2. Тәжірибелік бөлім

Бұл жұмыс химия және химиялық технология кафедрасында суда ерігіш полиэлектролиттерді (СЕП) алу және оның физикалық, коллодтық-химиялық қасиеттерін зерттеу бағыты бойынша жүргізілген ғылыми-зерттеу жұмыстарының жалғасы болып табылады.

Суда еритін полимерлерді-полиэлектролиттерді (СЕП) полимерлену, сополимерлену қабілеті бар мономерлер, табиғи, синтетикалық полимер жоғары молекулалық қосылыстар негізінде алынады [55].

Соңғы жылдары суда еритін полиэлектролиттерді (СЕП) полимерлену, сополимерлену реакциясына түсу қасиетті бар құрамында функционалдық топтар мен табиғаты жағынан әр түрлі болып келетін мономерлердің полимерленуі нәтижесінде синтездеп алуға және олардың қатысында әр түрлі дисперсті жүйелердің тұрақтылығының өзгеруін зерттеуге қаратылған ғылыми-тәжірибелік жұмыстар жүргізуге басымдық беріліп келеді.

Дипломдық тәжірибе жұмысы «Бейтараптау реакциясының әсерінде карбоксид, гидроксидті функционалды полиэлектролиттердің коллоидтық-химиялық қасиеттерінің өзгеруін» зерттеуге арналған.

2.1 Зерттеу нысандары. Таңдалған үлгілерге жалпы сипаттама.

Акриламид (АА) - (СН₂ – CH-CONH₂), молекулалық массасы 71,07 г/моль түссіз, кристалды зат, балқу температурасы - 84,5 °С. Суда метанол, этанол, ацетонда жақсы ериді. Қазіргі уақытта акриламид негізінде алынған суда еритін полимерлер өте кең қолданылады [56].

Акриламидті алудың кең тараған әдісі концентрлі күкірт қышқылының қатысында 90-100 °С температурада акрилонитрилді гидрлеу жолы:

СН₂ = СН - CN_^CH₂ = СН - CONH₂

Полиакриламид (ПАА) Полиакриламид (ПАА) - (СН₂ - CHCONH₂)_n , ақ түсті , иіссіз ұнтақ, суда жақсы ериді және органикалық еріткіштерде ерімейді. Таза полиакриламидтің улылығы әлі анықталған жоқ. ПАА ионсыз полимер, сондықтан рН өзгеруі оның ерітіндісінің тұтқырлығына әсер етпейді. Балқу температурасы - 180 ° С, молекеулалық массасы 500000 - нан жоғары, сипаттық тұтқырлығы [η_сал] = 6,8 * 10 ~⁴ М тең [57].

Акрил қышқылы (АҚ) - ( СН₂ = СНСООН), молекулалық массасы 72,36, түссіз, өткір иісті қышқыл, сүйық зат. Балқу температурасы - 13 °С, қайнау температурасы - 141°С/160мл, булану жылуы 136 °С. Суда, эфирде, спиртте жақсы ериді. Акрил қышқылы оңай полимерленеді:

1 Кесте.

Акрил қышқылының қасиеті

Химиялық формуласы	СН2 = CH – COOH
Эмпирикалық формуласы	С2 Н4 O2
Молдік массасы	72,06 г/моль
Физикалық қасиеттері
Агрегаттық күйі(қалыпты жағдайда)	Сұйық
Тығыздығы	1,051 г/см3
Термиялық қасиеттері
Балқу температурасы	13 0С
Қайнау температурасы	141 0С
Жарылу температурасы	68 0С
Энтольпия(қалыпты жағдайда)	-384,09 кДж/моль
Меншікті булану жылуы	37,24 Дж/кг
Меншікті балқу жылуы	11,16 Дж/кг
Химиялық қасиеттері
рКа	4,25
Суда ерігіштігі	г/100мл араласуы

1-сурет. Акрил қышқылының молекула түрі және химиялық формуласы.

Акрил қышқылының эфирлері өндірісте кеңінен қолданылады, оның тұздары баспа буларына, лактарға қосылады.

Полиакрил қышқылы (ПАҚ) - (СН₂ - СНСООН )_п , акрил қышқылының полимері. Полиакрил қышқылы - қатты, ақ түсті ұнтақ. Ол бензолда, толуолда, хлорланған көмірсутектерде, ацетонда ерімейді. Суда, формальдегидте ериді, ал төменгі спирттерде қиын ериді [58].

Полиакрил қышқылы эмульгатор ретінде, оның суда еритін туындыларын шлихталған жасанды талшықтарға арналған суспензия, ерітінділердің тұтқырлығын арттыру үшін қолданылады. Әсіресе, көптеген мономерлерін синтездеп алынбайтын полимерлерді синтездеуде полиакрил қышқылы үлкен қызығушылық тудырады. Басқа иониттерге ұқсас, полиэлектролиттер полиқышқылдар, полинегіздер және полиамфолиттер болып бөлінеді.

Әлсіз қышқылдар мен полинегіздердің заряды ионогендік топтардың диссосациялану константаларымен тұрақтанады жэне ерітіндісінің рН на едәуір тәуелді болады. Су ерітінділеріндегі күшті полиэлектролиттердің рН мәніне байланыссыз толығымен ионданады [59].

Кәдімгі әлсіз қышқылдарға - полиакрилді, полиметакрилді, полиглутаминді, полиуранды қышқылдар жатады.

Аллил спирті (АС) – CH₂=CHCH₂OH – молекулалық массасы 48.08 қарапайым қаныққан алкоголь өнімдері қатарына жатады. Түссіз, өткір иісті сұйық зат. Қайнау температурасы 96.9 С. Аллил спирті суда, спирттерде, эфирде, оңай ери алатын қасиетке ие. Қос байланысты этилен және біріншілік спирттер тобымен реакцияға оңай түсе алады. Мысалы,

CH₂(OH)CH = CH₂ + HOCl = CH₂(OH) CHClCH₂OH

Бөлме температурасында аллил спирті полимерленбейді және тұрақты болып келеді [60].

Полиэлектролит үлгілерінің ерітінділерінің гидродинамикалық қасиеттері, яғни тұтқырлығы 25,0±0,1⁰С температурада, еріткіш ретінде қолданылған судың ағу уақыты 39.65 секундқа тең, капиллярлар радиусы 0,73 мм болатын Освальд вискозиметрінде анықталды.

1. Жұмыстың орындалу барысы мына түрде: әр түрлі концентрациялы (0,01-0,50) ерітінді дайындалды. Таза жуып, кептірілген вискозиметрді термостатқа тігінен орналастырып, түтікше арқылы 7мл еріткіш, яғни су құйылды. Ерітінді капиллярлы түтікпен өлшегіш шарикке толуы қажет. Трупкадағы кранды жауып, капилляр түтігі мен өлшегіш шарикті сумен жақсылап жуып басқа ыдысқа құйылып алынды. Содан соң, вискозиметрді жуып кептіріп, оған 7мл еріткішті пипетканың көмегімен құйып, вискозиметрді термостатқа тігінен орналастырдық. Еріткішті вискозиметрден басына резеңкелі груша кигізілген пипетканың көмегімен алып тастайды. Ерітінді термостатта 21°С да10 минут ұстап тұрады (температураның ауытқуы +0,1С аспауы керек). Содан соң өлшегіш шариктің белгілері арқылы сұйықтың ағу уақытын анықтайды. Шариктің жоғарғы белгісіне сұйықтық тұспа-тұс келгенде секундомерді іске қосамызда, төменгі белгіге келгенде секундомерді тоқтатады (секундомердің ауытқуы 0,4 секундтан аспауы керек). Тәжірибе үш рет қайталанады. Таза еріткіштің уақытын анықтаған соң, түтік арқылы тұтқырлығы анықталған еріткішті төгіп тастап меркалы цилиндрдің көмегімен 7мл зерттелетін ерітіндіні құйып дәл осы тәртіппен анықталады. Таза еріткіштің, яғни судың ағу уақыты орташа есеппен алғанда 39 секундқа тең.

2. Полиэлектролит үлгілерінің сулы ерітінділерінің рН көрсеткіші ЭВ-74 әмбебап иономерінде және 150-М рН мертінде өлшенеді.

3.Электрөткізгіштік қасиеттері 25,0±0,1⁰С температурада, тұрақтылық константасы (К) 0,2813 болатын қарапайым көпірлі схема бойынша Кольрауш әдісімен құрастырылған Кондуктометр OX-6 құралында анықталды.

Меншікті электрөткізгіштікті мостик схемасы бойынша жүргізілетін құрылғыда, түтікшенің температурасы 25ºС да өлшенді, ыдыстың тұрақтылығы 0,278 ге тең.

Жұмыстың орындалу барысы: электрөткізгіштікті өлшеу үшін платинадан жасалған электродтар қолданылады. Тәжірибенің дәлдігі электродтардың тазалығына байланысты. Ыдыстың түрін және электродтың арақашықтығын өлшенетін кедергіге қарап таңдайды. Егер электродтың арақашықтығы 1см, ал ауданы 1см² болған кезде электрөткізгіштік болып табылады. Бірақ, шынында да ерітіндінің электрөткізгіштігі электродтың пішініне, ерітіндінің көлеміне тәуелді [61]. Сондықтан, электрөткізгіштікке пропорционал:

χ=К.ω (35)

Мұндағы: К-ыдыстың константасы.

Электрөткізгіштікті өлшеу: электрөткізгіш құралының ыдысын дистилденген сумен, 2-3 рет зерттелетін ерітіндімен шаяды. Ыдысқа полиэлектролит құйылған кезде электродтарда 3-5 мл болып тұруы қажет. Барлық тәжірибелер кезінде ерітіндінің көлемі бірдей болуы қажет. Сондықтан, полиэлектролит ерітінділерін пипеткамен құяды. Ыдысты өлшейтін электр схемасына қосады, жылжымалы контактты кернеудің мәні минимальды болатындай кедергіні таңдайды [62]. Бұл жағдайда К_т кедергісі ерітіндінің кедергісіне тең, өйткені:

L₂/L₁=1 (36)

Сонан соң, К_т10-15% азайып кернеудің мәні минимальды болатындай етіп контактты жылжытып қояды. Одан кейін, К_т10-15% - ға арттырып тағы да К_х өлшейді. Содан, ыдыстың константасын біле отырып меншікті электрөткізгіштікті анықтайды [63].

R_x=R_m•L₂/L₁ (37)

4.Оптикалық тығыздығын КФК-3 құрылғысында, кюветаларда және светофильтр жасыл түске келтіріп, толқын ұзындығы 490нм болғанда анықталды. КФК-3 құрылғысының жұмыс істеу принципі: оптикалық тығыздықты өлшеу үшін 10,05мл өлшемді 2 бірдей кюветаны дистильденген сумен жуып фильтр қағазымен жақсылап сүртіп, кептіріп, одан соң, толық жарықшоғырын зерттелетін ортаға түсіреміз аппараттың ішінде орналасқан екі бірдей кювета тұратын ортаға біріншісіне дистильденген су құйып орналастырамыз, ал екінші кюветаға зерттелінетін полиэлектролит ерітінділерін құйып, аппараттың оң жақ бөлігінен ерітінділердің оптикалық тығыздық күйінің сандық мәндерін көруге болады. Осылайша ерітінділердің оптикалық тығыздығын анықтаймыз.

2. Зерттеу нәтижелерін талдау

2.3 Полиэлектролиттер макромолекуласының конформациялық өзгеріске ұшырауын ерітіндінің концентрациясына, рН көрсеткішіне қарап гидродинамикалық сипаттамасы арқылы зерттеу

Осы жұмыста органикалық амин топтарының соның ішіндегі, диметиламин, диэтиламин, моно, ди, триэтаноламин және этилендиамин топтарының ерітіндідегі физико-химиялық қасиеттері, сонымен қатар аллил спиртімен АС акрил қышқылы АҚ және аллил спирті АС мен акриламид АА сополимерлерінің топырақты құрылымдау қабілетіне әсері зерттелді.

Сонымен қатар, таңдалған полиэлектролиттердің кейбір физикалық және коллоидтық-химиялық қасиеттері әр-түрлі рН–көрсеткішіне байланысты өзгеруі анықталды. Бірдей концентрацияда (С=0,1%) полиэлектролит үлгісінің әр түрлі рН көрсеткішінде 0,1 н HCl және КOH ерітінділері көмегімен дайындалып, кейбір физикалық және коллоидтық-химиялық қасиеттері зерттелді.

Жүргізілген тәжірибе нәтижелері зерттелген полиэлектролиттердің қасиеттері ерітінді концентрациясына, рН көрсеткішіне функционал топтардың түрлеріне, макротізбек бойында орналасуына қарап ерекшеленетінін көрсетті (кесте 2,3,4,5).

Бірінші болып, аллил спиртімен АС акрил қышқылының АҚ және аллил спирті АС мен акриламидті АА сулы ортада оңтайлы мольдік арақатынасында (1:4) сополимерленіп алынған полиэлектролиттердің кейбір коллоидтық-химиялық қасиетіне бейтараптау реакциясының әсерін анықтадым. Сополимерленіп алынған өнімдерді АСАҚ-H-3 және АСАА-Н-3 деп шартты түрде белгілеп алдым. Бейтараптау үшін, сілтілік жағына қарай 0,1н КОН және қышқылдық жағына 0,1н НСl ерітінділерін дайындап алдым. Бейтараптау реакциясының нәтижесінде, осы полиэлектролиттің конформациялық күйінің өзгеруін анықтап, оңтайлы конформациялық пішінде болатын рН аралығын таптым (рН 8,0-8,5). Сөйтіп, АСАҚ-К үлгісінің кейбір коллоидтық-химиялық қасиеттерін анықтадым. АСАҚ-H-3 үлгісін АСАА-Н-3 полимерімен салыстыра зерттедім (кесте 2,3,4,5).

Кесте 2

ПЭ pH	ηменш	Кмөд	ηкелт	СТТ	ТҚМ	ТТҚ	V 1×10-18 см3		а 1×10-9 м	в 1×10-9 м	Молекула лық Масса ПЭ	[η]
1,55	0,0203	0,0747	0,203	4,73	18,60	0,0832	0,55	6,02	26,53	15,97	407308	[3,58]
2,5	0,0127	0,0799	0,217	8,67	5,01	1,25	0,58	6,14	26,36	161,85
3,55	0,074	0,2795	1,48	20,65	4,27	0,38	4,005	5,13	27,99	143,58
4,35	0265	1	2.65	28,96	1,60	1	7,17	2,94	33,69	99,04
5,8	1,19	4,475	11,9	40,16	2,19	0,73	32,2	13,36	20,34	271,74
7,15	2,11	7,849	21,13	53,29	9,98	2,303	57,2	18,65	18,20	339,43
8,4	2,585	9,56	25,85	58,36	1,51	2,187	69,96	20,86	17,55	336,09
10,04	2,306	8,544	23,06	63,36	1,37	1,191	62,4	19,59	17,91	350,85
10,90	2,045	7,63	20,45	61,74	1,38	1,19	55,35	18,33	18,31	335,62
12,3	0,525	1,94	5,25	61,03	2,88	1,14	14,21	7,51	24,65	185,12

АСАҚ-тың тұтқырлықтарын(η_менш, η_келт ), суға төзімді түйіршіктер (СТТ) түзуін, топырақты құрылымдаушы мөлшерін (ТҚМ), түйіршік түзу қабілетін (ТТҚ), макромолекуланың көлемін(V), көлденең өлшемі (а), ұзындық өлшемі (b), молекулалық массасының 0,1н ерітіндісінің pH көрсеткішіне қарап өзгеруі

+ →

ǀ ǀ ǀ ǀ