Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Практикум по химии и физике полимеров. Учебное пособие
.pdf
61
предварительно смоченный водой. Чем чище вещество, тем оно
обычно лучше кристаллизуется.
Отфильтровать кристаллы от маточного раствора удобнее всего,
отсасывая жидкость. Большие количества (10-20 г) кристаллов
отфильтровывают на фарфоровой воронке с дырчатым дном – воронке
Бюхнера: на ее дно помещают кружок фильтровальной бумаги
диаметром чуть меньше диаметра дна. Вместо фарфоровой воронки
можно применять обычную стеклянную, вкладывая в нее круглую
дырчатую фарфоровую пластинку – в этом случае покрывающий
пластинку кружок фильтровальной бумаги должен заходить краями на
стенки воронки.
14.2. Перегонка
Перегонка – процесс отделения жидких веществ от нелетучих
примесей или разделения летучих веществ с различной температурой
кипения. Это достигается нагреванием жидкости до кипения и
последующей конденсацией ее паров в холодильнике.
Чистое вещество обычно перегоняется почти нацело в пределах
1-2˚С, а вещество, загрязненное летучими или разлагающимися при
нагревании примесями, - более широких температурных пределах.
Многие органические вещества гигроскопичны или разлагаются при
длительном хранении, поэтому первые порции отгона даже
высушенного вещества содержат следы воды или других примесей
(обычно их отбрасывают). При кипячении и перегонке в результате
местного перегревания наблюдаются толчки в жидкости,
неравномерное кипение и даже перебрасывание жидкости из сосуда.
Для предотвращения этого следует помещать в перегонный сосуд до
начала нагревания кипятильные камешки (кипятильники, кипелки) –
кусочки пористых материалов – пемзы, осколки глиняной посуды или
запаянные с одного конца капилляры. Пузырьки воздуха, поступающие
в жидкость из пор или капилляров, облегчают парообразование в
толще жидкости и обеспечивают равномерность кипения.
Перегонка и кристаллизация – наиболее часто применяемые
операции при выделении и очистке органических соединений. Очистка
посредством перегонки обычно возможна, если очищаемое вещество и
примеси существенно различаются по температуре кипения.
Перегонка с термометром позволяет одновременно судить о степени
очистки и о температуре кипения чистого вещества – одной из
важнейших физических констант.
62
Вещества, не перегоняюшиеся при атмосферном давлении без
разложения, часто очищают перегонкой в вакууме, то есть при откачке
воздуха из перегонной установки насосом. Этим путем удается
значительно понизить температуру кипения. Так, уменьшение
давления вдвое снижает температуру кипения на 14-20˚С.
В некоторых случаях смесь двух компонентов при определенном
соотношении перегоняется подобно индивидуальному веществу
(азеотропная смесь), при постоянной температуре, более высокой или
более низкой, чем температура кипения чистых компонентов.
Подобная смесь не разделяется обычной разгонкой, так как состав
жидкости и состав пара в этом случае одинаков.
Если исходный состав смеси двух компонентов, подлежащей
разгонке, отличается от состава азеотропной смеси, то часть
компонента, находящегося в избытке по отношению к составу
азеотропной смеси, можно выделить в чистом виде
фракционированием. Для разделения самой азеотропной смеси обычно
приходится один из ее компонентов связывать химически.
Существуют три способа перегонки жидкости.
14.2.1. Перегонка при нормальном давлении – простая и
фракционная перегонка
Этот способ применяют, если разница в температурах кипения
веществ, входящих в состав разделяемой смеси, не менее 80-100˚С или
если основное вещество необходимо отделить от нелетучих примесей.
Схема установки для простой перегонки показана на рис. 8. Она
состоит из колбы Вюрца 1 с термометром 2, нисходящего
холодильника Либиха 3, аллонжа 4 и приемника 5. Колбу Вюрца
подбирают такого размера, чтобы перегоняемая жидкость заполняла ее
не более чем на 2/3 объема. При соединении колбы с холодильником
необходимо, чтобы конец ее отводной трубки выступал из пробки в
холодильник не менее чем на 2-3 см. Ртутный шарик термометра
должен находиться примерно на 0,5 см ниже отверстия отводной
трубки, В этом случае шарик термометра хорошо омывается парами
отгоняемой жидкости.
Если перегоняемая смесь содержит компоненты, температуры
кипения которых близки и которые не образуют азеотропных смесей,
применяют дробную или фракционную перегонку. Для этого
используют дефлегматоры и ректификационные колонки (рис. 7). В
них часть паров перегоняемой смеси конденсируется за счет
63
охлаждения воздухом, превращаясь в жидкость, обогащенную более
высококипящим компонентом. Оставшийся пар, наоборот, обогащается
более летучей частью смеси. Поэтому пары, проходящие через
колонку, будут богаче летучим компонентом, чем пары, находящиеся
над перегоняемой жидкостью, Конденсат, стекающий в колбу,
наоборот, содержит высококипящие вещества. Если температура
кипения перегоняемых жидкостей не выше 80˚С, то нагревание
следует проводить только на водяной бане.
Чтобы жидкость кипела равномерно, в колбу помещают кусочки
обожженного неглазурованного фарфора. Скорость перегонки
регулируется скоростью поступления жидкости в приемник (не более
1-2 капель в секунду).
При перегонке индивидуального вещества температура кипения
остается постоянной в течение всей перегонки. Если же перегоняется
смесь разных веществ, температуры кипения которых значительно
различаются, то вначале отгоняется жидкость с более низкой
температурой кипения. Когда температура кипения начинает
возрастать, начинает перегоняться другая жидкость, которая имеет
более высокую температуру кипения, чем первая. В процессе
перегонки второй жидкости также устанавливается постоянная
температура. Меняя заранее пронумерованные приемники, можно
собрать несколько фракций: в первых будут преобладать низкокипящие
фракции, а в следующих - высококипящие.
Рис.8. Схема установки для простой перегонки
64
14.2.2. Перегонка при пониженном давлении – перегонка в
вакууме
Этот способ перегонки применяют, если перегоняемое вещество
полностью или частично разлагается при температуре кипения при
атмосферном давлении. Если перегонку проводить при пониженном
давлении, то температура кипения веществ понижается, и, значит,
уменьшается или совсем устраняется возможность их разложения.
Схема установки для перегонки при пониженном давлении
показана на рис. 9. Она состоит из колбы Клайзена 1 с термометром 8
и капилляром 2, холодильника 4, аллонжа 5 и приемника 6. Колбу
закрывают резиновой пробкой со стеклянной трубкой, оттянутой на
конце в тонкий капилляр, через который должны проходить пузырьки
воздуха, что способствует равномерному перемешиванию и кипению
жидкости при пониженном давлении. Верхнюю часть этой трубки
соединяют с резиновым шлангом, имеющим зажим. Колбу Клайзена
соединяют с нисходящим холодильником Либиха, а у аллонжа должен
быть отвод для соединения системы с масляным вакуумным или
водоструйным насосом. Для сбора нескольких фракций, входящих в
состав перегоняемой смеси, применяют специальные алонжи-пауки,
чтобы можно было прикрепить несколько приемников.
Рис. 9. Схема установки для перегонки при пониженном давлении
Работа с установкой для перегонки при пониженном давлении
требует соблюдения особых правил техники безопасности. Колбу
Клайзена заполняют, лишь убедившись в полной герметичности
прибора, а, если есть необходимость, нагревают ее на водяной бане.
Перегонку нужно проводить в защитных очках или защитной маске.
Перегонять досуха вещества нельзя, так как может произойти взрыв, а
при выключении системы воздух должен входить в нее не сразу, а
постепенно.
65
14.2.3. Перегонка с водяным паром
Этот вид перегонки используют для выделения из смеси веществ,
которые кипят при высокой температуре и поэтому могут разложиться.
Перегоняемые органические вещества должны быть плохо растворимы
в воде и не взаимодействовать с ней.
Как известно, кипение жидкости происходит в том случае, если
сумма парциальных давлений насыщенного пара воды и вещества
будет равна атмосферному давлению. Образующийся при перегонке
пар будет содержать все компоненты смеси в объемном соотношении,
пропорциональном парциальному давлению каждой жидкости,
входящей в состав смеси. Используя перегонку с водяным паром,
можно перегонять вещества при температуре, которая гораздо ниже
температуры кипения самого низкокипящего компонента.
Для перегонки с водяным паром применяют прибор, состоящий из
парообразователя 1, перегонной колбы 3, холодильника 4, алонжа 5 и
приемника 6 (рис.10). Парообразователь заполняют водой до
половины и соединяют с колбой через тройник 2. Колбу плотно
закрывают резиновой пробкой с двумя отверстиями. В одно из них
помещают стеклянную трубочку, нижний конец которой доходит почти
до дна колбы, а верхний с помощью короткой резиновой трубки
соединяют через тройник с парообразователем. Во второе отверстие
вставляют короткую, изогнутую под углом стеклянную трубку,
соединяющую колбу с холодильником. На тройник, связывающий
парообразователь с колбой, надевают короткую резиновую трубку с
зажимом. Зажим оставляют открытым до начала перегонки, чтобы в
перегонной колбе не собирался конденсат в результате охлаждения
водяных паров.
В колбу помещают перегоняемое вещество, собирают прибор и
подогревают парообразователь и колбу (через асбестовую сетку). Когда
начинает образовываться пар, нагревающий жидкость в перегонной
колбе, резиновую трубку, нагретую на тройник, закрывают зажимом. В
приемник собирают перегоняемую жидкость – эмульсию,
расслаивающуюся при стоянии. В конце перегонки, когда в
холодильнике образуются капли воды, открывают зажим на тройнике,
чтобы жидкость из колбы не засосалась в парообразователь.
66
Рис. 10. Схема установки для перегонки с водяным паром
Опыт. Перегонка анилина с водяным паром.
Смесь 10 мл анилина и 80-100 мл воды помещают в колбу и
проводят перегонку по вышеприведенной методике. Собранный в
приемник почти бесцветный анилин затем извлекают методом
экстракции.
Вывод: несмотря на высокую температуру кипения анилина,
равную 184˚С, процесс его перегонки с водяным паром проходит при
100˚С.
14.3. Экстракция
Экстракция (извлечение) основана на различной растворимости
веществ в двух несмешивающихся жидкостях. Чаще всего
экстрагированию подвергают водные растворы. Для этого пользуются
делительной воронкой, которую наливают раствор, содержащий
экстрагируемое вещество и экстрагирующую жидкость, то есть
растворитель, в котором это вещество растворяется лучше. Для
экстракции подбирают растворители, которые должны мало
растворяться в другом растворителе с экстрагируемым веществом и
лучше его растворять; не должны химически взаимодействовать как с
веществом, так и с растворителем и легко удаляться при выделении из
него вещества.
Для проведения экстракции делительную воронку, содержащую
экстрагируемое вещество и растворитель, закрывают пробкой и
несколько раз встряхивают содержимое, придерживая пробку
указательным пальцем. Затем закрепляют делительную воронку в
штативе и оставляют до полного разделения слоев. После этого
открывают пробку и медленно сливают нижний слой в стакан.
Оставшийся слой-экстракт выливают через верхнее отверстие воронки
в другую посуду и сушат подходящим осушителем, после чего
растворитель отгоняют на водяной бане, так как они, в основном,
кипят при сравнительно низкой температуре.
67
Опыт. Извлечение анилина диэтиловым эфиром из смеси
анилин-вода.
В делительную воронку помещают 10 мл 3%-ной суспензии
анилина в воде, приливают 6 мл эфира и встряхивают. После
отстаивания эфирный экстракт анилина будет находиться в верхнем
слое, а вода – в нижнем.
Внимание: при проведении опыта поблизости не должно быть
открытого огня.
15. Синтез полимеров
15.1. Получение полимеров методом полимеризации
Работа 1. Катионная полимеризация стирола. Определение
молекулярной массы полимера вискозиметрическим методом
Применение полистирола. Из полистирола производят
множество изделий, которые, в первую очередь, применяются в
бытовой сфере (одноразовая посуда, упаковка, детские игрушки и
т.д.); в строительной индустрии (теплоизоляционные плиты, несъемная
опалубка, сандвич-панели, облицовочные и декоративные материалы потолочный багет, потолочная плитка, полистирольные
звукопоглощающие элементы, клеевые основы, полимерные
концентраты); в медицине (части систем переливания крови, чашки
Петри, вспомогательные одноразовые инструменты). Вспенивающийся
полистирол после высокотемпературной обработки водой или паром
может использоваться в качестве фильтрующего материала
(фильтрующие насадки) в колонных фильтрах при водоподготовке и
очистке сточных вод.
Цель работы: получение полистирола путем блочной
полимеризации стирола под действием катализатора катионного типа и
выделение его из реакционной системы осаждением и определение
молекулярной массы полимера вискозиметрическим методом.
В данной методика объектом получения является полистирол,
мономером для его получения – стирол, катализатор - тетрахлорид
олова, дихлорэтан - сокатализатор полимеризации, изопропиловый
спирт - осадитель.
В качестве катализаторов можно использовать протонные
кислоты: H
, H3PO4, CF3COOH, HCl, НСlO4; другие кислоты
2SO4
68
; при этом используют сокатализаторы
2
Вместо дихлорэтана можно использовать галогенсодержащий
ид. Это удобно
промышленного производства, так как не требуется специально
либо вещества, и сокатализатор общего вида
Также в
олучение катализатора
Н
CH
продукт полимеризации стирола (винилбензола
относится к полимерам класса термопластов. Имеет химическую
Фенильные группы препятствуют упорядоченному расположению
макромолекул и формированию кристаллических образований
жёсткий, хрупкий, аморфный полимер с высокой
оптического светопропускания, невысокой механической прочностью
прозрачных гранул цилиндрической формы
, термическую
°С), усадка при литьевой переработке
Полистирол обладает отличными диэлектрическими свойствами
2
Льюиса: BF3, AlCl3, AlBr3, ZnCl
2
H2O, ROH, RCl; галогены и межгалогенные соединения: J
растворитель, например, метилхлорид или этилхлор
вводить какиевсегда присутствует в достаточном количестве.
сокатализатора может выступать вода.
Катионная полимеризация: п
Химизм процесса:
SnCl4 + Cl-CH2-CH2-Cl→ Н+[SnCi4-CH-CH2-Cl]-
1. Инициирование цепи:
СН2═СН(С
CH3-C+(С
) +Н+[SnCi4-CH-CH2-Cl]- →
6Н5
)[SnCi4-CH-CH2-Cl]
6Н5
-
2. Рост цепи:
CH3− C+(С
CH3−CH(С
6Н5
)[SnCi4-CH-CH2-Cl]- + n СН2═СН(С
6Н5
)–[CH2−CH(С
6Н5)]n
−CH2−C+(С
6Н5
)[SnCi4-
3. Обрыв цепи:
CH3−CH(С
)–[CH2−CH(С
6Н5
6Н5)]n
−CH2−C+(С
6Н5
)
[SnCi4-CH-CH2-Cl]- →Н+[SnCi4-CH-CH2-Cl]- +
CH3−CH(С
)–[CH2−CH(С
6Н5
6Н5)]n
−СН═СН(С
6Н5
)
Объекты и методы исследования
Полистирол -
, JBr, JCl.
) →
6
5
-CH2-Cl]-
:
формулу: [-СН2-СН(С
6Н5
) -]n:
выпускается в виде
Полистирол имеет низкую плотность (1060 кг/м3)
стойкость (до 105
-0,8%.
40°C). Имеет невысокую химическую
стойкость (кроме разбавленных кислот, спиртов и щелочей
оловянное
тяжелая бесцветная (иногда желтоватая) жидкость
°C;
неплохой морозостойкостью (до -
Стирол СН2=СН(С6Н5)
69
Химическая формула:C8H8
Молярная масса:104.15 г/моль
Плотность:0.909 г/см³
Температура плавления:-30 °C
Температура кипения:145 °C
Гидроксид натрия NaOH
Наименование: едкий натр, каустическая сода.
Химическая формула NaOH
Молярная масса: 39.9971 г/моль
Температура плавления: 323 °C
Температура кипения: 1403 °C
Плотность вещества: 2,02 г/см3
Растворимость вводе: 108,7 (20 °C) г/100 мл
Хлорид олова(IV) (тетрахлорид олова,
SnCl4 -
веса 2,28, кипит около 114 °C, затвердевает около −33
дымит.
Изопропиловый спирт:
Систематическое наименование: пропанол-2
Химическая формула: СН3-СН(ОН)-СН
3
Молярная масса: 60,10 г/моль
Физические свойства: состояние жидкое
Плотность: 0,7851 г/см³
Температура плавления: -89,5 °C
Температура кипения: 82,4 °C
Растворимость в воде: неограниченная, г/100 мл
Дихлорэтан
) —
70
Перед проведением полимеризации стирол очищают
ингибитора полимеризации. Для этого стирол встряхивают
ным раствором гидроксида натрия
этого готовят раствор1мл тетрахлорида олова в 30 мл дихлорэтана
конической колбе. Далее в стеклянную ампулу наливают пипеткой
тирола, помещают её в сосуд Дьюара с охлаждающей смесью
и добавляют 3 мл раствора из колбы. Проводят полимеризацию
минут. К концу полимеризации реакционная смесь загустевает
Переносят смесь в фарфоровую чашку и промывают
Массу полученного полимера определяют по вязкости с
В чистый сухой вискозиметр заливают пипеткой заданный
растворителя или раствора полимера, зажимают отверстие трубки
но к патрубку 5 присоединяют сжатую резиновую
помощью которой жидкость из баллона 2 засасывается через
Систематическое наименование: 1,2-дихлорэтан
Химическая формула: C2H4Cl2 ; Cl-CH2-CH2-Cl
Состояние: жидкость
Молярная масса: 98,96 г/моль
Плотность: 1,253 г/см³
Температура плавления: -35 °C
Температура кипения: 83,5–84,0 °C
Охлаждающая смесь (лед с солью NaCl)
Толуол
Химическая. формула: C/H0
Молярная масса: 92,14 г/моль
Плотность: 0,86694 г/см³
Температура плавления: −95 1
Температура кипения: 110,6 1
Методика синтеза
делительной воронке с 10%-
с
изопропиловым спиртом, отжимают смесь и сушат.
вискозиметра Убеллоде (рис. 11).
одновремен
-12,5 С
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]