Урок 17. Синтетические волокна
Предмет: Химия, 10 класс

Конспект урока

Химия, 10 класс

Урок № 17. Синтетические волокна

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён общим вопросам химии полимеров – синтетическим волокнам (лавсан и капрон).

Глоссарий

Волокна – природные или химические высокомолекулярные вещества, отличающиеся от других полимеров более высокой степенью упорядоченности молекул и, как следствие особыми физическими свойствами, позволяющими использовать их для получения нитей.

Искусственное волокно – это волокно, которое является продуктом химической переработки высокомолекулярных природных веществ (целлюлозы, природного каучука, белков).

Макромолекула — молекула с высокой молекулярной массой, структура которой представляет собой многократные повторения звеньев, образованных из молекул малой молекулярной массы. Число атомов, входящих в состав макромолекул, может быть очень большим (сотни тысяч и миллионы).

Мономер — это низкомолекулярное вещество, образующее полимер в реакции полимеризации или поликонденсации.

Мономерное звено — повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов.

Полиамидные волокна – синтетические волокна, формуемые из расплавов или растворов полиамидов.

Поликонденсация — процесс синтеза полимеров из полифункциональных (чаще всего бифункциональных) соединений, обычно сопровождающийся выделением низкомолекулярных побочных продуктов (воды, спиртов и т. п.) при взаимодействии функциональных групп.

Полимеризация — процесс образования высокомолекулярного вещества (полимера) путём многократного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера, олигомера) к активным центрам в растущей молекуле полимера.

Полимеры — неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями.

Полимеры — вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов.

Полиэфирное волокно — синтетическое волокно, формируемое из расплава полиэтилентерефталата или его производных.

Синтетическое волокно – это волокно, вырабатываемое из синтетических полимеров (полиамидного, полиэфирного и других волокон).

Степень полимеризации – количество мономерных звеньев в полимере.

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тесто по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Предпосылки создания синтетических волокон. С давних времен человек широко использовал природные волокнистые материалы. Долгое время это были натуральные материалы растительного и животного происхождения. За последние 150 лет население Земли резко возросло, что привело к возрастанию потребностей человеческого общества. Поэтому объёмов выработки природных полимеров (шерсти, льна, хлопка, конопли, шёлка) не хватало. Устранить несоответствие помогла органическая химия созданием химических волокон. Ежегодно производятся миллионы километров химических волокон.

Классификация волокон. В зависимости от происхождения и способа получения учёные делят волокна на 2 большие группы: природные (натуральные) и химические. Следовательно, волокнами называют природные или химические высокомолекулярные вещества, отличающиеся от других полимеров более высокой степенью упорядоченности молекул и, как следствие особыми физическими свойствами, позволяющими использовать их для получения нитей. Искусственное волокно – это волокно, которое является продуктом химической переработки высокомолекулярных природных веществ (целлюлозы, природного каучука, белков).

Синтетическое волокно – это волокно, вырабатываемое из синтетических полимеров (полиамидного, полиэфирного и других волокон).

Лавсан (полиэтилентерефталат) является представителем полиэфирных волокон. Лавсан является линейным жесткоцепным полимером.

Структурная формула лавсана . Способ получения. Лавсан получают реакцией поликонденсации терефталевой кислоты (1,4-бензолдикарбоновой) и этиленгликоля, которую можно выразить в общем виде:

n HO– CH2CH2– OH + n HOOC– C6H4– COOH (– CO– C6H4– CO– O– CH2CH2– O– )n + n H2O полимер– смола

Поскольку сложноэфирные связи –СОО– в макромолекуле повторяются многократно, то образуется полимер, который называют полиэфир. Полимер образуется ввиде смолы с упорядоченной ориентацией макромолекулы, которая достигается следующим образом: смола плавится без разложения при 80– 120 °С, затем пропускается через фильтры, обсушивается, проходя через шахту и вытягивается в нити, что усиливает их ориентацию.

Лавсан – это практичная, удобная в применении, ткань, изделия из которой доступны и долговечны. Достоинства лавсана: прочность, износостойкость (отсутствие усадки и растяжения); свето– и термостойкость; хороший диэлектрик; устойчивость к действию растворов кислот и щелочей средней концентрации; высокая термостойкость (– 700 до + 1700). Недостатки лавсана: негигроскопичность (не впитывает воду, т.к. не может образовывать водородные связи с молекулами воды). Применяется лавсан в производстве: волокон и нитей для изготовления трикотажных изделий, и несминаемых тканей (креп, твид, тюль, кружево и другие); заменителя шерсти; пленок, бутылей, упаковочного материала, контейнеров и др.; изделий технического назначения (транспортёрных лент, приводных ремней, канатов, парусов, рыболовных сетей и тралов, бензо- и нефтестойких шлангов и др.); материалов для медицины (хирургических нитей и материалов для имплантации в сердечно-сосудистой системе). Уход за изделиями из ткани лавсан: можно чистить, стирать вручную или с помощью машинки в горячей воде до 60°С (материал хорошо отстирывается); отбеливатели применять не нужно, т.к. красители могут быть неустойчивы; изделия из лавсана можно отжимать в режиме вращения барабана с минимальными скоростями, чтобы на ткани не образовались заломы; высушивать лучше в расправленном состоянии; гладить можно утюгом с максимальной температурой нагрева 140–150°С.

Капрон является представителем полиамидных волокон. Структурная формула капрона [–NH– (CH2)5– CO– ]n.

Способ получения. В промышленности капрон получают поэтапно. Сначала реакцией поликонденсации получают производное ε– аминокапроновой кислоты – капролактам. Во время синтеза молекулы капролактама превращаются в этиламинокапроновую кислоту, которая подвергается реакции поликонденсации. Таким образом молекула образовавшегося полимера состоит из многократно повторяющихся остатков этиламинокапроновой кислоты, содержащих пептидные связи. Процесс ведется в присутствии воды, играющей роль активатора, при температуре 240– 270° С и давлении 15– 20 кгс/см2 в атмосфере азота.

H2N– (CH2)5– CO– OH + H2N– (CH2)5– CO– OH + H2N– (CH2)5– CO– OH + … (– HN– (CH2)5– CO– HN– (CH2)5– CO– )n + n H2O

ε-аминокапроновая кислота полимер-смола

Полимер имеет вид смолы. Для получения волокон смолу плавят, пропускают через фильтры, затем подвергают специальной обработке, после которой скручивают нити.

Достоинства капрона: легкий и очень прочный материал; трудно растворимый высокоплавкий полимер с температурой плавления 180–250 °С; устойчивость к истиранию и деформации; стоек к действию разбавленных растворов кислот и щелочей; не впитывает влагу, следовательно, сохраняет прочность во влажном состоянии. Недостатки капрона: неустойчив к действию концентрированных растворов кислот– щелочей и высоких температур (нельзя изделия гладить горячим утюгом). Применяется капрон в производстве: прочных и износостойких деталей машин и механизмов; трикотажных изделий; для производства технических тканей, канатов, рыболовных сетей. Уход за изделиями из ткани капрон: изделия стирают в теплой воде с мягкими моющими средствами; не сушат в центрифуге; гладят при низкой температуре.

ПРИМЕР И РАЗБОР РЕШЕНИЯ ЗАДАНИЙ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ.

Решение задачи о способах получения и свойствах органических веществ.

Задача 1. Рассчитайте, какое количество исходного вещества потребуется для получения 702 кг терефталевой кислоты, если выход её составляет 90% от теоретического (ответ округлите до целого числа)?

Решение.

1. Запишем уравнение реакции: C6H4(CH3)2 + 3O2 =кат. C6H4(COOH)2 + 2H2O.

2. Рассчитаем теоретическую массу терефталевой кислоты: mтеор.= mпракт. х 100%/η; mтеор. (C6H4(COOH)2) = 702 кг х 100% / 90% = 780 кг.

3. Рассчитаем количество вещества терефталевой кислоты:

М(C6H4(COOH)2) = 134 кг/моль; ν (C6H4(COOH)2) = m/М = 780 кг / 134 кг/моль = 6 моль.

4. Рассчитаем массу исходного вещества пара– ксилола.

Х кг 780 кг

C6H4(CH3)2 + 3O2 =кат. C6H4(COOH)2 + 2H2O

1 моль 1 моль

Количественное соотношение по уравнению реакции ν(C6H4(CH3)2) : ν (C6H4(COOH)2) как 1:1, следовательно ν(C6H4(CH3)2) = 6 моль.

М (C6H4(CH3)2) = 106 кг/моль; m (C6H4(CH3)2) = М х ν = 106 кг/моль х 6 моль = 636 кг.

Ответ: m (C6H4(CH3)2) = 636 кг.

Задача 2. Сколько килограмм этиленгликоля можно получить из 180 л (при н.у.) этилена, если выход 78% (ответ округлите до целого числа)?

Решение.

1. Запишем уравнение реакции: 3С2H4 + 2KMnO4 + 4H2O = 3CH2(OH)– CH2(OH) +2MnO2 +2KOH

2. Рассчитаем количество вещества этилена при н.у.:

ν (C2H4)=V/Vm=180л /22.4л/моль=8 моль.

3. Количественные отношения веществ по уравнению реакции 1:1, следовательно ν (этиленгликоль) = ν (C2H4) = 8 моль.

4. Рассчитаем теоретическую массу этиленгликоля:

М(CH2(OH)– CH2(OH)) = 62 г/моль;

m(теор) (элиленгликоль)= М х ν =8 моль х 62 г/моль = 496 г.

5. Рассчитаем практическую массу этиленгликоля, если теоретический выход составляет 78%:

m практ. = η (выход) х m теор. = 496 г х 0,78 = 378 г.

Ответ: m практ. = 378 г.