Конспект лекцій для студентів спеціальності 208 «Агроінженерія»



Сторінка7/7
Дата конвертації05.11.2016
Розмір1.52 Mb.
1   2   3   4   5   6   7

Наведемо реакції, при яких не утворюється водень:

3Zn + 4 H2SO4 конц. = 3ZnSO4 + S + 4 H20 ,

Zn + 4 HNO3 = Zn (NO3)2 + 2NO2 + 2H20 .

Метали, що мають менші значення стандартних потенціалів, можуть витісняти з розчину метали, що мають більші значення стандартних потенціалів:



Zn + Pb(NO3)2 = Zn(NO3)2 + Pb ,

Zn + FeSO4 = ZnSO4 + Fe.

За фізичними властивостями розмежовувати метали і неметали ще неможливо, однак хімічні властивості дозволяють це зробити, адже метали під час хімічної взаємодії здатні лише віддавати електрони, перетворюючись на позитивні іони



Ме - пе = Меп+.

Переважна більшість металів легко окиснюється і є добрими відновниками. Відновні властивості металів проявляються різною мірою. Це пояснюється величиною їх електронегативності.

Найкраще реагують між собою такі елементарні атоми, що дуже розрізняються за електронегативністю. Так, Оксиген має електронегативність 3,5, і він реагує з усіма металами, за винятком благородних металів. Безпосередньо хлороводнева кислота не взаємодіє з міддю, а лише за наявності окисника, наприклад, кисню

Си + О2 + 2НСІ = СиС12 + 2H2О,

тому що спочатку утворюється оксид металу



2Си + О2 = 2СиО ,

який потім реагує з кислотою.

Якщо кислота є сильним окисником, реакція протікає безпосередньо з кислотою:

Си + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2О .

Благородні метали золото і платина реагують лише з «царською водкою», тобто з сумішшю нітратної та хлороводневої кислот, де нітратна кислота є гарним окисником, а хлороводнева - активатором гетерогенної реакції. Активні метали, які стоять у ряду напруг до Гідрогену, витісняють водень з води



Са + 2О = Са(ОН)2+ Н2 .

Амфотерні метали витісняють водень з лугів



Zn + 2NaOH = Na2ZnO2 + Н2,,

а за присутності води реакція відбувається так:



Zn + 2NaOH + 2H20 = Na2[Zn(OH)4] + H2.

Однак чимало металів при взаємодії з водою пасивуються, покриваючись оксидною плівкою. До таких металів належать цинк, алюміній, магній, хром та ін.

Аналогічно метали пасивуються в атмосфері кисню. При цьому утворюється поверхнева плівка змінного складу. Метали та їх оксиди застосовують як конструкційні матеріали. Наприклад, оксиди титану можна застосувати як жаростійкі матеріали. Метали взаємодіють між собою та з різними елементами, утворюючи різноманітні бінарні сполуки: гідриди, карбіди,'нітриди, силіциди, бориди, інтерметалічні сполуки та ін. s - метали І і II груп утворюють гідриди іонного типу МеН або МеН2, які стійкі при кімнатній температурі, але вода їх руйнує

СаН2 + 20 = Са(ОН)2+ 2Н2.

Оскільки утворюються дві молекули водню, означену реакцію можна використати для автономного одержання водню.

Карбіди та нітриди - тугоплавкі і тверді матеріали Такі сполуки утворюються нагріванням порошку відповідного металу з парами сполук, що містять Карбон, Бор або Нітроген. Аналогічно можна добути багато інших важливих сполук металів. Під час сплавляння двох або більше металів утворюються сплави, декотрі з яких є інтерметалічними сполуками.
5. Корозія металів

З викладеного раніше випливає, що основними конструкційними матеріалами є метали, які виявляють різноманітні властивості. Фізико-хімічні властивості визначають галузь їх застосування, а значить, зберігання конструкцій, деталей, машин та механізмів, виготовлених з металів та сплавів. Одним з головних факторів, які зменшують довговічність, надійність споруд, машин, обладнання, радіоапаратури, є корозія металів.



Корозією металів називають процес руйнування металів під впливом зовнішнього середовища, в якому перебувають різні речовини, здатні взаємодіяти з металами та сплавами. Передусім, це вода і кисень - сильні хімічні агенти, які спричиняють корозію

пМе+1/2m02=МеnОт,

Корозія с гетерогенним окисно-відновним процесом, перебіг якого визначається концентрацією окисника і температурою навколишнього середовища і відбувається за умови ∆G<0.

Сутність корозії полягає в окисненні металу:

Ме- пе = Ме+п . !

Змінюючи температуру, тиск і склад середовища, можна окиснити навіть благородні метали. Так, утворення PtO досягається за температури 853 К і тиску кисню 100 кПа, а Аg20 - відповідно при 473 К і 100 кПа, що вказує на стійкість цих металів. У навколишньому середовищі можуть бути різні окисники, концентрація і склад яких змінюються під впливом антропогенних потреб. Залежно від навколишнього середовища розрізняють атмосферну, рідинну і ґрунтову корозії. Атмосферна корозія - це корозія металів, що відбувається в атмосферних умовах. Така корозія, по суті, є газовою і дуже поширеною. Рідинна корозія - корозія металів у рідинах і розчинах, наприклад, корозія морських суден, річкових споруд тощо. Ґрунтова корозія - це руйнування металів у ґрунті, наприклад корозія підземних споруд, водогонів, ліній зв'язку, нафтопроводів та інших комунікацій.



За механізмом окиснення металів або сплавів корозію поділяють на хімічну, електрохімічну та біокорозію. У свою чергу, електрохімічна корозія поділяється ще на гальвано- й електрокорозію.

За способом поширення корозії в металах розрізняють кілька видів руйнування металів. Рівномірна корозія поширюється рівномірно по усій поверхні. Вона менш шкідлива порівняно з іншими видами. Нерівномірна корозія розповсюджується досить нерівномірно, утворюючи різний рельєф на поверхні металу, виразки і пітинги (глибокі ямки), через що вона небезпечна і може призводити до утворення різних отворів, наприклад, у листових матеріалах, трубках. Найнебезпечнішою є міжкристалічна корозія, яка поширюється по краях кристалічних зерен металів або сплавів і часто спричинює раптове руйнування деталей і механізмів. Можливі інші види руйнування. Особливо небезпечною є хіміко-механічна корозія, коли механічні дії підвищують швидкість руйнування металів. Сюди належить розтріскуюча корозія, коли рідина потрапляє в тонкі тріщини, утворюючи там так званий розклинюючий тиск, що розвиває корозію. Крім того, вода, замерзаючи у тріщинах, розширює їх, цим самим сприяючи їх руйнуванню. Зовнішня механічна дія остаточно руйнує виріб.

Необхідно брати до уваги те, що на руйнування виробів впливає також і адсорбція, яка знижує поверхневу міцність металів або матеріалів. Отже, усі процеси комплексно діють на стан матеріалів у навколишньому середовищі і, врешті-решт, відбувається руйнування виробів.

Оскільки корозія металів - це гетерогенний окисно-відновний процес, справжню швидкість корозії визначають за виразом

V = dm/Sdt,

де т - маса зразка; S - його площа поверхні.



Хімічна корозія металу виникає в середовищі, яке не проводить електричного струму. Під час окиснювання відбувається локальне перенесення електронів, наприклад, молекули кисню дотикаються до атомів металу, адсорбуючись на них, приймають їх електрони, утворюючи на поверхні металу оксидну мономолекулярну плівку, а надалі - полімолекулярну - нову фазу. Під впливом градієнта концентрацій, за законом Фіка, молекули кисню, проникаючи крізь плівку і далі, взаємодіють з металом, спричиняючи ущільнення плівки. Поверхнева плівка сповільнює або запобігає корозії, а тому доцільно розглянути окремо ці два випадки.

Отже, з часом плівка досягає граничної товщини, яка зберігає метал від подальшого руйнування. Гранична плівка утворюється на алюмінії, хромі, нікелі, цинку, танталі та на інших металах. Через це у багатьох випадках утворюються зовсім тонкі прозорі плівки, наприклад, на поверхні нікелю та хрому. Взагалі, залежно від природи металів та окисника, утворюються плівки, товщина яких переважно перебуває у межах 0,5-50 нм.

Швидкість хімічної корозії залежить не лише від природи металів, а й від хімічного складу навколишнього середовища і його температури. У чистому повітрі, за температури понад 300°С залізо, окиснюючись, вкривається товстим шаром окалини. Особливий випадок корозії сталі виникає в атмосфері водню, де за високих температур зменшується її міцність. Таке явище, діставши назву водневої крихкості, зумовлене взаємодією ферум карбіду (цементиту) з воднем

Fe3C+2H2=3Fe+CH4.

У результаті виникають пори, що заповнюються воднем, а це зменшує міцність сталі. Щоб запобігти такому явищу, сталь легують такими елементами, як Хром, Молібден, Титан, Ванадій та ін., що дозволяє отримувати жароміцні сталі. Хімічна корозія відбувається також у рідинах, які не проводять електричного струму, -таких, як нафта, сульфанол та інші органічні розчинники. Рідинна корозія активно перебігає у випадках, коли апарати та машини працюють за високих температур. Це позначається на довговічності роботи різного роду двигунів, у яких використовуються мастила.



Електрохімічна корозія виникає у навколишньому середовищі, яке є провідником електричного струму другого роду. Процеси, які проходять у гальванічному елементі, є модельними для електрохімічної корозії, наприклад, елемент Данієля - Якобі, де цинковий анод, віддаючи два електрони, руйнується. Електрони перебігають від цинкового електрода до мідного, де відбувається відновнення іонів міді. Отже, має місце делокальний перебіг електронів від відновника до окисника, внаслідок чого виникає електричний струм, який -відповідно до законів Фарадея - визначає швидкість корозії

Звичайно, подібний гальванічний елемент може виникнути у випадку контакту будь-яких двох металів або сплавів, які перебувають у навколишньому середовищі. Розглянемо контакт заліза з цинком. Як тільки утворилася тріщина, її заповнює вода, в якій розчиняються такі гази атмосфери, як Ог, NO2, NH3, H2S, SO2 та ін., утворюючи електроліт. По суті, виникає замкнений гальванічний елемент ,



(-)Zn (електроліт) Fe(+)

Перехід електронів від цинку до заліза порушує подвійний елекричний шар заліза у такий спосіб, що концентрація іонів заліза подвійного електричного шару зменшується, а число електронів Fe зростає. Залізо відіграє роль катода, на якому відбувається відновнення іонів водню або молекул кисню залежно від показника рН розчину, який зумовлює зміну потенціалів катода й анода гальванічного елемента, що впливає на поляризацію.

Якщо рН < 7, корозія відбувається за водневою деполяризацією:

+ +2е =Н2 ,

в результаті концентрація гідроген іонів знижується, а продуктами корозії стають водень і яка-небудь сіль, наприклад, Zn (НСО3)2.

При рН > 1 електроліту корозія відбувається за кисневою деполяризацією. У даному випадку поляризацію гальванічного елемента знижують молекули кисню:



О2 +2Н2О +4е =4ОН-,

а продуктами корозії є гідроксиди. Оскільки внутрішня поляризація під впливом іонів водню та молекул кисню знижується, така корозія дістала назву водневої або кисневої деполяризації. Отже, цинк, руйнуючись, захищає залізо від корозії.

Усі технічні метали неоднорідні. Мають місце численні включення з носіями струму першого роду, що створює умови для виникнення мікрогальванічних елементів, які зумовлюють корозію за механізмом, наведеним вище. У залізі або сталі таким включенням нерідко виступає карбід Fe3C, здатний посилати в розчин менше іонів, ніж залізо, а тому залізо навколо карбіду виконує функцію анода (Fe - 2е = Fe2*), а на мікрокатоді - карбіді відбувається корозія з водневою або кисневою деполяризацією. Навколо мікрокатода утворюється виразка або пітинг, які залежать від розмірів і форми мікрокатода.

Корозія металів часто виникає внаслідок різної адсорбції на межі метал - розчин, наприклад, адсорбції іонів металу та інших органічних і неорганічних компонентів, динаміки їх подачі на межу поділу фаз. Прикладом може бути електрохімічна корозія під краплиною води, яка виникає внаслідок нерівномірної подачі кисню на межу поділу фаз На периферії краплини швидкість подачі кисню на поверхню металу шляхом дифузії більша, ніж у центрі. Зрозуміло, поверхнева концентрація кисню на периферії краплини буде більшою, ніж у центрі, а тому виникає концентраційний гальванічний елемент, ділянка центру краплини стає анодом, периферія - катодом, де корозія відбувається з кисневою деполяризацією, швидкість корозії великою мірою залежить від хімічного складу електроліту.

Уже зазначалося, що на корозію впливає показник рН середовища, або відношення концентрації іонів Н+ до ОН-. Збільшуючи швидкість корозії, іони СІ-, Вr-, І- знижують поляризацію того або іншого металу.

Електрокорозія перебігає під впливом зовнішнього електричного струму. Джерелом струму є лінії передач струму, електромотори, генератори струму, взагалі, усі об'єкти, що споживають або генерують електричний струм, в яких з різних причин відбувається його витік. Наприклад, електротранспорт може спричинити електрокорозію рейок, підземних металічних споруд водогонів, ліній передач тощо. Рейки в електротранспорті використовують як один із проводів, від якого в землю йдуть блукаючі струми, що спричинюють окиснення металу споруд згідно із законом, а також рейок (особливо на ділянках контакту рейок, де опір вищий, ніж землі, котра виконує роль електроліту), які стають анодом, тобто виникають умови електролізу, де анодна ділянка рейки руйнується. Аналогічно відбувається корозія в підземних комунікаціях та спорудах. Корозія блукаючими струмами посилює ґрунтову корозію. Власне, блукаючі струми є причиною корозії свинцевих труб. Навіть змінний блукаючий струм викликає корозію завдяки уніполярності межі поділу фаз. Правильна експлуатація ліній передач електроенергії, ретельна їх ізоляція може звести електрокорозію до мінімуму і збільшити надійність ліній передач і підземних споруд.



Біокорозія виникає внаслідок дії мікроорганізмів, які безпосередньо виділяють продукти життєдіяльності СО2, H2S, NH3 та органічні і неорганічні кислоти, що діють як деполяризатори.

У корозійних процесах беруть участь бактерії, що синтезують нітратну кислоту, яка створює надзвичайно агресивне середовище для металів. Інші бактерії самі споживають метали і руйнують їх. Майже завжди біологічна корозія діє разом з іншими видами корозії. Така сукупна корозія особливо виразно проявляється у ґрунтах і у природній воді.


6. Методи захисту металів від корозії

Корозія завдає надзвичайно великих збитків народному господарству. У світі внаслідок корозії щорічно втрачається близько 20% металів, добутих за рік. Фактичні втрати ще більші, адже руйнуються вироби з металів, які є ціннішими за самі метали. Трапляються випадки забруднення довкілля, шкоду якому важко переоцінити, наприклад, руйнування нафтопроводу та забруднення нафтою землі. Через це проблема захисту металів від корозії є пріоритетним напрямом сучасної науки і техніки.

Існують багато методів захисту металів від корозії. Найчастіше застосовують методи легування металів, захисні покриття, протекторний захист, електрозахист, зміну складу агресивного середовища та ін. Вибір того чи іншого методу визначається його економічністю і ефективністю в кожному конкретному випадку.

Одним з ефективних методів захисту є легування металів. Як вже зазначалося, сутність легування металів полягає в уведенні спеціальних добавок, які поліпшують стійкість до руйнування основного металу. До таких добавок належать метали і неметали. Ці речовини вклинюються в кристалічну ґратку металу, змінюють природу хімічного зв'язку і цим пасивують метал. Прикладом може служити нержавіюча сталь, яка містить хром і нікель. Однорідність її структури запобігає виникненню гальванокорозії, а утворення поверхневих оксидів цих металів і заліза блокує перенесення кисню в глибину металу, зрушує електродний потенціал в позитивний бік. Для сповільнення високотемпературної газової корозії до сталі вводять ще вольфрам, молібден, тантал та інші метали, які вже витримують температури понад 3600 К. Однак з метою захисту металів від корозії нерідко добавки вносять у металічний поверхневий шар, який екранує основний метал від впливу зовнішніх чинників. Розглянутий метод застосовують уже в процесі виготовлення деталей та механізмів, які призначаються для роботи в атмосферних умовах.

На деталі наносять захисні покриття. Захисні покриття поділяють на неметалічні, хімічні і металічні.

До неметалічного відносять покриття різними органічними та неорганічними матеріалами, тобто фарбами, лаками, оксидами, емалями, полімерами тощо. Формування захисної плівки відбувається шляхом нанесення відповідних матеріалів на поверхню металу. При товщині плівки близько 10 А відбувається перетворення кластерів у кристали, які зрощуються між собою з утворенням суцільної однорідної або неоднорідної структури, нерідко колоїдного стану.

У медицині, харчовій і хімічній промисловості великого поширення набули покриття емалями, які за своїм складом є силікатами основного металу або інших металів, через що такі покриття міцно зв'язані з основним металом. Істотним недоліком емальового покриття є крихкість. Як вже зазначалося, на алюмінії, хромі, нікелі та інших металах вже за природних умов формуються оксидні плівки, які захищають їх від корозії. У процесі штучної оксидації металів утворюються хімічні захисні покриття. Прикладом може слугувати воронування сталі, яка при цьому набуває досить привабливого вигляду. Хімічні покриття нерідко формують анодним способом. Захисні покриття можуть бути фосфатними, хроматними та іншими покриттями змінного складу.

Вельми часто такі плівки виконують декоративну роль і захищають метал від корозії. Наприклад, виробам з алюмінію можна надати вигляд золота. Напилюючи титан нітрид на сталь, виготовляють вироби, які імітують золото.

Це стосується і металічного покриття, для чого застосовують хром, нікель, цинк, олово, срібло, золото та інші метали. Металічні покриття наносять різними методами. Найчастіше використовують електрохімічний метод, який дозволяє керувати товщиною і структурою плівки під час її формування. Для забезпечення неперервної роботи електролітичної ванни використовують анод з металу, яким покривається виріб.

Широкого застосування набув метод металізації розплавленим металом за допомогою потужного струменя стисненого повітря. Цей метод використовують переважно для покриття великих конструкцій. Невеликі вироби занурюють у розплавлений метал (цинк, олово), яким покривають їх поверхню (гаряче цинкування або лудження). Набув поширення парафазовий метод розкладу хімічних сполук, наприклад карбонілів нікелю, хрому, ванадію та ін. Суттєво, що цим методом можна металізувати не тільки метали, а й діелектрики.

За специфікою захисту, що дає металічне покриття, розрізняють катодне й анодне покриття. До катодного покриття належать покриття металів, які мають більші значення позитивного стандартного електродного потенціалу, ніж метал, що захищається. Наприклад, залізо, покрите оловом. Луджене залізо добре захищається доти, поки не порушується суцільність покриття. У разі ушкодження покриття створюються умови виникнення гальванопари, де на аноді відбувається процес окиснення заліза:

Fe - 2е = Fe2+.

Якщо йдеться про кисневу деполяризацію, на катоді відбувається:



О2 +2Н2О +4е = 4ОН-.

Тоді 4Fe (OH)2 2 +2H2O =4Fe(OH)3 .

Таким чином, вироби із заліза руйнуються.

При анодному захисті на виріб наносять активніший метал, тобто метал, що має негативніші значення стандартного електродного потенціалу (наприклад, оцинковане залізо).

По суті, залізо перебуває в контакті з цинком, а тому цинк руйнується, захищаючи залізо. Одним із видів катодного захисту є протекторний захист. До споруди, яка захищається, приєднують активніший метал - протектор, який служить анодом, наприклад цинк. Цинк, руйнуючись, захищає залізну споруду.

Для захисту водогонів нерідко застосовують електрозахист, зокрема катодний захист. Металевій споруді надають негативного потенціалу по відношенню до вугільного електрода від постійного джерела електричного струму. Ставши катодом, споруда добре зберігається.

Для зниження швидкості корозії часто змінюють склад середовища у такий спосіб, щоб зменшити концентрацію агресивних компонентів або зовсім їх усунути. Наприклад, зменшуючи концентрацію кисню у воді, гальмують процес корозії з кисневою деполяризацією. З іншого боку, підвищуючи показник рН розчину, сповільнюють процес корозії з водневою деполяризацією. Основні заходи зміни складу середовища, в якому працює виріб, це кип'ятіння розчинів, продування інертними газами, хімічна обробка тощо. Зниження вологості повітря у приміщеннях запобігає корозії радіоапаратури, обчислювальних машин, інших машин і механізмів.

Останнім часом широке застосування знайшли інгібітори - речовини, які сповільнюють корозію і є негативними каталізаторами (inhibire - гальмування).

Уведення в агресивне середовище інгібіторів уповільнює корозію. Відомі інгібітори, які протягом року добре захищають метали від корозії. За механізмом дії інгібітори поділяють на катодні й анодні. Спільною рисою їх дії є адсорбція, яка часто переходить в хемосорбцію, навіть до утворення поверхневих сполук змінного складу.

Незалежно від механізму корозії, адсорбція інгібітора викликає пасивацію, що гальмує корозію. До катодних інгібіторів належать речовини, які сповільнюють окремі стадії катодного процесу, наприклад, стадію подачі кисню до поверхні електрода. Через це додають інгібітор Na2SO3, який поглинає кисень або здійснюють деаерацію іншим методом.

До анодних інгібіторів належать речовини, які мають окиснювальні властивості. Переважно це неорганічні речовини: перманганати, хромати, дихромати, перетехнати та інші сполуки, які змінюють стан поверхні металу. Наприклад, залізо тривалий період не покривається іржою в розчині хромату калію: в результаті адсорбції іонів хромату СrО42- електронні хмари відтягуються до атомів кисню, а тому іон хрому набирає значного позитивного заряду, який пасивує поверхню. Якщо взяти слабший окисник, який має більший заряд, то він краще захищає метал від корозії, наприклад, перетехнати ТсОг4. Широкого застосування нині набули органічні інгібітори. Вони добре адсорбуються на по­верхні металу, захищаючи його від хімічної й електрохімічної корозії. Захисна дія органічних інгібіторів залежить від їх природи та природи металів, температури та властивостей навколишнього середовища.

Можна застосовувати сумісні інгібітори колоїдного стану, які підвищують інгібіторну ефективність - синергізм.

Вельми часто для захисту металів від корозії застосовують комбіновані методи. Прикладом може бути захист водогону, коли застосовують електродний захист і добре покривають його бітумом, ізолюючи від навколишнього середовища. Захист металів від корозії набув суттєвого екологічного значення. Адже нині у процесі людської діяльності використовується понад 52 метали, які з часом розпорошуються в природі, впливаючи на екологічний стан. Лише міді видобуто 170 млн. т і багато ще більш токсичних металів. Через це їх зберігання має кардинальне значення, адже забруднення ними навколишнього середовища порушить екологічну рівновагу, негативні наслідки чого мають незворотний характер.


ЛЕКЦІЯ 9

ЕЛЕМЕНТИ ОРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ. ВЛАСТИВОСТІ ТА ЗАСТОСУВАННЯ ВИСОКОМОЛЕКУЛЯРНИХ СПОЛУК


  1. Особливості хімічного зв'язку в органічних сполуках

  2. Деякі класи та ізомерія органічних сполук

  3. Номенклатура органічних сполук

  4. Коротка характеристика хімічних властивостей органічних сполук

5. Високомолекулярні сполуки

5.1. Загальні положення

5.2. Реакції полімеризації

5.3. Реакції поліконденсації


1. Особливості хімічного зв'язку в органічних сполуках

У повсякденному житті, трудовій діяльності та промислових виробництвах повсякчас доводиться стикатися з органічними речовинами. До них відносяться пластмаси, нафтопродукти, барвники, лікарські препарати, миючі засоби, синтетичні волокна, клеї, плівки тощо. Число вивчених органічних сполук сягає кількох мільйонів, і їх набагато більше, ніж неорганічних. Предметом органічної хімії є вивчення складу, будови, властивостей та різноманітних перетворень органічних речовин.

Органічна хімія — це хімія сполук Карбону (органічних сполук). За іншим визначенням органічна хімія — це хімія вуглеводнів та їх похідних. Основою органічної хімії є структурна теорія, або теорія хімічної будови органічних сполук, яку розробили в другій половині XIX ст. і в яку величезний внесок зробила наукова школа російського хіміка О.М.Бутлерова.

Основні положення структурної теорії:

1) Атоми в органічних молекулах сполучені між собою в певній послідовності відповідно до їх валентності. Ця послідовність називається хімічною будовою. Карбон у всіх органічних сполуках чотиривалентний.

2) Хімічну будову можна виразити структурною формулою, в якій хімічні зв'язки між атомами зображуються рисочками. Загальне число рисочок, що відходять від коленого атома, дорівнює його валентності.

3) Фізичні та хімічні властивості речовин залежать не лише від їх кількісного і якісного складу, але й від будови молекул. Речовини, що описуються однаковою молекулярною формулою (ізомери) можуть мати цілком різні фізичні й хімічні властивості.

4) Атоми в молекулі взаємно впливають один на одного. Властивості кожного атома залежать не лише від його природи, а й від його оточення.

Для класифікації органічних сполук використовують поняття «карбоновий скелет» і «функціональна група».

Атоми карбону, що входять до органічних сполук, мають певні особливості електронної будови, які відрізняють їх від інших хімічних елементів. Найголовнішою із них є те, що атоми карбону в таких сполуках знаходяться у збудженому стані (2sl2p3),тобто мають чотири одноелектронні орбіталі, завдяки яким утворюють чотири ковалентних зв'язки. Відповідність між числом валентних електронів і числом орбіталей на валентних підрівнях призводить до того, що утворювані атомом карбону зв'язки відзначаються високою стійкістю. Атом карбону через відсутність вільних орбіталей на валентних підрівнях не може утворювати якихось додаткових зв'язків, за рахунок чого могли б послаблюватись уже утворені зв'язки. В атомів карбону відсутні також незв'язуючі електронні пари, відштовхування між якими могло б послабити зв'язки між цими атомами.

Для атомів карбону характерною ознакою є здатність сполучатися між собою і утворювати різної довжини ланцюги, а також цикли. При цьому, навіть якщо між С-С-атомами виникає одинарний зв'язок, тобто утворений однією парою електронів, він є неполярним і характеризується високою енергією.

Дуже стійкі зв'язки виникають між атомами карбону і гідрогену (414 кДж/моль). При цьому слід враховувати, що гідроген є постійним партнером карбону майже в усіх органічних сполуках. Зв'язки між атомами карбону можуть бути кратними: подвійними або потрійними. Зі збільшенням кратності зростає енергія зв'язку. Так, в етені Н2С=СН2, де кратність дорівнює двом, енергія зв'язку порівняно з одинарним зростає до 635 кДж/моль, а в етині НС=СН з потрійним зв'язком між атомами карбону - сягає величини 830 кДж/моль.

В органічних сполуках атоми карбону перебувають в різних гібридизованих станах, що також збільшує енергію зв'язку.

Так, у випадку лише одинарних зв'язків атоми карбону перебувають в sр3-гібридному стані, чотири гібридизовані одноелектронні орбіталі спрямовані з центру до вершин тетраедру, перекриваються з орбіталями інших атомів, утворюючи 4 σ-зв'язки. Як приклад можна навести молекулу метану.

Якщо атоми карбону з'єднані подвійними зв'язками, три одноелектронні орбіталі (одна s- і дві р-) беруть участь у гібридизації за sр2-типом. Гібридні орбіталі при цьому розташовані в одній площині під кутом 120°, і лишається одна рπ -орбіталь для утворення π-зв'язку. Прикладом може бути молекула етену.

Енергія π -зв'язку є меншою, ніж σ -зв'язку, її можна оцінити, як різницю значення енергії подвійного зв'язку (635 кДж/моль) та енергії одинарного зв'язку (348 кДж/моль), що складає 287 кДж/моль.

І, нарешті, атом карбону може перебувати у sp-гібриди-зованому стані. При цьому із атомних s- і р-електронних орбіталей утворюються дві гібридні, розміщені одна до іншої під кутом 180°, а ру- і р2-одноелектронні орбіталі залишаються негібридизованими. У цьому випадку атом карбону також утворює чотири зв'язки, два з них є σ-зв'язками за участю двох sp-гібридизованих орбіталей, а два інших - π-зв'язками. Для прикладу можна навести молекулу ацетилену.

Органічні сполуки з кратними подвійними або потрійними зв'язками між атомами карбону відносять до ненасичених сполук. Коли ж атоми карбону між собою утворюють одинарні зв'язки, такі сполуки є насиченими.

Для однотипних органічних сполук характерно утворювати гомологічні ряди. Гомологічним рядом називають послідовний ряд однотипних органічних сполук, кожний наступний представник якого відрізняється від попереднього на групу атомів -СН2- , яку називають гомологічною різницею. Склад будь-якого члена гомологічного ряду можна знайти за допомогою загальних формул. Наприклад, загальна формула гомологічного ряду насичених вуглеводнів - алканів СпН2п+2, де n - числовий індекс біля атома карбону. Якщо вуглеводні мають один подвійний зв'язок (алкени), то такому гомологічному ряду відповідає формула СпН2п, для сполук з одним потрійним зв'язком алкінів - СпН2п.2, для похідних бензолу - СпН2п-6 тощо.


2. Деякі класи та ізомерія органічних сполук

Органічні сполуки, які складаються тільки з атомів карбону і гідрогену, називаються вуглеводнями. При цьому розрізняють гомологічні ряди ациклічних насичених та ненасичених вуглеводнів, які називають аліфатичними; насичених циклічних вуглеводнів (СпН2п), які називають аліциклічними та ненасичених циклічних похідних бензолу - ароматичних сполук.

Інші органічні сполуки найчастіше можна розглядати як похідні вуглеводнів, до складу яких замість атомів гідрогену входять різні функціональні групи. Серед функціональних груп розпізнають: гідроксильні групи -ОН спиртів, карбонільні групи >С=О альдегідів і кетонів, карбоксильні групи -СООН кислот, аміногрупи -NH2 первинних амінів, групи -C=N нітрилів тощо. Вуглеводневими радикалами називаються одно- (іноді більше) валентні залишки, утворені послідовним відніманням від молекули вуглеводню атомів гідрогену. Наприклад:

СН4 (метан); ~СН3 (метил); >СН2 (метилен);

С2Н6 (етан); -С2Н5 (етил); >С2Н4 (етиліден);

С3Н8 (пропан); ~С3Н7 (пропіл); >С3Н6 (пропіліден);

С6Н6 (бензол); -С6Н5 (феніл) тощо.

Залежно від числа зв'язків, які даний атом карбону утворює з іншими атомами карбону, розпізнають: первинні атоми - сполучені σ-зв'язками з одним іншим атомом карбону; вторинні - зв'язані з двома іншими атомами карбону; третинні - сполучені σ -зв'язками з трьома атомами карбону; четвертинні — сполучені чотирма одинарними σ -зв'язками лише з атомами карбону:

Для всіх класів органічних сполук дуже поширеним є явище ізомерії. Воно полягає в тому, що однаковому якісному і кількісному складу можуть відповідати декілька (не менше двох) речовин, які мають різну просторову будову, а від того й різні фізичні та хімічні властивості.

Суть структурної ізомерії полягає в тому, що атоми, які входять до складу молекули, з'єднуються в різній послідовності. Структурна ізомерія може бути спричинена різними способами з'єднання атомів карбону (її називають ізомерією ланцюга) або різним положенням функціональної групи (ізомерія положення). Різна послідовність розташування атомів може бути причиною того, що сполуки відносяться до різних класів (міжвидова ізомерія). Число ізомерів, пов'язаних з різною будовою ланцюга атомів карбону, швидко збільшується із зростанням числа атомів карбону в молекулі. Так, четвертий вуглеводень ряду алканів (бутан) має два ізомери, у п'ятого (пентану) їх три, а для сьомого (гептану) відомо дев'ять ізомерів і будь-який з них має формулу С7Н16. У октану С8Н18 - 18 ізомерів, а у декану С10Н22 - 75.

Прикладами міжвидової ізомери можуть бути сполуки складу С2Н6О: СН3-СН2-ОН та СН3-О-СН3, перша з яких належить до класу спиртів, друга - до простих ефірів (етерів).

Геометрична (або цис-транс) ізомерія характерна для сполук з подвійними зв'язками, які заважають вільному обертанню фрагментів молекули. У цис-ізомерів замісники розташовані з одного боку по відношенню до подвійного зв'язку, у транс-ізомерів - по різні боки, наприклад:

Н-----С-----СООН Н-----С----СООН

Н-----С-----СООН НООС----С-----Н

цис-ізомер транс-ізомер

(малеїнова кислота) (фумарова кислота)



Оптична ізомерія зумовлена наявністю асиметричного атома карбону, що перебуває в центрі тетраедра і зв'язаний з 4-ма різними атомами або групами атомів. У цьому випадку кожен ізомер є дзеркальним відображенням іншого.

Оптичні ізомери мають однакові фізичні та хімічні властивості, але у різні боки повертають площину площинно-поляризованого світла. Відмінність властивостей цих ізомерів проявляється також у біохімічних процесах.


3. Номенклатура органічних сполук

Назви органічних сполук утворюють згідно з правилами Міжнародного союзу чистої і прикладної хімії (ІЮПАК), які базуються, головним чином, на женевській номенклатурі. Ці назви створюються за наведеними нижче правилами.

1. Назву кожної сполуки утворюють, виходячи з назви найдовшого нерозгалуженого ланцюга атомів карбону в молекулі.

2. Вибраний найдовший нерозгалужений ланцюжок відповідає певному представнику гомологічного ряду. Гомологічний ряд, в свою чергу, позначається функціональним закінченням:

насичені вуглеводні позначаються закінченням -ан: СН4 -метан, С2Н6 - етан, С3Н8 - пропан, С4Н10 - бутан і т.д.;

етиленові - закінченням - ен: С2Н4 - етен, С3Н6 -пропен, С4Н8 - бутен;

ацетиленові - закінченням -ін: С2Н2 - етін, С3Н4 -проти, С4Н6 - бутін;

спирти - закінченням -ол: СН3ОН - метанол, С2Н5ОН -етанол, С3Н7ОН - пропанол, С4Н9ОН - бутанол;

альдегіди - закінченням -аль: НСНО - метаналь, СН3СНО — етаналь, С2Н5СНО - пропаналь;

кетони - закінченням -он: пропанон, ацетон, бутанон. О

Кислоти вважаються карбоксилвмісними похідними відповідного вуглеводню: CH4 - метан НСООН - метанова (мурашина) кислота;

С2Н6 - етан СН3СООН - етанова (оцтова) кислота;

С3Н8 - пропан С2Н5СООН - пропанова (проігіонова) кислота;

С4Н10 - бутан С3Н7СООН - бутанова (масляна) кислота і т.д.

У амінів перед закінченням -амін вказуються радикали: C2H5NH2 - етиламін, (C2H5)2NH - діетилалан, (C2H5)3N - триетилалеін.

3. Положення замісників вздовж ланцюжка атомів карбону вказують після номера цих атомів. Нумерацію починають з того кінця, до якого ближче замісник. Якщо замісник повторюється кілька разів, у назві вказують його положення з префіксами ди-, три- і т.д., наприклад:

За наявності у вибраному ланцюжку кратного зв'язку нумерація атомів карбону починається від кратного зв'язку:

Остання цифра відповідає номеру атома карбону, біля якого знаходиться кратний зв'язок.


4. Коротка характеристика хімічних властивостей органічних сполук

Хімічні властивості органічних речовин зумовлені належністю до певного класу сполук, будовою вуглеводневого радикала, характером функціональних груп тощо. Спільними майже для всіх органічних речовин є тільки реакції горіння у кисні з утворенням вуглекислого газу і води та сполук інших елементів, що входять до їх складу, а також реакції термічного розкладу. Перебіг саме цих реакцій заважає застосуванню виробів з органічних сполук за високих температур.



Відмінності між органічними і неорганічними реакціями:

1) неорганічні сполуки реагують, як правило, у вигляді йонів, тому перебіг реакцій дуже швидкий, майже миттєвий, і переважно за звичайних умов. Органічні сполуки реагують зазвичай у вигляді молекул, при цьому, руйнуються одні і утворюються інші ковалентні зв’язки, що вимагає довшого часу, підвищення температури, тиску, або ж застосування каталізаторів.

2) при контакті органічних речовин можливий одночасний перебіг кількох реакцій, з яких та чи інша може переважати залежно від умов, тобто регулюючи умови, можна досягти переважного перебігу бажаної в даному випадку реакції.

3) наслідком паралельного перебігу кількох реакцій є зазвичай досить низький вихід кінцевого продукту, тоді як у неорганічних реакціях вихід становить до 100%.



Елементарні типи органічних реакцій.

1) реакції заміщення (S) – заміщення атома або групи атомів іншим атомом або групою атомів.

R–Hal + OH → R–OH + Hal

2) реакції приєднання (А) – об’єднання кількох молекул в одну, при цьому зменшується кратність зв’язку в одного з реагентів:

Н2С = СН2 + Br2 → Br−CH2−CH2−Br

3) реакції відщеплення, або елімінування (Е) – відбувається відщеплення невеликих термодинамічно стабільних молекул:

Н2С−СН2Сl → Н2С = СН2 + НСl

4) перегрупування – внутрішньо молекулярні переміщення атомів або груп атомів, тобто структурні ізомерні перетворення:




5. Високомолекулярні сполуки

5.1. Загальні положення

Однією з найважливіших реакцій, характерних для ненасичених вуглеводнів - алкенів та їх похідних - дієнових вуглеводнів з супряженими подвійними зв'язками, наприклад, бутадієн-1,3 СН2=СН-СН=СН2, є реакції поліприєднання, або полімеризації. У таких реакціях з низькомолекулярних вихідних речовин, які називають мономерами, утворюються довгі ланцюги полімерних молекул з величезними молекулярними масами. Утворені речовини називаються полімерами.

Молекули полімерних речовин (макромолекули) мають або ланцюгову, або розгалужену просторову структуру, їх характерною особливістю є гнучкість, яка втрачається у речовин з тримірною, каркасною будовою.

Група атомів, яка багаторазово повторюється, називається елементарною ланкою ланцюга. Так, поліхлорвініл складається з ланок

-СН2-СН-.

СІ

Число таких ланок в макромолекулі називають ступенем полімеризації (п). В олігомерах (від грецького олігос -мало) число ланок змінюється від одиниць до сотень, а в високомолекулярних - сягає багатьох тисяч.



Велика молекулярна маса та гнучкість надають полімерам особливих фізико-хімічних властивостей:

- полімери можуть знаходитись в характерному тільки для них високоеластичному стані, який зумовлений гнучкістю їх довгих молекул;

- полімери здатні набухати в рідинах;

-розчини полімерів відрізняються від розчинів низькомолекулярних речовин низкою аномалій;

- полімери здатні до утворення волокон, плівок та ін., для яких характерна анізотропія (залежність від напрямку) властивостей;

- полімери здатні до своєрідних хімічних перетворень.

Між атомами в полімерних ланцюгах мають місце досить міцні ковалентні зв'язки з міжядерними відстанями 100-150 нм. Між ланцюговими молекулами діють, головним чином, дисперсійні вандерваальсівські сили на відстанях 300-400 нм. Саме ці два різних типи сил взаємодії в молекулах і між ними зумовлюють анізотропію властивостей полімерів у повздовжньому і поперечному вимірах.

Особливість будови лінійних полімерів надає їм термопластичних властивостей, під якими розуміють:

- здатність набрякати чи розчинятися в розчинниках;

- багаторазово й оборотне розм'якшуватися за умов нагрівання-охолодження;

- піддаватися високим оборотним деформаціям. Зміна структури полімера на тримірну супроводжується втратою гнучкості окремих ланок. При цьому з'являється комплекс інших властивостей, які характеризують полімер як термореактивну речовину. Такі речовини вже не розчиняються і не набрякають у розчинниках, не розм'якшуються за нагрівання, стають жорсткими і крихкими.

Деякі полімери мають природне походження (целюлоза, природний каучук, смоли). Розроблені методи синтезучисленних синтетичних полімерів, які добувають з низькомолекулярних речовин завдяки реакціям полімеризації та поліконденсації.


5.2. Реакції полімеризації

Полімеризацією називають реакцію утворення високомолекулярної речовини з молекул мономера за рахунок розриву кратних зв'язків без виділення якихось побічних продуктів. Тому якісний склад полімеру і мономера однаковий, а молекулярна маса полімеру в ціле число разів більша, ніж мономера.

В реакціях полімеризації найчастіше беруть участь тільки сполуки з кратними зв'язками. За певних умов слабкіші від σ-зв'язків π-зв'язки в молекулі мономера при цьому розриваються і між дещо зміненими молекулами мономерів (бірадикалами) утворюються σ-зв'язки, які виконують функцію "зшивання". Це супроводжується зменшенням енергії системи, а полімеризація відбувається самочинно з виділенням тепла. Для її прискорення використовують різні каталізатори.

Окрім вимоги до мономеру бути ненасиченою сполукою, важливим також є число, положення і характер замісників. Треба також зазначити, що збільшення розміру замісників виявляє просторові утруднення до процесу полімеризації, а несиметричні похідні етену краще полімеризуються, ніж симетричні і т.д.

Існує декілька підходів до пояснення механізму полімеризації.

За одним із них, полімеризація відбувається за ланцюговим механізмом і складається з трьох головних стадій: 1) збудження (ініціювання) процесу; 2) зростання ланцюга; 3) обрив ланцюга.

Ініціюванням створюються активні центри з розкриттям подвійних зв'язків у молекулах мономерів і підтримкою певної їх концентрації в процесі полімеризації. Для цього використовують декілька способів. За нагрівання або освітлення молекули мономера переходять у збуджений стан, а потім перетворюються на бірадикали з двома неспареними електронами:

І все ж частіше використовують ініціювання пероксосполуками: Н2О2, С6Н5СОО—ООСС6Н5 (пероксид бензоїлу), K2S2O8. Такі сполуки за нагрівання легко утворюють вільні радикали, які мають надзвичайну реакційну здатність. Радикали взаємодіють з ненасиченими молекулами мономера, утворюючи нові радикали, які здатні продовжувати реакцію.

Утворений комплекс з радикала пероксиду і молекули мономера є також радикалом, який виконує роль активного центру і спричиняє ріст ланцюга шляхом послідовного приєднання молекул мономера до вільних радикалів.

Механізм полімеризації такого типу називають радикальним.

Активний ланцюг обривається, коли два радикали зустрічаються між собою або внаслідок приєднання мігруючого атома гідрогену, який може перестрибнути від одного радикала до іншого:

Обірвати ланцюг можуть також інгібітори (оксиген, гідрохінон), які взаємодіють з вільними радикалами з утворенням насичених молекул.

Окрему функцію під час полімеризації виконують регулятори процесу. Регулятори здатні обірвати один ланцюг і водночас започаткувати інший. За допомогою регуляторів вдається контролювати довжину полімерного ланцюга.



Основні мономери та полімери, отримані полімеризацією:

мономери

полімери

етилен



поліетилен



пропілен



поліпропілен



Бутадієн

CH2=CH-CH=CH2



каучук

(-CH2-CH=CH-CH2-)n



стирол



полістирол



вініловий спирт



полівініловий спирт



вінілхлорид



полівінілхлорид



вінілацетат



полівінілацетат



тетрафторетилен



політетрафторетилен



метилметакрилат



поліметилметакрилат



Короткі характеристики деяких полімерів

1. Поліетилен (-СН2-СН2-)П. Розпізнають поліетилен високого, середнього і низького тиску.

Поліетилен високого тиску (алкатен) утворюється за умов: Р = 1200-1500 атм, Т = 200°С, каталізатор - сліди кисню (0,01-0,1%). Це - біла тверда речовина з молекулярною масою М(Х) в межах 20000-30000 та температурою розм'якшення 108-115°С.

Поліетилен середнього тиску добувають за тиску 35-70 атм і температури 120-140°С в середовищі вуглеводневого розчинника. Каталізатор - оксиди хрому і ванадію. Білий порошок, температура розм'якшення 110-125°С, М(Х)= 25000-35000.

Поліетилен низького тиску добувають у присутності каталізатора Циглера (триетилалюміній А1(С2Н5)3 у суміші з ТіС13 і ТіС14), полімеризація відбувається в середовищі вуглеводнів за нормального тиску та температури 20-50°С. Такий поліетилен - білий порошок, М(Х) = 30000-40000, температура розм'якшення 125-138°С.

Поліетилен розчиняється в ароматичних вуглеводнях (бензолі, толуолі, ксилолі). Не розчиняється у воді, спиртах, стійкий до дії кислот і лугів.

Застосовується для виготовлення ізоляційних проводів та кабелів, пакувального матеріалу, різноманітної тари, бутлів, мішків, труб, деталей технічного призначення, предметів домашнього побуту, іграшок тощо.

2. Поліпропілен (-СН2-СН(СН3)-)П. Синтезується в присутності каталізатора Циглера; має температуру розм'якшення 150-160°С та молярну масу М(Х) = 30000; за звичайної температури не розчиняється в органічних розчинниках (ледь набрякає), але при нагріванні вище 80°С розчиняється в бензолі, толуолі; стійкий до дії кислот і лугів.

З поліпропілену виготовляють все те, що і з поліетилену (плівку, пакувальні матеріали тощо). Крім того, з поліпропілену виготовляють сітки, канати та волокно, яке йде на виготовлення тканин, подібних до шерсті, шовку, бавовни чи льону.

3. Поліізобутилен (-СН2 -С(СН3)2-)П.

Утворюється внаслідок катіонної полімеризації з застосуванням каталізаторів BF3 A1C13, SnCl4. Процес проводять за мінус 80-100°С. Реакційну суміш охолоджують рідким етеном.

Одержують різні види полімерів ізобутилену - від в'язких (густих) рідин до твердих речовин. Використовують в різних клейових сумішах, для пластифікації пластмас, ізоляції проводів та кабелів. З нього виготовляють обгорточні листи та антикорозійні захисні плівки для хімічної апаратури, додають до різних змащувальних матеріалів.

Суполімери ізобутилену з ізопреном і бутадієном (дивінілом) є каучукоподібні продукти, які називаються бутил-каучуками. Останні застосовують для виготовлення камер автомобільних коліс.



4. Полістирол [-СН2-СН(С6Н5)-]П - склоподібний крихкий продукт полімеризації стиролу СН2=СН-С6Н5. Процес полімеризації проводять спочатку за 80°С, а потім температуру підвищують до 200°С. Каталізатори не застосовують.

Застосовується як високоякісний електроізоляційний матеріал в техніці високих та надвисоких частот (каркаси котушок, панелі електронних ламп, ізоляція високочастотних кабелів тощо). Виготовляють і гнучкий полістирол гарячою витяжкою безпосередньо після добування. Гнучкий полістирол у вигляді плівки і ниток називають стирофлексом. У вигляді напівпродукту полістирол застосовують для одержання йонообмінних смол - іонітів.

5. Полівінілхлорид (-СН2-СНС1-)П - продукт полімеризації вінілхлориду СН2=СНС1. Електронегативні атоми хлору в його структурі сприяють виникненню сильних міжмолекулярних взаємодій, що призводить до збільшення жорсткості полімеру. Набрякає і розчиняється в хлороформі СНС13, хлорбензолі С6Н5С1 і ацетоні (СН3)2СО.

Використовується у виробництві монтажних і телефонних проводів. Позитивна якість полівінілхлориду полягає в його високій стійкості до дії кислот і лугів. Він хімічно стійкий і використовується як конструкційний матеріал за умов експлуатації до 80°С. За вищих температур розкладається з виділенням НС1.

За умов додаткового хлорування полівінілхлорид перетворюється в перхлорвініл, з якого виробляють синтетичне волокно "хлорин".

6. Політетрафторетилен (-CF2-CF2-)n - "фторопласт-4" або тефлон. Це - пружний полімер білого кольору. Працює в широкому температурному інтервалі: від мінус 269°С до плюс 250°С. За температури 320°С стає прозорим і пластичним, а вище 400°С розкладається з виділенням фтору.

Політетрафторетилен - прекрасний діелектрик і застосовується у виробництві радіочастотної апаратури. Він не змочується рідинами, не розчиняється в органічних розчинниках. За хімічною стійкістю перевищує всі метали. В хімічній промисловості з нього, наприклад, виготовляють вентилі та трубопроводи для перекачування концентрованих сірчаної і азотної кислот.

7. Синтетичні каучуки (еластомери) - м'які полімерні маси жовтувато-сірого кольору, які зберігають еластичність у широкому інтервалі температур. Поступово, протягом тривалого часу каучук окиснюється, втрачає еластичність, ро­биться твердим і крихким. Каучуки добувають полімеризацієюдієнових вуглеводнів - бутадієну (дивінілу) СН2=СН-СН=СН2, ізопрену СН2=СН-С(СН3)=СН2, а також їх супо-лімеризацією зі стиролом, акрилонітрилом тощо. Бутадіє­новий та ізопреновий каучуки мають властивості, близькі до натурального. Подібний до них і дивініл стирольний каучук, але його еластичність і морозостійкість зменшуються зі збільшенням числа ланок стиролу в макромолекулах. З іншого боку, такий каучук стійкіший до старіння.

З каучуку виробляють гуму і ебоніт завдяки процесу вулканізації. Гаряча вулканізація полягає в нагріванні каучуку з сіркою або деякими її сполуками. При цьому лінійні макромолекули зшиваються атомами сірки за місцем подвійних зв'язків, внаслідок чого утворюється тримірна просторова структура. Властивості вулканізованого каучуку покращуються. Він стає більш еластичним, стійким до дії розчинників, менше старіє.

Спеціальні сорти масло- і бензиностійкої гуми виготовляють з поліхлоропренового і дивінілнітрильного каучуків: (-СН2-СН=СС1-СН2-)П. Гуму застосовують для ізоляції, захисних оболонок кабелів і проводів, кінцевих і з'єднувальних гумових муфт тощо.

8. Полівінілацетат - це прозора безбарвна речовина, яка розм'якшується за 30°С і стає рідкою за 120°С. Застосовується як основа для виготовлення клеїв, лаків і емалей. З полівінілацетату отримують полівініловий спирт.

9. Полівініловий спирт [-СН2 -СН(ОН)-]П (ПВС) утворюється як продукт омилення полівінілацетату. Він використовується у фотолітографії: на його основі виготовляють фоторезистори. ПВС має всі властивості спиртів. У присутності мінеральних кислот він взаємодіє з альдегідами, перетворюючись на полівінілацеталі. Спиртові розчини останніх використовують як високоякісні клеї у виготовленні безосколочного скла (триплекс), в суміші з фенол-формальдегідною смолою утворює клеї (БФ). З ви­користанням полівінілацеталей готують високоякісні електроізоляційні емалі.

10. Поліметилметакрилат (плексиглас, органічне скло) - продукт полімеризації метилового естеру метакрилової кислоти - метилметакрилату - безбарвної рідини з температурою кипіння 100,3°С:

Це - твердий, прозорий, безбарвний термопластичний матеріал, легкий, стійкий до дії кислот, лугів, бензину, масел. Він не затримує ультрафіолетових променів, добре обробляється, є діелектриком. Широко використовується в різноманітних галузях як конструкційний матеріал. В електротехніці використовується для створення компаундів - су­мішей для герметизації електричних приладів і машин.


5.3. Реакції поліконденсації

Поліконденсацією називається процес взаємодії низько­молекулярних речовин, кожна з яких містить не менш ніж дві функціональні групи (-ОН, -NH2, -СООН, -СНО тощо), що приводить до утворення високомолекулярних продуктів та побічних низькомолекулярних речовин (Н20, NH3, HC1, СО2 тощо).

Для утворення лінійних макромолекул під час реакцій поліконденсації використовують біфункціональні молекули, тобто такі, які вміщують у собі дві функціональні групи. Таку поліконденсацію називають лінійною.

Якщо в поліконденсації беруть участь три (чи більше) функціональні групи, то в результаті виникають розгалужені полімери чи навіть тримірні сітки.

Розпізнають гомо- і гетерополіконденсацію. У першому випадку в реакції приймає участь тільки одна вихідна речовина, наприклад амінокислота, в якій аміногрупа та карбоксильна група розділені кількома групами СН2.

Так, під час поліконденсації є-амінокапронової кислоти утворюється цінна полімерна речовина - капрон:

nH2N - (СН2)5 - СООН → (-HN - (СН2)5 - СО-)П + пН2О.

Практично капрон добувають полімеризацією більш доступної вихідної речовини – капролактаму. Для цього до капролактаму додають невелику кількість води, яка є ініціатором процесу, а також оцтову або адипінову кислоту, після чого нагрівають до 240-270° під тиском біля 2 МПа.

Капрон має температуру плавлення біля 215°С. За звичайних умов має дуже високу міцність та хімічну стійкість. З капрону виготовляють деталі технічного призначення, канати, тканини.


Основні мономери та полімери, отримані поліконденсацією:

мономери

полімери

фенол формальдегід



поліфенолформальдегід



сечовина формальдегід



полісечовина-формальдегід



капролактам



полікапроамід (капрон)



терефталева кислота


етиленгліколь



поліетилентерефталат (терилен, лавсан)



адипінова кислота


гексаметилендіамін



полігексаметилендіамін

(найлон)



Ще більшу міцність та еластичність має енант. Його добувають поліконденсацією аміноенантової кислоти H2N-(СН2)6-СООН. Реакція перебігає аналогічно поліконденсації амінокапронової кислоти.

Якщо ж у процесі поліконденсації приймають участь принаймні два різних типи мономерів, функціональні групи одного з яких реагують з функціональними групами іншого, така поліконденсація називається гетерополіконденсацією. Ії можна проілюструвати на прикладі утворення нейлону:

nH2N - (СН2)6 - NH2 + nHOOC - (СН2)4 - СООН →

гексаметилендіамін адипінова кислота

->(-NH-(CH2)6-NH-CO-(CH2)4-CO-)n+nH20.

З нейлону виготовляють текстильні волокна, а також корд для автопокришок.

Оскільки під час поліконденсації поряд з високомолекулярною сполукою утворюються низькомолекулярні речовини, склад полімеру і вихідного мономеру не збігаються. У цьому полягає одна з відмінностей між полімеризацією і поліконденсацією.

Класичним прикладом поліконденсації є взаємодія між фенолом С6Н5ОН і формальдегідом НСНО. Ця реакція веде до продуктів, які часто називають бакелітовими смолами. Здатність до утворення просторового полімеру в даному процесі зумовлена біфункціональністю молекули альдегіду і три-функціональністю молекул фенолу за рахунок атомів гідрогену в о- і п- положеннях відносно гідроксильної групи фенолу.

Залежно від кількісного співвідношення фенолу і формальдегіду, а також від природи вибраного каталізатора тут можуть утворюватися різні продукти.

За умов надлишку фенолу під дією кислотного каталі­затора (НС1) виникає термопластичний полімер лінійної будови, що має назву новолачна смола. За умов надлишку формальдегіду спочатку (стадія А) утворюється лінійний полімер з великим числом груп -СН2ОН, які зв'язані з бензольним кільцем. Смола цієї стадії називається резолом. Вона плавиться за нагрівання і здатна розчинятись у спиртах. Це суміш низькомолекулярних продуктів. При подальшому перебігу процесу (стадія В) структура полімеру поступово стає сітчастою. Доки просторова сітка є мало розгалуженою, розчинність дещо втрачається. Продукт стадії В називають резитолом. За нагрівання резитол перетворюється на резит (стадія С) - твердий, неплавкий і нерозчинний продукт. З резитів виготовляють вироби електротехнічної промисловості.

Формальдегідні смоли є основою деяких іонітів, вони входять до складу клеїв, емалей, просочувальних електроізоляційних лаків тощо.



Конденсаційні полімери виникають також внаслідок утворення складноестерних зв'язків між біфункціональними кислотами і спиртами (поліестерні смоли). Варіюючи кислоти і спирти, можна одержувати різні типи поліестерів. Відомим поліестером є поліетилентерефталат, що використовується для виготовлення лавсану (дакрон). З лавсану виготовляють тканини для одягу. Поліетилентерефталат є конденсованим полімером етиленгліколю і терефталевої кислоти.

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА.


  1. Рейтер А.Г., Степаненко О.М., Басов В.П. Теоретичні розділи загальної хімії.- К.: Каравела, 2003.- 352 с.

  2. Корчинський Г.А. Хімія. - Вінниця: Поділля, 2002. - 526 с.

  3. Кириченко В.І. Загальна хімія.- К.: Вища школа, 2005. - 639 с.

  4. Романова Н.В. Загальна та неорганічна хімія.- К.; Ірпінь: ВТФ «Перун», 2004.- 480 с.

  5. Глінка М.Л.. Загальна хімія.- К,: ВШ, 1982: послідуючі видання.

  6. Григор’єва В.В., Самійленко В.М., Сич Д.М.. Загальна хімія –К.: ВШ, 1991. – 420 с.

  7. Телегус В.С., Бодак О.І., Заречнюк О.С., Кінджибало В.В.. Основи загальної хімії. – Львів: “Світ”, 2000. - 423 с.


ЗМІСТ




Вступ

3

Лекція № 1

Основні поняття та закони хімії

4

Лекція № 2

Будова атома та його електронних оболонок. Періодичний закон Д.І. Менделєєва

10

Лекція № 3

Основні класи неорганічних сполук

21

Лекція № 4

Енергетика та напрямок хімічних процесів

25

Лекція № 5

Хімічна кінетика та хімічна рівновага

33

Лекція № 6

Вчення про розчини. Властивості розчинів електролітів та неелектролітів

42

Лекція № 7

Окисно-відновні процеси. Хімічні джерела електричного струму

52

Лекція № 8

Загальні властивості металів. Корозія

63

Лекція № 9

Елементи органічної хімії. Властивості та застосування високомолекулярних сполук.

76




Використана література

89


Навчально-методичне видання

Хімія [Текст] : конспект лекцій для студентів спеціальності 208 «Агроінженерія» денної і заочної форм навчання / уклад. О.І. Гулай. – Луцьк: Луцький НТУ, 2015. – 92 с.

Комп’ютерний набір та верстка: Гулай О.І.

Редактор : Л.Тиха

Підп. до друку Формат А5 Папір офс.

Ум. друк. арк. 5,75 Обл.-вид. арк. 5


Наклад 100 примірників Зам. 3638
Редакційно-видавничий відділ

Луцького національного технічного університету

43018, м. Луцьк, вул, Львівська, 75

Друк – РВВ Луцький НТУ




1   2   3   4   5   6   7


База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка