Физико-химические свойства растворов ВМС

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО КУЛЬТУРЕ И КИНЕМАТОГРАФИИ РФ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ»

 

Кафедра общей, органической и физической химии

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по поверхностным явлениям и дисперсным системам

 

Тема: «Физико-химические свойства растворов ВМС»

 

 

 

Выполнила студентка  ФФиТД 935 группы Яценко Ирина Анатольевна

 

Руководитель: Тишко Ирина Александровна

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2012

1. Введение

Среди многочисленных веществ, встречающихся в природе, резко  выделяется группа соединений, отличающихся от других особыми физическими свойствами, высокой вязкостью растворов, способностью образовывать волокна, пленки и т.д. К этим веществам относятся целлюлоза, лигпин, пентозаны, крахмал, белки и нуклеиновые кислоты, широко распространенные в растительном и животном мире, где они образуются в результате жизнедеятельности организмов.

Высокомолекулярные соединения (ВМС) получили свое название вследствие большой величины их молекулярного веса, отличающие их от низкомолекулярных веществ, молекулярный вес которых лишь сравнительно редко   достигает нескольких сотен. В настоящее время принято относить к ВМС вещества с молекулярным весом более 5000.

Молекулы ВМС называют макромолекулами, а химию ВМС – химией макромолекул и макромолекулярной химией.

Наука о полимерах  стала развиваться как самостоятельная  область знания к началу Второй мировой войны и сформировалась как единое целое в 50-х гг. XX столетия, когда была осознана роль полимеров в развитии технического прогресса и жизнедеятельности биологических объектов. Она тесно связана с физикой, физической, коллоидной и органической химией и может рассматриваться как одна из базовых основ современной молекулярной биологии, объектами изучения которой являются биополимеры.

В результате многочисленных исследований, осуществленных огромной армией химиков, физиков и технологов, было установлено не только строение некоторых природных ВМС, но и найдены пути синтеза их заменителей из доступных видов сырья.

Многообразие ВМС неограниченно. Отсюда вытекает еще большее многообразие явлений природы, особенно жизненных явлений, т.к. подавляющее большинство природных процессов представляют собой процессы образования, изменения и превращения высокомолекулярных тел.

Только немногие отрасли  промышленности перерабатывают высокомолекулярные природные материалы без применений каких-либо химико-технологических процессов, методами чисто механической технологии. Гораздо многочисленнее отрасли промышленности, где при переработке природных высокомолекулярных материалов сочетаются процессы механической и химической технологии. При этом, например, в производстве хлопчатобумажных, шерстяных и льняных текстильных волокон, натурального шелка, в меховой и кожевенной промышленности преобладают процессы механической технологии, однако для выпуска готового изделия необходимы и такие важные химико-технологические процессы, как крашение волокон, тканей, меха, окраска и дубление кожи и т.д. В целлюлозно-бумажной промышленности, частично в резиновой (на основе натурального каучука), в производстве эфироцеллюлозных и белковых пластических масс, кинопленки, искусственного волокна, наоборот, преобладают химико-технологические процессы обработки.

Некоторые отрасли промышленности занимаются расщеплением природных высокомолекулярных веществ с целью получения ценных пищевых продуктов и технических низкомолекулярных материалов. Сюда относятся гидролизная промышленность (производство этилового спирта гидролизом древесины), крахмалопаточное, пивоваренное и другие производства, использующие процессы брожения.

С каждым годом возрастает и производство синтетических полимеров, т.е. высокомолекулярных соединений, получаемых из низкомолекулярных исходных продуктов. Быстро развиваются такие отрасли промышленности, как промышленность пластических масс, синтетических волокон, синтетического каучука, лаков (лакокрасочная промышленность) и клеев, электроизоляционных материалов и др.

К отраслям промышленности, использующим высокомолекулярные соединения, можно также отнести стекольную, керамическую, промышленность силикатных строительных материалов. Высокомолекулярные соединения используются в ракетной технике.

2. Теоретическая часть

 

1. Общие понятия и номенклатура полимеров

Полимерами называются соединения, молекулы которых состоят из большого числа атомных группировок, соединенных химическими связями в длинные цепи. B зависимости от состава различают органические, неорганические и элементоорганические полимеры.

Простейшим органическим полимером является полиэтилен – продукт полимеризации этилена. Этилен – ненасыщенный углеводород, легко вступающий в реакции присоединения. Две молекулы этилена, соединяясь, образуют молекулу бутилена:

СН₂=СН₂ + СН₂=СН₂ → СН₃–СН₂–СН=СН₂     (1)

Исходное вещество – этилен – называется мономером, образующийся бутилен – димером. При соединении трех молекул этилена образуется тример, четыреx – тетрамер и т.д. Если соединяются n молекул мономера, образуется полимер (от слова «поли» – много):

nСН₂=СН₂ → [–СН₂–СН₂–]_n        (2)

Многократно повторяющиеся  группировки, которые являются остатками  мономеров, называются звеньями, или мономерными звеньями; большая молекула, составленная из звеньев, называется макромолекулой или полимерной цепью.

Число звеньев в цепи называется степенью полимеризации и обозначается буквами n или P. Произведение степени полимеризации n на молекулярный вес звена М_зв равно молекулярному весу полимера:

М_пол = nМ_Зв           (3)

Величина степени полимеризации  может варьировать в широких пределах: от n, равного нескольким единицам, до n, равного 5000-10 000 и даже больше. Полимеры c высокой степенью полимеризации называются высокополимерами, полимеры c низкой степенью полимеризации – олигомерами. Высокополимеры имеют очень большие значения молекулярных весов, порядка 10⁴-10⁶. Поэтому высокополимерные вещества являются и высокомолекулярными.

Однако не каждое высокомолeкуляpноe вещество имеет полимерное строение. Принципиально возможно существование веществ c очень большим молекулярным весом, в молекулах кoтоpых не наблюдается чередования одинаковых группировок атомов. Эти высокомолекулярные вещества, строго говоря, нельзя называть полимерами. Примером таких веществ являются некоторые белки.

Наибольшее значение имеют полимерные соединения c высокой степенью полимеризации – высокополимеры.

При большом молекулярном весе полимера концевые группы цепи можно не принимать во внимание и записывать химические формулы молекул полимеров без них, ограничиваясь несколькими звеньями или даже одним звеном. Так, формулу продукта полимеризации этилена можно записать следующим образом:

…–СН₂–СН₂– СН₂–СН₂–… или [–СН₂–СН₂–]_n    (4)

Название полимера обычно складывается из названия мономера и приставки «поли». Например, продукт полимеризации этилена называется полиэтиленом, стирола – полистиролом, метилметакрилата – полиметилметакрилатом и т.д.

2. Особенности строения полимеров

Главная особенность  строения полимерного соединения – это наличие цепных молекул, в которых последовательно связано большое число атомов. Для такого соединения характерны два типа связей – химические и межмолекулярные, резко различающиеся по энергии и длине. В самой цепи атомы соединяются между собой прочными химическими связями длиной порядка 1-1,5 Å. Между цепями действуют значительно более слабые межмолекулярные силы на расстояниях порядка 3-4 Å.

 

3. Синтез полимеров

Синтетические полимеры получают из низкомолекулярных соединений по реакциям полимеризации и поликонденсации, a также путем химического превращения  других природных и синтетических полимеров.

3.1. Полимеризация

Полимеризация – это реакция соединения нескольких молекул (мономеров), не сопровождающаяся выделением побочных продуктов и протекающая без изменений элементарного состава. Различают цепную и ступенчатую полимеризацию.

1. Цепная полимеризация

Теория цепной полимеризации была разработана C.C. Медведевым и другими исследователями на основе теории цепных реакций, созданной H.H. Семеновым.

Цепная полимеризация  характерна для соединений c кратными связями (например, для этилена СН₂=СН₂, изобутилена (СН₃)₂С=СН₂, винилхлорида СН₂=СНСl) или неустойчивых циклов, содержащих гетероатомы (например, для окиси этилена

Характерной особенностью реакции цепной полимеризации является то, что развитие кинетической цепи сопровождается ростом молекулярной цепи.

Процесс цепной полимеризации  состоит из трех основных стадий:

1. Возбуждение, или инициирование, молекул мономера

М → М^* (возбужденная молекула мономера, или активный центр)

2. Рост цепи

М^* + М → М₁^*

М₁^* + М → М₂^*

М₂^* + М → М₃^*

……………….

М_n-1^* + М → М_n^* (возбужденная растущая молекула полимера)

3. Обрыв цепи

М_n^* → М_n (невозбужденная молекула полимера)

Активным центром в  реакциях цепной полимеризации может  быть свободный радикал или ион, в зависимости от чего различают радикальную и ионную полимеризацию.

2. Ступенчатая полимеризация

Ступенчатой полимеризацией называется реакция соединения нескольких молекул, протекающая путем постепенного присоединения молекул мономера друг к другу за счет миграции какого-либо подвижного атома (большей частью атома водорода) от одной молекулы к другой.

Примером ступенчатой  полимеризации является полимеризация  диизоцианатов и двухатомных спиртов с образованием линейных полиуретанов:

 (5)

  (6)

и т.д.

 

2. Поликонденсация

Поликонденсацией называется процесс соединения нескольких молекул одинакового или различного строения, сопровождающийся, как правило, выделением простейших низкомолекулярных веществ. Исходные мономеры должны содержать в молекуле не менее двух функциональных групп (группы ОН, СООН, NH₂ и др.). Функциональность исходных соединений оказывает большое влияние на строение и свойства получаемых полимеров. Так, монофункциональные соединения образуют лишь низкомолекулярные продукты. При поликонденсации бифункциональных соединений получаются линейные или циклические высокомолекулярные продукты, а из три- и тетрафункциональных соединений – полимеры пространственного строения.

На практике большое  значение имеют ненасыщенные полиэфиры, образующиеся при поликонденсации двухатомных спиртов c ненасыщенными кислотами или их ангидридами, например, c малеиновым ангидридом:

     (7)

Классическим примеров образования полимера пространственного  строения является поликонденсация фенолов c альдегидами. Так, при взаимодействии фенола c формальдегидом образуются линейные или разветвленные низкомолекулярные продукты – так называемые резолы

    (8)

которые при дальнейшем нагревании легко переходят в резитолы – полимеры c редкой пространственной сеткой:

  (9)

 

 

Конечная стадия процесса – образование резитов – полимеров с частой пространственной сеткой:

        (10)

4. Химические превращения полимеров

В химии полимеров  различают следующие типы химических реакций:

1. Реакции деструкции.
2. Реакции сшивания.
3. Реакции функциональных групп.
4. Реакции внутримолекулярных перегруппировок.

На практике очень  часто эти реакции протекают  одновременно. Так, например, под влиянием каких-нибудь воздействий на полимер может начаться реакция деструкции, которая сопровождается реакциями сшивания, и т.д.

4.1. Реакции деструкции

Реакциями деcтpукции называются реакции, протекающие с разрывом химических связей в главной цепи макромолекулы. В зависимости от типа химической связи (ковалентной или ионной) возможны три механизма деструкции полимеров: радикальный, ионный и ионно-радикальный. При наличии ковалентной связи между атомами главной цепи разрыв макромолекулы протекает c образованием свободных макрорадикалов: