Лекция № 17. Химическая идентификация

Полимеры – это высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров характеризуются многократным повторением некоторых группировок атомов называющихся составными звеньями,и обладают такими свойствами, что они остаются практически неизменными при добавлении или удалении одного или нескольких составных звеньев. Исходные вещества, используемые для получения полимеров и образующие одно или несколько составных звеньев, называются мономерами.

Лекция № 16. Полимеры

Защита от блуждающих токов

Для защиты от блуждающих токов используют электродренаж. Этот способ также относится к электрохимическим способам защиты от коррозии. Электродренаж осуществляется следующим образом. Анодные участки соединяют с металлическими проводниками с источником блуждающих токов, ток проходит по металлическому проводнику, вследствие чего устраняется разность потенциалов земля-рельс, а значит и опасность коррозии.

Индивидуальные свойства полимера определяются размером его макромолекулы и ее строением. Размером макромолекулы характеризуется числом повторяющихся составных звеньев, называемым степенью полимеризации (n). Поэтому обобщенная формула макромолекулы полимера записывается указанием составного звена (СЗ) в скобках и степени полимеризации n: – (–СЗ–)_n–.

Строение макромолекулы определяется составом и количеством атомов, входящих в составное звено, характером соединения составных звеньев между собой, пространственным расположением отдельных частей макромолекулы относительно других ее частей.

По характеру соединения составных звеньев в составе макромолекулы различают полимеры линейные, разветвленные и сетчатые.

По отношению к нагреванию разделяют термопластичные и термоактивные полимеры. Термопластичность – это способность полимера размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении без химических превращений. Высокими термопластичными свойствами обладают линейные полимеры. При разветвлении полимеров термопластические свойства становятся менее выраженными. При образовании сетчатой структуры термопластичность теряется. Такие полимеры невозможно превратить в исходное состояние, они не обладают термопластичными свойствами и называются термоактивными полимерами.

Полимеры получают методами полимеризации или поликонденсации.

Полимеризация – это реакция образования полимеров путем последовательного соединения молекул мономера друг с другом при помощи перестройки ковалентных связей. Полимеризация характерна, главным образом, для соединений с кратными (двойными или тройными) связями. В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей или раскрытие циклов у мономеров и возникновение химических связей между группами с образованием полимеров, например

nCH₂=CH₂ ® (– CH₂ – CH₂ –)_n

^{этилен полиэтилен}

nCH₂ =CH ® – CH₂ – CH –

C₆H₅ C₆ H₅ n

^{стирол полистирол}

nCH₂ – CH₂ ® (– CH₂ – CH₂O –)_n

O ^{полиэтиленоксид}

^{этиленоксид}

nCH₂ = CH – CH=CH₂ ® (– CH₂ – CH=CH – CH₂ –)_n

^{бутадиен полибутадиен (бутадиеновый каучук)}

По числу участвующих мономеров различают гомополимеризацию (один вид мономера) и сополимеризацию (два и более видов мономеров).

Полимеризация – самопроизвольный экзотермический процесс (ΔG <0; Δ H <0), так как разрыв двойных связей ведет к уменьшению энергии системы. Однако без внешних воздействий (инициаторов, катализаторов, и т.д.) полимеризация протекает очень медленно. Полимеризация является ценной реакцией. Методом полимеризации получают ¾ выпускаемых полимеров.

Поликонденсация – это реакция образования полимеров из мономеров, имеющих две или несколько функциональные группы, сопровождающаяся выделением низкомолекулярных продуктов (H₂O, NH₃, HCl и др.)

При поликонденсации биофункциональных соединений получаются линейные полимеры, например, NH₂–(CH₂)₅–COOH (аминокапроновая кислота) имеет две функциональные группы (NH₂ – и – C=O) при ее поликонденсации

OH

за счет этих групп образуются молекулы воды и получается полимер – поликапроамид.

При поликонденсации цепь растет постепенно: сначала взаимодействуют между собой исходные мономеры, затем образовавшееся соединение реагирует с молекулами того же мономера, образуя в итоге полимер. В данном примере образование полимера протекает следующим образом:

2NH₂ – (CH₂)₅ – COOH ® NH₂ – CH₂ – CO – NH – (CH₂)₅COOH + H₂O;

NH₂ – (CH₂)₅ – CO – NH – (CH₂)₅COOH + NH₂ – NH₂ – (CH₂)₅ – COOH ®

® NH₂ – (CH₂)₅CO – NH – (CH₂)₅ – COOH + H₂O и т.д.

Конечным продуктом будет поликапроамид (капрон). Суммарно процесс поликонденсации запишется:

n NH₂ – (CH₂)₅ – COOH ® (– NH – (CH₂)₅ – CO –)_n + nH₂O

^{аминокапроновая кислота поликапроамид}

При поликонденсации соединений с тремя и более функциональными группами получаются сетчатые полимеры, Примером такой поликонденсации служит взаимодействие мочевины и формальдегида.

NH₂ – CO – NH₂ + H – C = O ® NH₂ – CO – NH – CH₂OH;

^{мочевина} H

^{формальдегид}

NH₂ – CO – NH – CH₂OH + H – C = O ® CH₂OH – NH – CO – NH – CH₂OH

H

2CH₂ОН – NH – CO – NH – CH₂OH ®

® CH₂OH – NH – CO – NH – CH₂ – O – CH₂ – NH – CO – NH – CH₂OH + H₂O

На первом этапе получился олигомер линейной структуры:

(– CH₂ – NH – CO – NH – CH₂ – O –)_n

На втором этапе при нагревании в кислой среде происходит дальнейшая поликонденсация олигомера с выделением CH₂O и возникновением сетчатой структуры:

C=O C=O

– N – CH₂ – N – CH₂ – N – CH₂ – N – CH₂ – N – CH₂ –

C=O C=O C=O

– N – CH₂ – N – CH₂ – N – CH₂ – N – CH₂ – N – CH₂ –

C=O C=O

Так как в процессе поликонденсации наряду с высокомолекулярными соединениями образуются низкомолекулярные продукты, то составы полимеров и исходных веществ не совпадают. Этим поликонденсация отличается от полимеризации.

Химическая идентификация включает в себя анализ исследуемых веществ. Химический анализ основан на измерении от исследуемого вещества аналитического сигнала. Аналитический сигнал – это свойство анализируемого объекта, которое можно измерить и которое зависит от природы и концентрации анализируемого вещества.

Различают качественный и количественный анализ веществ. Качественный анализ позволяет установить факт присутствия элемента или составных частей вещества в анализируемом объекте. Количественный анализ позволяет установить в каких количествах или количественных соотношениях содержаться в анализируемом объекте отдельные элементы или соединения.

Все методы анализа разделяют на химические, физико-химические и физические.

В основе химических методов лежит химическая реакция: каждое вещество обладает набором характерных свойств, которые отличают одно вещество от другого. К этим методам относятся гравиметрические и титриметрические методы анализа. Гравиметрические методы основаны на образовании определяемым элементом труднорастворимых соединений. Титриметрические методы основаны на образовании определяемым элементом окрашенных соединений.

В основе физических методов лежит различие физических свойств исследуемых веществ. К этим методам относятся спектроскопия ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), спектроскопия электронно-парамагнитного резонанса (ЭПР), инфракрасная и рентгеноструктурная спектроскопия. Рентгеноструктурная спектроскопия основана на интерференции рентгеновских лучей вследствии отражения их от электронных оболочек атомов элементов. Инфракрасная спектроскопия основана на исследовании колебательных спектров атомов элементов. Методы магнитной радиоспектроскопии ЯМР и ЭПР онованы на том, что в веществе, помещенном в сильное магнитное поле, индуцируются магнитные уровни ядер (ЯМР) и электронов (ЭПР).

Физико-химические методы основаны на зависимости физических свойств от состава исследуемого объекта. Эти методы в зависимости от того, какое физическое свойство лежит в основе, разделяют на оптические, электро-химические и хроматографические.

Оптические методы

К оптическим методам анализа относятся фотоколориметрия, спектрофотометрия (основаны на зависимости интенсивности светопоглощения окрашенного соединения определяемого элемента от его концентрации), атомно-абсорбционный (основан на зависимости интенсивности светопоглощения атомизированным исследуемым веществом от его содержания вещества в анализируемом объекте), атомно-эмиссионный (основан на зависимости интенсивности светоиспускания атомизированным исследуемым веществом от его содержания вещества в анализируемом объекте) и рентгенофлуоресцентный (основан на зависимости интенсивности флуоресценции анализируемого вещества от его содержания в исследуемом объекте) методы анализа.

Электрохимические методы

Электрохимические методы анализа основаны на процессах, происходящих на электродах или в приэлектродном процессе. К данным методам относятся электрогравиметрия (в основе лежат законы электролиза), полярография или вольтамперометрия (в основе лежит зависимость поляризации электрода от концентрации анализируемого раствора), потенциометрия (метод основан на зависимости потенциала электрода от концентрации анализируемого вещества в растворе), кондуктометрия (метод основан на зависимости электропроводности раствора от концентрации анализируемого вещества в нем).

Хроматографические методы

Хроматографические методы используются для анализа смесей газов, жидкостей или растворенных веществ и основаны на различии распределения компонентов смеси между двумя фазами – неподвижной (адсорбент, сорбент) и подвижной (растворитель или смесь растворителей). В зависимости от агрегатного состояния анализируемых веществ и растворителя различают газовую и жидкостную хроматографию.

Дата добавления: 2014-01-04