Kinga Sikora, Yuliya Harnitskaya, Justyna Kowalczyk, Anita Andrejko 28.10.2015 rok – data wykonania ćwiczenia
Biologia Środowiska 18.11.2015 rok - data oddania sprawozdania
III rok, Grupa T4

Sprawozdanie do ćwiczenia nr P1

Temat : Polimeryzacja rodnikowa akryloamidu. Otrzymywanie hydrożeli.

I. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia była synteza akryloamidu metodą reakcji polimeryzacji rodnikowej z udziałem odczynników sieciujących oraz zbadanie podstawowych właściwości fizykochemicznych otrzymanego polimeru.

II. Wstęp teoretyczny

Polimeryzacja - reakcja polegająca na łączeniu się ze sobą związków o stosunkowo małych masach cząsteczkowych (tzw monomerów) z wytworzeniem związku o wielokrotnie większej masie cząsteczkowej (tzw polimer). Reakcja taka jest prowadzona aż do wyczerpania wolnych grup funkcyjnych monomerów.


Przykład:

Reakcje polimeryzacji można podzielić na:
* polimeryzacje stopniowe (polikondensacje) Polimeryzacje stopniowe charakteryzują się jednym typem reakcji. Jest to reakcja wzrostu. W tym typie reakcji polimeryzacji nie ma żadnej różnicy pomiędzy startem, wzrostem i zakończeniem łańcucha. W porównaniu do reakcji łańcuchowych polimeryzacje stopniowe biegną znacznie wolniej. Łańcuchy polimerowe o wysokim stopniu polimeryzacji otrzymuje się dopiero przy bardzo wysokich stopniach konwersji. Wynika to z istoty reakcji polimeryzacji stopniowej, w której wszystkie cząsteczki monomeru łączą się kolejno w dimery następnie trimery dalej tetramery itd., aż do utworzenia wysokocząsteczkowego polimeru.
* polimeryzacje łańcuchowe (addycyjne) Reakcje polimeryzacji łańcuchowej są typowymi reakcjami w sensie kinetycznym tzn. cząsteczka polimeru powstaje w kilku etapach. Pierwszym jest reakcja startu łańcucha kinetycznego, drugim reakcja wzrostu łańcucha i trzecim etapem reakcja zakończenia łańcucha polimerowego i kinetycznego. Po każdej reakcji wzrostu długość zdolnego do reakcji łańcucha polimerowego rośnie o jeden mer. Reakcje startu, wzrostu i zakończenia łańcucha różnią się zarówno mechanizmem jak i szybkością. Nawet przy niewielkim stopniu przereagowania w układzie reakcyjnym oprócz monomeru znajdują się już uformowane łańcuchy polimerowe o wysokim stopniu polimeryzacji.
- rodnikowa ( metoda syntezy polimerów, centra aktywne to rodniki czyli cząsteczki zawierające niesparowane elektrony, monomery które ulegają polimeryzacji są związki z nienasyconym wiązaniem C=C )
- jonowa
- koordynacyjna

Kopolimeryzacja – polimeryzacja mieszaniny dwóch (lub więcej) monomerów, w wyniku której otrzymuje się kopolimery o różnej strukturze: przemienne, szczepione, blokowe lub statystyczne. Właściwości produktu zależą od rodzaju łączonych merów i ich stosunków molowych.

Metody prowadzenia reakcji polimeryzacji

Sposób prowadzenia reakcji polimeryzacji zależy od mechanizmu reakcji.
Rodnikowa polimeryzacja łańcuchowa może być prowadzona w bloku (masie), w roztworze, w wodnej suspensji (perełkowa) i w emulsji.
Polimeryzacja w bloku może mieć charakter homogenny lub heterogenny. Przebiega ona jedynie przy udziale monomeru oraz inicjatorów i ewentualnie dodatków. W metodzie tej otrzymuje się polimery o wysokich ciężarach cząsteczkowych i dużych stopniach czystości. Na skalę przemysłową metodą polimeryzacji w bloku otrzymuje się polistyren, polietylen, polioctan winylu, polimetakrylan metylu (przykład polmeryzacji homogennej) i polichlorek winylu (polimeryzacja heterogenna, powstający polimer wypada z monomeru).

Polimeryzacja w roztworze może przebiegać w układzie homo- i heterogennym. Polimery rozpuszczalne w rozpuszczalnikach reakcyjnych stosowane są najczęściej jako lakiery, kleje i środki impregnacyjne lub też wytwarzane są z nich włókna (polioctan winylu, poliakrylany, poliakrylonitryl). Ich ciężary cząsteczkowe są niższe niż polimerów otrzymywanych metodą polimeryzacji w bloku. Heterogenna polimeryzacja w roztworze wymaga wprawdzie oddzielenia rozpuszczalnika od polimeru, ale jest to operacja prosta polegająca na filtracji i suszeniu. Przykładem takiej polimeryzacji jest np. kopolimer styrenu i bezwodnika maleinowego w benzenie.

Polimeryzacja w wodnej suspensji tzw. polimeryzacja perełkowa polega na tym, że nierozpuszczalny w wodzie monomer jest dyspergowany przez szybkie mieszanie do postaci małych kropelek zawierających rozpuszczony inicjator, który w wodzie nie jest rozpuszczalny. Występuje tutaj podobieństwo do polimeryzacji w bloku, gdyż polimeryzacja perełkowa jest w istocie polimeryzacją w dużej ilości mikrobloków. Aby zapobiec sklejaniu się perełek, których lepkość w miarę postępu reakcji rośnie, stosuje się dodatek tzw. koloidów ochronnych. W polimeryzacji perełkowej otrzymuje się polichlorek winylu, polistyren, polimetakrylany.

Polimeryzacja emulsyjna jest najbardziej złożoną metodą przeprowadzania polimeryzacji rodnikowej. Polega ona na emulgowaniu monomeru w wodnej emulsji. Praktycznie przeprowadza się ją w sposób następujący: do wodnego roztworu emulgatora wprowadza się nierozpuszczalny w wodzie monomer. Intensywne mieszanie powoduje powstanie wodnej emulsji monomeru o wyglądzie mleka. Następnie dodaje się rozpuszczalnego w wodzie inicjatora polimeryzacji rodnikowej, oraz związków buforowych. Rozpoczyna się polimeryzacja, której produktem jest polimerowa emulsja wodna. Jako inicjatory stosuje się nadsiarczany sodu, potasu i amonu, nadtlenek wodoru, a także układy typu redox rozpuszczalne w wodzie. Emulgatorami mogą być alkaliczne sole kwasów palmitynowego, stearynowego i oleinowego, a także alkaliczne sole pół estrów kwasów ftalowego i bursztynowego z długimi alkoholami. W polimeryzacji emulsyjnej otrzymuje się polimerowe emulsje przeznaczone do produkcji klejów, farb emulsyjnych i środków impregnujących.

III. Wykonanie ćwiczenia, wyniki, wykresy, obliczenia oraz wnioski

1. W pierwszej kolejności obliczono ilości potrzebnych reagentów w gramach i wyniosły one następująco:
Obliczenia:
Masa molowa C₃H₅NO – 71 g/mol
Pobrano 20 g r-ru C₃H₅NO (ω=20%)

Masa pobranego C₃H₅NO: 20g·0,2=4 (g)

Ilość moli pobranego C₃H₅NO=4/71=0,0563 mol
* Ilość potrzebnego odczynnika sieciującego NMBA – 0,001 mola
Masa molowa NMBA – 154,15 g/mol
1 mol – 154,15 g NMBA
0,001 mola – x
x = 0,154 g NMBA
* Ilość potrzebnego inicjatora – 0,001 mola
Masa molowa AIBA – 271,19 g/mol
1 mol – 271,19 g AIBA
0,001 mola – x
x = 0,271 g AIBA

2.W kolejnym kroku odważono reagenty na wadze analitycznej i spisano masy odważek które wynosiły:
- sieciownik 0,1540 g
- inicjator 0,2713 g
- akryloamid 20 g w reaktorze

3. Sieciownik wraz z inicjatorem przeniesiono do reaktora z akrylomidem, następnie przedmuchano je argonem przez okres ok 2 minut w celu usunięcia tlenu, który przeszkadzałby w procesie polimeryzacji rodnikowej, gdyż usuwałby rodniki.
4. Reaktor umieszczono w łaźni wodnej o temperaturze ponad 50 stopni Celsjusza, reakcje prowadzono przez pół godziny.
5. W czasie ogrzewania na łaźni wodnej reaktora, pobrano do dwóch erlenmajerek po 0,3 g roztworu 20 % C₃H₅NO.
6. Do naważek dodano pipetą po 25 mL mianowanego roztworu bromku potasu 0,05 M, oraz cylindrem miarowym dodano 10 mL kwasu siarkowego, w celu zapewnienia odpowiedniego pH roztworu.
7. Erlenmajerki umieszczono w szafce laboratoryjnej bez dostępu światła na 30 minut.
8. W tym czasie wyjęto reaktor z łaźni wodnej, produkt w postaci żelu podzielono na 2 części, z których pobrano po 1 gramie do miareczkowania i umieszczono w erlenmajerkach. Resztę zważono. Odważki ważyły 7,5 g oraz 6,9 g.
9. Odważki zamknięto w zamykanych pojemnikach, pojemniki opisano, a umieszczony w nich polimer zalano jeden roztworem soli fizjologicznej (6,9g), a drugi wodą destylowaną (7,5g).
10. W międzyczasie wyjęto z szafki laboratoryjnej erlenmajerki dodano pipetą do nich po 10 mL roztworu KI i rozpoczęto miareczkowanie roztworem tiosiarczanu sodu.
11. Po osiągnięciu jasno słomkowego koloru roztworu dodano ok 2 cm3 świeżo przygotowanego roztworu skrobi i miareczkowano aż do całkowitego odbarwienia się roztworu miareczkowanego.

I miareczkowanie 6,1 mL
II miareczkowanie 1,5 mL (bez dodania roztworu skrobi)

12. Obliczono zawartość wiązań podwójnych na podstawie sekwencji reakcji chemicznych zachodzących w miareczkowanej mieszaninie.

Reakcje chemiczne i obliczenie wiązań podwójnych:
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

13. Do 1 g próbek żelu znajdujących się w erlenmajerkach dodano pipetą po 10 mL roztworu KI i rozpoczęto miareczkowanie roztworem tiosiarczanu sodu.
14. Po osiągnięciu jasno słomkowego koloru roztworu dodano ok 2 cm3 świeżo przygotowanego roztworu skrobi i miareczkowano aż do całkowitego odbarwienia się roztworu miareczkowanego.

I miareczkowanie 24,1 mL
II miareczkowanie 24,0 mL (bez dodania roztworu skrobi)

IV. Wnioski końcowe