Страница 407 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

Лабораторный опыт 13. Отношение синтетических волокон к растворам кислот и щелочей

1. В отдельные пробирки с 1 мл $20\%$-го раствора серной кислоты поместите полоски капрона, лавсана, полипропилена, а также образцы хлопчатобумажной, шерстяной и ацетатной тканей. Опустите пробирки на 10 мин в стакан с кипящей водой, затем выньте полоски и промойте их водой. Изучите, как изменился цвет каждого образца и его прочность.

2. Проделайте ту же самую процедуру, взяв вместо кислоты раствор гидроксида натрия. Сделайте выводы об устойчивости волокон к кислотам и щелочам.

1. В отдельные пробирки с 1 мл 20%-го раствора серной кислоты поместите полоски капрона, лавсана, полипропилена, а также образцы хлопчатобумажной, шерстяной и ацетатной тканей. Опустите пробирки на 10 мин в стакан с кипящей водой, затем выньте полоски и промойте их водой. Изучите, как изменился цвет каждого образца и его прочность.

При проведении данного опыта будут наблюдаться следующие изменения:

• Хлопчатобумажная ткань (целлюлоза): Под действием горячей концентрированной серной кислоты происходит гидролиз целлюлозы до глюкозы. Макромолекулы разрушаются, что приводит к полной потере прочности. Образец становится хрупким, легко рвется и может обуглиться (почернеть), так как серная кислота является сильным дегидратирующим (водоотнимающим) агентом.
  Уравнение гидролиза в общем виде: $ (C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \xrightarrow{H_2SO_4, t} nC_6H_{12}O_6 $
• Шерстяная ткань (кератин, белок): Шерсть, являясь белком, состоит из аминокислот, соединенных пептидными (амидными) связями. В кислой среде при нагревании происходит кислотный гидролиз этих связей. Волокно теряет прочность, становится ломким и может полностью раствориться.
  Схема гидролиза пептидной связи: $ R-CO-NH-R' + H_2O \xrightarrow{H^+} R-COOH + H_2N-R' $
• Ацетатная ткань (ацетилцеллюлоза): Это волокно является сложным эфиром целлюлозы и уксусной кислоты. Под действием серной кислоты происходит гидролиз сложноэфирных связей. Волокно теряет прочность, становится хрупким и разрушается.
• Капрон (полиамид): Капрон, как и шерсть, содержит амидные группы в своей цепи. Поэтому он также подвергается кислотному гидролизу при нагревании. Прочность волокна значительно снижается, оно становится хрупким.
• Лавсан (полиэфир): Лавсан — это полиэфирное волокно, содержащее сложноэфирные группы. Как и ацетатное волокно, он подвергается кислотному гидролизу, но он более устойчив к кислотам, чем полиамиды. Прочность уменьшится, но не так значительно, как у капрона или натуральных волокон.
• Полипропилен: Это карбоцепной полимер, состоящий из атомов углерода и водорода. В его структуре нет функциональных групп, подверженных гидролизу. Поэтому полипропилен проявляет очень высокую химическую стойкость к кислотам. Его внешний вид и прочность практически не изменятся.

Ответ: Наибольшей устойчивостью к действию серной кислоты обладает полипропилен. Лавсан проявляет умеренную устойчивость. Капрон, хлопчатобумажная, шерстяная и ацетатная ткани разрушаются, теряя прочность.

2. Проделайте ту же самую процедуру, взяв вместо кислоты раствор гидроксида натрия. Сделайте выводы об устойчивости волокон к кислотам и щелочам.

При замене серной кислоты на раствор гидроксида натрия ($NaOH$) и повторении опыта результаты будут иными:

• Хлопчатобумажная ткань (целлюлоза): Целлюлоза достаточно устойчива к действию растворов щелочей. Заметного разрушения волокна или потери прочности не произойдет.
• Шерстяная ткань (кератин, белок): Щелочи вызывают щелочной гидролиз пептидных связей в белках. Шерстяное волокно при кипячении в растворе щелочи быстро теряет прочность и растворяется. Этот процесс протекает даже интенсивнее, чем в кислой среде.
• Ацетатная ткань (ацетилцеллюлоза): Как сложный эфир, ацетатное волокно подвергается необратимому щелочному гидролизу (омылению). Волокно будет разрушено.
• Капрон (полиамид): Полиамидные волокна, в отличие от кислот, довольно устойчивы к действию щелочей. Заметного изменения прочности капрона не наблюдается.
• Лавсан (полиэфир): Полиэфирные волокна очень чувствительны к действию щелочей. Происходит щелочной гидролиз (омыление) сложноэфирных связей. Лавсан быстро теряет прочность и разрушается.
• Полипропилен: Как и в случае с кислотой, полипропилен абсолютно устойчив к действию раствора щелочи. Его свойства не изменятся.

Выводы об устойчивости волокон:

1. Разные типы волокон обладают различной химической устойчивостью к кислотам и щелочам, что определяется их химическим строением (наличием гидролизуемых функциональных групп: амидных, эфирных, гликозидных).
2. Полипропилен является наиболее химически стойким волокном как к кислотам, так и к щелочам.
3. Натуральные волокна: хлопок (целлюлоза) устойчив к щелочам, но разрушается кислотами; шерсть (белок) неустойчива как к кислотам, так и к щелочам (особенно к щелочам).
4. Искусственные волокна: ацетатное волокно (сложный эфир целлюлозы) неустойчиво и к кислотам, и к щелочам.
5. Синтетические волокна: капрон (полиамид) разрушается кислотами, но устойчив к щелочам; лавсан (полиэфир) разрушается щелочами, но более устойчив к кислотам, чем капрон.

Ответ: Устойчивость волокон зависит от их химической природы: полипропилен устойчив к кислотам и щелочам; капрон и хлопок устойчивы к щелочам, но не к кислотам; лавсан, шерсть и ацетатное волокно неустойчивы к щелочам; шерсть, хлопок, ацетатное волокно и капрон также неустойчивы к кислотам.

1. Какие полимеры называют пластмассами? Приведите примеры.

Какие полимеры называют пластмассами? Приведите примеры.

Пластмассами, или пластиками, называют органические материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения (полимеры). Ключевой характеристикой пластмасс является их способность под воздействием нагревания и давления приобретать заданную форму (то есть проявлять пластичность) и устойчиво сохранять её после охлаждения или отверждения. Таким образом, пластмассы — это формуемые материалы на основе полимеров.

В большинстве случаев пластмассы являются композиционными материалами. Кроме самого полимера, который выполняет роль связующего, в их состав вводят различные добавки для придания необходимых эксплуатационных свойств:
• наполнители (например, стекловолокно, мел, древесная мука) для повышения прочности и снижения стоимости;
• пластификаторы для придания эластичности и гибкости;
• стабилизаторы для защиты от разрушения под действием света, тепла и кислорода;
• красители для придания цвета.

В зависимости от поведения при нагревании и структуры полимерной основы, пластмассы делят на две большие группы:

1. Термопласты (термопластичные пластмассы).
Это материалы на основе линейных или разветвленных полимеров, которые при нагревании размягчаются и переходят в вязкотекучее состояние, а при охлаждении застывают. Этот процесс обратим, что позволяет многократно перерабатывать такие пластмассы.
Примеры: полиэтилен (ПЭ) — используется для изготовления пакетов, пленок, труб; полипропилен (ПП) — упаковка, контейнеры, автомобильные детали; поливинилхлорид (ПВХ) — оконные рамы, линолеум, трубы; полиэтилентерефталат (ПЭТ) — бутылки для напитков; полистирол (ПС) — одноразовая посуда, теплоизоляция.

2. Реактопласты (термореактивные пластмассы).
Это материалы на основе полимеров, которые при формовании в результате химической реакции («сшивания» макромолекул) образуют жёсткую трёхмерную сетчатую структуру. Они необратимо затвердевают, становясь неплавкими и нерастворимыми. Повторное нагревание приводит не к размягчению, а к разрушению (термической деструкции).
Примеры: фенолформальдегидные смолы (из них делают корпуса электроприборов, например, розетки и выключатели, материал бакелит); эпоксидные смолы (используются как высокопрочные клеи, лаки, связующее в стеклопластиках); полиуретаны (теплоизоляция, мебельный поролон).

Ответ: Пластмассами называют материалы на основе полимеров, которые способны формоваться под действием тепла и давления и сохранять приданную форму после охлаждения. Примеры пластмасс: термопласты (полиэтилен, полипропилен, ПВХ) и реактопласты (фенолформальдегидные и эпоксидные смолы).

2. Можно ли из одного и того же полимера сделать волокно и пластмассу?

Решение

Да, из одного и того же полимера можно изготовить как волокно, так и пластмассу. Различие между этими двумя формами заключается не в химическом составе полимера, а в его надмолекулярной структуре (то есть во взаимном расположении макромолекул) и, соответственно, в способе переработки.

1. При изготовлении изделий из пластмассы, например, методом литья под давлением или экструзии, расплавленный полимер заполняет форму и затем остывает. В результате длинные цепи макромолекул располагаются хаотично, беспорядочно перепутываясь друг с другом. Такая структура называется аморфной (или частично кристаллической). Материал с такой структурой обладает изотропными свойствами, то есть его физические характеристики (например, прочность) примерно одинаковы во всех направлениях.

2. Для получения волокна применяют другой процесс. Полимер в виде расплава или раствора продавливают через тонкие отверстия — фильеры. Затем полученные нити подвергают многократной ориентационной вытяжке. В процессе вытяжки макромолекулы распрямляются и ориентируются преимущественно в одном направлении — вдоль оси волокна. Это создает высокоориентированную, упорядоченную кристаллическую структуру. Такой материал становится анизотропным: он приобретает очень высокую прочность и жёсткость на разрыв вдоль волокна, но при этом остаётся гибким.

В качестве примеров можно привести следующие широко используемые полимеры:
- Полипропилен (ПП): из него делают как прочные пластмассовые изделия (контейнеры, автомобильные бамперы, корпуса техники), так и волокна для ковров, нетканых материалов (например, для медицинских масок) и верёвок.
- Полиэтилентерефталат (ПЭТФ): широко известен как пластмасса для изготовления бутылок для напитков. В то же время из него получают полиэфирные волокна (лавсан, полиэстер), которые используют для производства одежды, штор и технического текстиля.
- Полиамиды (например, капрон, нейлон): применяются для изготовления конструкционных пластмассовых деталей (шестерни, втулки), а также для производства прочных волокон, из которых делают ткани, чулки, рыболовные сети и канаты.

Таким образом, физическая форма и свойства конечного продукта из полимера определяются технологией его переработки, которая формирует ту или иную надмолекулярную структуру.

Ответ: да, можно. Ключевое различие заключается в способе переработки полимера, который определяет его надмолекулярную структуру: хаотичную (изотропную) для пластмассы и высокоориентированную (анизотропную) для волокна, что и обуславливает их различные физико-механические свойства.