основе этиленгликоля и терефталетовой кислоты получают полимер – полиэтилентерефталат, из которого изготовляется волокно –
лавсан. Часто смолы, получаемые таким методом, называют конденсационными.
Свойства полимеров
Химические свойства полимеров зависят от состава, молекулярной
массы и структуры. Полимерам свойственны реакции соединения макромолекул поперечными связями, взаимодействия функциональных групп друг с
другом и низкомолекулярными веществами и деструкции (разрушения).
Наличие у макромолекул двойных связей и функциональных групп обусловливает повышение реакционной способности полимеров. По той же причине
отдельные макромолекулы могут сшиваться поперечными связями, образуя
при этом сетчатую структуру полимера.
Полимеры могут подвергаться деструкции, т.е. разрушению под воздействием кислорода воздуха, света, теплоты, радиации. В результате деструкции уменьшается молекулярная масса макромолекул, изменяются химические и физические свойства, в конце концов, полимеры становятся непригодными для дальнейшего применения. Для замедления деструкции в состав
полимеров вводят специальные вещества - стабилизаторы.
11
Одним из наиболее распространенных классов синтетических высокомолекулярных соединений являются полимеры, содержащие в основной цепи
амидные группы ( –СO–NH), это карбамидные полимеры, полимочевины и
линейные полиамиды. Данные полимеры обычно не размягчаются, линейные
полимеры имеют кристаллическую структуру и плавятся при температуре от
100 до 300оС.
12
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Опыт 1. Получение новолачной (фенолоформальдегидной)
смолы (опыт проводится под тягой).
Поместите в пробирку 2 -3 г кристаллического фенола, добавьте туда
же 5 мл 40%-ного раствора формальдегида и 7-8 капель соляной кислоты
(1:1), используемой в качестве катализатора. Смесь нагревайте на пламени
спиртовки, пока не начнется бурная реакция и жидкость станет мутной. Когда
пробирка охладится, слейте верхний водный слой и вылейте полученную
смолу на лист картона. Запишите свои наблюдения и составьте схему взаимодействия фенола (С6Н6ОН) и формальдегида (СН2О).
Опыт 2. Получение мочевиноформальдегидной
(карбамидной) смолы.
Насыпьте в пробирку 2 г мочевины (NH2–CO–NH2) и прилейте туда
же 3 мл 40%-ного раствора формальдегида (СН2О). Смесь слабо нагревайте
на пламени спиртовки. Через 1-2 минуты наблюдайте помутнение жидкости,
а затем образование белого порошка. Составьте схему реакции.
13
Опыт 3. Получение глифталевой смолы.
В пробирку поместите 2 г фталевой кислоты или фталевого ангидрида
(реакция поликонденсации глицерина с фталевым ангидридом идет быстрее,
чем с фталевой кислотой, но продукты реакции в обои случаях одинаковы ),
1 мл глицерина и кипятильный камешек. Смесь осторожно нагрейте на слабом пламени спиртовки, не допуская осмоления, в течение 6-8 минут. По
окончании нагревания вылейте часть содержимого пробирки на стеклянную
пластинку, и наблюдайте за ее постепенным затвердеванием в клеевидную
смолу. В пробирку с остатками смолы прилейте 1-2 мл спирта (или ацетона)
для испытания смолы на растворимость в органическом растворителе. Опишите свойства полученного полимера. Составьте схему реакции поликонденсации.
Опыт 4. Разложение (деструкция) поливинилхлорида.
Кусочки поливинилхлорида (–CH2–CH–)n поместите в пробирку и
|
Cl
нагрейте на пламени спиртовки. К отверстию пробирки поднесите синюю
лакмусовую бумагу. Как изменилась окраска индикатора и почему?
14
К пробирке с поливинилхлоридом присоедините газоотводную трубку,
конец которой опустите в раствор нитрата серебра. Пробирку нагрейте и
наблюдайте за изменениями, происходящими с реакционной смесью.
Поливинилхлорид при нагревании разлагается. Какие вещества содержатся в продуктах разложения? Составьте схему происходящего процесса.
15
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие вещества называют высокомолекулярными? Что такое макромолекула?
2. Методы получения высокомолекулярных соединений.
3. В чем сущность процесса полимеризации?
4. Составьте схему получения полиэтилена.
5. Напишите схему сополимеризации этилена и стирола.
6. В чем сущность процесса поликонденсации?
7. Составьте схему получения карбамидной смолы.
8. Напишите уравнение поликонденсации фталевой кислоты и этиленгликоля.
9. Для получения синтетического волокна «нитрон» в качестве мономера используют акрилонитрил СН2=СН–CN. Составьте схему полимеризации этого мономера.
10. Что такое линейные и пространственные полимеры?
11.Какие полимеры называются термопластичными и термореактивными? Приведите примеры.
12.Приведите примеры полимеров, применяемых в строительной отрасли.
16
ЛИТЕРАТУРА
1. А.И. Артеменко, И.В. Тикунова, В.А. Малеванный. Справочное руководство по химии.- М.: Высшая школа, 2002.
2. Н.Л. Глинка. Задачи и упражнения по общей химии.- М.: Интеграл-пресс, 2002.
3. Н.В. Коровин. Общая химия.- М.: Высшая школа, 2000.
4. Н.Б. Любимова. Вопросы и задачи по общей и неорганической
химии.- М.: высшая школа, 1990.
5. Г.Е. Левант, Г.А. Райцын. Практикум по общей химии.-М.:
высшая школа, 1971.
17
СОДЕРЖАНИЕ
ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
3
ВВЕДЕНИЕ
4
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
5
Общие сведения
5
Методы получения полимеров
6
Свойства полимеров
10
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
12
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
14
ЛИТЕРАТУРА
15
18