Синтез вещества как основа современных технологий

Министерство  образования Российской Федерации 

Государственное образовательное учреждение

 высшего  профессионального образования 
 
 

Государственный Университет Управления 

Институт  Заочного Обучения 

Реферат по дисциплине 

Концепция Современного Естествознания

на тему: 

«Синтез вещества - основа современных технологий» 

На примере  производства волокон из нефти и  газа,

промышленного органического синтеза. 
 
 
 
 
 

Выполнила студентка  ИЗО Ким М.М.

Группы  БУ и А 2005/1-6 лет

Студенческий  билет № 05-271

    Проверил __________________                         
 
 
 

Москва  – 2006. 
 

Содержание: 

Введение 

1) Основы  производства

 синтетических  волокон 

        1.1. Синтез полимеров

2) Полиакрилонитрильные волокна

         2.1. Получение акрилонитрила.

         2.2. Синтез самономеров.

        2.3.Синтез растворителей.

       2.4.Синтез полимеров  и сополимеров  акрилонитрила.

3) Промышленный  органический синтез

              3.1.Сырьё органического синтеза и типовые

             химико-технологические  процессы.

              3.2.Производство стирола.

              3.3.Получение ацетилена.

              3.4.Производство формальдегида.

             3.5.Производство ферментов. 

Заключение 

 Библиография 
 
 
 
 

Введение. 
 

    Более 5000 лет назад люди научились получать ткани из нитей шелкопряда и шерсти домашних животных, химически представляющие собой высокомолекулярные белки различного строения. Несколько позже были освоены хлопчатник и лён, состоящие из целлюлозы. Мечта о создании искусственным путём волокон и нитей, напоминающих натуральный шёлк, существовала уже давно. В трактате, опубликованном в 1665г., известный английский учёный Роберт Гук писал: «Я часто думаю, что можно, по-видимому, найти пути искусственно получать клейкую массу аналогично тому, как она образуется у шелковичного червя, или даже ещё лучше. Если такая масса будет найдена, то, по-видимому, более лёгкой задачей будет найти путь вытягивания этой массы в тонкие нити. Я не буду указывать на пользу такого изобретения- оно совершенно очевидно».

    И учёные решили проникнуть в тайну «рождения» шёлка. В теле гусеницы они обнаружили железы, которые вырабатывают вязкую жидкость. В период окукливания гусеница выдавливает капельку этой жидкости, приклеивает её к своему туловищу, а затем растягивает её в тончайшие ниточки. Обвивая себя этими ниточками, она сооружает кокон с массой в 0.5 г. Учёные установили, чтобы синтезировать искусственные нити из целлюлозы, её необходимо превратить в вязкую жидкость, иными словами, растворить.

    С момента высказывания Роберта Гука до получения первой нити химическим путём прошло почти 200 лет, когда был найден способ перевода целлюлозы в  растворимое состояние. Для этого целлюлозу обрабатывали HNO₃, получаемый эфир целлюлозы и азотной кислоты - нитрат целлюлозы - растворяли в смеси спирта и эфира, и этот  раствор продавливали через тонкие стеклянные трубочки диаметром 0,1 мм в сосуд с водой. Спирт и эфир вымывались водой, а нитрат целлюлозы затвердевал в виде тонких нитей, называемых нитрошелком.

    В конце позапрошлого века химики изобрели ещё один способ приготовления «шёлкового сиропа» из целлюлозы. Целлюлозу растворяли в реактиве Швитцера, образуемом взаимодействием гидроксида   меди и аммиака:

     Cu (OH)₂ + 4 NH₃                  Cu (NH₃)₄ (OH)₂ 
 

    Из  этого раствора получили новый  вид искусственного шёлка – медноаммиачный. Как и в производстве нитрошёлка, медноаммиачный раствор  целлюлозы продавливали через тончайшие отверстия в воду, а затем в раствор H₂SO₄ . При  этом происходило отщепление  растворителя, и получались нити, состоящие из целлюлозы. На основе целлюлозы производится  ещё ацетатное волокно. Для этого целлюлозу переводят в уксуснокислый эфир- ацетат целлюлозы. Однако наиболее широкое распространение получило вискозное волокно, получаемое из щёлочного раствора сложного эфира целлюлозы и дитиоугольной кислоты, называемого вискозой.  Громадные сырьевые ресурсы, дешевизна сырья и химических материалов, используемых в производстве вискозных волокон, открыли широкие перспективы для их выпуска.

    Волокна,  получаемые химической переработкой природных полимеров, называют искусственными. Создавая волокна из готовых природных полимеров, учёные задумывались: а почему бы не научиться самим строить подобные полимеры? В результате многолетних исследований были разработаны методы синтеза волокнообразующих полимеров, состоящих из элементов C, H₂, O₂, N. Однако практически их синтезируют из таких несложных соединений, как бензол, фенол, этилен, ацетилен, аммиак, синильная кислота, которые в огромных количествах получают на химических заводах путём переработки доступного природного сырья – нефти, каменного угля, газа. Такие волокна называют синтетическими. Изменением состава исходных продуктов можно в широких пределах варьировать строение и свойства синтетических полимеров и получаемых из них волокон. 
 
 
 
 
 

    1) Основы производства  синтетических волокон. 

    Полимеры, из которых изготавливают волокна, должны удовлетворять следующим  основным требованиям: сравнительно высокой  относительной молекулярной массой; вытянутой формой молекул; способностью растворяться или плавиться. Влияние относительной молекулярной массы полимера наглядно можно проследить на получение синтетического волокна – капрона. Если относительная молекулярная масса полимера ниже 4000, волокно вообще не образуется. При увеличении её  до 10000, можно получить хрупкие непрочные волокна, и только выше 10000 получаются волокна с удовлетворительными свойствами. Это полимер с относительной молекулярной массой выше 30000 практически невозможно переработать в волокно, т.к. ухудшается его растворимость. По форме макромолекул полимеры разделяют на линейные, разветвлённые и пространственные (сетчатые).

    Макромолекулы линейных полимеров (рис. №1) представляют собой длинные цепи, поперечный размер которых соответствует поперечному размеру мономера, а длина в сотни и тысячи раз превышает эту величину. К линейным полимерам относятся целлюлоза, натуральный каучук и многие синтетические полимеры. 

    Рис.№1. Геометрическая форма  макромолекул полимеров.

        а)                                                    б)                                            в)

      а) линейная; б) разветвлённая; в) пространственная. 

    Макромолекулы разветвлённых  полимеров представляют собой длинные цепи с боковыми ответвлениями. Число боковых ответвлений, а также отношение их длины к длине основной цепи могут быть различными. К разветвлённым полимерам относится амилопектин (одна из составных частей крахмала).

    Пространственные  полимеры построены из длинных цепей, соединённых друг с другом поперечными химическими связями. Классическими примерами пространственных полимеров служит алмаз (C)n и кварц (Si O₂)n. Пространственные полимеры не могут быть переработаны в волокна, т.к. они не растворяются и не плавятся. Принципиально из всех линейных и разветвлённых полимеров с определённой относительной молекулярной массой можно получить волокна, однако их свойства будут различными. В частности прочностные свойства волокон определяются тем, насколько компактно макромолекулы будут «упакованы». В отличие от целлюлозы, из крахмала, имеющего аналогичный химический состав, но разветвлённую форму макромолекул невозможно получить прочных волокон. Прочность волокон может быть повышена, если между макромолекулами возникают связи, для образования которых необходимо наличие у макромолекул полярных групп. Наиболее сильные межмолекулярные связи - водородные, энергия которых составляет 20-30 кДж/моль. Наличие в макромолекуле полимера разветвлений уменьшает возможность образования водородных связей и снижает взаимодействие между макромолекулами.

    Практическую  пригодность полимера для получения  из него  волокна определяют такие  свойства полимера, как растворимость  и плавкость. Для получения волокон  могут быть использованы полимеры, которые полностью растворяются в достаточно доступных и экономичных растворителях или плавятся без разложения. 
 

    1.1. Синтез полимеров. 

    Мономеры  – исходные низкомолекулярные  вещества для получения полимеров. Синтез высокомолекулярного соединения возможен в том случае, если молекула мономера может взаимодействовать с другими молекулами. Способность мономера вступать в реакцию полимеризации или поликонденсации определяется его молекулярной функциональностью, т.е. числом функциональных групп

            O                                           O

     (-OH; -C                 ; -NH₂;    NH;  -C            ), входящих в мономер.

                           H                                                      H            

        Однако в условиях заданной конкретной реакции не все функциональные группы могут принимать участие. Поэтому следует пользоваться понятием практической функциональности, характеризуемой числом активных групп, участвующих в реакции. В зависимости от этого, соединения могут быть моно -, би-, три - функциональными. Так, этиловый спирт C₂H₅-OH; муравьиная кислота H-COOH; метиламин CH₃-NH₂- многофункциональные соединения. Щавелевая кислота HOOC-COOH; этилен гликоль HO –CH₂ -CH₂ –OH; гексаметилендиомин  H₂N –(CH₂)₆ -NH₂ – бифункциональные. Глицерин HO –CH₂ –CH –OH –CH₂ –OH – трифункциональное соединение. Функциональность вещества может также определяться наличием в его молекулах двойных или тройных связей. Например, этилен и его гомологи бифункциональные, т.к. могут присоединять два атома водорода или галогена, ацетилен и его гомологи тетрафункциональны, присоединяя четыре атома H₂ или галогена.  Функциональность химических соединений – величина переменная и может изменяться в зависимости от условий реакции. Так, например, фенол в реакции с гидроксидом натрия монофункционален:    

           OH                                         ОNa

    

    

    

 + Na OH   +H₂O 
 
 
 
 

     А в  реакции с азотной кислотой –  трифункционален:

         
 
 
 
 
 
 

       OH                                                                        OH

     

   H                    H                                                  O₂N                  NO₂       

                         + 3 HO – NO₂                                                       + 3H₂O 

         

             H                                                                           NO₂

    При взаимодействии двух монофункциональных молекул образуется соединение с  практической функциональностью = 0, а  значит не способное к дальнейшему  взаимодействию. Например, при взаимодействии  метилового спирта с муравьиной кислотой образуется сложный эфир метилформиат, не имеющий активных функциональных групп:

     CH₃- OH +H –COOH  CH₃-OOC –H +H₂O

    При взаимодействии бифункциональных соединений образуются вещества, имеющие ту же функциональность, что и исходные соединения.

    Например, при взаимодействии щавелевой кислоты с этиленгликолем образуется эфир, содержащий две функциональные группы: 

     H OOC –COOH+ HO –CH₂ –CH₂ –OH   HOOC –COO –CH₂ –CH₂ –OH +H₂O

     Образовавшийся эфир может снова  вступать в реакцию с кислотой или с гликолем:HOOC–COO–(CH₂)₂OH +HOOC–COOH HOOC-COO-

                                                             -H₂O                    -(CH₂)₂-OOC-COOH    

                                                            +HO-(CH₂)₂-OH     HO-(CH₂)₂OH

                                                               -H₂O  

    Получаемые  соединения также имеют по две  функциональные группы. Молекулы полимеров, получаемых из бифункциональных соединений, имеют линейную структуру, увеличение функциональности приводит к получению  полимеров с разветвленными или  пространственными макромолекулами. Существует три основных метода синтеза полимеров, базирующихся на превращении в полимеры непредельных или циклических соединений или веществ, содержащих функциональные группы: полимеризация, поликонденсация и превращение циклических мономеров в линейные полимеры.