Реферат з хімії підготував Сергій Голубєв
Здавна для виготовлення свого одягу людина користалася природними волокнами, одержуваними з бавовни, льону, вовни деяких тварин, з ниток, випрядаемих гусеницею шовковичного шовкопряда. Цілком природно, що ці джерела виявилися недостатніми, щоб повністю задовольнити все зростаючу потребу в тканинах.
Гусениця шовковичного шовкопряда видавлює через вузьку протоку в'язку рідину і витягає її в найтоншу нитку, застигаючю на повітрі. Отже, щоб одержати штучне волокно подібне гусениці шовковичного шовкопряда, треба приготувати в'язку рідину і з неї спробувати витягати нитки.
З цією метою бавовну обробили азотною кислотою. При цьому виходила нитроцеллюлоза, що при розчиненні в суміші спирту з ефіром давала сиропоподібну рідина. З цієї рідини паличками вдавалося витягати нитки. Але цей примітивний спосіб не міг, звичайно, нікого задовільнити. Французький хімік Шардоне вирішив далі провести наслідування шовкопряду. Він продавлював розчин нітроцелюлози в спирті й ефірі через тонкі отвори в підкислену воду. Після розведення водою спіртоефірного розчину виходили шовковисті довгі нитки чистої нітроцелюлози.
Відомо, як вогненебезпечна й вибухові нітроцелюлоза. У плаття з такої тканини не погодилася б вбратися жодна модниця. Щоб уникнути цього недоліку, отримані нитки піддавали денітрації.
Перші зразки були, звичайно, дуже дорогі, а тим часом досягнення, здавалося, було невелике. Адже штучний шовк виходив усе-таки з волокнистого матеріалу - бавовни. З бавовни легко одержувати нитки і звичайним прядінням, щоправда, вони не мають шовковистий блиск. От якби навчитися готувати штучні нитки з целюлози, що не йде на прядіння, наприклад з тієї, що знаходиться в деревині, і не застосовувати при цьому дорогу азотну кислоту.
Великим завоюванням хімії було створення саме такого способу. Цей спосіб зветься віскозного і є в даний час одним з найпоширеніших.
Виробництво віскозного шовку полягає в наступному:
Як відомо, у деревині целюлоза складає приблизно 50% за масою. Щоб виділити чисту целюлозу, деревину перетворюють у тріску і варять у великих закритих казанах, під тиском у кілька атмосфер, з розчином гідросульфіта кальцію Ca (HSO3) 2. Варка триває близько доби. При цьому гідросульфіт руйнує речовини, що склеюють волоконця клітковини, і вона, як хімічно найбільш стійка, виділяється у вільному вигляді. Целюлозу змішують з водою і рідкою кашкою, виливають поступово на безупинно рухливу стрічку. Після видалення води, висушування і різання утворяться аркуші так називаної сульфітної целюлози, що нагадує собою картон. Частина сульфітної целюлози йде на вироблення паперу, а частина - на виробництво віскозного шовку.
З отриманої целюлози не можна безпосередньо випрясть нитки, її треба спершу перевести в розчин, щоб потім за прикладом нітратного шовку з в'язкого розчину витягати нитки. Целюлоза не розчиняється ні у воді, ні в звичайно уживаних органічних розчинниках. Але виявилося, що якщо на целюлозу подіяти спершу концентрованим розчином лугу, а потім сірковуглецем CS2, то вона перетворюється в речовину, розчинна в розведених розчинах лугу, для одержання таких розчинів надходять у такий спосіб.
Листи целюлози обробляли лугом, потім їх подрібнюють механічним способом, що вийшла, пухкі масу через деякий час обробляють в особливих апаратах сірковуглецем. Продукт реакції целюлози з лугом і сірковуглецем здобуває оранжево-жовте забарвлення, і тому називається ксантогенатом (від грец. "Ксантос" - світло-жовтий). Ксантоганат представляє собою ефір целюлози.
До ксантогенату доливають 4-відсотковий розчин гідроокису натру. Утворюється в'язкий розчин - віскоза. Цей спосіб одержав назву віскозного. Віскозу залишають на кілька днів "дозрівати", щоб вона стала придатною для формування волокна. Готова віскоза надходить у цех прядіння. Тут на десятках машин з її готують шовкові нитки.
Відомі й інші штучні волокна.
З принципом одержання одного з них легко познайомитися навіть практично.
Приплив до розчину мідного купоросу розчин гідроксиду натрію. Вийде блакитний осад гідроксиду міді:
CuSO4 + 2NaOH = Cu (OH) 2 + Na2SO4
Отфільтруем осад і розчинимо його в міцно нашатирному спирті (водному розчині аміаку NH3). При цьому утворюється так зване комплексне мідно-аміачна сполука, розчинна у воді, і рідина приймає красиве темно-синє забарвлення.
У цій рідині розчинний, при помішуванні паличкою, грудочка вати (вата - це волокна бавовни). У нас вийде мідно-аміачний розчин целюлози. Якщо тепер його вилити тонким струменем у розчин кислоти або лугу, то комплексна сполука міді розкладеться, і целюлоза виділиться знову у вигляді пластівців і ниток. Мідно-аміачний розчин целюлози ми можемо видавлювати в осадительную ванну з якого-небудь насосик, наприклад медичного шприца. Тоді целюлоза твердне у вигляді довгих ниток. Це буде вже досить повним наслідуванням виробничому процесу одержання волокна.
У промисловості для одержання мідно-аміачного шовку використовується бавовняне волокно - лінт. Щоб виділити целюлозу з мідно-аміачного комплексу, розчин видавлюють через фільєри в теплу воду або розчин лугу і які утворюються нитки пропускають потім через розчин сірчаної кислоти.
Мідно-аміачний шовк називають павутиною з міцністю стали. Однак він тонше павутини і тонше натурального шовку і по міцності мало уступає останньому, а по красі навіть перевершує його.
Особливої міцністю володіє ацетатне волокно. За цим способом лінт обробляють сумішшю оцтової кислоти CH3COOH та оцтового ангідриду (CH3CO) 2O у присутності невеликого кількість сірчаної кислоти. У результаті реакції утворюється складний ефір - діацетілцеллюлоза або триацетилцеллюлоза. Якщо формулу целюлози зобразити у вигляді [C6H7O2 (OH) 3] n чи, спрощено (одна ланка молекули), у вигляді C6H7O2 (OH) 3, то формула діацетілцеллюлози буде C6H7O2 (OH) (OOCCH3) 2, а формула триацетилцеллюлоза C6H7O2 (OOCCH3 ) 3.
Той і інший складний ефір целюлози використовуються для одержання штучного волокна. З цією метою перший з них розчиняють у суміші етилового спирту й ацетону, а другий - у суміші спирту і хлористого метилену. Отриманий в тому чи іншому випадку в'язкий розчин видавлюють через фильеру в шахту, в якій проходить нагріте повітря. Після випаровування розчинника утворюються нитки шовку. Цей спосіб називається сухим формуванням волокна на відміну від попереднього способу - мокрого формування.
Усі розглянуті раніше волокна складаються, у кінцевому рахунку, з целюлози, хоча вона в процесі переробки піддавалася ряду перетворень. Ацетатне ж волокно від них істотно відрізняється тим, що є складним ефіром целюлози. Воно не набухає у воді і менше інших втрачає міцність у вологому стані.
Поки ацетатне волокно обходиться дорожче віскозного, тому що на виробництво його йдуть такі цінні речовини, як оцтовий ангідрид, ацетон і т. п.
Крім штучного волокна, з ацетатцелюлози готують негорючу плівку, лаки, целлон.
Можна легко і безпомилково відрізнити бавовняну тканину від вовняної. Для цього варто лише узяти від зразків по невеликій ниточці і підпалити їх. Якщо нитка бавовняна відчувається запах горілої папери; якщо нитка вовняна, ми відчуємо запах смаленого. Це відбувається тому, що вовна білкового характеру, а білки при нагріванні утворять летучі азотовмісні речовини з характерним запахом.
Чи можна подібним способом відрізнити нитка штучного волокна від бавовняної чи від нитки натурального шовку? Згадаймо, що штучне волокно складається в основному з целюлози; очевидно, воно при горінні не буде давати запаху паленого волосся, і за цією ознакою його не відрізнити від бавовняної нитки. Але його, виявляється, можна легко відрізнити від натурального шовку, адже натуральний шовк - це білок, і він, отже, подібно вовни, при підпалюванні буде видавати характерний запах.
Наше століття часто називають століттям синтетичної хімії. Дуже багато нових речовин одержала хімія за допомогою синтезу.
Навчилася вона одержувати і синтетичні волокна, тобто такі, основу яких складають не природні високомолекулярні речовини, а синтетичні полімери. Одними з перших синтетичних волокон стали відомі нейлон, анид і капрон.
Речовини, що утворять ці волокна, по своїй будівлі до деякої міри подібні з білковими речовинами шовку. Молекули усіх волоком мають лінійна будівля і складаються з повторюваних ланок. Такими ланками в молекулах целюлози будуть залишки молекул глюкози. У молекулах білка натурального шовку, вовни ланками є залишки амінокислот:
H O
O
H2N-CH-C;-N-CH-C-
OH
RR
Будова молекули білкової речовини шовки може бути виражено схемою:
H O H O H O
...-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-...
R R R
Групи атомів-CO-NH-, що з'єднують залишки амінокислот у таких молекулах, називаються амідні групи, а зв'язки між атомами вуглецю й азоту в них - амідних зв'язками.
У молекулах, що утворять нейлон і капрон, також є амідні зв'язку між повторюваними групами атомів, але ці повторювані групи атомів - ланки - відрізняються від тих, котрі утворять молекулу природного білка.
Нейлон готують з досить простих органічних речовин - адиптиновой кислоти HOOC - (CH2) 4 - COOH і гексаметилендиамина H2N - (CH2) 6 - NH2, які в свою чергу, одержують з фенолу. При нагріванні спільно адиптиновой кислоти і гексаметилендиамина утвориться грузла смола. Молекули вихідних речовин, взаємодіючи один з одним, утворять нитковидні молекули нової речовини. Ця реакція відбувається через те, що від кінця однієї молекули відривається гідроксильна група. А від кінця іншої молекули - з аміногрупи - атом водню. Група OH і атом водню утворять молекулу води H2O, а залишки молекул органічних речовин за рахунок валентностей, що звільнилися з'єднуються один з одним у довгі ланцюги. Спрощено цей процес можна зобразити наступною схемою:
HO OH HH
C-(CH2) 4-C + N-(CH2) 6-N +
OOHH
HO OH
C-(CH2) 4-C + ...
O O
HO
C-(CH2) 4-C-N-(CH2) 6-N-C-(CH2) 4-C-... + nH2O;
O
O H H O O
Так з'єднується в ланцюг приблизно по сотні залишків молекул гексаметилендиамина і адиптиновой кислоти.
Нагріту в'язку смолу продавлюють через тонкі отвори фільєри. Охолоджувана повітрям струмінь твердне, утворюючи волокно. Швидкість утворення волокон тут дуже велика - 1000 м / хв. Далі волокна нейлону піддаються розтягуванню на барабанах, що обертаються з різною швидкістю; при цьому вони подовжуються в кілька разів. Молекули, що утворять їх, раніше як би зморщені, випрямляються і розташовуються по осі волокна. Від цього міцність волокна сильно зростає.
Довгі ланцюжки молекул іншого синтетичного волокна - капрону, що є винаходом радянських учених, - побудовані з повторюваних ланок - залишків амінокапронової кислоти NH2-(CH2) 5-COOH.
За рахунок аміногруп і карбоксильних груп різних молекул тут також встановлюється амидная зв'язок між ланками, що видно з наступної схеми будівлі молекули капрону:
O H O H O
H2N-(CH2) 5-C - N-(CH2) 5-C - N-(CH2) 5-C-...
Технічний спосіб одержання волокон капрону подібний зі способом одержання нейлону. З капрону можна одержувати настільки тонкі волокна, що нитка довжиною 9 км буде важити усього лише 6 р.
Волокна нейлону (анида) і капрону мають міцність, значно переважаюча міцність природних і штучних волокон. Вироби з них мають багато й інших чудових властивостей. Вони не гниють, не поїдаються міллю. Після прання вони швидко сохнуть і легко приймають колишній вид. Ці вироби не гігроскопічні і не знижують своєї міцності від вологи, як це спостерігається в інших штучних волокон, навіть у натурального шовку.
Дослідження вчених привели до створення ряду нових волокон. У нашій країні, крім анида і капрону, виробляються такі синтетичні волокна, як хлорин, нітрон, лавсан, енант.
До хлорину вчені підійшли в пошуках волокна високої хімічної стійкості (розглянуті вище поліамідні волокна хитливі стосовно кислот). Серед хімічно стійких полімерів був відомий полівінілхлорид (поліхлорвініл):
-CH2-CH-
Cl n
Однак одержати волокно з нього виявилося справою складним. Адже щоб досягти розташування молекул у визначеному напрямку, а без цього немає волокна, необхідно полімер розплавити, тобто дати можливість молекулам його вільно переміщатися, щоб потім у процесі формування перешикувати їхнє розташування і закріпити в потрібному порядку. Тим часом полівінілхлорид не можна розплавляти, тому що при нагріванні він розкладається; важко знайти і придатний розчинник. Подібно тому як при одержанні штучних волокон розчинність целюлози досягається за рахунок її хімічної обробки. Удалося зробити розчинним і полівінілхлорид у результаті його додаткового хлорування. Цю реакцію, дуже нагадує нам хлорування граничних вуглеводнів, можна виразити такою схемою:
-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-... + nCl2-CH2-CH-CH-CH-CH2-CH-... + nHCl
Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl
Високомолекулярний продукт хлорування утвориться у вигляді смоли, називаної також хлорином.
Хлорин розчиняють в ацетоні, розчин пропускають через фильеру у ванну з водою. Ацетон при цьому розчиняється, і хлорин виділяється у виді тонких волокон.
Хлоринового волокно негорючі, на нього не діють ні кислоти, ні лугу, якийсь час не діє навіть "царська горілка" - суміш азотної і соляної кислот, що надає звичайно особливо сильне окисне дію.
З хлоринового волокна готують фільтрувальні тканини і прокладочний матеріал для хімічних апаратів, спецодяг для робітників хімічної промисловості, килими, лікувальна білизна і т. д.
У списках хімічно стійких волокон учені звернулися і до полімеру тефлону (-CF2-CF2-) n вищому еталону хімічної інертності речовини, що перевершує в цьому відношенні такі шляхетні метали, як золото або платина. Тут труднощі здавалися довгий час нездоланними: тефлон не вдавалося розчинити в жодному з відомих розчинників, не можна його і розплавити або навіть перевести в розм'якшене стан без розкладання. Однак використання деяких прийомів формування дозволило останнім часом з тефлону одержати волокна.
Нітрон і лавсан не можуть суперничати по хімічній стійкості з хлорином або тефлоном, але в них є інші коштовні властивості, що відкривають перед цими волокнами перспективу широкого застосування.
Вихідною речовиною для одержання волокна служить нітрил акрилової кислоти - акрилонітрил CH2-CH.
CN
Завдяки наявності подвійного зв'язку між атомами вуглецю ця речовина легко полімеризується, утворюючи високомолекулярну смолу поліакрилонітрил
(-CH2-CH-) n.
CN
Полімер розчиняють у відповідному розчиннику і формують волокно по мокрому способі, подібно віскозному волокну.
Волокно нітрон по зовнішньому вигляді схоже на вовну, воно дуже добре розчиняє теплоту, досить міцно і перевершує інші волокна по світлостійкості. З цього волокна готують тканини для костюмів і пальто, штучне хутро, трикотажні вироби.
Волокно лавсан по хімічній природі є поліефіром. Вихідні речовини для його одержання - двоосновна терефталева кислота
HOOC--COOH і двоатомний спирт етиленгліколь HO-CH2-CH2-OH.
При відомих умовах ці речовини вступають між собою в реакцію етерифікації так, що у кожного з них взаємодіють при цьому обидві функціональні групи. У результаті утворюється високомолекулярна смола лавсан. Дещо спрощуючи, процес цей можна зобразити так:
OOOO
C--C + CH2-CH2 + C--C + ...
OH OH HO OH HO OH
OOOO
C--CC--C + nH2O
OH O-CH2-CH2-O ...
Подібні реакції утворення полімерів, що йдуть з виділення низькомолекулярного продукту, носять загальна назва реакцій поліконденсації, на відміну від реакцій полімеризації, що йдуть без виділення побічного продукту і є по суті реакціями з'єднання (див. утворення нітрону).
Одержувані зі смоли лавсан волокна характеризуються великою міцністю, значною стійкістю до високих температур, світлу й іншим реагентів. Тканини з лавсану не мнуться і не втрачають згодом додану їм форму.
У нашій країні до Жовтневої революції існувала лише одна фабрика штучного шовку, що працювала по віскозному способу, та й та припинила свою роботу під час першої світової війни. При Радянській владі промисловість штучних, а потім і синтетичних волокон одержала широкий розвиток.
Список літератури
Книга для читання по органічній хімії. Посібник для учнів. М., "Просвіта", 1975.