Sünteetilistest kiududest on kõige laiemalt tuntud nailonkiud.
See on sünteesitud aminokaproonhappest *
* (Kapronhape on küllastunud ühealuseliste karboksüülhapete reas kuues liige.)
Selle happe molekulid, mille otstes on vastupidiste omadustega funktsionaalrühmad - aluselised ja happelised, astuvad üksteisega polükondensatsioonireaktsiooni *:
* (Siin on kaprooni sünteesi lihtsustatud tõlgendus. Tegelikult kasutatakse kaprolaktaami monomeerina 
. Kaprolaktaami molekuli võib kujutada karboksüülrühma ja aminorühma interaktsiooni tulemusena aminokaproonhappe molekulis. Polümeeri sünteesi käigus saab tsüklilisi kaprolaktaami molekule hüdrolüüsida vee toimel, moodustades aminokaproonhappe.)
See protsess viiakse läbi autoklaavis temperatuuril umbes 250 ° C. Selle tulemusena moodustub suure molekulmassiga vaik - nailon. Nailonmolekulid on lineaarse struktuuriga ja sisaldavad kuni 200 elementaarühikut:
On hästi näha, et aminokaproonhappe molekulid reageerivad üksteisega samamoodi nagu aminohappe molekulid polüpeptiidide moodustumisel (vt õpik lk 364 ja siin lk 17). Nagu polüpeptiidides, on aminokaproonhappe jäägid omavahel seotud amiidsidemetega:
Seetõttu kuuluvad nailonkiud nn polüamiidkiudude rühma.
Amiidsidemete olemasolu muudab need kiud sarnaseks looduslike valgukiududega – villa ja siidiga. Polüamiidkiududel, nagu valgukiududel, on kõrge mehaaniline tugevus; selles osas on nad isegi oluliselt paremad kui looduslikud (vt tabel lk 52).
Nailonkiud, nagu paljud teised sünteetilised kiud, ei ima niiskust, ei mädane ega söö ööliblikad. See on väga vastupidav hõõrdumisele ja korduvale deformatsioonile, milles see on parem kui kõik looduslikud kiud.
Nagu valgulised ained, ei ole nailon piisavalt hapete suhtes vastupidav: hüdrolüüs toimub selle sidemete kaudu. Nailonkiu kuumakindlus on samuti suhteliselt madal: kuumutamisel selle tugevus väheneb ja 215 ° C juures toimub sulamine (seetõttu ei ole soovitatav nailontooteid triikida kuuma triikrauaga). Valguskindluse poolest jääb nailonkiud nitronile alla.
Vaatamata teatud omaduste sarnasusele valkudega, ei kuulu nailon nende hulka. Kõik valgud koosnevad aminohapetest, milles aminorühm ja karboksüülrühm asuvad alati kõige lähemal, mida saab väljendada üldvalemiga 
. Aminokaproonhappes on need rühmad üksteisest suhteliselt kaugel, olles eraldatud viie CH2 rühmaga; see näib tekitavat rangelt lineaarseid molekule ja saavutavat suurema kiu tugevuse.
On teada, kui laialdaselt kasutatakse nailonkiudu. Elegantsed pluusid, sallid, sokid, sukad ja paljud muud nailonist valmistatud esemed on muutunud meie igapäevaelus tavaliseks. Väga populaarsed on keerutatud nailonkiust tooted – mõõtmeteta, kergesti venivad sukad ja sokid. Viimasel ajal on hakatud nailonist valmistama suurepäraseid karusnahatooteid.
Nailonit kasutatakse ka langevarjuriide, köite, kalastustarvete, õngenööride jms valmistamisel. Tugevdatud nailonist valmistatakse nöörkangast, mida kasutatakse auto- ja lennukirehvide raamina. Nailonkooriga rehvide kasutusiga on oluliselt pikem kui viskoos- ja puuvillase koorega rehvide kasutusiga.
Nailonvaiku kasutatakse laialdaselt plastina ka masinaosade ja mehhanismide – hammasrataste, laagrikestade, pukside jms valmistamisel, mida iseloomustab suur tugevus ja kulumiskindlus.
Nailonkiu tootmisel on kõige huvitavam selle vormimise protsess.
Erinevalt viskooskiust, kloorist ja nitroonist ei moodustu nailonkiud mitte lahusest, vaid polümeerisulamist.
Nailonniitide moodustumist on lihtne katseliselt jälgida. Kui sulatate nailonvaigu tükid või nailontoote jäägid katseklaasis või klaasis ja kastate klaaspulga otsa sulatisse ja seejärel eemaldate selle sulatist, tõmmatakse pärast tikku õhukesed pikad nailonniidid. väljas, tahkudes õhus.
Sisuliselt viiakse sama protsess läbi nailonkiudude tootmisel tööstuses. Joonisel 12 on kujutatud nailonkiu saamise üldskeem ning joonistel fig 13 ja 14 on näidatud sulatisest kiu ketramise masina sulatuspea detailid.
Punkrist purustatud nailonvaik siseneb sulatuspeasse. Restil, mida kuumutatakse spiraali läbivate kõrge keemistemperatuuriga ainete aurudega, vaik sulab. Viskoosne vaigusula pumbatakse pöörleva pumba abil vurrkasti, kust see väljub õhukeste voogudena võlli, kuhu siseneb külm õhk. Jahtudes ojad tahkuvad õhukesteks kiududeks. Need kiud tulevad välja võlli põhjast ja keritakse suurtele silindrilistele rullidele – poolidele. Seejärel tõmmatakse need (erineva kiirusega pöörlevatele rullikutele) ja keeratakse keermedeks. Tugevdatud nöörikiu saamisel tehakse eriti tugevat tõmbamist. Joonisel fig 15 on kujutatud nailonkiudude ketrusmasina üldvaade.
Küsimused ja harjutused
52. Arvutage nailoni keskmine molekulmass, kasutades ülaltoodud andmeid.
53. Millised on nailoni ja valkude struktuuri ja omaduste sarnasused ja erinevused?
54. Kas nailon on termoplastne või termoreaktiivne vaik? Kuidas saab teie vastust toetada?
55. Enant kiud, mis erineb nailonist suurema valguskindluse poolest, saadakse aminoeenanthappe polükondensatsiooniproduktist.
Kirjutage aminoenanthappe polükondensatsiooni võrrand ja esitage saadud kõrgmolekulaarse aine struktuurivalem.
56. Aniidkiud (kalle) saadakse heksametüleendiampne H 2 N-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -NH 2 ja adipiinhappe HOOC-CH 2 -CH 2 polükondensatsiooniproduktist. -CH2-CH2-COOH. Kirjutage selle polükondensatsioonireaktsiooni võrrand.
Füüsikalise keemia osakond
Abramenkov A.V.
KINET
Programm kineetika numbriliseks simuleerimiseks
keerulised keemilised reaktsioonid
Programm KINET on mõeldud otseste ja pöördkineetiliste probleemide lahendamiseks. Lähteandmetena on protsessi kineetiline skeem (mehhanism) täpsustatud kiiruskonstante tähistavate lihtreaktsioonide komplektina ning reaktsioonivõrrandid saab kirjutada tavapärastele keemilistele tähistele lähedasel kujul. Lisaks on näidatud protsessi tingimused - reaktiivide algkontsentratsioonid ja temperatuur, samuti ajavahemik, mille jooksul lahust vajatakse. Pöördkineetilise ülesande puhul on vaja määrata ka eksperimentaalsed kineetilised kõverad.
Programm koostab iseseisvalt diferentsiaalvõrrandi süsteemi ja integreerib selle. Tulemused esitatakse numbriliselt ja graafiliselt ning neid saab eksportida kasutamiseks teistes programmides.
Mõned näited KINET programmi rakendamisest on toodud raamatus: „Füüsikalise keemia töötuba: kineetika ja katalüüs. Elektrokeemia" (Abramenkov A.V., Ageev E.P., Atyaksheva L.F. et al. Toimetanud V.V. Lunin ja E.P. Ageev). M.: Kirjastus. Keskus "Akadeemia", 2012. Jaotis I.8, "Keeruliste reaktsioonide kineetika matemaatiline modelleerimine", lk. 70-102. Üksikasjaliku juhendi programmi kasutamise kohta leiate failist UserGuide.pdf.
Nõuded süsteemile:
- OS Windows XP/Vista/7 (32- või 64-bitine),
- 3,7 MB kettal või mälupulgal programmifailide mahutamiseks,
- Ekraani eraldusvõime vähemalt 1024 x 768 (soovitavalt kõrgem).
Juhised programmi installimiseks
Programmi KINET installimiseks lihtsalt pakkige allalaaditud arhiiv lahti (säilitades sisemise alamkausta struktuuri) kausta "Programmifailid" või mis tahes muusse kausta ja looge töölauale otsetee täitmisfaili wkinet.exe käivitamiseks.
Kineti kaustas on lokaadi alamkaust, mis sisaldab programmi liidese tõlget vene keelde. Kui see alamkaust puudub, jääb programm tööle, kuid sellel on ingliskeelne liides.
Individuaalsed seadistused salvestatakse kasutajaprofiilis andmete salvestamiseks standardkausta faili kinet.ini. Windowsi kaasaegsetes versioonides on see tavaliselt kaust C:\Users\<Имя пользователя>\Application Data\Kinet\
Programm ei kirjuta midagi Windowsi registrisse, nii et selle arvutist täielikuks eemaldamiseks peate lihtsalt kustutama Kineti põhikausta programmifailidega ja kasutajaprofiilis oleva Kineti kausta (vt ülalt).
Programmi KINET levitatakse vabalt (vt litsentsilepingut failist Kinet\doc\license_ru.txt).
|
Sissejuhatus ................................................... ....... | |
|
1. Keemiline kineetika.................................................. ...... | |
|
1.1. Stöhhiomeetria ja materjali tasakaal keemilistes reaktsioonides | |
|
1.2. Homogeense keemilise reaktsiooni kiirus...... | |
|
1.3. Kineetilise uurimistöö metoodika.................................. | |
|
1.4. Diferentsiaalmeetod katseandmete töötlemiseks................................................ ........ .. | |
|
1.5. Integraalne meetod katseandmete töötlemiseks | |
|
2. Kineetiline modelleerimine ja keemilise reaktsiooni mehhanism | |
|
2.1. Elementaarreaktsioonide klassifikatsioon................ | |
|
2.2. Elementaarsete etappide järjestuse kineetiliste mudelite koostamine................................................ ............ | |
|
2.2.1. Ahelreaktsioonid ................................... | |
|
2.2.2. Homogeenne katalüüs.................................. | |
|
2.2.3. Polümeeri moodustumise kineetika põhitõed......... | |
|
Järeldus................................................ | |
Sissejuhatus
Keemiline protsess on keeruline nähtus, kus keemilise reaktsiooni toimumisega kaasneb soojuse ja aine ülekanne. Koos toimuvad keemilised reaktsioonid, soojus- ja massiülekanne mõjutavad üksteist vastastikku, seetõttu on vaid teadmine keemilise protsessi seaduspärasustest tervikuna aluseks ülitõhusa keemiatootmise loomisele ja matemaatiliste mudelite koostamisele, mis võimaldavad optimeerida keemiaprotsessi kulgu. keemilised tehnoloogilised protsessid. Nende probleemide lahendamiseks on vaja välja selgitada, millistes vahekordades reaktiivid (lähteained ja reaktsioonisaadused) omavahel interakteeruvad, kuidas temperatuur, rõhk, reaktsioonisegu koostis ja nende reaktiivide faasiseisund mõjutavad reaktiivide eraldumise kiirust. protsessi ja oma toodete turustamist. Lisaks on vaja kindlaks teha, millist tüüpi aparaadis ja millistes hüdrodünaamilistes tingimustes on protsess valitud väljundnäitajate suhtes (lähteainete konversiooniastmed, reaktsioonisaaduste saagis, mis tahes toote suhtes suurim selektiivsus) kõige intensiivsem. vaheaine jne) . Paljudele neist küsimustest saab vastuse, kui uurida protsesside stöhhiomeetrilisi, termodünaamilisi ja kineetilisi mustreid.
Stöhhiomeetrilised mustrid näitavad suhteid, milles reagendid üksteisega suhtlevad. Nende alusel koostatakse materjalibilansid ning tehakse ümberarvutused reageerinud ja moodustunud ainete koguste vahel. Nende tulemuste põhjal arvutatakse protsessi efektiivsusnäitajad.
Termodünaamiliste seaduste tundmine võimaldab hinnata protsessi tõenäosust Gibbsi või Helmholtzi energiat muutes, arvutada tasakaalusegu koostist pöörduvate reaktsioonide jaoks ja toimuvate reaktsioonide termilisi mõjusid.
Kineetiliste mustrite uurimine võimaldab määrata kõige tõenäolisemad reaktsioonimehhanismid ja saada võrrandeid, mis kirjeldavad lähteainete tarbimise intensiivsust või reaktsioonisaaduste teket.
Seadmed, milles keemilisi protsesse (reaktoreid) läbi viiakse, liigitatakse erinevate kriteeriumide järgi: voolu struktuuri järgi, protsessi aja- ja temperatuuritingimuste järgi jne. Tekst näitab alati seadme tüüpi ja neid tingimusi.
Selles juhendis käsitletakse ainult homogeensete keemiliste reaktsioonide kineetiliste mustrite uurimise meetodeid, kuid need on sageli lahutamatult seotud reaktsioonide stöhhiomeetriliste suhete ja termodünaamika uurimisega. Sellega seoses pööratakse juhendis tähelepanu lihtsate ja keeruliste keemiliste reaktsioonide materjalibilansi küsimustele, samuti nende termodünaamilistele aspektidele.
Füüsikalises keemias määratakse keemilise reaktsiooni kiirus vastavalt võrrandile:
Kus dq– reagendi massi muutus, mol.
dt– aja juurdekasv, s.
V- reaktsiooniruumi mõõt.
On homogeenseid keemilisi reaktsioone, milles kõik osalevad ained on ühes faasis (gaas või vedelik). Selliste reaktsioonide korral on reaktsiooniruumi mõõtmeks maht ja kiiruse mõõde on: .
Erinevates faasides (gaas-tahke, gaas-vedelik, vedelik-vedelik, tahke-vedelik) toimuvad heterogeensed keemilised reaktsioonid. Keemiline reaktsioon ise toimub faasiliideses, mis on reaktsiooniruumi mõõt.
Heterogeensete reaktsioonide puhul on kiiruse mõõde erinev: .
Reageerivate ainete massi muutumisel on oma märk. Lähteainete puhul mass reaktsiooni käigus väheneb, massimuutus on negatiivse märgiga ja kiirus saab negatiivse väärtuse. Keemilise reaktsiooni saaduste puhul mass suureneb, massimuutus on positiivne ja positiivseks võetakse ka kiiruse märk.
Mõelge lihtsale keemilisele reaktsioonile
Lihtsad reaktsioonid hõlmavad neid, mis viiakse läbi ühes etapis ja lähevad lõpuni, s.t. on pöördumatud.
Määrame sellise keemilise reaktsiooni kiiruse. Selleks tuleb kõigepealt otsustada, milline ainetest määrab reaktsioonikiiruse: lõppude lõpuks on A ja B lähteained ning nende masside muutus on negatiivne ja C on lõppsaadus, ja selle mass aja jooksul suureneb. Lisaks ei ole kõik reaktsiooni stöhhiomeetrilised koefitsiendid võrdsed ühtsusega, mis tähendab, et kui A tarbimine on mõnda aega võrdne 1 mooliga, on B tarbimine samal ajal 2 mooli ja vastavalt kiiruse väärtused. A ja B masside muutusest arvutatud erineb kaks korda.
Lihtsa keemilise reaktsiooni jaoks võib välja pakkuda ühe kiiruse mõõtmise, mis on määratletud järgmiselt:
Kus r i– kiirus vastavalt i-ndale reaktsioonis osalejale
S i– i-nda reaktsioonis osaleja stöhhiomeetriline koefitsient.
Lähteainete stöhhiomeetrilised koefitsiendid on reaktsioonisaaduste puhul negatiivsed.
Kui reaktsioonid toimuvad isoleeritud süsteemis, mis ei vaheta aineid väliskeskkonnaga, siis ainult keemiline reaktsioon toob kaasa muutuse süsteemis olevate ainete massides ja sellest tulenevalt ka nende kontsentratsioonides. Sellises süsteemis on kontsentratsioonide muutumise ainus põhjus KOOS on keemiline reaktsioon. Selle erijuhtumi jaoks
Keemilise reaktsiooni kiirus sõltub osalevate ainete kontsentratsioonist ja temperatuurist.
Kus k– keemilise reaktsiooni kiiruskonstant, C A, C B– ainete kontsentratsioonid, n 1, n 2– asjaomaste ainete tellimused. Seda väljendit tuntakse füüsikalises keemias kui massimõju seadust.
Mida kõrgemad on kontsentratsiooni väärtused, seda suurem on keemilise reaktsiooni kiirus.
Telli ( n) määratakse eksperimentaalselt ja on seotud keemilise reaktsiooni mehhanismiga. Järjekord võib olla täisarv või murdarv, mõnede ainete puhul on ka nulljärku. Kui tellimus on i th aine on null, siis keemilise reaktsiooni kiirus ei sõltu selle aine kontsentratsioonist.
Keemilise reaktsiooni kiirus sõltub temperatuurist. Arrheniuse seaduse kohaselt muutub kiiruskonstant koos temperatuuriga:
Kus A– preeksponentsiaalne tegur;
E– aktiveerimisenergia;
R– universaalne gaasikonstant, konstant;
T- temperatuur.
Sarnaselt reaktsiooni järjekorraga määratakse konkreetse reaktsiooni jaoks eksperimentaalselt aktiveerimisenergia ja preeksponentsiaalne tegur.
Kui keemiline reaktsioon viiakse läbi heterogeenses protsessis, siis mõjutab selle kiirust ka lähteainete tarnimise ja keemilise reaktsiooni tsoonist saaduste eemaldamise protsess. Seega toimub keeruline protsess, milles on difusioonietapid (varustamine, eemaldamine) ja kineetiline etapp - keemiline reaktsioon ise. Kogu katses vaadeldud protsessi kiiruse määrab kõige aeglasema etapi kiirus.
Seega, mõjutades protsessi difusioonietapi (segamise) kiirust, mõjutame kogu protsessi kui terviku kiirust. See mõju mõjutab preeksponentsiaalse teguri A väärtust.
Enamik keemilisi reaktsioone ei ole lihtsad (st need ei toimu ühes etapis ja mitte lõpuni) - keerulised keemilised reaktsioonid:
a) AB – pööratav;
b) A→B; B→C – järjestikune;
c) A→B; A→C – paralleelne.
Keerulise keemilise reaktsiooni jaoks ühest kiiruse mõõdikut pole. Erinevalt lihtsast saame siin rääkida iga keemilise aine moodustumise ja hävimise kiirusest. Seega, kui keemilised reaktsioonid toimuvad süsteemis ja hõlmavad n aineid igaühe jaoks n ainetel on oma kiirusväärtus.
Mis tahes aine puhul on moodustumise ja hävimise kiirus kõigi seda ainet hõlmavate etappide kiiruste algebraline summa.