doc„Identyfikacja polimerów” (Polymers identification)
download 
Reklamacja Transkrypt
„Identyfikacja polimerów” (Polymers identification)
Politechnika Łódzka Wydział Chemiczny INSTRUKCJA LABORATORIUM „Identyfikacja polimerów” (Polymers identification) realizowanego w ramach Zadania nr 9 pn. „Doposażenie laboratorium pod nazwą Materiały i nanomateriały polimerowe jako materiały inżynierskie” Instrukcję opracowała: dr inż. Joanna Pietrasik Łódź, 2009 ul. Żwirki 36, 90-924 Łódź www. ife.p.lodz.pl tel. 042 278 45 31 042 638 38 26 Projekt realizowany w ramach Priorytetu IV - Działanie 4.1 - Poddziałanie 4.1.1. pn. „Przygotowanie i realizacja nowych kierunków studiów w odpowiedzi na współczesne potrzeby rynku pracy i wymagania gospodarki opartej na wiedzy” SPIS TREŚCI 1. CEL ĆWICZENIA (Aim of studies) 2. WPROWADZENIE (Introduction) 2.1. Metody analizy termicznej 2.2. Identyfikacja na podstawie pomiarów gęstości 2.3. Identyfikacja na podstawie rozpuszczalności 2.4. Identyfikacja na podstawie reakcji barwnych 2.5. Identyfikacja na podstawie analizy elementarnej 2.6. Oznaczanie wielkości charakterystycznych 2.7. Badania spektralne 3. PRZEBIEG ĆWICZENIA (Procedure) 3.1. Spalanie w płomieniu 3.2. Piroliza 3.3. Gęstość 3.4. Próba Beilsteina 3.5. Rozpuszczalność 4. OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA (Report) 5. LITERATURA(References) 6. PRZYKŁADOWE PYTANIA SPRAWDZAJĄCE (Problems) 7. EFEKTY KSZTAŁCENIA (Learning outcomes) 8. TELEFONY ALARMOWE (Emergency numbers) Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9 2 1. CEL ĆWICZENIA (Aim of studies) Badania identyfikacyjne wykonuje się aby określić typ polimeru stanowiący główny składnik analizowanego tworzywa. Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z podstawowymi właściwościami fizykochemicznymi polimerów oraz metodami analizy wybranych związków wielkocząsteczkowych. 2. WPROWADZENIE (Introduction) Produkcja polimerów i tworzyw sztucznych na świecie rozwija się bardzo dynamicznie. Znanych i dostępnych jest ponad 1000 różnych gatunków i rodzajów tych materiałów. Objętościowo stanowią one ponad połowę światowej produkcji stali. Polimery stanowią główny składnik tworzyw sztucznych zarówno specjalnego zastosowania, jak i tych codziennego użytku. Polimery można sklasyfikować biorąc pod uwagę różne kryteria. Jednym z nich jest kryterium zaproponowane przez Korszaka, i odnosi się do budowy chemicznej łańcucha głównego. Polimery dzieli się wówczas na polimery o łańcuchu węglowym oraz polimery z heteroatomem w łańcuchu głównym. Przykładem polimerów węglowodorowych jest polietylen, polistyren, polipropylen czy poli(chlorek winylu). Jako typowe polimery z heteroatomem w łańcuchu głównym wymienić należy poliestry, poliamidy, polisulfony czy polisiloksany. Kolejnym kryterium podziału polimerów jest kryterium właściwości reologicznych. Jako kryterium tego podziału przyjęto zachowanie się polimeru, określone na podstawie zależności naprężenie – odkształcenie w temperaturze pokojowej. Biorąc pod uwagę właściwości reologiczne polimery dzieli się na elastomery i plastomery. Elastomery wykazują duże odkształcenie przy małych naprężeniach (do 1000%); ich temperatura zeszklenia jest niższa od temperatury pokojowej. Plastomery pod wpływem naprężeń wykazują bardzo małe odkształcenia (mniejsze od 1%); temperatura zeszklenia plastomerów jest wyższa niż temperatura pokojowa. Do plastomerów zalicza się termoplasty oraz duroplasty (polimery chemo- i termoutwardzalne). Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9 3 Łańcuchy polimerowe elastomerów i duroplastów tworzą trójwymiarowe struktury na skutek usieciowania. Konsekwencją usieciowania jest brak rozpuszczalności. Zasadnicza różnica między tymi rodzajami polimerów polega na tym, że makrocząsteczki elastomerów odznaczają się dużym stopniem ruchliwości lokalnej, dzięki czemu ulegają znacznym odkształceniom pod wpływem naprężeń, natomiast makrocząsteczki duroplastów są z reguły stosunkowo sztywne. Polimery termoplastyczne mają w swej budowie liniowe makrocząsteczki. Dzięki temu są one rozpuszczalne i mogą być łatwo deformowane pod wpływem ciepła czy ciśnienia. Typowymi polimerami termoplastycznymi są polietylen oraz poli(metakrylan metylu). Termoplasty mogą być łatwo identyfikowane na podstawie ich rozpuszczalności, za pomocą metod termicznych oraz różnych technik spektroskopowych, zarówno w masie jak i w roztworze. W laboratoriach specjalistycznych prowadzących badania naukowe w dziedzinie tworzyw sztucznych rzadko zachodzi konieczność rozpoznania jakiegoś tworzywa. Problem ten nabiera jednak dużego praktycznego znaczenia w przypadku konieczności zastąpienia elementu wykonanego z nieznanego materiału, tworzywem o podobnych właściwościach. Konieczność recyklingu może również wymagać określenia składu chemicznego danego tworzywa. Stosowana do badań zmierzających do identyfikacji polimeru próbka powinna reprezentować całą partię materiału. W przypadku materiałów jednorodnych przygotowanie próbek polega na rozdrobnieniu tworzywa na małe kawałki np. przez pocięcie, zmielenie. Dla większości metod stosowanych do oznaczeń wymagane jest sproszkowanie próbki, należy jednak pamiętać aby nie była ona nagrzewana na etapie jej przygotowywania, gdyż może to spowodować niepożądane reakcje rozkładu. Materiały użytkowe obok polimeru zawierają w swoim składzie wiele innych składników, np. zmiękczacze, napełniacze, pigmenty, antyutleniacze, emulgatory itp. W większości przypadków powyższe substancje usuwa się z tworzyw sztucznych przez ekstrakcję. Polega ona na rozpuszczeniu próbki w odpowiednim rozpuszczalniku, a następnie wytrąceniu polimeru przez dodanie nierozpuszczalnika. Nierozpuszczalnik polimeru musi dobrze rozpuszczać zmiękczacz (napełniacz, pigment, itp.) i mieszać się z użytym rozpuszczalnikiem. Polimer usuwa się następnie przez odsączenie lub odwirowanie. Rozpuszczalnik dobiera się na podstawie prób wstępnych lub na podstawie przybliżonej znajomości składu materiału. Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9 4 Z reguły identyfikacja tworzywa nie jest możliwa na podstawie jednej techniki badawczej. Najczęściej opiera się na kilku i przebiega w następujących etapach: wydzielenie i oczyszczenie polimeru przez usunięcie zmiękczaczy, napełniaczy, zakwalifikowanie polimeru do jednej z grup przez oznaczenie składu pierwiastkowego oraz liczby zmydlenia i liczby acetylowej, określenie typu polimeru na podstawie właściwości fizycznych, termicznych, oraz na podstawie rozpuszczalności i wyniku prób chemicznych. W wielu przypadkach identyfikacji polimeru można dokonać w oparciu o takie proste próby jak zachowanie się próbki podczas rozkładu termicznego, rozpuszczalności, reakcji barwnych czy badania widma w podczerwieni. 2.1. Metody analizy termicznej Metody analizy termicznej wykorzystują pomiary zmian właściwości fizycznych badanej substancji lub postępu reakcji chemicznych, jakim substancja ta podlega podczas kontrolowanego ogrzewania. Znajomość temperatur przemian charakterystycznych dla danego polimeru pozwala na jego identyfikację, zaś ilościowe wyznaczenie jego zawartości umożliwia odniesienie zmierzonej zmiany danej wielkości do efektu oczekiwanego dla czystej substancji. Termograwimetria; może być stosowana do analizy próbek wykazujących zmiany masy podczas ogrzewania, zachodzące podczas reakcji chemicznej (rozkładu, utleniania albo redukcji) czy też przemiany fizycznej (parowania, sublimacji lub desorpcji). Termogramy procesów rozkładu i utleniania polimerów umożliwiają zarówno ich identyfikację, jak i określenie stabilności termicznej. Różnicowa analiza termiczna DTA; może być wykorzystywana do badania substancji ulegających różnym przemianom egzotermicznym lub endotermicznym, tj. reakcjom chemicznym (rozkładu, utleniania, redukcji) oraz przemianom fazowym (rekrystalizacji, topnienia). Umożliwia ona wykorzystanie efektów cieplnych charakterystycznych dla danej substancji do jej identyfikacji i oznaczania jej zawartości. Różnicowa kalorymetria skaningowa DSC; jest wykorzystywana do pomiarów efektów cieplnych przemian egzotermicznych lub endotermicznych różnego typu, tj. reakcji chemicznym (rozkładu, utleniania) oraz przemian fazowych (rekrystalizacji, topnienia). Umożliwia ona wyznaczanie wielkości charakterystycznych dla badanej substancji - ciepła (entalpii) przemiany oraz ciepła Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9 5 właściwego. Metoda ta jest stosowana do identyfikacji i badania różnych materiałów, zarówno naturalnych jak i syntetycznych (zwłaszcza polimerów), umożliwia także tworzenie diagramów fazowych. Ogrzewanie w płomieniu; podczas pomiaru obserwuje się łatwość zapalania materiału, zdolność do gaśnięcia oraz zapach wydzielanych dymów i par. Polimery rozkładające się z wytworzeniem węglowodorów aromatycznych palą się żółtym i kopcącym płomieniem, mniej sadzy powstaje, gdy tworzą się w czasie rozkładu węglowodory alifatyczne. Ze wzrostem ilości tlenu w produktach rozkładu płomień przyjmuje barwę niebieską. Próbki polimerów ogrzewa się z kwasem siarkowym (VI). Opracowano tablice zawierające szczegółowe dane dotyczące zachowania się polimerów podczas spalania i rozkładu. Tabela 1. Zachowanie się typowych polimerów w płomieniu Rodzaj polimeru Obserwacje Poliamidy Po zapaleniu pali Płomień świecący, niebieskawy się dalej samo z żółtym brzegiem, kapie, powstają banieczki i ciągnące się nitki Polimetakrylany jw. Świecący, trzeszczy Poliakrylany jw. Świecący, nieco kopcący Polietylen jw. Świecący z niebieskim środkiem, kapie kroplami Policzterofluoroetylen Nie pali się - Polistyren Poli(chlorek winylu) Poli(octan winylu) Poli(alkohol winylowy) Octan celulozy Zapach podobny do palonego rogu Owocowy, słodki Ostry, nieprzyjemny Parafiny W czerwonym żarze ostry-kwasu solnego lub fluorowodoru Świecący, silnie kopcący Słodko-kwiatowy (hiacynt) Żółty, zielony na brzegach, Ostry, kwasu solnego białe dymy, ewentualnie zielone iskry Świecący, kopcący Kwasu octowego Po zapaleniu pali się dalej samo Pali się w płomieniu palnika, gaśnie poza nim Po zapaleniu pali się dalej samo jw. jw. jw. Żółtawozielony, kapie Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9 z Drapiący, ostry, przypomina zapach skórki cytryny w herbacie iskrami, Kwasu octowego i palonego papieru 6 Piroliza; badanie przeprowadza się w probówce, przy ograniczonym dostępie tlenu. Produktem pirolizy mogą być monomery (styren, metakrylan metylu), które można oznaczyć za pomoc innych metod stosowanych w analizie związków organicznych. Tabela 2. Identyfikacja polimerów przez ogrzewanie z kwasem siarkowym Wynik ogrzewania Ogrzewanie z 25% H2SO4 Zapach kwasu octowego Zapach kwasu masłowego Zapach formaldehydu Ogrzewanie do wrzenia z 80% H2SO4 Nie rozkłada się Rozkłada się Wniosek Octan celulozy lub poli(octan winylu) Maślan celulozy Żywice fenolowe, mocznikowe Polietylen, poli(chlorek winylu), poliizobutylen Kauczuk naturalny, polichloropren, kauczuk akrylonitrylowy, poliestry 2.2. Identyfikacja na podstawie pomiarów gęstości Gęstość polimerów nie jest wielkością stałą. Zależy ona od tego, czy jest to polimer liniowy czy rozgałęziony, stopnia krystaliczności, oraz ciężaru cząsteczkowego. W celu określenia gęstości polimer umieszcza się w kilku cieczach i obserwuje zachowanie próbki (czy unosi się na powierzchni czy opada na dno). Nie powinny one być rozpuszczalnikami dla badanych próbek, z reguły stosuje się wodę oraz roztwory alkoholi w wodzie. Gęstość polimerów waha się w granicach 0.88 do 2.3 g/cm3. 2.3. Identyfikacja na podstawie rozpuszczalności Metoda ta należy do prób uzupełniających wyniki innych badań. Proces rozpuszczania jest zazwyczaj dosyć wolny i może przebiegać przez etap pęcznienia. Zależy od ciężaru cząsteczkowego, stopnia krystaliczności oraz rozgałęzień. Rozpuszczalność maleje ze wzrostem ciężaru cząsteczkowego oraz stopnia krystaliczności. Polimery usieciowane są nierozpuszczalne, a przy małych gęstościach usieciowania jedynie pęcznieją. Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9 7 eter dietylowy etanol czterochlorek węgla + chlorometan + + octan butylu kwas octowy + octan metylu chloroform + n-butanol pirydyna + kwas mrówkowy octan etylu Poli(chlorek winylu) Poli(octan winylu) Poli(alkohol winylowy) Poliwinylobutaral Etyloceluloza Octan celulozy Metyloceluloza Acetylomaślan celulozy Żywica fenolowaformaldehydowa Ż. mocznikowoformaldehydowa Poli(metakrylan metylu) Polietylen Poliamid Polistyren Poliuretany Policzterofluoroetylen Azotan celulozy aceton woda Tabela 3. Rozpuszczalniki niektórych polimerów + + + x + x + + + + + + + + + cz cz + + + + + + + + + x + + + x (+) + + x + + + x + + + + (+) + + (+) (+) x + + cz + + (+) (+) + + + + + + + + x + + + + rozpuszczalny, (+) rozpuszczalny na gorąco, cz częściowo rozpuszczalny, x pęcznieje 2.4. Identyfikacja na podstawie reakcji barwnych Reakcje barwne są charakterystyczne dla poszczególnych polimerów lub grup polimerów. W literaturze przedmiotu można spotkać stosunkowo dużą ilość proponowanych reakcji określanych jako barwne. Do klasycznych reakcji barwnych należy próba Liebermana-Storcha-Morawskiego, w której polimery poddaje się działaniu bezwodnika octowego i kwasu siarkowego. Niektóre polimery tworzą barwne pochodne, które mogą posłużyć do identyfikacji polimeru. Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9 8 Tabela 4. Zachowanie się polimerów w reakcji Liebermana-Storcha-Morawskiego Polimer Zabarwienie azotan celulozy octan celulozy etyloceluloza metyloceluloza chlorowany kauczuk polichloropren poliizobutylen żywica melaminowo-formaldehyd. metakrylan metylu żywica fenolowa poliamidy polistyren policzterofluoroetylen żywica mocznikowo-formaldehyd. poli(octan winylu) poli(chlorek winylu) wydziela się NO2 brak zabarwienia lub jasnobrązowe pomarańczowe do brązowego żółte do oliwkowego i czarnego brak zabarwienia czerwonobrązowe brak zabarwienia brak zabarwienia brak zabarwienia bardzo różowe brak zabarwienia brak zabarwienia brak zabarwienia brak zabarwienia zielone (wolno) niebieskie (wolno) Obecność chloru jak również innych chlorowców można rozpoznać na podstawie tzw próby Beilsteina. Małą próbkę substancji nabiera się na drucik platynowy lub na kawałek zwiniętej siatki miedzianej, na których umieszczono poprzednio niewielką ilość tlenku miedziowego (CuO) i ogrzewa w nieświecącym płomieniu palnika Bunsena. Jeśli płomień zabarwia się na zielono, to substancja zawiera chlorowiec. Czyste zabarwienie zielone świadczy o obecności jodu, bardziej niebieskozielone o obecności chloru lub bromu. Przed wykonaniem próby tlenek miedziowy i siatkę miedzianą należy prażyć w płomieniu tak długo, aż nie będzie występować zielone zabarwienie. Wykrywanie azotu, siarki i chlorowca – identyfikacja na podstawie reakcji barwnych. Ogólnie stosowana próba polega na stopieniu analizowanego polimeru z sodem, a następnie oznaczeniu jonów CN-, S2- oraz Cl- w roztworach wodnych. Oznaczenie azotu; polega na wytrąceniu osadu błękitu pruskiego (barwa niebieska). Norg → CNCN + Fe2+ → [Fe(CN)6] 4[Fe(CN)6]4- + Fe3+ → Fe4[Fe(CN)6]3 - Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9 9 Oznaczenie siarki; polega na reakcji z nitroprusydkiem sodu Na2[(NO)Fe(CN)5] (fioletowo-czerwone zabarwienie) Oznaczenie chlorowca; polega na wytrąceniu osadu halogenku srebra (barwa biala). Wykrywanie estrów karboksylowych; polega na przeprowadzeniu estrów karboksylowych, w większości przypadków octanów w kwasy hydroksamowe, które z chlorkiem żelazowym dają połączenia barwne. Wykrywanie formaldehydu; polega na wytworzeniu barwy fioletowej w reakcji formaldehydu z kwasem chromotropowym. Wykrywanie żywic mocznikowych; polega na wytworzeniu difenylokarbazydu w czasie ogrzewania mocznika do temperatury 150-200 °C z nadmiarem fenylohydrazyny. Difenylokarbazyd przeprowadza się w jego sól niklową, która ma barwę fioletową. 2.5. Identyfikacja na podstawie analizy elementarnej Dla większości polimerów głównymi ich składnikami są węgiel oraz wodór. W celu dokładnego oznaczenia składu próbki polimerów, poddaje się je również badaniom w celu określenia zawartości azotu, chloru, fluoru, siarki oraz fosforu. Analiza elementarna pozwala na określenie zarówno rodzaju pierwiastków wchodzących w skład polimeru jak również na określenie ich procentowej zawartości. 2.6. Oznaczanie wielkości charakterystycznych Liczba kwasowa (LK); LK określa się liczbę miligramów wodorotlenku potasu, zużytą na zobojętnienie wolnych kwasów zawartych w 1 g substancji. LK = 56.1 v·n/m v - objętość 0.1 n roztworu wodorotlenku potasu, zużytego do miareczkowania, ml n – normalność roztworu KOH m – odważka próbki, g 56.1 milirównoważnik KOH Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9 10 Liczba zmydlenia (LZ); LZ nazywa się liczbę mg wodorotlenku potasu zużytego do zhydrolizowania 1 g substancji. Liczba zmydlania obejmuje również liczbę kwasową, jako, że w tym oznaczeniu nie odróżnia się wolnych kwasów od kwasów związanych w postaci estrów. Liczba zmydlenia oczyszczonych żywic, wolnych od domieszek małocząsteczkowych o charakterze kwaśnym jest istotnym parametrem ułatwiającym identyfikację. LZ = 56.1 (v1·n1 – v2·n2)/m v1 - objętość roztworu KOH, zużytego do miareczkowania, ml n1 – normalność roztworu KOH v2 - objętość roztworu HCL, zużytego do miareczkowania, ml n2 – normalność roztworu HCL m – odważka próbki, g 56.1 milirównoważnik KOH Tabela 3. Liczby kwasowe polimerów LK 0 0-200 4 <5 5 <10 Polimer Azotan celulozy Octan celulozy Poli(chlorek winylu) Żywice mocznikowe Poliestry nie usieciowane Poli(metakrylan metylu) Polistyren Poliizobutylen Etyloceluloza Poliakrylany Poli(alkohol winylowy) Poli(octan winylu) 2.7. Badania spektralne Badania spektralne są powszechną metodą identyfikacji polimerów, ponieważ uzyskane na podstawie pomiarów widma dostarczają wielu informacji o wzajemnym ułożeniu elementów struktury w przestrzeni, o siłach działających między nimi i utrzymujących je w pewnych określonych Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9 11 konfiguracjach przestrzennych. Ponadto widma w pewnych przypadkach odzwierciedlają stosunki ilościowe różnych elementów, co umożliwia analizę składu. Spektroskopia absorpcyjna w podczerwieni; do badań polimerów najczęściej stosowany jest zakres podczerwieni. Określone grupy funkcyjne charakteryzują się ściśle określonym zakresem absorpcji promieniowania podczerwonego. Częstotliwość, przy której dana grupa funkcyjna absorbuje promieniowanie IR nazywa się częstotliwością grupową, a takie drganie grupy funkcyjnej drganiem charakterystycznym. Uzyskane na podstawie badań widma są zazwyczaj bardzo złożone i niezwykle rzadko zdarza się, aby dwa różne związki chemiczne miały w całym zakresie identyczne widma, co praktycznie umożliwia jednoznaczną ich identyfikację. Zastosowanie bazy danych z częstościami określonych pasm obecnych w danych związkach chemicznych pozwala na identyfikację związków chemicznych w badanej próbce. Spekroskopia Ramana; technika ta uzupełnia się z spektroskopią w podczerwieni. W widmie Ramana pojawiają się tylko te drgania, w których zmienia się polaryzowalność cząsteczki , w taki sposób, że nie ma ona ekstremum w położeniu równowagi. Spektroskopia UV-Vis; metoda analityczna wykorzystująca absorpcję promieniowania elektromagnetycznego w zakresie ultrafioletu i światła widzialnego (o długości fali 100-800 nm), wynikającą ze wzbudzeń elektronów walencyjnych w cząsteczkach naświetlanych substancji. Spektroskopię UV-Vis wykorzystuje się do oznaczania zawartości substancji absorbujących, zwłaszcza związków organicznych zawierające wiązania wielokrotne oraz związki metali przejściowych. Spektroskopia jądrowego rezonansu magnetycznego 1H NMR; położenie sygnału w widmie NMR jest określane za pomocą tzw przesunięcia chemicznego. Zakresy wartości przesunięć chemicznych odpowiadające absorpcji przez jądra znajdujące się w otoczeniu określonych grup chemicznych są stablicowane. Porównanie zarejestrowanych przesunięć chemicznych z wartościami tablicowymi umożliwia identyfikację struktury chemicznej badanego związku. Fluorescencyjna spektrometria rentgenowska (XRF); spektrometria XRF służy do identyfikacji pierwiastków w danej substancji i określenia ich ilości. Pierwiastki są wykrywane na podstawie charakterystycznej długości fali (X) lub energii (E) emisji promieniowania rentgenowskiego. Stężenie Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9 12 danego pierwiastka określane jest za pomocą pomiaru intensywności linii jego charakterystyki. Spektrometria XRF pozwala ostatecznie określić skład pierwiastkowy substancji. Spektrometria masowa jest metodą badania substancji przy pomocy widma mas atomów i cząsteczek wchodzących w jej skład. Istota metody polega na tym, że zjonizowane atomy lub cząsteczki substancji są rozdzielane ze względu na wartość stosunku m/q (m-masa, q-ładunek jonu) i rejestrowane oddzielnie za pomocą spektrometru masowego. Z otrzymanego widma mas wyznacza się wartości mas oraz względną zawartość składników badanej substancji. 3. PRZEBIEG ĆWICZENIA (Procedure) Identyfikacji poddane zostaną następujące polimery: poli(chlorek winylu), polietylen, polistyren, poli(metakrylan metylu), poliamid 6, poli(alkohol winylowy). Identyfikacji polimerów dokonać należy na podstawie: a. spalania w płomieniu b. pirolizy c. gęstości d. próby Beilsteina e. rozpuszczalności 3.1. Spalanie w płomieniu i. Aparatura 1. Palnik gazowy 2. Szpatułka metalowa lub pęseta ii. Wykonanie ćwiczenia Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9 13 Małą próbkę polimeru umieścić na szpatułce metalowej i włożyć do nieświecącego płomienia palnika gazowego. Alternatywnie, niewielki kawałek polimeru można chwycić pęsetą i zbliżyć do płomienia aż do zapalenia. Należy obserwować zjawiska zachodzące w kontakcie z płomieniem: palność, rodzaj płomienia, barwę płomienia, zapach wydzielanych dymów i par po zgaszeniu płomienia. 3.2. Piroliza 3.2.1. Aparatura 1. Palnik gazowy 2. Probówka 3. Łapa drewniana 4. Pęseta 5. Papierek lakmusowy 3.2.2. Wykonanie ćwiczenia Niewielką próbkę polimeru umieścić w probówce szklanej i ogrzewać powoli nieświecącym płomieniem. Należy obserwować zachowanie próbki, np. czy próbka się topi czy rozkłada bez stopienia, czy ciemnieje, czy występują jakieś dodatkowe zjawiska. W niektórych przypadkach np. dla polistyrenu i poli(metakrylanu metylu) produktem pirolizy są monomery. Dodatkowo, można określić odczyn gazowych produktów za pomocą zwilżonego w wodzie uniwersalnego papierka lakmusowego umieszczonego za pomocą pęsety wewnątrz probówki. 3.3. Gęstość 3.3.1. Aparatura 1. Probówki i. Wykonanie ćwiczenia Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9 14 Test z wodą Do probówki wprowadzić około 5 mL wody, należy usunąć pęcherzyki powietrza. Badane próbki umieścić w probówce. Należy zaobserwować czy badana próbka unosi się na powierzchni czy opada na dno. Próbki, które unoszą się na powierzchni wody użyć do testu z alkoholem i olejem mineralnym. Te, które opadły na dno do testu z użyciem drucika miedzianego oraz acetonu. Test z alkoholem izopropanowym Do probówki wprowadzić około 5 mL alkoholu. Należy zaobserwować czy badana próbka unosi się na powierzchni czy opada na dno. Test z olejem mineralnym Do probówki wprowadzić około 5 mL oleju mineralnego. Należy zaobserwować czy badana próbka unosi się na powierzchni czy opada na dno. Test z acetonem Do probówki wprowadzić około 5 mL acetonu. Należy zaobserwować czy badana próbka unosi się na powierzchni czy opada na dno. 3.4. Próba Beilsteina 3.4.1. Aparatura 1. Palnik gazowy 2. Drucik miedziany ii. Wykonanie ćwiczenia Jeden koniec drucika umieścić w płomieniu palnika, rozgrzać go do czerwoności i trzymać tak długo, aż zniknie kolor zielony. Po usunięciu drucika z płomienia dotknąć jego rozgrzany koniec do badanej próbki. Niewielka ilość próbki powinna roztopić się na druciku. Następnie drucik wraz z próbką należy umieścić w płomieniu palnika i obserwować kolor płomienia. Zielone zabarwienie płomienia świadczy o obecności chloru. Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9 15 3.5. Rozpuszczalność 3.5.1. Aparatura 1. Palnik gazowy 2. Probówka 3. Zlewka 4. Termometr iii. Wykonanie ćwiczenia W probówce umieszcza się około 0.2 g rozdrobnionego polimeru, a następnie dodaje około 2 mL rozpuszczalnika i umieszcza w łaźni wodnej w temperaturze 70°C, wstrząsając co pewien czas obserwując zachowanie polimeru (pęcznienie, łatwość rozpuszczania, czy polimer wytrąca się po ochłodzeniu roztworu). 4. OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA (Report) • Wstęp teoretyczny • Cel ćwiczenia • Opis przeprowadzonych doświadczeń wraz z analizą wyników. Identyfikacja poszczególnych próbek polimerów. • Opis podstawowych właściwości fizykochemicznych (temperatura zeszklenia, temperatura topnienia, właściwości mechaniczne, itp.) oraz ich zastosowania. • Uzyskane wyniki obserwacji należy umieścić w Tabeli. Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9 16 Nazwa Wzór polimeru Gęstość Zachowanie Zachowanie Zachowanie się Właściwości strukturalny się tworzywa meru w płomieniu się tworzywa tworzywa w fizykochemiczne podczas rozpuszczalnikach i zastosowania pirolizy 5. LITERATURA (References) [1] H. Cloutier, R.E. Prud’homme; J Chem Edu 1985, 62, 815 [2] H.J.M. Bowen; J Chem Edu 1990, 67, 75 [3] A. Blumberg; J Chem Edu 1993, 70, 399 [4] Analiza polimerów syntetycznych, praca zbiorowa, PWN, Warszawa, 1971 [5] Physical properties of polymers, Handbook, Editor J.E. Mark, Springer, New York, 2007 6. PRZYKŁADOWE PYTANIA SPRAWDZAJĄCE (Problems) 7. • Podać i opisać znane metody identyfikacji polimerów • Podać struktury chemiczne analizowanych polimerów • Podać metody identyfikacji tworzyw termoplastycznych EFEKTY KSZTAŁCENIA (Learning outcomes) a. Co student powinien wiedzieć • Na czym polega proces identyfikacji polimerów • Jakie metody badawcze mogą służyć do identyfikacji polimerów • Struktury chemiczne podstawowych polimerów b. Co student powinien umieć • Przeprowadzić identyfikację polimerów z wykorzystaniem prostych metod • Analizować uzyskane obserwacje i sformułować logiczne wnioski Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9 17 8. TELEFONY ALARMOWE (Emergency numbers) • Pogotowie ratunkowe: 999 • Straż pożarna: 998 • Policja: 997 • Straż miejska: 986 • Pogotowie ciepłownicze: 993 • Pogotowie energetyczne: 991 • Pogotowie gazowe:992 • Pogotowie wodociągowe:994 • Numer alarmowy z telefonu komórkowego: 112 Laboratorium pn „Identyfikacja polimerów” realizowane w ramach Zadania nr 9 18
