Исследование свойств целлюлозы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конкурс исследовательских работ "Умники и умницы"

Секция: Естествознание (химия)

Исследование свойств целлюлозы

Автор:

Бардин Сергей

Челябинск

2015



Содержание

Введение

1. Характеристика целлюлозы

1.1 Целлюлоза на мировом рынке искусственных волокон

1.2 Свойства физические и химические целлюлозы

1.3 Вискоза, как продукт переработки целлюлозы

1.4 Нестандартные способы получения целлюлозы

2. Экспериментальная часть

2.1 Получение вискозы в лабораторных условиях

2.2 Получение нитроцеллюлозы

2.3 Растворение целлюлозы в уксусной кислоте, серной кислоте, аммиачном растворе гидроксидамеди(II)

Заключение

Литература



Введение

Середина XX века стала периодом триумфального пришествия химических волокон. Благодаря высокой механической прочности, химической стойкости и другим замечательным свойствам они быстро нашли множество технических применений в самых разных отраслях промышленности.

В обычной жизни немнущиеся и не подвергающиеся усадке синтетические ткани заметно потеснили традиционные хлопок, лен, шелк и шерсть. На завоевание и освоение мирового текстильного рынка химическим волокнам потребовалось всего 50 лет.

За это время потребление натуральных волокон снизилось в 2,2 раза, а химических - возросло в 53,5 раза.

Однако на рубеже XX и XXI веков над производством химических волокон стали "сгущаться тучи". Это связано с увеличением спроса на углеводородное сырье в качестве энергоносителя, ростом цен на него, тревожными прогнозами об истощении нефтяных запасов, а также с экологическими проблемами производства. Поэтому вновь возник интерес к получению химических волокон из возобновляемого, достаточно дешевого и доступного природного сырья, и в первую очередь из целлюлозы.

Цель работы: изучить физические и химические свойства целлюлозы

Объект изучения: целлюлоза

Из поставленной перед нами цели вытекают следующие задачи:

1. Обоснование выбора объекта изучения.

Ознакомление с литературой о способах получения, свойствах целлюлозы.

Выбор реагентов для проведения экспериментальной части работы.

Изучение особенностей производных целлюлозы.

Проведение экспериментальной части работы.

Составление плана дальнейших исследований по данной проблеме.

Для реализации поставленных целей были использованы следующие литературные источники: см. список литературы.



1. Характеристика целлюлозы

1.1 Целлюлоза на мировом рынке искусственных волокон

Целлюлоза - природный полимер, макромолекулы которого представляют собой цепочки соединенных вместе звеньев - молекул глюкозы. Из целлюлозы построены клеточные стенки всех растений. Волокна семян хлопчатника содержат 95-98% целлюлозы, стебли льна, джута и других лубяных растений - 60-85%, древесина - до 40-55%.

Первооткрывателем целлюлозы стал французский химик Ансельм Пайен. Произошло это в 1838 году. Чтобы выяснить, из каких компонентов состоит древесина, Пайен обработал образцы древесины разных пород азотной кислотой и во всех случаях получил волокнистое вещество с формулой C6H10O5, аналогичное веществу хлопковых волокон.

Перспектива создать из древесины искусственное волокно выглядела очень заманчивой. Но для этого требовалось перевести целлюлозу в пригодную для вытяжки волокна форму. Поскольку в обычных растворителях природная целлюлоза нерастворима, ее сначала надо было химически модифицировать. К концу XIX века усилия химиков увенчались успехом: они научились получать вискозу (вязкий раствор модифицированной целлюлозы) и вытягивать из нее вискозное волокно.

Производство вискозного волокна - сложный многооперационный процесс, состоящий из нескольких стадий. Сначала целлюлозу древесины хвойных пород обрабатывают концентрированным раствором щелочи (стадия мерсеризации). Полученную щелочную целлюлозу измельчают, а затем выдерживают в течение нескольких часов, чтобы длинные макромолекулы целлюлозы частично окислились на воздухе и распались на более короткие цепочки. На следующем этапе щелочную целлюлозу обрабатывают сероуглеродом СS2. В результате этой реакции образуется ксантогенат целлюлозы - продукт, который растворяется в разбавленной щелочи. Процесс растворения при температуре 10-12оС занимает несколько часов. В итоге получается вязкий гель - вискоза. Гель фильтруют, очищая от механических примесей, и удаляют пузырьки воздуха. Лишь после этого из вискозы можно получать волокна, пригодные для переработки в пряжу, или длинные мононити для технических целей.

Вискозные волокна и нити применяют в производстве текстильных материалов как в чистом виде, так и в смесках с хлопком, полиэфирными и шерстяными волокнами. Крученые вискозные нити большой прочности активно используют в технических целях - при изготовлении корда для автомобильных шин и транспортерных лент. Но с появлением полиэфирных технических нитей, имеющих более высокие физико-механические свойства, применение для этих целей вискозы значительно сократилось.

Главный недостаток, во многом определяющий спад производства вискозных волокон, - экологически грязная технология, основанная на применении сероуглерода. При разложении ксантогената помимо сероуглерода в значительном количестве выделяется ядовитый газ сероводород. Для создания нормальных санитарно-гигиенических условий машины для получения волокон герметизируют, производственные помещения оснащают мощными системами вентиляции и улавливания вредных газов, остатки которых выбрасываются в атмосферу через трубы высотой до 120 м. Производство вискозного волокна требует большого расхода электроэнергии и химических материалов (более 1,5 кг на 1 кг волокна).

Однако прекрасный потребительский вид (шелковистость, яркость и прочность окраски) и невысокая стоимость изделий обеспечивают им популярность. Поэтому перед химиками встала задача разработки экологически безопасной и экономичной промышленной технологии получения целлюлозных волокон нового поколения. И эта задача была успешно выполнена.

Найти новое решение проблемы растворения и переработки целлюлозы удалось в 90-х годах прошлого века. Альтернативой вискозному производству стал технологический процесс прямого растворения древесной целлюлозы (без химической модификации) в сильно полярном органическом растворителе - N-метилморфолин-N-оксиде (NММО). Экологическая чистота процесса обусловлена тем, что этот растворитель практически полностью регенерируется и не образует вредных продуктов распада. На рынке текстильных материалов такие волокна получили название "лиоцелл". Процесс их производства экономичен, так как включает гораздо меньше стадий, чем вискозный процесс. Общими для выработки волокон лиоцелла и вискозы остались только исходное сырье и химический состав получаемых волокон.

Промышленное производство лиоцелла началось в 1992 году с 18 тыс. тонн, а в 2003 году объем выпуска волокна в мире достиг уже 135 тыс. тонн, увеличившись в 7,5 раза. Тенденция бурного роста производства лиоцелла сохраняется. Разработка и промышленное освоение технологий получения новых волокнообразующих полимеров - приоритет индустриально развитых государств: США, стран ЕС, Китая, Японии, Израиля, имеющих большой промышленный и научный капитал. Россия, несмотря на огромные запасы сырья для такого производства, увы, пока отстает в этой области.

Вискоза производится из натурального материала - целлюлозы т.е. из древесины, поэтому из всех химических волокон это - самое "естественное". Изменяя толщину и характер волокон, можно получать полотна, очень похожие на натуральные - на шерсть, хлопок, шелк и лен.

Вискоза была изобретена французским ученым Гильером де Шардоне в 1884 году.

Он же с помощью вискозы создал первую искусственную ткань. Вискоза - это вязкая органическая жидкость, которая используется при изготовлении вискозного волокна.

Волокно в свою очередь, применяемая в текстильной промышленности для производства искусственных тканей и искусственной кожи. Первоначально вискоза успешно использовалась только в текстиле, но потом последовали попытки изготовления твердых предметов. Эти эксперименты потерпели неудачу, так как изделия оказывались слишком хрупкими. Дальнейшие исследование показали, что вискоза хорошо подходит для отделки и вышивки.

К началу 20-го века использование вискозы окончательно вошло в текстильную промышленность. Вскоре вискоза победила шерсть и хлопчатобумажную ткань на рынке женского белья.

Свойства чистой вискозы больше всего напоминают свойства хлопка. Ткань приятна на ощупь, гигроскопична и воздухопроницаема. Чистая вискоза полупрозрачная и блестящая и этим похожа на шелк, за что ее называют "искусственным шелком".

Для избавления от блеска (если он нежелателен) вискозу обрабатывают дополнительно матирующие добавки. Вискоза не накапливает статического электричества.

Вискозное волокно легче, чем хлопковое, возможность окрасить в любые яркие цвета - ведь краситель можно ввести непосредственно в раствор, из которого будет восстановлена нить. Вискозу также отличает крайне высокая гигроскопичность. Вискоза впитывает в два раза больше влаги, чем, например, хлопок.

Вискозу используют повсеместно - это легкий материал, приятный на ощупь. Из нее получаются великолепные блузки, платья, мужские сорочки, брюки и многое другое.

Основным достоинством этого материала может по праву считаться гигиеничность, поэтому вискозу используют даже при пошиве одежды для детей. Кроме того, благодаря отличной воздухопроницаемости, и зимой, и летом ваша кожа будет активно проветриваться.

Еще одним плюсом ко всему вышеперечисленному является тот факт, что вискоза не накапливает статического электричества, а, значит, не возникнет неприятного треска и покалывающего воздействия на вашу кожу.

Химическими называются волокна, которые получаются в заводских или лабораторных условиях из полимеров естественного происхождения или синтезированных химическим путем.

Волокна из натуральных полимеров называются искусственными, а волокна, сформированные из полимеров, которые получены путем химического синтеза, -- синтетическими.

Искусственные волокна вырабатывают из природных высокомолекулярных соединений (целлюлозы, белков), стекла, металлов и их сплавов. Более 92% всех искусственных волокон вырабатывают из целлюлозы. Известны три способа получения искусственных целлюлозных волокон: вискозный, ацетатный, медноаммиачный. В соответствии с этими способами и волокна получили свои наименования: вискозные, ацетатные и медноаммиачные.

Вискозные волокна занимают почти 80% мирового производства всех искусственных волокон.

Получение.

Исходным сырьем для производства вискозного волокна служит древесная целлюлоза.

Для получения целлюлозы древесину ели или сосны измельчают и обрабатывают различными реагентами, например, разбавленным раствором бисульфита кальция Ca(HS03)2 при температуре 130--150° (сульфитный способ).

В процессе варки лигнин и другие вещества, находящиеся в древесине, переходят в раствор, а оставшаяся целлюлоза после промывки и отбелки подвергается сушке и в виде листов или в рулонах поступает на заводы искусственных волокон.

Процесс производства вискозного волокна включает три основные стадии: получение растворимого соединения целлюлозы, формование волокна, отделку волокна.

Для получения растворимого соединения целлюлозы ее сначала подсушивают или кондиционируют (по влажности), а затем обрабатывают 18%-ным раствором едкого натра. В результате этого получается щелочная целлюлоза

(С8Н10О3)n+nNaOH (С6Н10О6 NaOH)n8.

1.2 Свойства физические и химические целлюлозы

Целлюлоза (клетчатка) - растительный полисахарид, являющийся самым распространенным органическим веществом на Земле. целлюлоза представляет собой природный полимер-полисахарид. Это вещество белого цвета, без вкуса и запаха, нерастворимое в воде, имеющее волокнистое строение.

Целлюлоза используется для изготовления различных полусинтетических волокон. Они называются вискозным волокном. Целлюлозу, необходимую для получения вискозного волокна, обычно получают из древесины.

Древесина состоит приблизительно на 50% из целлюлозы и на 30% из лигнина. Лигнин тоже представляет собой природный полимер, однако он не относится к углеводам. Скелетная структура мономерного звена лигнина такова:

Для получения целлюлозы используют мягкую древесину, например, сосну либо пихту. Лигнин удаляют, нагревая древесные стружки в растворе гидросульфита кальция, содержащем избыток диоксида серы. В этом растворе происходит растворение лигнина, после чего целлюлозное волокно отделяют фильтрацией. Продукт подвергают размалыванию с целью получения древесной целлюлозы. Чистую целлюлозу получают путем обработки древесной целлюлозы реактивом Швейцера, который представляет собой аммиачный раствор гидроксида меди (II). После добавления разбавленной минеральной кислоты происходит осаждение чистой целлюлозы.

Физические свойства: это вещество белого цвета, без вкуса и запаха, нерастворимое в воде, имеющее волокнистое строение. Растворяется в аммиачном растворе гидроксида меди (II) - реактиве Швейцера.

Этот биополимер обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений, образуя стенку растительных клеток. В большом количестве целлюлоза содержится в тканях древесины (40-55%), в волокнах льна (60-85%) и хлопка (95-98%). Основная составная часть оболочки растительных клеток. Образуется в растениях в процессе фотосинтеза.

Древесина состоит на 50% из целлюлозы, а хлопок и лён, конопля практически чистая целлюлоза. Хитин (аналог целлюлозы) - основной компонент наружного скелета членистоногих и других беспозвоночных, а также в составе клеточных стенок грибов и бактерий.

Строение: состоит из остатков в - глюкозы

Получают из древесины.

Применение: целлюлоза используется в производстве бумаги, искусственных волокон, пленок, пластмасс, лакокрасочных материалов, бездымного пороха, взрывчатки, твердого ракетного топлива, для получения гидролизного спирта и др. Получение ацетатного шёлка - искусственное волокно, оргстекла, негорючей плёнки из ацетилцеллюлозы. Получение бездымного пороха из триацетилцеллюлозы (пироксилин). Получение коллодия (плотная плёнка для медицины) и целлулоида (изготовление киноленты, игрушек) из диацетилцеллюлозы. Изготовление нитей, канатов, бумаги. Получение глюкозы, этилового спирта (для получения каучука)

К важнейшим производным целлюлозы относятся:

метилцеллюлоза (простые метиловые эфиры целлюлозы) общей формулы

[C6H7O2(OH)3-x(OCH3)x]n (х = 1, 2 или 3);

ацетилцеллюлоза (триацетат целлюлозы) - сложный эфир целлюлозы и уксусной кислоты [C6H7O2(OCOCH3)3]n

нитроцеллюлоза (нитраты целлюлозы) - сложные азотнокислые эфиры целлюлозы:

[C6H7O2(OH)3-х(ONO2)х]n (х = 1, 2 или 3).

Химические свойства

Гидролиз

(C6H10O5)n + nH2O t,H2SO4 > nC6H12O6

Гидролиз протекает ступенчато:

(C6H10O5)n > (C6H10O5)m > xC12H22O11 > n C6H12O6

(Примечание, m<n)

крахмал декстрины мальтоза глюкоза

Реакции этерификации: целлюлоза - многоатомный спирт, на элементную ячейку полимера приходятся три гидроксильных группы. В связи с этим, для целлюлозы характерны реакции этерификации (образование сложных эфиров). Наибольшее практическое значение имеют реакции с азотной кислотой и уксусным ангидридом. Целлюлоза не дает реакции "серебряного зеркала".

Нитрование:

(C6H7O2(OH)3)n + 3nHNO3 H2SO4(конц.)> (C6H7O2(ONO2)3)n + 3nH2O

Пироксилин целлюлоза

+3n HNO3-H2SO4

тринитрат целлюлозы

+ 3n H2О

Полностью этерифицированная клетчатка известна под названием пироксилин, который после соответствующей обработки превращается в бездымный порох. В зависимости от условий нитрования можно получить динитрат целлюлозы, который в технике называется коллоксилином. Он так же используется при изготовлении пороха и твердых ракетных топлив. Кроме того, на основе коллоксилина изготавливают целлулоид.

Взаимодействие с уксусной кислотой:

(C6H7O2(OH)3)n + 3nCH3COOH H2SO4(конц.)> (C6H7O2(OCOCH3)3)n + 3nH2O

При взаимодействии целлюлозы с уксусным ангидридом в присутствии уксусной и серной кислот образуется триацетилцеллюлоза. + 3n

Триацетилцеллюлоза

+ 3n СH3СOOН

Триацетилцеллюлоза (или ацетилцеллюлоза) является ценным продуктом для изготовления негорючей кинопленки и ацетатного шелка. Растворитель испаряется и струйки раствора превращаются в тончайшие нити ацетатного шелка.

Целлулоид, который ранее использовался для изготовления фото- и кинопленки, получают путем обработки целлюлозы разбавленной азотной кислотой и перемешивания полученного продукта с камфорой. Целлулоид чрезвычайно огнеопасен, так как его горение происходит очень бурно. Это послужило причиной серьезных пожаров в кинотеатрах и больничных рентгенологических кабинетах. В настоящее время для изготовления фото- и кинопленки целлулоид заменили ацетатом целлюлозы.

1.3 Вискоза, как продукт переработки целлюлозы

Вискозные волокна занимают почти 80% мирового производства всех искусственных волокон.

Получение.

Исходным сырьем для производства вискозного волокна служит древесная целлюлоза. Для получения целлюлозы древесину ели или сосны измельчают и обрабатывают различными реагентами, например, разбавленным раствором бисульфита кальция Ca(HS03)2 при температуре 130--150° (сульфитный способ).

В процессе варки лигнин и другие вещества, находящиеся в древесине, переходят в раствор, а оставшаяся целлюлоза после промывки и отбелки подвергается сушке и в виде листов или в рулонах поступает на заводы искусственных волокон.

Процесс производства вискозного волокна включает три основные стадии: получение растворимого соединения целлюлозы, формование волокна, отделку волокна.

Для получения растворимого соединения целлюлозы ее сначала подсушивают или кондиционируют (по влажности), а затем обрабатывают 18%-ным раствором едкого натра. В результате этого получается щелочная целлюлоза

(С8Н10О3)n+nNaOH (С6Н10О6 NaOH)n8.

Для получения вискозного волокна целлюлозу обрабатывают смесью гидроксида натрия и дисульфида углерода (сероуглерода). Продуктом этого процесса является водный раствор натриевой соли ксантогената целлюлозы, которая называется вискозой:

Затем раствор вискозы продавливают через тонкие отверстия в ванну с разбавленной серной кислотой, где происходит осаждение тонких нитей вискозного волокна. Эти нити можно прясть или плести и таким образом получать из них текстиль.

Для получения целлофана вискозный раствор продавливают через узкие щели в разбавленный раствор серной кислоты. Целлофан широко применяется как прозрачная пленка для упаковки пищевых продуктов, хотя в настоящее время для этой же цели все больше используется полипропилен. В практической части работы мы рассмотрим получение вискозы на опыте.

1.4 Нестандартные способы получения целлюлозы

В основу классификации способов делигнификации положены свойства и вид применяемых химикатов. Исходя из этого, все известные методы делят на группы: кислотные, щелочные, окислительные, органосольвентные, ступенчатые и комбинированные.

Основным способом производства целлюлозы во всем мире, в том числе и в России, является сульфатный. Однако этот способ был и остается серьезным источником загрязнения окружающей среды токсичными и дурнопахнущими серосодержащими соединениями.

Большие масштабы производства целлюлозы во всем мире приводят ежегодно к попаданию в окружающую среду миллионов тонн серы в виде таких вредных соединений, как сероводород, органические сульфиды, сернистый ангидрид и т.п. даже при соблюдении сегодняшних жестких норм на их содержание в стоках и газовых выбросах. Таким образом, причинами перехода к новым способам делигнификации являются:

1. Возросшие требования к охране окружающей среды;

2. Дефицит сырья, в том числе и растительного;

3. Энергетический кризис;

4. При традиционных способах делигнификации выход технической целлюлозы невелик.

К нетрадиционным способам варки целлюлозы относят:

1. Органосольвентные;

2. Щелочные с восстановителями;

3. Биотехнологические;

4. Гидротропные.

Органосольвентные способы делигнификации

Варки с органическими растворителями или органосольвентные варки (от англ. organic solvent - органический растворитель) могут осуществляться без дополнительных химических реагентов

Способы проведения органосольвентных варок целлюлозы.

К преимуществам органосольвентных методов относят:

1. Возможность переработки растительной биомассы разделением на отдельные компоненты с последующим их использованием: техническая целлюлоза для химпереработки или ферментативного гидролиза; лигнин для получения из него при дальнейшей переработке жидкого топлива; гемицеллюлозы в виде раствора на дальнейшее разделение или переработку.

2. Исключение из цикла производства токсичных серосодержащих соединений при варке целлюлозы;

3. Возможность перехода на способы отбелки с почти полным (ECF) или полным (TCF) отказом от хлорсодержащих соединений;

4. Проведение процесса делигнификации в мягких условиях с получением качественной целлюлозы;

5. Упрощение регенерации варочных растворов, не содержащих значительного количества минеральных веществ;

6. Возможность создания замкнутых процессов без загрязнения окружающей среды вредными выбросами;

Водно-спиртовые варки

В качестве растворителей в данном случае применяют водные растворы метилового или этилового спиртов, которые относятся к многотоннажным растворителям. Делигнификация водно-спиртовыми смесями имеет особенности:

1. Варка протекает при неконтролируемом изменении значения рН варочной среды (так, варка в 50 %-ном этаноле начинается при рН ~ 6,5, а заканчивается при рН 2,8...3,8).

2. Высокие температуры приводят к быстрому повышению концентрации отщепляемых кислот в областях клеточной стенки, богатых гемицеллюлозами (P-S1 и S3).

3. Основная фаза делигнификации начинается после удаления определенного количества гемицеллюлоз, сопровождающегося образованием в клеточной стенке макропор.

4. Основной реакцией деструкции лигнина является гидролитическое расщепление в-эфирной связи, в-эфирная связь может подвергаться как гидролитической деструкции, так и гомолитическому расщеплению.

5. Высокие температуры и низкие значения рН вызывают конденсацию лигнина.

6. Большая часть лигнина в варочном растворе находится в коллоидном состоянии и при охлаждении быстро агрегируется и осаждается на поверхности волокон. Осажденный лигнин не удаляется при промывке водой или водно-спиртовыми смесями, необходимо применять ацетон или 3...5 % раствор NaOH.

Щелочные водно-спиртовые варки

Использование щелочи при вводно-спиртовых варках позволяет получать высококачественную целлюлозу и перерабатывать древесину хвойных пород, в том числе и высокосмолистых. Однако при спиртовых варках со щелочами кроме регенерации растворителя требуется и регенерация щелочи. Процесс регенерации щелочи упрощается за счет использования окислительной системы регенерации щелочи (а не восстановительной, как в сульфатном процессе).

Уксуснокислотные варки

Уксусная кислота, так же, как и метанол, и этанол, относится к многотоннажным продуктам, широко используемым в промышленности. Она хорошо растворяет лигнин, а 50-процентную уксусную кислоту применяют в качестве растворителя при выделении лигноуглеводного комплекса из древесины. При взаимодействии лигнина с концентрированными растворами уксусной кислоты происходит гидролитическое расщепление б- и в-эфирных связей, что и определяет возможность выделения лигнина. Расщепление эфирных связей сопровождается реакциями конденсации лигнина, в том числе и по радикальному механизму из-за гомолитического расщепления в-эфирной связи. производный экспериментальный промышленный целлюлоза

Варки с фенолами

Варки с фенолами представляют интерес в связи с поисками альтернативного углеродсодержащего сырья для производства жидкого топлива и других ценных продуктов. Это типичные кислотные варки, в которых фенолы кроме функций Древесину хвойных или лиственных пород обрабатывают 40 % водным фенолом с каталитическим количеством НС1 при 100 °С в течение 4 ч и более. Получают целлюлозу, по свойствам соответствующую сульфитной, с низкой массовой долей остаточного лигнина. Отработанный варочный раствор при отстаивании расслаивается. От органического слоя отгоняют фенол, а остаток, содержащий лигнин и фенол, подвергают гидрогенолизу. Из водного слоя сначала толуолом экстрагируют фенол, а затем направляют на химическую или биохимическую переработку для утилизации содержащихся в нем углеводов.

Окислительно-щелочной способ получения целлюлозы

Окислительно-щелочной является трехступенчатым способом варки с полумассным размолом щепы перед гидропероксидно-щелочной ступенью. Он позволяет получать как полуцеллюлозу высокого качества, так и белимую целлюлозу.

В качестве сырья используется лиственная древесина, в том числе и смесь различных пород.

Производство полуцеллюлозы этим способом включает в себя частичный предгидролиз щепы, ее щелочную обработку с последующим полумассным размолом и делигнификацию пероксидом водорода в щелочной среде.

В процессе предгидролиза (170 °С, 10...15 мин) улучшение механических показателей конечной продукции имеет место лишь при удалении на этой ступени не более 5...8 % массы древесины.

Азотнокислый способ получения целлюлозы

Азотнокислую варку нельзя однозначно отнести к окислительным способам делигнификации, так как в зависимости от концентрации используемой кислоты и температуры в этом процессе значительную роль (а часто и определяющую) играют реакции нитрования лигнина. Известные варианты азотнокислой варки подразделяются в зависимости от концентрации используемой азотной кислоты на три группы:

- варки с концентрированной кислотой (40... 50 %);

- кислотой средней концентрации (12... 15 %);

- низкой (3...8 %) концентрации.

Чем более разбавленная кислота используется в процессе, тем выше роль окислительных реакций.

Нитрирующим агентом является не собственно HNO3, а катион нитроний (NO2+), образующийся по уравнению:

HONO2 + Н+ - Н2О+ + NO2 - Н2О + NO2+.

Хвойная древесина варится значительно труднее лиственной, а многие однолетние растения варятся легче лиственных пород.

Недостатки этого способа варки:

- выделение газообразных токсичных оксидов азота, а иногда и цианистого водорода, что возможно при нарушениях технологического режима;

- большой расход азотной кислоты, что частично компенсируется многократностью использования ее после пропитки древесины, что не влияет на выход и качество получаемой целлюлозы.

Достоинства способа:

- отсутствие сложного оборудования, варочных котлов, работающих под давлением;

- высокое качество целлюлозы, например, целлюлоза для химической переработки.

Большинство вариантов азотнокислой варки рассчитаны на периодический способ производства.



2. Экспериментальная часть

2.1 Получение вискозы в лабораторных условиях

Растворение целлюлозы в аммиачном растворе гидроксида меди (II)

Целлюлоза нерастворима в воде и в большинстве растворителей. Однако в аммиачном растворе гидроксида меди (II) целлюлоза растворяется хорошо. В концентрированный аммиачный раствор опускаем небольшие порции ваты. Вата хорошо растворяется в данном растворе. Получается густой вязкий раствор целлюлозы в аммиачном растворе гидроксида меди (II). Раствор целлюлозы используют в промышленности для получения медноаммиачного шелка.

Оборудование: пробирка или стакан, стеклянная палочка.

Техника безопасности. Соблюдать правила работы с концентрированным раствором аммиака.

Кислотный гидролиз целлюлозы.

При кислотном гидролизе целлюлозы образуется глюкоза. Проведем гидролиз в присутствии серной кислоты. В фарфоровой ступке разотрем вату с концентрированной серной кислотой. Полученную смесь разбавим водой и перенесем в стакан. Прокипятим смесь. Через несколько минут проверим наличие глюкозы в полученном растворе. Прильем к раствору щелочь и несколько капель раствора сульфата меди (II). Нагреем раствор. Выпадает красный осадок оксида меди (I). Мы доказали, что при гидролизе целлюлозы образовалась глюкоза. Кислотный гидролиз целлюлозы имеет важное промышленное значение.

Оборудование: штатив для пробирок, пробирки, горелка, зажим для пробирок, фарфоровая ступка с пестиком.

Техника безопасности. Соблюдать правила работы с концентрированными кислотами.



2.2 Получение нитроцеллюлозы

Получение и свойства нитроцеллюлозы (см. фото в приложении)

Целлюлоза с азотной кислотой образует азотнокислые эфиры. Эфиры получают действием на целлюлозу смесью безводной азотной кислоты и концентрированной серной кислоты. Целлюлоза в нашем опыте - хлопковая вата. В колбу Эрленмейера налить 10 мл безводной азотной кислоты плотностью -1,52 г/мл и к ней постепенно при постоянном перемешивании приливать 10 мл концентрированной серной кислоты плотностью -1,84 г/мл (надеть очки и перчатки!). Приготовление этой смеси кислот сопровождается выделением тепла, поэтому колбу с наружной стороны охлаждать проточной водой. После того как смесь остынет до комнатной температуры, в нее погрузить 8 -10 комочков ваты, перемешивая ее стеклянной палочкой в течение 15--20 мин. для ускорения реакции смесь кислот нагреть на водяной бане до 60--70° С.

Потом вынуть нитроклетчатку из воды, отжать и высушить в фарфоровой чашке на водяной бане. Промоем полученную нитроцеллюлозу водой. Высушим. Нитроцеллюлоза при поджигании быстро сгорает. Нитроцеллюлоза используется для приготовления бездымного пороха.

Оборудование: стакан, палочка, фильтровальная бумага, мерная пробирка.

Техника безопасности. Опыт необходимо проводить под тягой. Соблюдать правила работы с концентрированными кислотами.

2.3 Растворение целлюлозы в уксусной кислоте, серной кислоте, аммиачном растворе гидроксидамеди(II)

Получение ацетата целлюлозы.

Ацетат целлюлозы (этаноат целлюлозы) получают с помощью ацетатного процесса.

В этом процессе целлюлозу обрабатывают этановой (уксусной) кислотой либо уксусным ангидридом. В результате гидроксильные группы в целлюлозе замещаются этаноатными (ацетатными) группами. Ацетат целлюлозы - негорючее вещество, имеющее блестящую поверхность. Он используется для изготовления лаков и фотографической пленки. Ацетилцеллюлоза (триацетат целлюлозы) - сложный эфир целлюлозы и уксусной кислоты:

[C6H7O2(OCOCH3)3]n

Этот полимер образуется при действии уксусного ангидрида (CH3CO)2O на активированную целлюлозу. Активация целлюлозы производится для облегчения диффузии реагентов внутрь материала путем набухания целлюлозы в 95-100% уксусной кислоте. При частичном омылении триацетата целлюлоза получают моно- и диацетаты:

[C6H7O2(OH)3-х(OCOCH3)х]n (х = 1 или 2).

Получение вискозы (см. фото в приложении)

Смешаем 4г основного карбоната меди(II) c 25 % раствором NH4OH, объемом 40 мл. В полученном растворе растворим 1 грамм ваты. Получается вязкий раствор яркосинего цвета, который нужно набрать без иглы в большой шприц.

Далее одеть иглу и выдавливать в подготовленный для этого 500 мл 1М раствор серной кислоты.

Образуются красивые синие нити, которые со временем обесцвечиваются в серной кислоте.

Через 1 минуту вискозу промывают и высушивают на фильтре.

Оборудование: стакан, палочка, фильтровальная бумага, мерная пробирка.

Техника безопасности.

Опыт необходимо проводить под тягой. Соблюдать правила работы с концентрированными кислотами.



Заключение

В ходе нашей работы мы:

1. Познакомились с литературой о промышленном значении, свойствах целлюлозы, а также нестандартных способах получения целлюлозы.

2. Изучили свойства полученных производных целлюлозы, которые получили в ходе экспериментальной части работы.

3. Приобрели навыки приготовления растворов различной концентрации, работы с концентрированными растворами кислот.

Составили коллекцию природных соединений целлюлозы и изделий из целлюлозы (см. коллекцию).



Литература

1. Виноградова С.В. Поликонденсационные процессы и полимеры / С.В. Виноградова, В.А. Васнев. - М.: Наука, 2000. - 372 с.

2. Габриелян О.С., Остроумов И.Г., Химия. 10 класс. Настольная книга учителя., - М.: Дрофа, 2004.

3. Кленин В.И. Высокомолекулярные соединения: Учебник для студентов хим. фак/В.И. Кленин, И.В. Федусенко. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2008. - 440с.

4. Мальцева Е.П., Материаловедение швейного производства, - 2-е изд., перераб, и доп.- М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983,- 232.

5. Тагер А.А. Физикохимия полимеров. - Изд. 4-е перераб, и доп. - М.: Научный мир, 2007. - 576 с.

6. Семчиков Ю.Д. Высокомолекулярные соединения: Учеб. для вузов/- Н. Новгород: Изд-во нижегородского гос. ун-та им. Н.И. Лобачевского; Изд. Центра "Академия" ,2003. -386 с.

7. Радишевский, М.Б., Калачева, А.В., Серков, А.Т. Полунепрерывный способ производства вискозных текстильных нитей. -- Химические волокна. -- № 6, 2003. -- С. 15-17.

8. Хохлов А.Р. Лекции по физической химии полимеров/ А.Р. Хохлов, С.И. Кучанов. - М.: Мир, 2000. - 192 с.

9. Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). -- СПб., 1890--1907.

Размещено на Allbest.ru

...