Лабораторная работа 8

Лабораторная работа 8
Поликонденсация лимонной кислоты и этиленгликоля
Задания:
1. Рассчитать массу реагентов в граммах в соответствии с рецептурой.
2. Написать уравнение реакции поликонденсации лимонной кислоты и
этиленгликоля.
3. Провести поликонденсацию.
4. Построить график зависимости кислотного числа и количества выделившейся
воды от продолжительности поликонденсации.
5. Определить температуру плавления конечного полимера.
6. Провести отверждение полимера и определить содержание золь- и гель-фракции.
Реактивы:
Лимонная кислота
Этиленгликоль
Смесь этанол:бензол (1:1)
Гидроксид калия, КОН, 0,1 М спиртовой раствор
Фенолфталеин, 1%-ный спиртовой раствор
Ацетон
– 1 моль
- 1,3 моль
- 100 мл
- 100 мл
Приборы:
Круглодонная трехгорлая колба вместимостью 100 мл – 1 шт
Насадка Дина-Старка, 10 мл – 1 шт
Термометр (со шлифом) – 1 шт
Обратный холодильник шариковый- 1 шт
Колбонагреватель – 1шт
Колбы конические вместимостью 50 (100) мл для титрования – 5 шт
Стеклянная трубочка для отбора проб – 5 шт
Цилиндр мерный, 20 (25) мл – 1 шт
Бюретка для титрования, 10 (25) мл – 1 шт
Стакан стеклянный, 100 мл – 2 шт
Механическая мешалка с мотором – 1 шт
Тигель
Фарфоровая чашка
Штатив лабораторный – 2 шт
Стеклянная палочка
Аппарат Сокслета
Муфельная печь (180°С)
Проведение эксперимента
В реакционную колбу прибора загружают лимонную кислоту и этиленгликоль.
Содержимое колбы постепенно, в течение 25-30 минут, при перемешивании нагревают на
колбонагревателе до 150-155°С. Поликонденсацию проводят при этой температуре до
получения продукта, образующего при охлаждении пробы хрупкую стеклообразную
массу.
Для определения кинетики процесса поликонденсации через 10, 20, 30, 60, 90 мин после
получения однородной смеси в предварительно взвешенные конические колбы для
титрования отбирают пробы 0,3-0,4 г с точностью до 0,0002 г, в которых определяют
1
кислотное число. Одновременно с отбором проб отмечают количество воды,
выделившейся в насадке Дина-Старка. По полученным значениям кислотного числа и
количеству (массе) выделившейся воды строят графические зависимости этих показателей
от времени поликонденсации.
По окончании поликонденсации разогретую смолу выливают из колбы в предварительно
взвешенную фарфоровую чашку. После охлаждения чашку со смолой взвешивают. В
одной части смолы определяют температуру плавления. Другую часть смолы помещают в
тигель, который выдерживают в муфельной печи при 200°С в течение 15 минут. Затем в
отвержденнном продукте определяют содержание золь- и гель-фракций экстракцией
навески смолы ацетоном в приборе Сокслета.
Результаты оформляют в виде таблиц.
Таблица 1
Загрузка
Этиленгликоль
моль
г
мл
Лимонная кислота Общая
масса
моль
г
г
Выход смолы
г
мас.%
от теор.
Таблица 2
Время от начала Навеска смолы, Количество
Кислотное
Количество
опыта, мин
г
0,1М
КОН, число
(КЧ), выделившейся
мл
мг КОН/г
воды, мл
0
10
20
30
60
90
Определение кинетики и глубины протекания процесса поликонденсации
В ходе процесса поликонденсации дикарбоновых кислот и двух (трех)атомных спиртов
кислотное
число реакционной смеси падает, а количество выделяющейся при
поликонденсации воды увеличивается. Определение кислотного числа на различных
стадиях поликонденсации и измерение объёма выделившейся воды дает возможность
проследить за кинетикой процесса.
2
Кислотное число определяют по стандартной методике титрованием навески
реакционной смеси 0,3-0,4 г, взвешенной с точностью до 0,0002 г, растворенной в 15 мл
спирто-бензольной смеси (1:1), 0,1М спиртовым раствором КОН.
Теоретическое кислотное число (или начальное кислотное число исходной реакционной
смеси) рассчитывают из соотношения компонентов и их молекулярной массы:
КЧ теор 
2  56,11  1000
М
где МΣ –суммарная молекулярная масса исходной смеси.
Количество выделяющейся в процессе поликонденсации воды можно замерить,
пользуясь насадкой Дина-Старка. Если вода не улавливается, то количество её можно
рассчитать, зная теоретическое КЧ (КЧтеор ) и КЧ (КЧэф )полученного полимера.
Из уравнения реакции следует, что на 1 моль ангидрида дикарбоновой кислоты,
вступившего в реакцию поликонденсации, выделяется 1 моль воды, а на 1 моль
дикарбоновой кислоты выделяется 2 моль воды. Тогда количество воды Х, выделившейся
в процессе получения полиэфира с определенным кислотным числом (КЧэф), будет равно:

КЧ эф 
  18n
X  1 
 КЧ

теор 


КЧ эф 
  18  2m
X  1 
 КЧ

теор 

где n – число молей ангидрида дикарбоновой кислоты;
m – число молей дикарбоновой кислоты.
Выход полиэфира (N) можно определить как прямым взвешиванием (взвесив колбу с
полученным полиэфиром и пустую колбу), так и по разности загрузки компонентов и
количества выделившейся воды (количество воды замеряют или рассчитывают).
Примеры расчета
Пример 1.
Состав реакционной смеси: 1 моль этиленгликоля, 0,4 моль фталевого ангидрида и 0,6
моль малеинового ангидрида. Молекулярные массы этиленгликоля, фталевого ангидрида
и малеинового ангидрида соответственно равны: 62, 148, 98 г/моль. Определить
суммарную молекулярную массу и теоретическое кислотное число этой смеси. Рассчитать
количество выделившейся воды и выход полиэфира (КЧэф=140 мгКОН/г).
Решение.
МΣ = 62 +148·0,4 + 98·0,6 = 180 г/моль
2  56,11  1000
 625 мгКОН / г
180
N = 180 – 14 = 166 г
КЧ теор 
 140 
X  1 
  18  1  14 г
 625 
Пример 2.
Состав реакционной смеси: 1 моль этиленгликоля, 0,4 моль малеинового ангидрида, 0,3
моль фталевого ангидрида и 0,3 моль адипиновой кислоты. Молекулярные массы
этиленгликоля, малеинового ангидрида, фталевого ангидрида и адипиновой кислоты
3
соответсвенно равны 62, 98. 148, 146 г/моль. Определить суммарную молекулярную массу
и теоретическое кислотное число этой смеси. Рассчитать количество выделившейся воды
и выход полиэфира (КЧэф=140 мгКОН/г).
Решение:
МΣ = 62 + 98·0,4 +148·0,4 + 146·0,3 = 189,4 г/моль
2  56,11  1000
 596 мгКОН / г
189,4
При полном завершении реакции поликонденсации должно выделиться:
0,4 ·1 + 0,3 ·1 + 0,3·2 = 1,3 моль воды
КЧ теор 
 140 
X  1 
  18  1,3  17,9 г
 596 
N = 189,4 – 17,9 = 171,5 г
Примечание.
1. При расчете КЧтеор в знаменатель следует ставить суммарную молекулярную массу
реакционной смеси, которая соответствует рецептуре, в которую входит 1 моль
кислотных реагентов. Если кислотных реагентов больше или меньше, чем 1 моль,
то в числитель необходимо вносить поправочный коэффициент. Так, если
загружается в сумме 1,5 моль кислотных реагентов, то в числитель следует ввести
коэффициент 1,5, если загружается 0,5 моль – 0,5.
4