ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ АНАЛИЗА ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2021

ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ АНАЛИЗА ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Жуков М.А. 1
1МКОУ Нижнекарачанская СОШ
Беликова Н.М. 1
1МКОУ Нижнекарачанская СОШ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

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:

Проанализировать свойства, строение и характерные признаки разных видов пластмасс.

Подобрать методику анализа пластмасс, направленную на распознавание различных образцов.

Экспериментально проанализировать подобранные образцы и определить тип пластмассы.

Объект исследования – пластмассы.

Предмет исследования – характерные признаки разных видов пластмасс.

Методы исследования:

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

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

Глава 1. Теоретический анализ свойств и строения полимеров 

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.

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.

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.

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. 

1.2. 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).

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.

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

Отдельную группу полимеров образуют неорганические по­лимеры, например, пластическая сера, полифосфонитрилхлорид.3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.

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.

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.

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.

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.1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.

Глава 2. Практические аспекты анализа полимерных материалов 2.1. Описание методики проведения эксперимента

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.

5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.

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.

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)

Название пластмасс

Характер горения

Отношение к нагреванию

Реакции на продукты разложения

Действие растворителей

ацетона

бензола

дихлорэтана

1

2

3

4

5

6

7

Полиэтилен

Горит синеватым пламенем, распространяя слабый запах горящего парафина. При горении отделяются капли полиэтилена. Вне пламени продолжает гореть

Размягчается, можно вытянуть нити

Обесцвечивает раствор КМnО4 и бромной воды

Не растворяется

Не растворяется

Не растворяется

Поливинилхлорид

Горит коптящим пламенем, вне пламени не горит

Размягчается при 60-70 0С, выше (110-120 0С) разлагается

Выделяющийся хлороводород окрашивает лакмусовую бумажку в красный цвет, обнаруживается раствором AgNO3

Не растворяется

Не растворяется

Набухает, становится рыхлым

Полистирол

Горит коптящим пламенем, распространяя специфический запах. Вне пламени продолжает гореть.

Размягчается, легко вытягиваются нити

Деполимеризуется, мономер обесцвечивает раствор КМnО4 и бромной воды

Набухает, дает вязкие растворы

Набухает, дает вязкие растворы

Набухает, дает вязкие растворы

Полиметилметакрилат

Горит желтым пламенем с синей каймой у краев, с характерным потрескиванием, распространяя резкий запах.

Размягчается

Деполимеризуется, мономер обесцвечивает раствор КМnОи бромной воды

Набухает, дает вязкие растворы

Набухает, дает вязкие растворы

Набухает, дает вязкие растворы

Целлулоид

Горит очень быстро, оставляя следы золы.

Разлагается

Не исследуется

Растворяется

Не растворяется

Не растворяется

1

2

3

4

5

6

7

Фенолформальдегидные (фенопласты)

Горят, распространяя резкий запах фенола, вне пламени постепенно гаснут.

Разлагаются при сильном нагревании

Не исследуются

Не растворяются

Не растворяются

Не растворяются

Мочевиноформальдегидные (аминопласты)

Почти не горят, обугливаются, распространяя резкий запах.

Разлагаются при сильном нагревании

 

Не растворяются

Не растворяются

Не растворяются

2.2. Результаты эксперимента

Экспериментальная работа по распознаванию пластмасс была проведена на базе Нижнекарачанской школы.

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

- образец 1 - вилка,

- образец 2 – CD диск,

- образец 3 – пластиковые винты,

- образец 4 - треугольник,

- образец 5 – игрушка

- образец 6 - стаканчик.

Мы пронумеровали образцы пластмасс и приступили к определению их вида. (Приложение 1)

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

Образцы 1 и 2 внешне напоминают изделия из полистирола;

Образцы 4 и 6 внешне напоминают изделия из полиэтилена;

Образцы 3 и 5 внешне напоминает изделие из фенопласта.

Затем мы провели опыты по распознаванию пластмасс путем сжигания (Приложение 2) .

Мы взяли кусочки пластмасс и внесли их поочередно в пламя спиртовки. По этому признаку мы получили следующие результаты:

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

Номер образца

Визуальный анализ

Распознавание пластмасс путем сжигания

Образец 1

внешне напоминает изделия из полистирола

Горит коптящим пламенем, распространяя специфический запах. Вне пламени продолжает гореть

Образец 2

внешне напоминает изделие из полиметилкрилата

Горит желтым пламенем с синей каймой у краев, с характерным потрескиванием, распространяя резкий запах

Образец 3

внешне напоминает изделия из полистирола

Горит коптящим пламенем, распространяя специфический запах. Вне пламени продолжает гореть

Образец 4

внешне напоминает изделия из поливинилхлорида

горит в пламени с выделением копоти

Образец 5

внешне напоминает Фенолформальдегидные изделия

Горят, распространяя резкий запах фенола, вне пламени постепенно гаснут.

Образец 6

внешне напоминает изделия из полиэтилена

Горит синеватым пламенем, распространяя слабый запах горящего парафина. При горении отделяются капли полиэтилена. Вне пламени продолжает гореть

     

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. (Приложение 3)

Таблица3.

Результаты химического анализа образцов пластмасс

Номер образца

Действие растворителей

Заключение

бензола

дихлорэтана

Образец 1

Набухает, дает вязкие растворы

Набухает, дает вязкие растворы

полистирол

Образец 2

Не растворяются

Не растворяются

полиметилкрилат

Образец 3

Набухает, дает вязкие растворы

Набухает, дает вязкие растворы

полистирол

Образец 4

Не растворяется

Набухает, становится рыхлым

поливинилхлорид

Образец 5

Не растворяется

Не растворяется

Фенолформальдегид

Образец 6

Не растворяется

Не растворяется

полиэтилен

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

Выводы

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:

Проанализированы свойства и характерные признаки разных видов пластмасс.

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

2.Экспериментально проанализировано шесть подобранных образцов:

- образец 1 – вилка сделана из полистирола;

- образец 2 – CD диск сделан из полиметилкрилата;

- образец 3 – пластиковые винты сделаны из полистирола;

- образец 4 – треугольник сделан из поливинилхлорида,

- образец 5 – игрушка сделана из фенопласта;

- образец 6 – стаканчик сделан из полиэтилена

Литература.

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

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

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

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

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

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

Приложение 1

Внешний вид образцов пластмассы.

Приложение 2

Отношение к нагреванию образцов пластмассы.

Приложение 3

Растворение образцов пластмассы в разных растворителях.

Просмотров работы: 31