От синтетичните влакна найлоновото влакно е най-широко известно.
Синтезира се от аминокапронова киселина *
* (Капроновата киселина е шестият член в поредицата от наситени едноосновни карбоксилни киселини.)
Молекулите на тази киселина, имащи в краищата си функционални групи с противоположни свойства - основни и киселинни, влизат в реакция на поликондензация помежду си *:
* (Ето една опростена интерпретация на синтеза на капрон; всъщност капролактамът се използва като мономер 
. Молекулата на капролактам може да бъде представена като резултат от взаимодействието на карбоксилната група и аминогрупата в молекулата на аминокапроновата киселина. По време на синтеза на полимер, молекулите на цикличния капролактам могат да бъдат хидролизирани от вода до образуване на аминокапронова киселина.)
Този процес се извършва в автоклав при температура около 250 ° C. В резултат на това се образува смола с високо молекулно тегло - найлон. Найлоновите молекули имат линейна структура и съдържат до 200 елементарни единици:
Лесно е да се види, че молекулите на аминокапроновата киселина реагират една с друга по същия начин, по който реагират молекулите на аминокиселините по време на образуването на полипептиди (вижте учебника, стр. 364 и тук, стр. 17). Както при полипептидите, остатъците от аминокапронова киселина са свързани заедно чрез амидни връзки:
Следователно найлоновите влакна принадлежат към групата на така наречените полиамидни влакна.
Наличието на амидни връзки прави тези влакна подобни на естествените протеинови влакна - вълна и коприна. Полиамидните влакна, подобно на протеиновите влакна, имат висока механична якост; в това отношение те дори значително превъзхождат естествените (виж таблицата на стр. 52).
Найлоновите влакна, както много други синтетични влакна, не абсорбират влагата, не гният и не се ядат от молци. Той е много устойчив на абразия и многократна деформация, в което превъзхожда всички естествени влакна.
Подобно на протеиновите вещества, найлонът не е достатъчно устойчив на киселини: хидролизата се осъществява чрез неговите връзки. Топлоустойчивостта на найлоновите влакна също е сравнително ниска: при нагряване силата му намалява и при 215 ° C настъпва топене (поради това не се препоръчва гладенето на найлонови продукти с гореща ютия). По отношение на устойчивостта на светлина найлоновото влакно е по-ниско от нитрона.
Въпреки известна прилика в свойствата с протеините, найлонът, разбира се, не е един от тях. Всички протеини са съставени от аминокиселини, в които аминогрупата и карбоксилната група винаги са разположени в най-близка близост, което може да се изрази с общата формула 
. В аминокапроновата киселина тези групи са относително далеч една от друга, като са разделени от пет СН2 групи; изглежда, че това произвежда строго линейни молекули и постига по-висока здравина на влакната.
Известно е колко широко се използва найлоново влакно. Елегантните блузи, шалове, чорапи, чорапи и много други артикули от найлон са навлезли в ежедневието ни. Много популярни са продуктите от усукани найлонови влакна - безразмерни, лесно разтегливи чорапи и чорапи. Напоследък от найлон започнаха да се правят отлични кожени продукти.
Найлонът се използва и в производството на парашутни платове, въжета, риболовни принадлежности, въдица и др. Укрепеният найлон се използва за направата на кордов плат, използван като рамка за автомобилни и самолетни гуми. Експлоатационният живот на гумите с найлонов корд е значително по-дълъг от този на гумите с вискозен и памучен корд.
Найлоновата смола намира широко приложение и като пластмаса за изработване на машинни части и механизми - зъбни колела, лагерни черупки, втулки и др., които се отличават с голяма здравина и износоустойчивост.
При производството на найлоново влакно най-интересен е процесът на формоването му.
За разлика от вискозните влакна, хлора и нитрона, найлоновите влакна се образуват не от разтвор, а от полимерна стопилка.
Образуването на найлонови нишки е лесно да се наблюдава експериментално. Ако разтопите парчета найлонова смола или остатъци от найлонов продукт в епруветка или стъкло и потопите края на стъклена пръчка в стопилката и след това я извадите от стопилката, тогава след пръчката се появяват тънки дълги нишки от найлон извади се, втвърдявайки се във въздуха.
По същество същият процес се извършва при производството на найлоново влакно в промишлеността. Фигура 12 показва общата схема за получаване на найлоново влакно, а фигури 13 и 14 показват детайлите на топилната глава на машина за предене на влакна от стопилка.
Натрошената найлонова смола от бункера влиза в топилната глава. На решетката, загрята от изпарения на висококипящи вещества, преминаващи през намотката, смолата се топи. Вискозната стопилка от смола се изпомпва от въртяща се помпа във финере, от която излиза под формата на тънки струи в шахта, където навлиза студен въздух. Докато потоците се охлаждат, те се втвърдяват в тънки влакна. Тези влакна излизат от дъното на вала и се навиват на големи цилиндрични макари – шпули. След това се изтеглят (върху ролки, въртящи се с различни скорости) и се усукват на нишки. Особено силно изтегляне се извършва при получаване на подсилени кордни влакна. Фигура 15 показва общ изглед на машината за предене на найлонови влакна.
Въпроси и упражнения
52. Изчислете средното молекулно тегло на найлон, като използвате данните, дадени по-горе.
53. Какви са приликите и разликите в структурата и свойствата на найлона и протеините?
54. Дали найлонът е термопластична или термореактивна смола? Как може да се подкрепи вашият отговор?
55. Влакното Enant, което се различава от найлона с по-голяма устойчивост на светлина, се получава от продукта на поликондензация на аминоенантова киселина.
Напишете уравнение за поликондензацията на аминоенантовата киселина и дайте структурната формула на полученото високомолекулно вещество.
56. Анидното влакно (наклон) се получава от продукта на поликондензация на хексаметилен диампн H 2 N-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -NH 2 и адипинова киселина HOOC-CH 2 -CH 2 -CH2 - CH2-COOH. Напишете уравнение за тази реакция на поликондензация.
Катедра по физикохимия
Абраменков А.В.
КИНЕТ
Програма за числена симулация на кинетика
сложни химични реакции
Програмата KINET е предназначена за решаване на директни и обратни кинетични проблеми. Като изходни данни кинетичната схема (механизъм) на процеса е посочена под формата на набор от прости реакции, показващи константи на скоростта, а уравненията на реакцията могат да бъдат записани във форма, близка до конвенционалните химични обозначения. Освен това са посочени условията на процеса - началните концентрации на реагентите и температурата, както и интервалът от време, през който е необходим разтворът. В случай на обратен кинетичен проблем е необходимо също да се уточнят експериментални кинетични криви.
Програмата самостоятелно съставя система от диференциални уравнения и я интегрира. Резултатите се представят числено и графично и могат да бъдат експортирани за използване в други програми.
Някои примери за приложението на програмата KINET са дадени в книгата: „Работилна среща по физична химия: Кинетика и катализа. Електрохимия" (Абраменков А.В., Агеев Е.П., Атякшева Л.Ф. и др. Под редакцията на В.В. Лунин и Е.П. Агеев). М.: Издателство. Център "Академия", 2012. Раздел I.8, "Математическо моделиране на кинетиката на сложни реакции", pp. 70-102. За подробно ръководство за използване на програмата вижте файла UserGuide.pdf.
Системни изисквания:
- ОС Windows XP/Vista/7 (32- или 64-битова),
- 3,7 MB на диск или флаш устройство за настаняване на програмни файлове,
- Разделителна способност на екрана най-малко 1024 x 768 (за предпочитане по-висока).
Инструкции за инсталиране на програмата
За да инсталирате програмата KINET, просто разархивирайте изтегления архив (като запазите вътрешната структура на подпапките) в папката "Program Files" или друга папка и създайте пряк път на работния плот, за да стартирате изпълнимия файл wkinet.exe.
В папката Kinet подпапката с локални настройки съдържа превод на програмния интерфейс на руски език. Ако тази подпапка липсва, програмата ще остане работеща, но ще има английски интерфейс.
Индивидуалните настройки се записват във файла kinet.ini в стандартната папка за съхранение на данни в потребителския профил. В съвременните версии на Windows това обикновено е папката C:\Users\<Имя пользователя>\Application Data\Kinet\
Програмата не записва нищо в системния регистър на Windows, така че за да я премахнете напълно от вашия компютър, просто трябва да изтриете основната папка Kinet с програмни файлове и папката Kinet в потребителския профил (вижте по-горе).
Програмата KINET се разпространява свободно (вижте лицензионното споразумение във файла Kinet\doc\license_ru.txt).
|
Въведение................................................. ....... | |
|
1. Химична кинетика............................................. ...... | |
|
1.1. Стехиометрия и материален баланс при химични реакции | |
|
1.2. Скорост на хомогенна химична реакция...... | |
|
1.3. Методология на кинетичното изследване................................. | |
|
1.4. Диференциален метод за обработка на експериментални данни..................................... ......... .. | |
|
1.5. Интегрален метод за обработка на експериментални данни | |
|
2. Кинетично моделиране и механизъм на химична реакция | |
|
2.1. Класификация на елементарните реакции................... | |
|
2.2. Изграждане на кинетични модели на последователността от елементарни етапи.................................................. ............ | |
|
2.2.1. Верижни реакции..................................... | |
|
2.2.2. Хомогенна катализа..................................... | |
|
2.2.3. Основи на кинетиката на образуване на полимери.......... | |
|
Заключение................................................ | |
Въведение
Химическият процес е сложно явление, при което протичането на химическа реакция е придружено от пренос на топлина и вещество. Химическата реакция, преносът на топлина и маса, протичащи заедно, си влияят взаимно, следователно само познаването на законите на химичния процес като цяло е основата за създаване на високоефективно химическо производство и основата за конструиране на математически модели, които позволяват оптимизиране на провеждането на химични технологични процеси. За да се решат тези проблеми, е необходимо да се установи в какви съотношения реагентите (изходни вещества и продукти на реакцията) взаимодействат помежду си, как температурата, налягането, съставът на реакционната смес и фазовото състояние на тези реагенти влияят на скоростта на процеса и разпространението на неговите продукти. Освен това е необходимо да се установи в какъв тип апаратура и при какви хидродинамични условия процесът е най-интензивен по отношение на избраните изходни показатели (степени на превръщане на изходните вещества, добив на реакционни продукти, с най-голяма селективност за всеки продукт или междинно вещество и др.). На много от тези въпроси може да се отговори чрез изучаване на стехиометричните, термодинамичните и кинетичните модели на процесите.
Стехиометричните модели показват в какви пропорции реагентите взаимодействат един с друг. На тяхна база се съставят материални баланси и се правят преизчисления между количествата на реагирали и образувани вещества. Въз основа на техните резултати се изчисляват показателите за ефективност на процеса.
Познаването на термодинамичните закони дава възможност да се оцени вероятността от даден процес чрез промяна на енергиите на Гибс или Хелмхолц, да се изчисли съставът на равновесната смес за обратими реакции и топлинните ефекти на протичащите реакции.
Изследването на кинетичните модели позволява да се определят най-вероятните реакционни механизми и да се получат уравнения, които описват интензивността на потреблението на изходните вещества или образуването на реакционни продукти.
Апаратите, в които се извършват химични процеси (реактори), се класифицират по различни критерии: според структурата на потока, според времето и температурните условия на процеса и др. Текстът винаги ще показва типа на устройството и тези условия.
Това ръководство ще разгледа само методите за изследване на кинетичните модели на хомогенни химични реакции, но те често се оказват неразривно свързани с изучаването на стехиометричните зависимости и термодинамиката на реакциите. В тази връзка в ръководството ще се обърне внимание на въпросите за материалния баланс на прости и сложни химични реакции, както и на техните термодинамични аспекти.
Във физическата химия скоростта на химичната реакция се определя съгласно уравнението:
Където dq– изменение на масата на реагента, mol.
дт– нарастване на времето, s.
V– мярка за реакционно пространство.
Има хомогенни химични реакции, в които всички участващи вещества са в една фаза (газ или течност). За такива реакции мярката на реакционното пространство е обемът, а измерението на скоростта ще бъде: .
Протичат хетерогенни химични реакции между вещества в различни фази (газ-твърдо вещество, газ-течност, течност-течност, твърдо-течност). Самата химическа реакция се осъществява на фазовия интерфейс, който е мярка за реакционното пространство.
За хетерогенните реакции измерението на скоростта е различно: .
Промяната в масата на реагиращите вещества има свой знак. За изходните вещества масата намалява по време на реакцията, промяната в масата има отрицателен знак, а скоростта приема отрицателна стойност. За продуктите от химическа реакция масата се увеличава, промяната в масата е положителна и знакът на скоростта също се приема за положителен.
Помислете за проста химическа реакция
Простите реакции включват тези, които се извършват на един етап и отиват до края, т.е. са необратими.
Нека определим скоростта на такава химична реакция. За да направите това, на първо място, е необходимо да решите кое от веществата ще определи скоростта на реакцията: в крайна сметка А и В са изходните вещества и промяната в техните маси е отрицателна, а С е крайният продукт, и масата му нараства с времето. Освен това не всички стехиометрични коефициенти в реакцията са равни на единица, което означава, че ако консумацията на А за известно време е равна на 1 мол, консумацията на В за същото време ще бъде 2 мола и съответно стойностите на скоростта изчислено от промяната в масите на A и B ще се различава два пъти.
За проста химическа реакция може да се предложи единична мярка за скорост, която се дефинира, както следва:
Където r i– скорост според i-тия участник в реакцията
S i– стехиометричен коефициент на i-тия участник в реакцията.
Стехиометричните коефициенти за изходните вещества се приемат за положителни; за реакционните продукти те са отрицателни.
Ако реакциите протичат в изолирана система, която не обменя вещества с външната среда, тогава само химическа реакция води до промяна на масите на веществата в системата и, следователно, техните концентрации. В такава система единствената причина за промени в концентрациите е СЪСе химическа реакция. За този специален случай
Скоростта на химическата реакция зависи от концентрацията на участващите вещества и от температурата.
Където к– константа на скоростта на химичната реакция, C A, C B– концентрации на вещества, n 1, n 2– поръчки за съответните вещества. Този израз е известен във физическата химия като закон за масовото действие.
Колкото по-високи са стойностите на концентрацията, толкова по-висока е скоростта на химичната реакция.
Поръчка ( н) се определя експериментално и се свързва с механизма на химичната реакция. Редът може да бъде цяло число или дробно число за някои вещества; Ако поръчката е азвещество е нула, тогава скоростта на химичната реакция не зависи от концентрацията на това вещество.
Скоростта на химичната реакция зависи от температурата. Според закона на Арениус константата на скоростта се променя с температурата:
Където А– предекспоненциален фактор;
д– енергия на активиране;
Р– универсална газова константа, константа;
T- температура.
Подобно на реда на реакцията, енергията на активиране и предекспоненциалният фактор се определят експериментално за конкретна реакция.
Ако химическата реакция се извършва в хетерогенен процес, тогава нейната скорост също се влияе от процеса на доставяне на изходни вещества и отстраняване на продуктите от зоната на химическа реакция. Така протича сложен процес, в който има етапи на дифузия (подаване, отстраняване) и кинетичен етап - самата химична реакция. Скоростта на целия процес, наблюдаван в експеримента, се определя от скоростта на най-бавния етап.
По този начин, влияейки върху скоростта на дифузионния етап на процеса (смесването), ние влияем върху скоростта на целия процес като цяло. Това влияние се отразява на стойността на предекспоненциалния фактор А.
Повечето химични реакции не са прости (т.е. не протичат на един етап и не са завършени) - сложни химични реакции:
а) АВ – реверсивен;
б) A→B; B→C – последователен;
в) A→B; A→C – паралел.
За сложна химична реакция няма единна мярка за скорост. За разлика от простото, тук можем да говорим за скоростта на образуване и унищожаване на всяко химично вещество. По този начин, ако в дадена система протичат химични реакции и включват нвещества за всеки нвеществата имат собствена стойност на скоростта.
За всяко вещество скоростта на образуване и разрушаване е алгебричната сума на скоростите на всички етапи, включващи това вещество.