I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ АНАЛИЗА ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бурцева Д. 1Чуракова Ю. 1

---

1

Брилькова Н.И. 1Нелюбина Е.Г. 1

---

1

Работа в формате PDF

255.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Глава 1. Теоретический анализ свойств и строения полимеров 4

1.1. История создания полимеров 4

1.2. Классификация, состав и свойства полимеров 5

Глава 2. Практические аспекты анализа полимерных материалов 10

2.1. Описание методики проведения эксперимента 10

2.2. Результаты эксперимента 14

Выводы 17

Библиографический список 18

Приложение 1. 19

Приложение 2. 20

Давайте попробуем посмотреть вокруг, мы увидим удивительные мир, который нас окружает, и в котором мы живем, но для получения всех благ на земле мы используем в своей жизни, работе, учебы много вспомогательных материалов: орудия труда, бытовая техника, телевизор, компьютер, игрушки, посуда и т.д. Большинство из них производиться на основе пластмасс, казалось бы, какое простое слово – пластмассы. Но у меня встал вопрос, что это такое, все ли они одинаковые и на какие группы можно их разделить, а самое главное с помощью чего.

Это направление работы и стало главным при написании научно-исследовательского проекта по теме «Практические аспекты анализа полимерных материалов».

Целью научно-исследовательской работы является подбор методики анализа пластмасс и проведение эксперимента, направленного на распознавание различных образцов пластмасс.

Задачи научно-исследовательской работы:

1. Проанализировать свойства, строение и характерные признаки разных видов пластмасс.

2. Подобрать методику анализа пластмасс, направленную на распознавание различных образцов.

3. Экспериментально проанализировать подобранные образцы и определить тип пластмассы.

Объект исследования – пластмассы.

Предмет исследования – характерные признаки разных видов пластмасс.

Методы исследования:

1. Теоретические – анализ литературных источников по проблеме исследования, подбор методик.

2. Практические – проведение химического эксперимента, синтез и анализ полученных результатов.

1.  
   1. История создания полимеров

Термин «поли­мерия» был введен в науку И. Берцелиусом в 1833 для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, например, этилен и бутилен, кислород и озон. Такое содер­жание термина не соответствовало современным представлениям о полимерах. «Истинные» синтетические полимеры к тому времени еще не были известны.

Ряд полимеров был, по-видимому, получен еще в первой половине 19 века. Однако химики тогда обычно пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к «осмолению» продуктов основной химической реакции, т.е., собственно, к образованию полимеров (до сих пор полимеры часто называют «смолами»). Первые упоминания о синтетических полимерах отно­сятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол). 4

Химия полимеров возникла только в связи с созданием А.М. Бутлеровым теории химического строения. А.М. Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью мо­лекул, проявляющейся в реакциях поли­меризации. Дальнейшее свое развитие наука о полимерах по­лучила главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука, в которых участвовали крупнейшие учёные многих стран (Г. Бушарда, У. Тилден, немецкий учёный К. Гарриес, И.Л. Кондаков, С.В. Лебедев и другие). В 30-х годов было до­казано существование свободнорадикального и ионного механиз­мов полимеризации. Большую роль в развитии представлений о поликонденса­ции сыграли работы У. Карозерса.

С начала 20-х годов 20 века развиваются также теоретические представления о строении полимеров. Вначале предполагалось, что такие био­полимеры, как целлюлоза, крахмал, кау­чук, белки, а также некоторые син­тетические полимеры, сходные с ними по свойствам (например, полиизопрен), состоят из малых молекул, обладающих необычной способ­ностью ассоциировать в растворе в комп­лексы коллоидной природы благодаря не ковалентным связям (теория “малых блоков”). Автором принципиально но­вого представления о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы, был Г. Штаудингер. Победа идей этого учёного заставила рассматривать полимеры как качественно новый объект исследования химии и физики. 4

Полимеры - химические соединения с высокой мол. массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромо­лекулы) состоят из большого числа повто­ряющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы, входящие в состав мак­ромолекул, соединены друг с другом силами главных и (или) координационных валентностей.

1.  
   1. Классификация, состав и свойства полимеров

По происхождению полимеры делятся на природные (биополимеры), например, белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные, и синтети­ческие, например, полиэтилен, полипропилен, феноло-формальдегидные смолы. Атомы или атомные группы могут распо­лагаться в макромолекуле в виде: откры­той цепи или вытянутой в линию после­довательности циклов (линейные полимеры, например, каучук натуральный); цепи с разветвлением (разветвленные полимеры, например, амилопектин), трехмерной сетки (сшитые полимеры, например, отверждённые эпоксидные смолы). Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами (например, поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза). 1

Макромолекулы одного и того же хи­мического состава могут быть построены из звеньев различной пространственной конфигура­ции. Если макромолекулы состоят из оди­наковых стереоизомеров или из различ­ных стереоизомеров, чередующихся в цепи в определенной периодичности, полимеры называются стереорегулярными.

Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополиме­ры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блоксополимерами. К внутренним (неконцевым) звеньям макромолекулы одного химического строения могут быть присое­динены одна или несколько цепей дру­гого строения. Такие сополимеры называются привитыми. 5

Полимеры, в которых каждый или некоторые сте­реоизомеры звена образуют достаточно длинные непрерывные последовательно­сти, сменяющие друг друга в пределах одной макромолекулы, называются стереоблоксополимерами. 5

В зависимости от состава основной (главной) цепи полимеры, делят на: гетероцепные, в основной цепи которых со­держатся атомы различных элементов, чаще всего углерода, азота, кремния, фосфора, и гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов. Из гомоцепных полимеров наиболее рас­пространены карбоцепные полимеры, главные цепи которых состоят только из атомов углерода, например, полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторзтилен. Примеры гетероцепных полимеров - полиэфиры (полиэтилентерефталат, поликарбонаты), полиамиды, мочевиноформальдегидные смолы, бел­ки, некоторые кремнийорганические поли­меры. Полимеры, макромолекулы которых наряду с углеводородными группами содержат атомы не органогенных элементов, называются элементоорганическими. 3 Отдельную группу полимеров образуют неорганические по­лимеры, например, пластическая сера, полифосфонитрилхлорид.

Свойства и важнейшие характеристики.

Линейные полимеры обладают специфическим комп­лексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств: способность образовывать высокопрочные анизотроп­ные высокоориентированные волокна и пленки, способность к большим, дли­тельно развивающимся обратимым дефор­мациям; способность в высокоэластичном со­стоянии набухать перед растворением; высокая вязкость растворов. Этот комп­лекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гиб­костью макромолекул. При переходе от линейных цепей к разветвленным, ред­ким трехмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комп­лекс свойств становится всё менее выра­женным. Сильно сшитые полимеры нераство­римы, неплавкие и неспособны к высоко­эластичным деформациям. 3

Полимеры могут существовать в кристаллическом и аморфном состояниях. Необходимое условие кристаллизации - регулярность достаточно длинных участков макромоле­кулы. В кристаллических полимерах возможно возник­новение разнообразных надмолекулярных структур (фибрилл, сферолитов, монокристаллов, тип которых во мно­гом определяет свойства полимерного материала. Надмолекулярные структуры в незакристаллизованных (аморфных) полимерах менее выражены, чем в кристаллических.

Незакристаллизованные полимеры могут нахо­диться в трех физических состояниях: стекло­образном, высокоэластичном и вязко текучем. Полимеры с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластичное состояние называются эластомерами, с высокой - пласти­ками. В зависимости от химического состава, строения и взаимного расположения мак­ромолекул свойства полимеры могут меняться в очень широких пределах. Так, 1,4.-цисполибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20 °С - эластичный материал, который при температуре -60 °С переходит в стеклообраз­ное состояние; полиметилметакрилат, построенный из более жестких цепей, при температуре около 20 °С - твердый стеклооб­разный продукт, переходящий в высоко­эластичное состояние лишь при 100 °С. Целлюлоза - полимер с очень жесткими цепями, соединенными межмолекуляр­ными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластичном состоянии до температуры ее разложения. Большие различия в свойствах полимеров могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики. Так, сте­реорегулярный полистирол - кристал­лическое вещество с температурой плавления около 235°С, а нестереорегулярный вообще не способен кристаллизоваться, и размягчается при температуре около 80 °С. 2

Полимеры могут вступать в следующие основные типы реакций: образование химических свя­зей между макромолекулами (так называемое сши­вание), например при вулканизации кау­чуков, дублении кожи; распад макромо­лекул на отдельные, более короткие фраг­менты, реак­ции боковых функциональных групп полимеров с низкомолекулярными веществами, не затрагивающие основную цепь (так называемые полимераналогичные превращения); внутримолекулярные реакции, протекающие между функциональными группами одной макромоле­кулы, например внутримолекулярная циклизация. Сшивание часто протекает одно­временно с деструкцией. Примером полимераналогичных превращений может слу­жить омыление поливтилацетата, при­водящее к образованию поливинилового спирта. Скорость реакций полимеров с низкомо­лекулярными веществами часто лимити­руется скоростью диффузии последних в фазу полимера. Наиболее явно это проявля­ется в случае сшитых полимеров. Скорость взаимодействия макромолекул с низкомоле­кулярными веществами часто сущест­венно зависит от природы и расположения соседних звеньев относительно реагирую­щего звена. Это же относится и к внутримолекулярным реакциям между функ­циональными группами, принадлежащи­ми одной цепи.

Некоторые свойства полимеров, например, раствори­мость, способность к вязкому течению, стабильность, очень чувствительны к действию небольших количеств приме­сей или добавок, реагирующих с макро­молекулами. Так, чтобы превратить ли­нейный полимер из растворимого в полностью нерастворимый, достаточно образовать на одну макромолекулу 1-2 поперечные связи.

Важнейшие характеристики полимеров - химический состав, молекулярная масса и моле­кулярно-массовое распределение, сте­пень разветвленности и гибкости макро­молекул, стереорегулярность и другие. Свойства полимеров существенно зависят от этих характеристик.

Получение.

Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. С помощью экстракции, фракционного осаждения и других методов они могут быть выделены из раститель­ного и животного сырья. Синтетические полимеры получают полимеризацией и поликонден­сацией. 1 Карбоцепные полимеры обычно синте­зируют полимеризацией мономеров с од­ной или несколькими кратными углеродными связями или мономеров, содержащих неустойчивые карбоциклические группировки (например, из циклопропана и его производных), гетероцепные полимеры получают поликонденсацией, а также полимеризацией мономеров, содержащих кратные связи углеродоэлемента (например, С=О, С=N, N=С=О) или не­прочные гетероциклические группировки.

Для распознавания пластмасс надо иметь: 1) спиртовку или горелку; 2) тигельные щипцы; 3) стеклянную палочку; 4) тонкую медную пластинку 1x2 см или проволоку, конец которой скручен в виде ложечки; 5) пробирки; 6) газоотводную трубку; 7) раствор нитрата серебра; 8) лакмусовые бумажки (синюю и красную); 9) воду; 10) растворы кислот -серной, азотной, соляной; 11) растворители - бензол, спирт. 6

Распознавание пластмасс следует начинать с внешнего осмотра (цвет, твердость, эластичность и т. д.), затем перейти к изучению характера горения. Если этот прием не даст результатов, тогда прибегают к изучению продуктов разложения. 5

Для распознавания пластмасс необходимо тщательно рассмотреть кусочки от изделий из пластмасс: поливинилхлорида (изоляционная трубка, пленка, искусственная кожа), полиэтилена (пленка, крошка, трубка и др.), полистирола (нити, пленка, крошка или кусочки других изделий), полиметилметакрилата, фенопласта (кусочки от выключателей, розеток и других изделий), кусочки целлулоида, аминопласта. Если при визуальном анализе Вы не смогли точно определить тип полимера, то следует перейди к процессу сжигания образцов.

Пластмассы распознают путем сжигания. По этому признаку их можно разделить на три группы:

а) пластмассы, которые горят в пламени с выделением копоти, (полистирол, поливинилхлорид);

б) пластмассы, которые горят в пламени и вне его без копоти (полиэтилен, оргстекло, целлулоид);

в) пластмассы, которые горят без копоти в пламени, вне его постепенно гаснут (фенолформальдегидные и мочевиноформальдегидные).

После этого ищут индивидуальные особенности, характерные для отдельных представителей данной группы.

Например, полистирол продолжает гореть вне пламени, а поливинилхлорид гаснет, органическое стекло горит с потрескиванием, полиэтилен бесшумно горит, а целлулоид очень быстро горит.

Если путем сжигания не удается определить пластмассу, тогда прибегают к исследованию продуктов разложения или действию растворителей, используя таблицу 1. 6

План анализа образцов пластмасс.

1. Визуальный анализ – проверяется прочность, ломкость, гладкость поверхности, гибкость и т.д.

2. Испытание путем сжигания.

Сжигание следует проводить несколько раз. При этом необходимо проследить:

а) с какой скоростью происходит горение;

б) запах продуктов разложения;

в) характер остатка после сгорания.

Этим путем можно определить принадлежность пластмассы к определенной группе.

3. Дополнительные испытания основаны на определении химических свойств пластмасс различного происхождения.

Таблица 1.

Признаки пластмасс для распознавания (автор И.Н. Чертков)

Экспериментальная работа по распознаванию пластмасс была проведена на базе Центра технического и гуманитарного развития «Постижение» структурного подразделения «Поиск» ГБОУ СОШ №2 п.г.т. Суходол.

Нами были подобраны пять видов пластмасс, которые мы нашли у себя дома:

- образец 1 - колпачок от шариковой ручки,

- образец 2 - детали детского самолета,

- образец 3 - кусочек пластмассового ведра,

- образец 4 - кусок пластмассовой игрушки,

- образец 5 - кусочек пластмассовой тары для хранения.

Мы пронумеровали образцы пластмасс и приступили к определению их вида.

Для начала мы провели визуальный осмотр, при это обнаружили, что:

• Образцы 1, 4 внешне напоминают изделия из поливинилхлорида;

• Образцы 3 и 5 внешне напоминают изделия из полиэтилена;

• Образец 2 внешне напоминает изделие из фенопласта.

Затем мы провели опыты по распознаванию пластмасс путем сжигания (приложение 1).

Мы взяли кусочки пластмасс, положили их в ложечки для сжигания сухих веществ и внесли их поочередно в пламя спиртовки. По этому признаку мы получили следующие результаты:

• Образцы 1, 4 горят в пламени с выделением копоти, поэтому предполагаем, что это изделия из поливинилхлорида;

• Образцы 3 и 5 горят в пламени и вне его без копоти, поэтому предполагаем, что это изделия из полиэтилена;

• Образец 2 горит без копоти в пламени, вне его постепенно гаснет, поэтому предполагаем, что это изделие из фенопласта.

На основании проделанных двух видов анализа: визуального и распознавание пластмасс путем сжигания, мы проанализировали полученные результаты и свели данные в таблицу 2.

Таблица 2.

Предварительные результаты распознавания образцов пластмасс (октябрь 2015 года)

Для полного подтверждения своих результатов мы провели исследование образцов на продукты их разложения или действие на них растворителей, используя таблицу 1.

В ходе работы мы получили результаты (приложение 2), которые представлены в таблице 3.

В заключении можно сделать вывод о том, что мы определили тип полимерного соединения в исследуемых образцах при визуальном анализе и распознавание пластмасс путем сжигания правильно, что доказано с помощью химического анализа.

Таблица3.

Результаты химического анализа образцов пластмасс

(октябрь2015 года)

В заключении необходимо сделать вывод о том, что не все пластмассы одинаковы, они отличаются по своим свойствам, строению и составу.

Высокомолекулярные соединения (полимеры) играют исключительно важную роль в жизни современного человека. Производство разнообразных материалов на их основе (пластмасс, волокон, каучуков и др.) постоянно возрастает. В настоящее время около половины всех химиков мира работает в области химии и технологии полимеров. На базе органической, физической и коллоидной химии, а также других областей знаний сформировались самостоятельные научные направления: химия высокомолекулярных соединений, физика и механика полимеров. Значение полимеров исключительно велико.

Но нам всегда необходимо помнить, что под таким простым словом, как полимер, зашифровано огромное количество разнообразных химических высокомолекулярных веществ, имеющих свои определенные свойства, признаки и т.д. Но использовав подобранную нами методику определения пластмасс мы всегда сможем точно сказать из какого вида пластмассы изготовлен тот или иной продукт. Данную методику можно использовать на уроках химии или на факультативных занятиях.

В заключении необходимо сформулировать следующие выводы к работе:

1. Проанализированы свойства и характерные признаки разных видов пластмасс.

2. Подобрана методика анализа пластмасс, направленная на распознавание различных образцов, автор И.Н. Чертков.

3. Экспериментально проанализировано пять подобранных образцов: образец 1 - колпачок от шариковой ручки, образец 2 - детали детского самолета, образец 3 - кусочек пластмассового ведра, образец 4 - кусок пластмассовой игрушки, образец 5 - кусочек пластмассовой тары для хранения. И было установлено, что образцы 1, 4 изготовлены из поливинилхлорида; образцы 3 и 5 изготовлены из полиэтилена; образец 2 изготовлен из фенопласта.

1. Нифантьев Э.Е., Цветков Л.А. Химия. 10-11. - М: Просвещение, 1998.

2. Рудзитис Г.Е. и др. Химия 10. - М.: Просвещение, 1994-1996.

3. Артеменко А.И., Тикунова И.В. Химия 10-11. - М: Просвещение, 1993.

4. Потапов В.М. Органическая химия. 10-11кл. -М.: 1995, 1997.

5. Чертков И.Н., Корощенко А.С. и др. Обучение химии в 10 классе. Часть 1, - М.: Просвещение, 1992.

6. Чертков И.Н. Эксперимент по полимерам. – М.: Просвещение, 1998г.

Рисунок 1. Внешний вид образцов пластмассы.

Рисунок 2. Опыт - отношение к нагреванию образцов пластмассы.

Рисунок 3. Химический анализ образцов пластмассы.

Рисунок 4. Химический анализ – опыт растворение образцов пластмассы в разных растворителях.

11