Лаб. Химия ВМС укр

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ОЛЕСЯ ГОНЧАРА

К.Е. Варлан

СИНТЕЗ, РЕАКЦІЇ І ОСНОВИ ФІЗИКОХІМІЇ ПОЛІМЕРІВ

Методичні вказівки до лабораторного практикуму з курсу «Хімія та фізика високомолекулярних сполук»

для студентів напряму підготовки 6.051301 – хімічна технологія

Дніпропетровськ, ДНУ (ХХТ), 2015

1

УДК 541.64

ББК

В_ _

Рецензенти:

До Методичних вказівок увійшли роботи, що охоплюють основні розділи дисципліни «Хімія та фізика високомолекулярних сполук», передбаченої ГСВО України підготовки бакалаврів за напрямом 6.051301 – хімічна технологія:

-синтез полімерів − радикальна полімеризація і співполімеризація, поліконденсація;

-реакції полімерів – полімераналогічні перетворення, реакції подовження ланцюга, синтез сітчастих і просторово зшитих полімерних матеріалів, деструкція полімерів;

-основи фізикохімії полімерів − дослідження релаксаційних властивостей полімерних тіл та поведінки полімерів у розчинах.

Навчальний посібник також може бути використаний для проведення лабораторного практикуму з дисципліни «Хімія високомолекулярних сполук» при підготовці бакалаврів за напрямом 6.040101 – хімія.

Роботи передбачають закріплення або отримання навичок синтезу і дослідження властивостей олігомерів та полімерів, а також домішок до полімерних матеріалів. Методики лабораторних робіт адаптовані до умов навчальних лабораторій кафедри Хімії і хімічної технології високомолекулярних сполук ДНУ ім. О. Гончаря. При складанні Методичних вказівок врахований багатолітній досвід викладацької роботи автора, а також використано результати власних досліджень.

Надалі передбачено внесення змін і доповнень до змісту методик, а також поповнення посібника новими авторськими роботами.

2

Загальні положення

Лабораторний практикум у цілому передбачає виконання необхідної кількості лабораторних робіт (ЛР), як правило, п'яти. Виконання ЛР складається з трьох етапів: отримання допуску до виконання експериментальної частини ЛР; виконання практичної частини ЛР; захисту письмового звіту про виконання ЛР. Кожен з етапів роботи оцінюється окремо відповідно до затвердженої рейтингової структури. Загальна оцінка за ЛР є сумою оцінок за кожен етап.

Допуск до виконання експериментальної частини ЛР передбачає знання студентом методики роботи, а також чітке уявлення про техніку і порядок виконання кожної практичної процедури. При отриманні допуску слід мати заздалегідь оформлений шаблон звіту.

Виконання практичної частини ЛР студент здійснює в індивідуальному порядку. Окремі стадії і процедури, якщо на це вказано в методиці або під час отримання допуску, виконуються у присутності викладача або лаборанта. Якість і дотримання порядку проведення експерименту впливають на оцінку. Завершальною стадією практичної частини ЛР є оформлення звіту.

Захист письмового звіту про виконання ЛР проходить у вигляді співбесіди викладача із студентом. При цьому оцінюється якість оформлення звіту і його змістовність. Захист супроводжується усним опитуванням з теоретичних основ в об'ємі, передбаченому контрольними питаннями, наведеними в кінці опису методики ЛР, що захищається. Крім того, студент може отримати додаткове питання, якщо робота пов'язана із вже прослуханим лекційним матеріалом.

Вимоги до оформлення звіту про виконання лабораторної роботи

Загальні вимоги. Звіт про виконання лабораторної роботи (далі звіт) є обов'язковою умовою допуску до захисту роботи і отримання заліку по ній.

Звіт слід оформляти в зошиті або на листах формату А4, зібраних в папку з файлами, рукописним або машинописним способом. При цьому необхідно дотримуватися основних правил виконання технічних текстових документів в частині оформлення таблиць, малюнків, формул і розрахунків.

Структура звіту включає наступні обов'язкові елементи:

-назва роботи;

-мета виконання роботи;

-перелік і кількість необхідних реактивів, матеріалів, лабораторного посуду, інструментів, приладів, обладнання та ін.;

-короткий опис методики виконання роботи;

-завантажувальна таблиця з підтверджуючими розрахунками (за необхідністю);

-опис фактичного ходу виконання роботи і спостереження;

4

-розрахунки, таблиці і графіки (за необхідністю), що ілюструють проміжні і кінцеві результати;

-висновки.

Рекомендації до оформлення окремих структурних елементів звіту.

Назву і мету виконання роботи слід вказувати так, як це сформульовано в цих Методичних вказівках .

Після наведення переліку і кількості реактивів, матеріалів лабораторного посуду, інструментів, приладів, обладнання та ін. відповідно до методики, слід у виносках вказати реальні кількості використаних речовин, а також всі інші відмінності, що стосуються задіяного лабораторного посуду і обладнання. Для цього, при оформленні шаблону звіту, слід передбачити вільне місце.

У завантажувальну таблицю слід заносити дані про реальні кількості використаних реагентів. Формат таблиці може бути таким, як наведено нижче:

* М.м. – молярна маса реагенту; ρ − густина інгредієнта; С – концентрація основної речовини в інгредієнті, % або мол/л.

Опис фактичного ходу виконання роботи і спостереження повинен містити інформацію про всі відмінності від методики, наведеної в цих Методичних вказівках, як запланованих, так і випадкових. Також слід зазначити всі візуальні явища і особливості протікання окремих етапів лабораторної роботи, які, на думку студента, мають значення або становлять інтерес. Повнота і докладність цієї частини звіту впливає на оцінку за виконання роботи.

Розрахунки наводять з необхідними поясненнями і позначенням розмірності використовуваних і розрахованих величин. При виконанні розрахункової частини роботи рекомендується використовувати засоби MathCad і Excel. Розмірність і кількість десяткових знаків в числах, що наводяться, повинні відповідати їх достовірності, залежній від точності використовуваних методів вимірів. При виконанні розрахунків всі значення (за винятком окремо обумовлених) зводять до одної системи вимірів, переважно СІ. Всі експериментальні і розрахункові дані наводять, як правило, у вигляді таблиць.

Таблиці оформлюють з дотриманням правил, встановлених для складання текстових документів. Кожна таблиця повинна мати: назву, що вказує на характер і зміст наведеної в ній інформації; голову і боковик з назвами граф і рядків відповідно, а також позначенням розмірності величин, що наводяться в таблиці.

5

Графіки слід оформляти відповідно до правил, передбачених для малюнків в текстових документах. Побудову графічних залежностей рекомендується виконувати із залученням засобів Excel. На осях слід вказувати параметри, що відкладаються, з та їх розмірності. Не допускається дублювання графічних і табличних даних.

У висновках слід вказати, які положення хімії (та фізики) ВМС продемонстровані при виконанні роботи, дати стислу характеристику результату (вихід і властивості продукту), аналіз причин отриманого результату, міркування відносно ефективності і доцільності використаних в роботі прийомів і операцій.

Увага! На оцінку впливає, окрім дотримання основних вимог до звіту:

-акуратність, розбірливість, орфографія і лексика викладу текстової частини;

-вдалість компоновки звіту, вибору формату і масштабу (наочність) таблиць і графіків;

-чіткість і неординарність формулювань висновків.

6

ЧАСТИНА I. СИНТЕЗ ПОЛІМЕРІВ

Лабораторна робота 1

ОТРИМАННЯ ПОЛІСТИРОЛУ РАДИКАЛЬНОЮ ПОЛІМЕРИЗАЦІЄЮ СТИРОЛУ В ЕМУЛЬСІЇ

Мета: ознайомитися з особливостями емульсійного способу радикальної полімеризації на прикладі синтезу полістиролу.

Реактиви і матеріали:

стирол, перегнаний нестабілізований, – 15 г; кислота олеїнова – 1 г; натрію гідроокис – 0,5 г; калію персульфат – 0,3 г; вода дистильована – 100 мл;

галун алюмокалійовий, концентрований розчин – 50 мл; папір фільтрувальний.

Посуд та інструменти:

колба тригорла на 250−500 мл з мішалкою, гідрозатвором, зворотним холодильником і термометром;

циліндр мірний або мензурка на 100−200 мл; циліндр мірний на 20−50 мл; циліндр мірний або мірна пробірка на 5−10 мл; лійка скляна; лійка Бюхнера; колба Бунзена; шпатель;

Обладнання і прилади:

ваги лабораторні з дискретністю 0,01 г, різноваги; електромотор з ЛАТРом; плитка електрична; баня водяна;

вакуумний насос водоструминний; термошафа.

Порядок виконання роботи

Збирають установку для полімеризації (рис. 1). Установка є збіркою, яка містить тригорлу колбу 1, оснащену мішалкою з гідрозатвором 2, приєднаною до електромотора 3, термометром 4, зворотним холодильником 5. Збірку встановлюють над електроплиткою 6 з водяною банею 7 так, щоб заповнена реакційною масою частина колби була занурена у воду, але не торкалася дна водяної бані. (Термометр можна встановлювати безпосередньо у водяну баню, враховуючи, що температури води в бані і реакційної маси

7

відрізняються на 3−4 °С). Швидкість обертання мішалки регулюють ЛАТРом (на рисунку не показаний), до якого підключений електромотор.

Після збірки і перевірки працездатності установки (правильність фіксації колби і холодильника, центрівка і регульованість обертання мішалки), через бічне горло за допомогою лійки вводять реагенти в такій послідовності. Вливають 50 мл води, додають гідроокис натрію, включають перемішування і нагрів. Після досягнення температури 50 °С у колбу додають олеїнову кислоту. Залишки олеїнової кислоти в циліндрі (пробірці) енергійно струшують з теплою водою і виливають у колбу. Через 3−5 хвилин перемішування і утворення в колбі піни додають стирол. Персульфат розчиняють в залишку від 100 мл води і додають до вмісту колби.

До реакційної маси додають розчин галуну для коагуляції латексу. Через 30−40 хвилин після утворення коагуляту його відділяють від маточника на лійці Бюхнера, промивають водою до відсутності реакції на сульфат-іони і сушать в термошафі при 60−70 °С до постійної маси. Визначають вихід продукту.

Питання

1.У чому полягають схожість і принципові відмінності емульсійного і суспензійного способів радикальної полімеризації?

2.Яке призначення кожного з компонентів реакційної суміші при емульсійній полімеризації стиролу?

3.У чому полягають основні особливості перетворення мономера в полімер при емульсійній полімеризації?

4.Написати механізм стадії утворення вільних радикалів в процесі емульсійної полімеризації, ініційованої персульфатом.

5.У чому полягають особливості кінетики стадії зростання ланцюга при емульсійній полімеризації?

6.У чому полягають переваги і недоліки емульсійної радикальної полімеризації в порівнянні з іншими способами?

8

7. Для яких полімерів і сфер їх застосування емульсійний спосіб полімеризації є переважним?

Література [1, 4−5, 7, 9, 11, 16].

Лабораторна робота 2

ОТРИМАННЯ СПІВПОЛІМЕРА СТИРОЛУ І МАЛЕЇНОВОГО АНГІДРИДУ В РОЗЧИНІ

Мета: Ознайомитися із способом радикальної полімеризації в розчині на прикладі синтезу співполімера з послідовностями, що чергуються, зокрема зі стиролу і малеїнового ангідриду.

Реактиви і матеріали:

стирол, перегнаний нестабілізований, – 5,2 г (0,05 міль); малеїновий ангідрид – 4,9 г (0,05 міль); перекис бензоїлу – 0,05−0,1 г; бензол – 100−150 мл; фільтрувальний папір

Посуд та інструменти:

колба тригорла на 250−500 мл з мішалкою, гідрозатвором і зворотним холодильником;

циліндр мірний або мензурка на 100−200 мл; циліндр мірний на 10 мл; лійка скляна з широким носиком;

лійка Бюхнера з колбою Бунзена; шпатель;

ємкість скляна з щільно підігнаною пробкою на 150 мл

Обладнання і прилади:

ваги лабораторні з дискретністю 0,01 г, різноваги; електромотор з ЛАТРом; плитка електрична; баня водяна;

вакуумний насос водоструминний.

Порядок виконання роботи

Збирають установку для полімеризації відповідно до опису в ЛР 1 і рис. 1. В даному випадку термометр не обов'язковий, третє горло колби закривають щільно підігнаною пробкою і використовують для завантаження реагентів. Після збірки і перевірки працездатності установки (правильність фіксації колби і холодильника, центрівка і регульованість обертання мішалки) через бічне горло за допомогою лійки вводять реагенти в такій послідовності.

Завантажують 4,9 г малеїнового ангідриду, потім – 5,2 г (5,75 мл) стиролу. Залишки мономерів із стінок лійки змивають в колбу 60−70 мл бензолу. Масу перемішують до отримання прозорого розчину. Якщо протягом 15−20 хвилин малеїновий ангідрид не розчинився, вміст

9

підігрівають аж до кипіння маси. Потім завантажують наважку перекису бензоїлу, розчинену в 5−10 мл бензолу. Рештки зі стінок змивають залишками від 100 мл бензолу, зливаючи їх у колбу. В разі недостатньої розчинності до вмісту колби додають 20−50 мл бензолу.

Реакційну масу нагрівають на водяній бані при перемішуванні до кипіння розчинника і підтримують в такому стані протягом 1−1,5 годин. При цьому спостерігається утворення білого осаду полімеру. Потім вміст колби охолоджують і фільтрують на лійці Бюхнера. Маточник переносять в ємність, щільно закривають і здають лаборантові. Продукт сушать тонким шаром на аркуші фільтрувального паперу: спочатку під тягою, а потім в термошафі при 60 °С до постійної маси. Визначають вихід.

Продукт зберігають в герметичній упаковці до використання при виконанні частини ІІ Практикуму «Реакції полімерів».

Питання

1.У чому полягають переваги співполімерів в порівнянні з гомополімерами і їх сумішами?

2.Як класифікують співполімери за особливостями взаємного розташування мономірних ланок в ланцюзі?

3.Що характеризують константи співполімеризації?

4.Чим обумовлена та обставина, що деякі мономери здатні співполімеризуватися, але не утворюють гомополімери?

5.При яких значеннях констант співполімеризації утворюються співполімери з мономерними ланками, що чергуються?

6.Від чого залежить, і як змінюється миттєвий склад співполімера в процесі синтезу?

7.Перерахувати основні області використання співполімерів стиролу і малеїнового ангідриду, а також пояснити, як це пов'язано з властивостями співполімера.

Література [1, 15]

Лабораторна робота 3

ОТРИМАННЯ РЕЗОЛЬНОЇ ФЕНОЛФОРМАЛЬДЕГІДНОЇ СМОЛИ

Мета: ознайомитися з особливостями поліконденсації фенолу і формальдегіду у присутності каталізаторів основного (лужного) типа, а також характерними властивостями отримуваних у цих умовах продуктів.

Реактиви і матеріали:

фенол кристалічний – 10 г; формалін 36 %-й – 10 г*;

аміаку 30 %-й водний розчин – 0,8 г**; спирт етиловий або ізо-пропиловий – 10−15 мл

10