IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование полимеров методом УФ-спектроскопии
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Полимерные материалы в жизнедеятельности человека имеют огромное значение. Поэтому вопрос об их использовании и дальнейшей утилизации особо актуален. Полимерные молекулы представляют собой обширный класс соединений, основными отличительными характеристиками которых являются большая молекулярная масса и высокая конформационная гибкость цепи. Можно с уверенностью сказать, что и все характеристические свойства таких молекул, а также связанные с этими свойствами возможности их применения обусловлены вышеуказанными особенностями. Большой интерес, таким образом, представляет исследование возможности априорного предсказания химического и физического поведения полимера на основании анализа его строения. Такую возможность предоставляют методы молекулярной механики и молекулярной динамики, реализованные в виде компьютерных расчетных программ. Идентификация полимерных материалов представляет собой трудноразрешимую задачу. Чаще всего требующие применения большого количества методов анализа для получения достоверных результатов. Мы попытались провести качественную идентификацию выбранных образцов полимеров с помощью УФ- и ИК-спектроскопии.
Теоретическая часть
Определение
Высокомолекулярные соединения или полимеры – это сложные вещества с большими молекулярными массами (порядка сотен, тысяч, миллионов), молекулы которых построены из множества повторяющихся элементарных звеньев, образующихся в результате взаимодействия и соединения друг с другом одинаковых или разных простых молекул – мономеров.
Полимер - это уникальное вещество, удивительный класс химических соединений, обладающий большим разнообразием в природе, буквально пронизывающий её полностью. Считается, что полимеры, будучи неживыми веществами, легли в основу жизни, ведь они могут обмениваться информацией между собой, самовоспроизводиться благодаря своей изменчивости. Многообразие физического строения, гибкость и изменчивость пространственной структуры и молекулярно-химического состава, способствуют присутствию как в минералах и пластиках, так и в полисахаридах и белках. Столь важная и сложная человеческая ДНК и РНК, отвечающие за передачу информации по наследству, не обходятся без полимеров. Всю эту часть можно поставить во введение
Открытие полимеров
Термин полимеры происходит от греческого «polymeres» — состоящий из многих частей. Первые упоминания о синтетических полимерах были более 200 лет назад. Ряд полимеров, возможно, был получен еще в первой половине 19 века. Но в те времена химики не знали, что продукты, которые они получают, являются полимерами. Великий русский химик А.М.Бутлеров изучал связь полимерных материалов и создал теории химического строения органических соединений. На ее основе и возникла химия полимеров. Главной причиной бурного развития химии полимеров стало потребность в новых недорогих материалах и развитие технического процесса.
Классификация
По происхождению полимеры делятся на природные (биополимеры), и синтетические.
Природные образуются в результате жизнедеятельности растений и животных и содержатся в древесине, шерсти, коже. Это целлюлоза, крахмал, белки, нуклеиновые кислоты, природные смолы. Синтетические полимеры – это полимеры, искусственно созданные человеком, например, полиэтилен и полипропилен.Атомы или атомные группы могут располагаться в макромолекуле в виде: открытой цепи (линейные полимеры, например натуральный каучук); цепи с разветвлением (разветвленные полимеры, например амилопектин), и сложныепространственные структуры. Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами (например, целлюлоза). Линейные и разветвленные цепи можно превратить в трехмерные действием химических агентов, света, и радиации, а также путем вулканизации.
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 повторяющиеся последовательности, называются не стереоблоксополимерами .
В зависимости от состава главной цепи полимеры делят на гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов и гетероцепные, в основной цепи которых содержатся атомы различных элементов. Из гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепные полимеры, главные цепи которых состоят только из атомов углерода, например полиэтилен. Примеры гетероцепных полимеров – полиэфиры, полиамиды, белки, некоторые кремнийорганические полимеры. Внутри этих групп полимеры подразделяются на классы в соответствии с принятыми в химической науке принципами.
Так, если в основную или боковые цепи входят металлы, сера, фосфор, кремний и др., полимеры относятся к элементоорганическим соединениям.
Отдельную группу полимеров образуют неорганические полимеры, например пластическая сера, полифосфонитрилхлорид.
Полимерные материалы также делятся на три группы: пластические массы, каучуки и химические волокна.
Применение
Современная экономика просто немыслима без различных полимеров. Да мы Полимерыи сами состоим из природных полимеров: белков, нуклеинов, полисахаридов.
Производство полимеров в промышленных масштабах началось в начале 20-го века. Практически одновременно промышленность начала производить искусственные полимеры методом переработки целлюлозы и синтетические полимеры методом переработки низкомолекулярного сырья (фенола, формальдегида, стирола, винилхлорида, акрила). На основе эфиров целлюлозы изготавливали, в частности, целлулоид, пленки, лакокрасочные материалы. Например, развитие кинематографа напрямую связано с появлением нитроцеллюлозных прозрачных пленок. Из синтетических полимеров перед Второй мировой войной особо важным было получение искусственного каучука, оргстекла, фенолформальдегидных смол.
УФ-спектроскопия
Ультрафиолетовая (УФ) спектроскопия охватывает коротковолновую область оптического диапазона и с одной стороны примыкает к видимой области спектра, а с другой - к рентгеновской. Длины волн УФ и видимой областей принято выражать в нанометрах (нм). Весь УФ-спектр делят на ближний с длиной волны 400-300 нм, дальний - 300-200 нм и вакуумный с длиной волны 200-50 нм.
В УФ-спектроскопии используют и спектры излучения, и спектры поглощения. При исследовании полимеров пользуются в основном спектрами поглощения. При воздействии света УФ и видимого диапазонов длин волн происходит возбуждение электронных оболочек молекул вещества, что обусловлено переходом валентных электронов, а также неспаренных электронов из основного состояния в возбужденное с более высокой энергией. Это сопровождается появлением полос поглощения в спектре при длинах волн, соответствующих разности энергий возбужденного и невозбужденного уровней. Каждому электронному уровню молекулы соответствует набор колебательно-вращательных уровней. Так как энергия возбуждения электронных оболочек молекулы значительно больше энергии возбуждения ее колебаний, то переход электронов обычно сопровождается изменением колебательно-вращательного состояния молекулы. Поэтому молекулярно-электронные спектры жидкостей и твердых тел состоят из широких полос.
Избирательное поглощение в УФ и видимых областях спектра характерно для ненасыщенных соединений. Их поглощение определяется наличием в ненасыщенных связей легко возбудимых п-электронов. Группы атомов, ответственные за избирательное поглощение, называют хромофорами.
Положение полос поглощения хромофоров и их интенсивность могут значительно изменяться в зависимости от природы групп атомов, присоединенных к молекуле, содержащей хромофор, и не имеющих собственного поглощения. Такие группы называются ауксохромами.
ИК-спектроскопия
В настоящее время ИК спектроскопия как аналитический метод занимает одно из ведущих мест во многих отраслях науки где необходима информация о составе вещества, его свойствах и структуре. Все молекулы состоят из химически связанных между собой атомов. Движение этих атомов напоминает колебание шариков, связанных пружинами. Аналогично системе шариков, амплитуды колебаний связей увеличиваются при воздействии на них, в частности, электромагнитных волн (в конкретном случае, инфракрасных лучей). Различие между молекулой и шариками на пружинах заключается в том, что колебательные энергетические уровни молекулы квантованы и молекулой поглощаются только те частоты ИК излучения, энергия которых точно соответствует разностям между двумя уровнями энергии связи; амплитуда данного колебания возрастает скачком. Поэтому при облучении образца ИК светом с непрерывно меняющейся частотой определенные участки спектры излучения поглощаются молекулой, а луч, проходящий через вещество, ослабляется в области поглощения. Поглощение инфракрасного излучения вызывают колебания связанные с изменением либо длин связи, либо углов между связями. Это означает, что в зависимости от частоты поглощенного излучения начинает периодически растягиваться определенная связь или искажаться определенный угол между связями. Таким образом, основными типами колебаний являются деформационные колебания.
Практическая часть
Цель: провести качественную идентификацию полимерных материалов
Задачи:
найти литературные данные по теме полимеры и по методам УФ- и ИК-спектроскопии для исследования полимеров;
освоить методику работы на UV-Vis спектрофотометре UNICO UV-2804 и ИК-спектрометре;
получить УФ- и ИК- спектры выбранных образцов;
попробовать провести качественную идентификацию.
Экспериментальная часть
Для проведения практической части, я выбрала 4 образца: образец 1 и образец 2 – пластиковая бутылка, образец 3 – защитное стекло смартфона, образец 4 – пленка «Parafilm»
УФ-спектроскопия
Образцы полимерных пленок закрепили в держателе и поместили в кюветное отделение спектрофотометра. Манипулировали образцами с помощью пинцета, не касаясь пальцами исследуемой поверхности образца. Измерили спектры пропускания в диапазоне длин волн от 190 нм до 500 нм (по заданию преподавателя может быть выбран иной диапазон измерения). Построили спектры пропускания (процент пропускания как функция длины волны T(λ)).
Проанализировали спектры, провели идентификацию полимеров.
Порядок работы на UNICO UV-2804.
Включили прибор в заземленную розетку и нажали клавишу включателя (автоматически начнется инициация прибора).
Подождали 15 минут (на дисплее напротив каждой из шести позиций (последняя Warm up 15 minutes) должны стоять галочки).
Далее прибор предложил провести калибровку системы (определение темнового тока, поиск 656,1 нм и проверка энергии) (см. диалоговую строку в нижней части дисплея). Используя клавиши ВВЕРХ/ВНИЗ выбрали ответ “YES”. После окончания калибровки на дисплее появилось основное меню.
Одновременно с прибором включили компьютер и открыли ПО UV-Vis Analyst (соответствующий ярлык находится на рабочем столе).
При корректной работе компьютера и спектрофотометра на дисплее прибора появилась надпись «Controlled by PC…», а в ПО UV-Vis Analyst появилось диалоговое окно Status of Spectrophotometer где напротив всех позиций (кроме автоматического доводчика Automatic Multicell) пометка ОК.
Выбралирежимизмеренияспектра – File/New/Wavelength Scan Measurement. Выбрали измеряемый параметр Т/А.
Нажали на кнопку с изображением ключа (четвертая слева в верхнем ряду); в появившемся окне задали диапазон длин волн, шаг сканирования и скорость. Для изменения масштаба спектра нажали на кнопку с изображением решетки (пятая слева в нижнем ряду).
Поставили на пути светового луча образец. Запустили сканирование спектра.
Для сохранения файла нажимали File/Save as.
После завершения работы, закрыли ПО, выключили прибор (выключатель на задней панели). Выключили прибор из сети.
Получили УФ-спектры представленных ниже (вставляешь сюда УФ-спектры) с толщинами пленок.
К сожалению провести точную идентификацию предоставленных образцов не удалось, поэтому я решила воспользоваться методом ИК-спетроскапии.
Образец 1
Рис.1. ИК-спектр поглощения образца № 1
Образец 2
Рис.2 ИК-спектор поглощения образца №2
Образец 3
Рис.3 ИК-спетор поглощения образца №3
Образец 4
Рис.4 ИК-спетор поглощения образца №4
С помощью учебной литературы определили полученные спектры.
Результаты получились такие:
Образец 1 - полиэтилентерефталат
Образец 3 - полиметилметакрилат
Образец 4 - полиолефины и высшие парафины
Выводы:
Нашла литературные данные по теме полимеры и по методам УФ- и ИК-спектроскопии для исследования полимеров;
Освоила методику работы на UV-Vis спектрофотометре UNICO UV-2804 и ИК-спектрометре НАЗВАНИЕ;
Получила УФ- и ИК- спектры выбранных образцов;
Провела качественную идентификацию.
Список литературы:
https://nsportal.ru/ap/library/drugoe/2011/10/04/poli..
https://ru.wikipedia.org/wiki/Инфракрасная_спектроско..
https://ru.wikipedia.org/wiki/Ультрафиолетовая_спектр..
https://ru.wikipedia.org/wiki/Полимеры
http://www.butem.ru/piqrews-494-1.html