КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Способы синтеза полимеровОбщие сведения о высокомолекулярных соединениях Тема 11. Технология высокомолекулярных соединений Контрольные вопросы к теме Х «Технология ОО и НХ синтеза» 1. Перечислите основные промышленные синтезы на основе синтез-газа и оксида углерода (II). 2. Какими свойствами обладает метанол? 3. За счет чего при синтезе метанола из синтез-газа достигается необходимая селективность процесса? 4. Какие технологические схемы используются в производстве метанола? 5. Перечислите важнейшие области использования метанола. 6. Из каких видов сырья может быть получен в промышленных масштабах этанол? 7. Объясните преимущества метода прямой гидратации этилена перед методом сернокислотной гидратации в производстве синтетического этанола. 8. Какие катализаторы используются при производстве этанола прямой гидратацией этилена в паровой фазе? 9. Что такое гидролизное производство? Почему оно является малоотходным? 10. Из каких стадий состоит гидролизное производство этанола и чем катализируется каждая стадия? 11. Какие соединения относят к высшим синтетическим жирным кислотам (ВЖК) и спиртам (ВЖС)? 12. Укажите основные промышленные методы производства ВЖК и ВЖС. 13. Что общего в химизме получения ВЖК и ВЖС окислением алканов? 14. Каким образом в производстве ВЖС прерывают процесс окисления, не допуская деструкции молекулы алкана? 15. Что такое синтетические моющие средства и какова их связь с ВЖС, ВЖК?
Вся окружающая нас живая и неживая природа построена из молекул, которые в свою очередь состоят из атомов. Атомы, соединяясь между собой в различных соотношениях, образуют молекулы, которые отличаются друг от друга размерами, строением, химическим составом и свойствами. Вещества, построенные из небольшого числа атомов, называются низкомолекулярными. Их молекулярный вес не превышает нескольких сотен единиц. Низкомолекулярными веществами являются соли, кислоты, щелочи, спирты и другие соединения. В то же время многие вещества состоят из гигантских молекул, в состав которых входят тысячи, десятки и сотни тысяч атомов. Такие молекулы называют макромолекулами; их молекулярный вес достигает сотен и даже тысяч единиц. Например, молекулярный вес молекул, входящих в состав натурального каучука, составляет 136 000—340 000. Соединения, построенные из макромолекул, называют высокомолекулярными или полимерами. Полимеры по происхождению подразделяют на природные и синтетические. К природным, т. е. естественным, полимерам относятся целлюлоза, входящая в состав древесины, хлопка и других растений; белки, входящие в состав живых организмов; натуральный каучук и др. Синтетические полимеры получают искусственно, путем химического синтеза; они входят в состав пластических масс, синтетических каучуков, химических волокон, лаков и др. Состав и свойства полимеров. Молекулы полимеров представляют собой длинные цепи, в которых чередуются одинаковые звенья. Если обозначить эти звенья буквой А, то молекулу полимера можно представить так: В синтетических полимерах эти звенья являются остатками молекул исходных соединений, состоящих всего из нескольких атомов. Эти исходные соединения называются мономерами. Например, этилен СН2СН2 — мономер для получения высокомолекулярного соединения, называемого полиэтиленом. При образовании полимера у молекул этилена двойная связь между, атомами углерода раскрывается, и за счет образующихся свободных валентностей углерода большое число получившихся из мономера звеньев соединяется друг с другом. Схематически это можно представить следующим образом: На схеме показано только три звена в составе полимера, фактически количество их в полиэтилене от 1000 до 10 000, а молекулярный вес такого полимера колеблется от 28 000 до 280 000. Из приведенной схемы видно, что как в мономере, так и в полимере на один атом углерода приходятся два атома водорода, т. е. элементарный состав получаемого полимера одинаков с мономером. С изменением числа связанных между собой молекул мономера происходит изменение свойств получаемых полимеров. Так, полиэтилен по мере увеличения молекулярного веса становится более вязким, затем пастообразным и, наконец, твердым. Свойства полимеров зависят также от химического состава мономеров, формы цепей молекул и их строения (структуры полимера). В макромолекуле линейной структуры элементарные звенья образуют нитевидную молекулу, т. е. каждое звено связано только с двумя соседними звеньями (рис. а). Нитевидные (линейные) макромолекулы могут быть расположены в полимере параллельно друг другу (рис. б) или переплетаться без химической связи отдельных макромолекул (рис. в). Они могут быть изогнутыми, свернутыми в клубок (рис. г, д) и т. д. Макромолекулы линейной структуры характерны для полиэтилена, полипропилена, целлюлозы, полиэфиров, полиамидов и многих других высокомолекулярных соединений, широко используемых для получения волокон, пленок, пластмасс, резины. Эти полимерные материалы, как правило, прочны, эластичны, способны растворяться и плавиться при нагревании. Макромолекулы разветвленной структуры имеют боковые ответвления от основной цепи (рис. е). Полимеры с разветвленной структурой молекул растворяются и плавятся труднее, чем линейные. Макромолекулы с сетчатой структурой построены следующим образом: длинные цепи молекул связаны друг с другом короткими цепями в трех измерениях, что на рисунке изобразить трудно. Обычно такую структуру полимерных молекул изображают в виде соединенных между собой линейно построенных больших молекул (рис ж). При этом всегда имеется в виду, что линейные молекулы химически связаны с молекулами, расположенными над плоскостью и за плоскостью бумаги. Такую структуру молекул называют также пространственной или трехмерной. Чем больше число «мостиков» в такой макромолекуле, тем менее эластичен полимер и у него в значительной степени проявляются свойства твердого тела. Структура цепей полимерных молекул может быть различной. В одних случаях образуются полимерные молекулы, у которых элементарные звенья имеют различное пространственное расположение боковых групп, в других — строго регулярное пространственное расположение. Полимеры со строго регулярной структурой молекул называются изотактическими. Такого типа полимеры обладают высокой твердостью и теплостойкостью. Молекулы полимеров могут состоять не из одинаковых звеньев. Они могут быть получены из разных мономеров, например А и Б. Тогда макромолекула может быть изображена так: Такие высокомолекулярные соединения называются сополимерами. Они совмещают в себе характерные свойства полимеров, полученных из каждого компонента в отдельности. Таким образом, удается придавать полимерам некоторые специфические свойства, например, получать каучуки с повышенной бензо-и маслостойкостью, химической стойкостью и т. д. Представляют интерес так называемые привитые сополимеры. Цепи их молекул построены по следующей схеме:
Такой полимер можно сравнить с плодовым деревом, к которому привит другой сорт плодового дерева. В результате такой «прививки» получают плоды, сочетающие в себе наиболее ценные качества обоих сортов. В привитом сополимере один полимер привит к «стволу» другого полимера. Полученный «гибрид» обладает свойствами исходных веществ. Таким образом, удается получать полимеры, сочетающие например, высокие электроизоляционные свойства с огнестойкостью и устойчивостью к бензину и маслам. Макромолекулы могут быть построены из «блоков» сравнительно невысокого молекулярного веса, полученных из различных мономеров. Схема такого блок-сополимера имеет вид:
Блок-сополимеры также сочетают в себе свойства исходных полимеров. До сих пор элементарные звенья в макромолекуле обозначали условно А и Б. Видно, что в основе органических полимеров лежит углерод, атомы которого соединились между собой, образуя «скелет» молекулы, обрамленный атомами водорода. Вместо атомов водорода могут быть группы атомов, в которых наряду с атомами углерода могут присутствовать атомы других элементов. Если скелет молекул полимеров построен из атомов углерода, их называют карбоцепными. Существуют молекулы, в скелете которых атомы углерода периодически чередуются с атомами других элементов, например:
Такие полимеры называют гетероцепными. Поведение полимеров при нагревании зависит от структуры молекул. Линейные и разветвленные полимеры при нагревании размягчаются, при последующем охлаждении переходят в твердое состояние. Такие полимеры называются термопластичными. Полимеры, молекулы которых имеют пространственную структуру, не плавятся при нагревании: их называют термореактивными. Температура перехода полимера из твердого состояния в эластичное (или наоборот) называется температурой стеклования, температура перехода в текучее состояние — температурой текучести. Полимеры могут быть или полностью аморфными веществами — аморфные полимеры, или веществами, содержащими кристаллические и аморфные области, — кристаллические полимеры. По видам деформаций, которые возникают в полимерах под влиянием внешних условий при комнатной температуре, их подразделяют на твердые полимеры, эластичные полимеры, или эластомеры, и текучие полимеры. Таким образом, изменяя величину получаемой макромолекулы, ее молекулярный вес и форму, составляя макромолекулу из различных исходных мономеров, прививая к одной макромолекуле цепочку полимера из звеньев, образованных другим мономером, можно в широкой степени изменять физические и химические свойства полимеров, получать их с заранее обусловленными свойствами, изменять их физическое состояние, делать жидкими, твердыми, пластичными и эластичными. Полимеры обладают малой плотностью (самые легкие пластические массы в 800 раз легче стали), высокой механической прочностью (превышает прочность дерева, стекла, керамики), высокими термо-, звуко- и электроизоляционными свойствами, высокой химической стойкостью, прекрасными оптическими свойствами, они способны поглощать и гасить вибрации, образовывать чрезвычайно тонкие пленки и волокна, они легко поддаются обработке и переработке в изделия. Ценные свойства полимеров обусловили их широкие использование в различных отраслях народного хозяйства: в машиностроении, строительстве, автомобильной, авиационной, атомной, космической и других отраслях техники, для изготовления тканей, искусственной кожи, предметов домашнего обихода, в медицине и т. д. Производство полимерных материалов у нас в стране развивается очень быстрыми темпами, превышающими темпы роста всей промышленности и других отраслей химической промышленности. Полимеры могут быть получены методами полимеризации и поликонденсации. Полимеризация. Метод полимеризации заключается в том, что молекулы мономеров под воздействием нагревания, катализаторов, γ-лучей, света, инициаторов соединяются между собой в молекулы больших размеров. При этом образуются макромолекулы линейной, разветвленной, сетчатой структуры, молекулы сополимеров, привитых сополимеров. Скорость полимеризации и молекулярный вес полимера зависят от температуры, давления, активности катализатора и т. д. Существуют следующие способы полимеризации: в массе (блочный способ), в эмульсиях, в растворе и так называемая суспензионная, полимеризация. Полимеризация в массе происходит в аппарате (автоклаве), Эмульсионный способ полимеризации заключается в том, что мономер смешивается с инициатором и эмульгатором и превращается при помощи мешалок в мельчайшие капельки взвешенные в другой жидкости, чаще всего в воде. (Эмульгаторы — вещества, препятствующие слиянию капель жидкости.) Полученные эмульсии нагреваются до температуры, при которой происходит полимеризация мономера. При этом тепло, выделяемое в процессе полимеризации, отводится легко и образующийся полимер более однороден, чем полученный блочным методом. Недостаток способа заключается в трудности отделения эмульгатора от полимера. Этим способом получают сополимеры бутадиена, винилацетата, акрилонитрила и др. Полимеризация в растворе осуществляется в растворителе, смешивающемся с мономером и растворяющем образующийся полимер. Из полученного раствора полимер выделяют испарением растворителя или осаждением. Полимеризацию проводят также в растворителе, растворяющем мономер, но не растворяющем полимер. В данном случае полимер выпадает в осадок, который отфильтровывают. По этому способу получают поливинилацетат, полибутилакрилат и др. Суспензионный способ предусматривает измельчение (диспергирование) мономера в виде капель в плохорастворяющей среде, обычно в воде. Полимеризация протекает в каждой капле мономера. Образующийся полимер в виде твердых частиц, не растворяющихся в воде, осаждается и отделяется от жидкости фильтрованием. Поликонденсация. Метод заключается в том, что соединение между собой молекул мономеров происходит при реакции между ними, идущей с выделением побочных продуктов. Например, обозначим молекулу одного из реагирующих веществ через а-А-а, а вторую б—Б—б. Схема реакции между ними может быть представлена следующим образом: Из реагирующих молекул образовалась молекула вещества а—А—Б—б и при этом выделилось вещество а—б. Молекула вещества а—А—Б—б может дальше вступать в реакцию с мономерами. Благодаря присоединению новых молекул мономера происходит рост полимерной цепи. При этом присоединение каждой новой молекулы сопровождается выделением вещества а—б. В результате по химическому составу полимерные молекулы несколько отличаются от исходных мономеров. В процессе поликонденсации получаются полимеры, имеющие линейную, а также сетчатую структуру. Процесс поликонденсации экзотермический, и поэтому, исходя из принципа Ле-Шателье, для сдвига равновесия слева направо необходимо проводить процесс при низкой температуре. Однако для увеличения скорости процесса необходимо повысить температуру. Поэтому для увеличения скорости поликонденсации вначале процесс проводят при повышенной температуре, а затем ее постепенно снижают для сдвига равновесия реакции и тем самым получают продукт с более высоким молекулярным весом. Поликонденсацию осуществляют как в присутствии катализатора, так и без него. Ее проводят в расплаве, растворе и на границе раздела двух фаз. Поликонденсация в расплаве осуществляется при высокой температуре (220—280° С) в реакторе в атмосфере инертного газа. Таким образом обеспечивают высокую скорость процесса и удаление низкомолекулярных продуктов. При поликонденсации в растворе мономеры растворены в растворителе — реакция протекает с небольшой скоростью, не обеспечивается удаление низкомолекулярных продуктов. Этот способ не используется в промышленности. Поликонденсация на границе раздела фаз заключается в том, что имеются две несмешивающиеся жидкости, в каждой из которых растворены исходные мономеры. Реакция поликонденсации мгновенно протекает на границе раздела фаз с образованием пленки полимеров. Таким образом, продукты реакции выводятся из сферы реакции, что способствует протеканию реакции с высокой скоростью. При удалении пленки поверхность раздела фаз освобождается и реакция продолжается.
Дата добавления: 2013-12-11; Просмотров: 2723; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |