Материал: Химия органических соединений. Барсукова Л.Г., Хорохордина Е.А
Суть действия ПАВ сводится к ориентированной адсорбции их молекул на границе раздела фаз, что приводит к изменению характера поверхности дисперсной фазы.
На рис. 12 показана стабилизация поверхностно-активным веществом эмульсиитипа«масловводе» и«водавмасле».
Рис. 12. Схемастабилизацииэмульсииповерхностно-активнымвеществом: М-масло, R – гидрофобнаягруппа, Х– гидрофильнаягруппа
Поверхностно-активные вещества используются как моющие средства, стабилизаторы дисперсных систем, эмульгаторы, пенообразователи, смачиватели и пластификаторы.
Литература: [1, гл. 10, § 1-7]; [3, гл. 6, § 6.3]; [4, гл. X, § 105].
8.3Рабочее задание
8.3.1.Омыление жиров щелочью (получение мыла)
Вфарфоровую чашку поместите 3 г жира и 6-7 мл концентрированного раствора щелочи. Нагревайте смесь на песчаной бане 20 - 30 минут до кипения, часто помешивая палочкой. Время от времени подливайте в смесь дистиллированную воду взамен выкипающей, сохраняя первоначальный объём.
Через 20 минут после начала нагревания проверьте полноту омыления, для чего отберите несколько капель смеси в пробирку, добавьте 5 мл дистиллированной воды и нагрейте раствор на спиртовке. Если проба растворяется в воде нацело, не выделяя капель жира, омыление можно считать законченным. В противном случае смесь жира и щелочи продолжайте нагревать ещё несколько минут, после чего снова проверьте полноту омыления.
Когда полное омыление будет достигнуто, добавьте в чашку при перемешивании палочкой 10-15 мл насыщенного раствора поваренной соли (NaCl), после чего дайте отстояться и остыть. На поверхности водного раствора всплывает слой мыла, затвердевающий при охлаждении. Выньте его и используйте для следующих опытов.
Допишите уравнение реакции получения мыла. Определите характер групп молекулы мыла и класс мыла как поверхностно-активного вещества.
46
8.3.2.Растворимость и обменные реакции мыла
Вводном растворе мыла часть молекул присутствует в свободном состоянии (истинный раствор), часть молекул агрегирует, т.е. сцепляется своими гидрофобными концами, образуя более или менее крупные агрегаты - мицеллы (коллоидный раствор). Разбавленные коллоидные растворы - золи, концентрированные, в которых мицеллы контактируют друг с другом и образуют связнодисперсную систему - гели.
Вдве пробирки поместите ~ 0,2 г одного и того же мыла и добавьте в одну пробирку 1 мл, а в другую - 8 мл дистиллированной воды. Нагрейте обе пробирки при постоянном встряхивании до растворения кусочка мыла, затем охладите их в стакане с холодной водой.
Обратите внимание на состояние растворов в обеих пробирках. Что происходит с их содержимым при сильном встряхивании?
Полученный разбавленный раствор мыла разделите на три пробирки и добавьте в первую - раствор CaSО4, во вторую - MgCl2, в третью - FeCl3.
Встряхните содержимое пробирок, отметьте изменения в них и сравните с поведением мыла в дистиллированной воде.
Объясните происходящие процессы с помощью уравнений химических реакций. Какое значение имеют эти процессы на практике?
RCOONa + CaSO4 → ... ,
RCOONa + MgSO4 → ... ,
RCOONa + FeCl3 → ... .
8.3.3.Эмульгирующие и моющие свойства мыла
Вдве пробирки поместите по несколько капель бензола и добавьте в одну из них 1 мл воды, а в другую 1 мл раствора мыла (из предыдущего опыта). Сильно встряхните обе пробирки до получения эмульсии и поставьте в штатив. Через несколько минут отметьте состояние систем в пробирках и объясните наблюдаемое.
47
В пробирке сильно встряхните 10 мл воды с небольшим количеством тонкой сажи. Полученную взвесь сажи отфильтруйте через бумажный фильтр. Когда вода стечет, выньте фильтр из воронки, разверните его и сложите наоборот, затем вложите фильтр в воронку. Пропустите через этот фильтр в пустую пробирку сначала несколько миллилитров чистой воды, а затем, дав воде стечь и сменив пробирку, несколько миллилитров мыльного раствора. Обратите внимание на профильтрованные растворы в обеих пробирках. Объясните роль мыла в этом случае.
8.3.4.Определение пенообразующей способности ПАВ
иустойчивости пен
Пены представляют собой высококонцентрированные дисперсии газа в жидкости. Пены образуются при диспергировании газа (воздуха) в жидкости в присутствии стабилизатора. Роль стабилизатора выполняют ПАВ, которые в рассматриваемом случае называются пенообразователями.
Одной из причин разрушения пены может быть истечение воды из пузырьков пены. Пена может разрушаться также за счет диффузии газа через прослойки, приводящей к росту крупных пузырьков за счет мелких.
Основные характеристики пены: кратность, устойчивость и дисперсность. Кратность пены характеризует пенообразующую способность ПАВ и определяется отношением объема пены к объёму раствора, пошедшего на образование пены. Так, в пожаротушении используются пены с кратностью не
менее 70, а в технологии бетонов – 5.
Устойчивость пены можно определить по времени существования определенного объёма пены, например, половины её объёма («время жизни» пены).
Дисперсность пены определяется размером газовых пузырьков.
В цилиндр емкостью 100 мл налейте 20 мл раствора ПАВ закройте притертой пробкой и встряхните в течение 30 с (одно встряхивание в секунду). После прекращения встряхивания заметьте время и одновременно измерьте объём образовавшейся пены (V0).
Для изучения кинетики разрушения пены отмечайте изменение объёма пены (V1, V2, V3 и т.д.) через 1 – 2 минуты до исчезновения столба пены или до разрушения половины объёма пены. Данные занесите в рабочую тетрадь. Постройте график кинетики разрушения пены (объём пены – время).
Рассчитайте кратность пены (V0/ Vраствора) и её устойчивость («время жизни» пены) U= Н10/Н0, где Н0 – исходная высота столба пены, Н10 - высота
столба пены через 10 минут. Данные занесите в табл. 1.
48
|
Характеристика пены |
Таблица 1 |
||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Наименование ПАВ |
Объём пены V0, |
Кратность |
Устойчивость |
|
|
см3 |
(V0/ Vраствора) |
(«время жизни» |
|
|
|
|
пены, ч) |
|
|
|
|
|
|
Сравните пенообразующую способность разных ПАВ и устойчивость образуемых ими пен.
8.4.Выводы
•Отметьте, каким строением должны обладать молекулы вещества, чтобы проявлять свойства ПАВ.
•Назовите основные направления использования ПАВ.
8.5.Контрольные упражнения
•Напишите уравнения реакций сульфирования насыщенных углеводородов, высших жирных спиртов и определите класс полученных таким способом поверхностно-активных веществ.
•Графически изобразите адсорбцию ПАВ на границе раздела фаз водавоздух и объясните влияние ПАВ на повышение морозостойкости бетонов.
•Объясните суть пластифицирующего действия ПАВ на цементном растворе.
•В каких средах работают катионо-, анионактивные ПАВ и в чем преимущества неионногенных ПАВ?
Лабораторная работа 9. АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
9.1.Цель работы
•Изучить строение и свойства важнейших азотсодержащих органических соединений: нитросоединений и аминов.
•Познакомиться с важнейшими представителями азотсодержащих органических соединений и их использованием.
49
9.2. Подготовка к работе
•Повторите свойства насыщенных, ненасыщенных и ароматических углеводородов.
Теоретические сведения
Из органических соединений, содержащих азот, наиболее важными являются нитросоединения, амины, аминокислоты, белки и их производные.
Нитросоединениями называют органические вещества, в молекуле которых содержится нитрогруппа - NO2, соединенная с атомом углерода. Они имеют общую формулу R-NO2.
Строение нитрогруппы можно представить структурами, где один кислород связан с азотом двойной ковалентной связью, а второй – донорноакцепторной.
Водородные атомы углерода, связанного непосредственно с нитрогруппой, под влиянием последней активируются и соединение (I) в щелочной среде перегруппировывается в кислую аци-нитро форму (II):
поэтому нитросоединения относятся к псевдокислотам.
За счет подвижных водородных атомов первичные и вторичные нитросоединения реагируют с азотистой кислотой:
50