Лабораторная работа №9, страница 127, часть 1 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9

Полимеры и их свойства

Реактивы: метилметакрилат, пероксид бензоила (при выполнении работы можно использовать видеоресурсы).

Химическая посуда и лабораторное оборудование: пробирка, обратный воздушный холодильник, водяная баня, электроплита, термометр, металлический штатив.

Техника безопасности. Требуется соблюдение правил работы с растворами кислот, щелочей и нагревательными приборами.

Ход работы

1. В пробирку налейте 2 мл метилметакрилата, добавьте 30 мг пероксида бензоила $C_{14}H_{10}O_4$. Пробирку закройте обратным воздушным холодильником (см. рис.) и установите ее в кипящей водяной бане (при 95–98°C). Продолжительность полимеризации составляет примерно 9–10 мин. Получается твердая стекловидная масса с пузырьками.

1 — обратный воздушный холодильник;

2 — пробирка с метилметакрилатом и пероксидом бензоила;

3 — термометр;

4 — водяная баня (стакан с водой);

5 — защитная сетка;

6 — электроплитка;

7 — штатив с лапкой.

Установка для получения полиметилметакрилата

1. Уравнение реакции полимеризации метилметакрилата

В ходе лабораторной работы происходит реакция свободно-радикальной полимеризации метилметакрилата. Метилметакрилат является мономером, а в результате реакции образуется высокомолекулярное соединение — полиметилметакрилат, также известный как органическое стекло или плексиглас. Реакция протекает за счет разрыва двойной связи $C=C$ в молекулах мономера и образования новых простых связей $C-C$ между ними. Суммарное уравнение реакции выглядит следующим образом:

$n \cdot CH_2=C(CH_3)-COOCH_3 \rightarrow [-CH_2-C(CH_3)(COOCH_3)-]_n$

где $\text{n}$ — степень полимеризации, показывающая число мономерных звеньев в цепи полимера.

Ответ: Уравнение реакции полимеризации метилметакрилата: $n \cdot CH_2=C(CH_3)-COOCH_3 \rightarrow [-CH_2-C(CH_3)(COOCH_3)-]_n$.

2. Роль пероксида бензоила и механизм реакции

Пероксид бензоила ($C_{14}H_{10}O_4$) в данной реакции выполняет роль инициатора. Это вещество, которое при нагревании легко распадается с образованием свободных радикалов, запускающих цепной процесс полимеризации.

Механизм реакции включает три основные стадии:

a. Инициирование цепи

При нагревании до 95–98o С пероксид бензоила распадается на два бензоилокси-радикала. Эти радикалы нестабильны и могут далее распадаться с выделением углекислого газа ($CO_2$) и образованием фенильных радикалов:

$(C_6H_5COO)_2 \xrightarrow{t} 2 C_6H_5COO^\bullet$

$C_6H_5COO^\bullet \rightarrow C_6H_5^\bullet + CO_2 \uparrow$

Образовавшиеся фенильные радикалы ($R^\bullet$) атакуют двойную связь молекулы мономера (метилметакрилата), присоединяясь к ней и образуя новый, более крупный радикал:

$C_6H_5^\bullet + CH_2=C(CH_3)COOCH_3 \rightarrow C_6H_5-CH_2-C^\bullet(CH_3)COOCH_3$

Выделение газообразного $CO_2$ в ходе реакции объясняет появление пузырьков в получаемой стекловидной массе, как указано в методике.

b. Рост цепи

Образовавшийся на стадии инициирования радикал последовательно присоединяет новые молекулы мономера, что приводит к росту полимерной цепи:

$R-(-M-)_k^\bullet + M \rightarrow R-(-M-)_{k+1}^\bullet$ (где $\text{M}$ — мономерное звено)

c. Обрыв цепи

Рост цепи прекращается, когда два активных радикала взаимодействуют друг с другом. Это может произойти путем рекомбинации (соединения) или диспропорционирования (переноса атома водорода).

Ответ: Пероксид бензоила является инициатором свободно-радикальной полимеризации. При нагревании он распадается на свободные радикалы, которые запускают цепной процесс присоединения молекул метилметакрилата друг к другу. Образование пузырьков в полимере связано с выделением $CO_2$ при распаде инициатора.

3. Назначение водяной бани и обратного холодильника

Водяная баня (стакан с водой на электроплитке) используется для равномерного и контролируемого нагрева реакционной смеси. Это позволяет поддерживать температуру в заданном узком диапазоне (95–98o С), что критически важно для контроля скорости реакции полимеризации и процесса распада инициатора. Прямой нагрев на плитке привел бы к локальным перегревам, неравномерному ходу реакции и, возможно, к вскипанию и выбросу легковоспламеняющегося мономера.

Обратный воздушный холодильник используется для предотвращения потерь летучего мономера (метилметакрилата, температура кипения ~100.5o С) и растворителя, если бы он использовался. Пары метилметакрилата, поднимаясь из пробирки, охлаждаются на стенках холодильника, конденсируются и стекают обратно в реакционную смесь. Это обеспечивает постоянство состава реакционной смеси и предотвращает попадание паров мономера в атмосферу лаборатории, что важно с точки зрения техники безопасности (пары токсичны и горючи).

Ответ: Водяная баня обеспечивает равномерный и безопасный нагрев до нужной температуры. Обратный холодильник предотвращает испарение летучего мономера, возвращая его в реакционную смесь.

4. Расчет мольного соотношения инициатора и мономера

Дано:

Объем метилметакрилата (ММА), $V_{\text{ММА}} = 2 \text{ мл}$

Масса пероксида бензоила (ПБ), $m_{\text{ПБ}} = 30 \text{ мг}$

Плотность метилметакрилата, $\rho_{\text{ММА}} \approx 0.94 \text{ г/мл}$

Перевод в СИ:

$V_{\text{ММА}} = 2 \text{ мл} = 2 \times 10^{-6} \text{ м}^3$

$m_{\text{ПБ}} = 30 \text{ мг} = 0.030 \text{ г} = 3 \times 10^{-5} \text{ кг}$

$\rho_{\text{ММА}} = 0.94 \text{ г/мл} = 940 \text{ кг/м}^3$

Найти:

Мольное соотношение $n_{\text{ПБ}} : n_{\text{ММА}}$

Решение:

1. Найдем массу метилметакрилата (ММА):

$m_{\text{ММА}} = \rho_{\text{ММА}} \times V_{\text{ММА}} = 0.94 \text{ г/мл} \times 2 \text{ мл} = 1.88 \text{ г}$

2. Рассчитаем молярные массы веществ:

Молярная масса ММА ($C_5H_8O_2$): $M_{\text{ММА}} = 5 \cdot 12.01 + 8 \cdot 1.01 + 2 \cdot 16.00 = 100.12 \text{ г/моль}$

Молярная масса ПБ ($C_{14}H_{10}O_4$): $M_{\text{ПБ}} = 14 \cdot 12.01 + 10 \cdot 1.01 + 4 \cdot 16.00 = 242.24 \text{ г/моль}$

3. Найдем количество вещества (число молей) для каждого компонента:

$n_{\text{ММА}} = \frac{m_{\text{ММА}}}{M_{\text{ММА}}} = \frac{1.88 \text{ г}}{100.12 \text{ г/моль}} \approx 0.01878 \text{ моль}$

$n_{\text{ПБ}} = \frac{m_{\text{ПБ}}}{M_{\text{ПБ}}} = \frac{0.030 \text{ г}}{242.24 \text{ г/моль}} \approx 0.000124 \text{ моль}$

4. Найдем соотношение молей мономера к молям инициатора:

$\frac{n_{\text{ММА}}}{n_{\text{ПБ}}} = \frac{0.01878}{0.000124} \approx 151.5$

Таким образом, на 1 моль инициатора (пероксида бензоила) приходится примерно 152 моль мономера (метилметакрилата).

Ответ: Мольное соотношение инициатора (пероксида бензоила) к мономеру (метилметакрилату) составляет приблизительно $1:152$.