Spośród włókien syntetycznych najbardziej znane jest włókno nylonowe.
Jest syntetyzowany z kwasu aminokapronowego*
* (Kwas kapronowy jest szóstym członkiem szeregu nasyconych jednozasadowych kwasów karboksylowych.)
Cząsteczki tego kwasu, posiadające na końcach grupy funkcyjne o przeciwnych właściwościach - zasadowe i kwasowe, wchodzą ze sobą w reakcję polikondensacji *:
* (Oto uproszczona interpretacja syntezy kapronu; w rzeczywistości kaprolaktam stosuje się jako monomer 
. Cząsteczkę kaprolaktamu można przedstawić jako wynik oddziaływania grupy karboksylowej i grupy aminowej w cząsteczce kwasu aminokapronowego. Podczas syntezy polimeru cykliczne cząsteczki kaprolaktamu mogą ulegać hydrolizie pod wpływem wody, tworząc kwas aminokapronowy.)
Proces ten przeprowadza się w autoklawie w temperaturze około 250°C. W efekcie powstaje żywica o dużej masie cząsteczkowej – nylon. Cząsteczki nylonu mają strukturę liniową i zawierają aż 200 jednostek elementarnych:
Łatwo zauważyć, że cząsteczki kwasu aminokapronowego reagują ze sobą w taki sam sposób, w jaki cząsteczki aminokwasów reagują podczas tworzenia polipeptydów (patrz podręcznik, s. 364 i tutaj, s. 17). Podobnie jak w przypadku polipeptydów, reszty kwasu aminokapronowego są połączone ze sobą wiązaniami amidowymi:
Dlatego włókna nylonowe należą do grupy tzw. włókien poliamidowych.
Obecność wiązań amidowych upodabnia te włókna do naturalnych włókien białkowych – wełny i jedwabiu. Włókna poliamidowe, podobnie jak włókna białkowe, mają wysoką wytrzymałość mechaniczną; pod tym względem znacznie przewyższają nawet naturalne (patrz tabela na stronie 52).
Włókno nylonowe, podobnie jak wiele innych włókien syntetycznych, nie wchłania wilgoci, nie gnije i nie jest zjadane przez mole. Jest bardzo odporny na ścieranie i wielokrotne odkształcenia, w czym przewyższa wszystkie włókna naturalne.
Podobnie jak substancje białkowe, nylon nie jest wystarczająco odporny na kwasy: hydroliza zachodzi poprzez jego wiązania. Odporność cieplna włókna nylonowego jest również stosunkowo niska: po podgrzaniu jego wytrzymałość maleje, a przy 215 ° C następuje topienie (dlatego nie zaleca się prasowania produktów nylonowych gorącym żelazkiem). Pod względem odporności na światło włókno nylonowe jest gorsze od nitronu.
Pomimo pewnego podobieństwa właściwości do białek, nylon oczywiście nie jest jednym z nich. Wszystkie białka zbudowane są z aminokwasów, w których grupa aminowa i grupa karboksylowa zawsze znajdują się najbliżej siebie, co można wyrazić wzorem ogólnym 
. W kwasie aminokapronowym grupy te są stosunkowo daleko od siebie i są oddzielone pięcioma grupami CH2; wydaje się, że powoduje to wytwarzanie ściśle liniowych cząsteczek i osiąga wyższą wytrzymałość włókien.
Wiadomo, jak szeroko stosowane jest włókno nylonowe. Eleganckie bluzki, szaliki, skarpetki, pończochy i wiele innych przedmiotów wykonanych z nylonu stały się powszechne w naszym codziennym życiu. Dużą popularnością cieszą się produkty wykonane ze skręconych włókien nylonowych – bezwymiarowe, łatwo rozciągliwe pończochy i skarpetki. Ostatnio zaczęto wytwarzać doskonałe produkty futrzane z nylonu.
Nylon jest również używany do produkcji tkanin spadochronowych, lin, sprzętu wędkarskiego, żyłek wędkarskich itp. Wzmocniony nylon służy do produkcji tkaniny kordowej używanej jako rama opon samochodowych i lotniczych. Żywotność opon z kordem nylonowym jest znacznie dłuższa niż żywotność opon z kordem wiskozowym i bawełnianym.
Żywica nylonowa ma również szerokie zastosowanie jako tworzywo sztuczne do produkcji części i mechanizmów maszyn - przekładni, panewek łożysk, tulei itp., które charakteryzują się dużą wytrzymałością i odpornością na zużycie.
W produkcji włókna nylonowego najciekawszy jest proces jego formowania.
W przeciwieństwie do włókna wiskozowego, chloru i nitronu, włókno nylonowe powstaje nie z roztworu, ale ze stopu polimeru.
Tworzenie się nitek nylonowych można łatwo zaobserwować doświadczalnie. Jeśli stopisz kawałki żywicy nylonowej lub skrawki produktu nylonowego w probówce lub szkle i zanurzysz koniec szklanego pręta w stopieniu, a następnie wyjmiesz go ze stopu, to za sztyftem pociągnie się cienkie, długie nitki nylonu na zewnątrz, krzepnąc w powietrzu.
Zasadniczo ten sam proces przeprowadza się przy produkcji włókna nylonowego w przemyśle. Figura 12 przedstawia ogólny schemat otrzymywania włókna nylonowego, a figury 13 i 14 przedstawiają szczegóły głowicy topiącej maszyny do przędzenia włókien ze stopu.
Rozdrobniona żywica nylonowa ze zbiornika wchodzi do głowicy topiącej. Na ruszcie nagrzanym przez przepływające przez wężownicę pary substancji wysokowrzących, żywica topi się. Lepki stop żywicy jest pompowany przez pompę wirującą do dyszy przędzalniczej, skąd wypływa w postaci cienkich strumieni do szybu, do którego wpływa zimne powietrze. Gdy strumienie ochładzają się, zestalają się w cienkie włókna. Włókna te wychodzą z dna wału i są nawinięte na duże cylindryczne szpule - szpule. Następnie są one rozciągane (na rolkach obracających się z różnymi prędkościami) i skręcane w nitki. Szczególnie mocne rozciąganie wykonuje się przy uzyskiwaniu wzmocnionego włókna kordowego. Figura 15 przedstawia ogólny widok maszyny przędzącej włókna nylonowe.
Pytania i ćwiczenia
52. Oblicz średnią masę cząsteczkową nylonu, korzystając z danych podanych powyżej.
53. Jakie są podobieństwa i różnice w budowie i właściwościach nylonu i białek?
54. Czy nylon jest żywicą termoplastyczną czy termoutwardzalną? Jak można poprzeć Twoją odpowiedź?
55. Włókno Enant, które różni się od nylonu większą odpornością na światło, otrzymuje się z produktu polikondensacji kwasu aminoenantowego.
Napisz równanie polikondensacji kwasu aminoenantowego i podaj wzór strukturalny powstałej substancji wielkocząsteczkowej.
56. Włókno anidowe (nachylenie) otrzymuje się z produktu polikondensacji heksametylenodiampanu H 2 N-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -NH 2 i kwasu adypinowego HOOC-CH 2 -CH 2 -CH2-CH2-COOH. Zapisz równanie tej reakcji polikondensacji.
Katedra Chemii Fizycznej
Abramenkov A.V.
KINET
Program do numerycznej symulacji kinetyki
złożone reakcje chemiczne
Program KINET przeznaczony jest do rozwiązywania problemów kinetycznych bezpośrednich i odwrotnych. Jako dane wyjściowe podaje się schemat (mechanizm) kinetyczny procesu w postaci zestawu prostych reakcji wskazujących stałe szybkości, a równania reakcji można zapisać w postaci zbliżonej do konwencjonalnych zapisów chemicznych. Dodatkowo wskazane są warunki procesu – początkowe stężenia odczynników i temperatura, a także przedział czasowy, w jakim wymagane jest rozwiązanie. W przypadku odwrotnego zagadnienia kinetycznego konieczne jest także określenie eksperymentalnych krzywych kinetycznych.
Program samodzielnie układa układ równań różniczkowych i całkuje go. Wyniki prezentowane są numerycznie i graficznie i można je eksportować do wykorzystania w innych programach.
Niektóre przykłady zastosowania programu KINET podano w książce: „Warsztaty z chemii fizycznej: Kinetyka i kataliza. Elektrochemia” (Abramenkov A.V., Ageev E.P., Atyaksheva L.F. i in. Pod redakcją V.V. Lunina i E.P. Ageeva). M.: Wydawnictwo. Centrum „Akademia”, 2012. Sekcja I.8, „Modelowanie matematyczne kinetyki reakcji złożonych”, s. 1-2. 70-102. Szczegółowy przewodnik korzystania z programu znajdziesz w pliku UserGuide.pdf.
Wymagania systemowe:
- System operacyjny Windows XP/Vista/7 (32- lub 64-bitowy),
- 3,7 MB na dysku lub pendrive'ie na pliki programu,
- Rozdzielczość ekranu co najmniej 1024 x 768 (najlepiej wyższa).
Instrukcja instalacji programu
Aby zainstalować program KINET wystarczy rozpakować pobrane archiwum (z zachowaniem wewnętrznej struktury podfolderów) do folderu „Program Files” lub dowolnego innego folderu i utworzyć na pulpicie skrót uruchamiający plik wykonywalny wkinet.exe.
W folderze Kinet podfolder ustawień regionalnych zawiera tłumaczenie interfejsu programu na język rosyjski. Jeśli brakuje tego podfolderu, program będzie nadal działał, ale będzie miał interfejs w języku angielskim.
Poszczególne ustawienia zapisywane są w pliku kinet.ini w standardowym folderze do przechowywania danych w profilu użytkownika. W nowoczesnych wersjach systemu Windows jest to zwykle folder C:\Users\<Имя пользователя>\Dane aplikacji\Kinet\
Program nie zapisuje niczego do rejestru systemu Windows, dlatego aby całkowicie usunąć go z komputera, wystarczy usunąć główny folder Kinet z plikami programu oraz folder Kinet w profilu użytkownika (patrz wyżej).
Program KINET jest rozpowszechniany bezpłatnie (patrz umowa licencyjna w pliku Kinet\doc\license_ru.txt).
|
Wstęp................................................. ....... | |
|
1. Kinetyka chemiczna............................................ ...... | |
|
1.1. Stechiometria i bilans materiałowy w reakcjach chemicznych | |
|
1.2. Szybkość jednorodnej reakcji chemicznej...... | |
|
1.3. Metodologia badań kinetycznych............................ | |
|
1.4. Różnicowa metoda przetwarzania danych doświadczalnych............................................ ........... .. | |
|
1,5. Integralna metoda przetwarzania danych eksperymentalnych | |
|
2. Modelowanie kinetyczne i mechanizm reakcji chemicznych | |
|
2.1. Klasyfikacja reakcji elementarnych............................ | |
|
2.2. Budowa modeli kinetycznych ciągu etapów elementarnych........................................... ........... | |
|
2.2.1. Reakcje łańcuchowe .................................. | |
|
2.2.2. Kataliza homogeniczna............................ | |
|
2.2.3. Podstawy kinetyki tworzenia polimerów............ | |
|
Wniosek................................................ | |
Wstęp
Proces chemiczny jest złożonym zjawiskiem, w którym zajściu reakcji chemicznej towarzyszy wymiana ciepła i materii. Zachodzące wspólnie reakcje chemiczne, wymiana ciepła i masy wzajemnie na siebie wpływają, dlatego dopiero znajomość praw przebiegu procesu chemicznego jako całości stanowi podstawę do tworzenia wysokowydajnej produkcji chemicznej oraz podstawę do konstruowania modeli matematycznych pozwalających na optymalizację przebiegu procesów chemicznych. chemiczne procesy technologiczne. Aby rozwiązać te problemy, należy dowiedzieć się, w jakich proporcjach odczynniki (substancje wyjściowe i produkty reakcji) oddziałują ze sobą, jak temperatura, ciśnienie, skład mieszaniny reakcyjnej i stan fazowy tych odczynników wpływają na szybkość reakcji procesu i dystrybucji swoich produktów. Ponadto należy ustalić, w jakim typie aparatury i w jakich warunkach hydrodynamicznych proces jest najbardziej intensywny w stosunku do wybranych wskaźników wyjściowych (stopnie konwersji substancji wyjściowych, wydajność produktów reakcji, przy największej selektywności dla dowolnego produktu lub substancja pośrednia itp.). Odpowiedzi na wiele z tych pytań można uzyskać badając stechiometryczne, termodynamiczne i kinetyczne wzorce procesów.
Wzory stechiometryczne pokazują stosunki, w jakich reagenty oddziałują ze sobą. Na ich podstawie sporządzane są bilanse materiałowe i dokonywane są przeliczenia ilości substancji przereagowanych i powstałych. Na podstawie ich wyników obliczane są wskaźniki efektywności procesu.
Znajomość praw termodynamiki pozwala oszacować prawdopodobieństwo procesu poprzez zmianę energii Gibbsa lub Helmholtza, obliczyć skład mieszaniny równowagowej dla reakcji odwracalnych oraz skutki termiczne zachodzących reakcji.
Badanie wzorców kinetycznych umożliwia określenie najbardziej prawdopodobnych mechanizmów reakcji i uzyskanie równań opisujących intensywność zużycia substancji wyjściowych lub powstawanie produktów reakcji.
Aparaty, w których przeprowadzane są procesy chemiczne (reaktory), klasyfikuje się według różnych kryteriów: ze względu na strukturę przepływu, ze względu na warunki czasowe i temperaturowe procesu itp. Tekst zawsze będzie wskazywał typ urządzenia i te warunki.
W tym podręczniku omówione zostaną jedynie metody badania wzorców kinetycznych jednorodnych reakcji chemicznych, ale często okazują się one nierozerwalnie związane z badaniem zależności stechiometrycznych i termodynamiki reakcji. W tym zakresie w podręczniku zwrócono uwagę na zagadnienia bilansu materiałowego prostych i złożonych reakcji chemicznych, a także ich aspekty termodynamiczne.
W chemii fizycznej szybkość reakcji chemicznej określa się według równania:
Gdzie dq– zmiana masy reagenta, mol.
dt– przyrost czasu, s.
V– miara przestrzeni reakcji.
Istnieją jednorodne reakcje chemiczne, w których wszystkie uczestniczące substancje znajdują się w jednej fazie (gazowej lub ciekłej). Dla takich reakcji miarą przestrzeni reakcji jest objętość, a wymiarem prędkości będzie: .
Heterogeniczne reakcje chemiczne zachodzą pomiędzy substancjami w różnych fazach (gaz-ciało stałe, gaz-ciecz, ciecz-ciecz, ciało stałe-ciecz). Sama reakcja chemiczna zachodzi na granicy faz, która jest miarą przestrzeni reakcyjnej.
W przypadku reakcji heterogenicznych wymiar prędkości jest inny: .
Zmiana masy reagujących substancji ma swój własny znak. W przypadku substancji wyjściowych masa maleje w miarę postępu reakcji, zmiana masy ma znak ujemny, a szybkość przyjmuje wartość ujemną. W przypadku produktów reakcji chemicznej masa wzrasta, zmiana masy jest dodatnia, a znak prędkości również przyjmuje się za dodatni.
Rozważmy prostą reakcję chemiczną
Do reakcji prostych zalicza się takie, które przeprowadza się w jednym etapie i dochodzą do końca, tj. są nieodwracalne.
Wyznaczmy szybkość takiej reakcji chemicznej. Aby to zrobić, należy przede wszystkim zdecydować, która z substancji będzie determinować szybkość reakcji: w końcu A i B są substancjami wyjściowymi, a zmiana ich mas jest ujemna, a C jest produktem końcowym, a jego masa rośnie z czasem. Ponadto nie wszystkie współczynniki stechiometryczne w reakcji są równe jedności, co oznacza, że jeśli zużycie A przez pewien czas będzie równe 1 molowi, to zużycie B w tym samym czasie wyniesie 2 mole i odpowiednio wartości szybkości obliczone na podstawie zmiany mas A i B będą się różnić o połowę.
Dla prostej reakcji chemicznej można zaproponować pojedynczą miarę szybkości, którą definiuje się w następujący sposób:
Gdzie r ja– prędkość według i-tego uczestnika reakcji
S– współczynnik stechiometryczny i-tego uczestnika reakcji.
Zakłada się, że współczynniki stechiometryczne dla substancji wyjściowych są dodatnie, dla produktów reakcji są ujemne.
Jeżeli reakcje zachodzą w izolowanym układzie, który nie wymienia substancji ze środowiskiem zewnętrznym, to dopiero reakcja chemiczna prowadzi do zmiany mas substancji w układzie, a co za tym idzie, ich stężeń. W takim systemie jedyną przyczyną zmian stężeń jest Z jest reakcją chemiczną. W tym szczególnym przypadku
Szybkość reakcji chemicznej zależy od stężenia substancji biorących w niej udział i temperatury.
Gdzie k– stała szybkości reakcji chemicznej, C A, C B– stężenia substancji, n 1, n 2– zamówienia na odpowiednie substancje. Wyrażenie to znane jest w chemii fizycznej jako prawo działania mas.
Im wyższe wartości stężenia, tym większa szybkość reakcji chemicznej.
Zamówienie ( N) określa się eksperymentalnie i wiąże się z mechanizmem reakcji chemicznej. Rząd może być liczbą całkowitą lub ułamkową, w przypadku niektórych substancji występują również reakcje zerowego rzędu. Jeśli zamówienie jest I substancja wynosi zero, wówczas szybkość reakcji chemicznej nie zależy od stężenia tej substancji.
Szybkość reakcji chemicznej zależy od temperatury. Zgodnie z prawem Arrheniusa stała szybkości zmienia się wraz ze zmianą temperatury:
Gdzie A– czynnik przedwykładniczy;
mi– energia aktywacji;
R– uniwersalna stała gazowa, stała;
T- temperatura.
Podobnie jak kolejność reakcji, energię aktywacji i współczynnik przedwykładniczy określa się eksperymentalnie dla konkretnej reakcji.
Jeżeli reakcja chemiczna prowadzona jest w procesie heterogenicznym, to na jej szybkość wpływa także proces dostarczania substancji wyjściowych i usuwania produktów ze strefy reakcji chemicznej. W ten sposób zachodzi złożony proces, w którym występują etapy dyfuzji (zasilanie, usuwanie) i etap kinetyczny – sama reakcja chemiczna. Szybkość całego procesu obserwowana w doświadczeniu jest określona przez prędkość najwolniejszego etapu.
Zatem wpływając na prędkość etapu dyfuzji procesu (mieszania), wpływamy na szybkość całego procesu jako całości. Wpływ ten wpływa na wartość współczynnika przedwykładniczego A.
Większość reakcji chemicznych nie jest prosta (tj. nie zachodzą jednoetapowo i nie do końca) - złożone reakcje chemiczne:
a) AB – odwracalny;
b) A → B; B → C – sekwencyjny;
c) A → B; A → C – równoległy.
Do złożonej reakcji chemicznej nie ma jednej miary prędkości. W przeciwieństwie do prostych, tutaj możemy mówić o szybkości powstawania i niszczenia każdej substancji chemicznej. Tak więc, jeśli reakcje chemiczne zachodzą w układzie i obejmują N substancje dla każdego N substancje mają swoją własną wartość prędkości.
W przypadku dowolnej substancji szybkość tworzenia i niszczenia jest sumą algebraiczną szybkości wszystkich etapów, w których uczestniczy ta substancja.