химия лабораторный практикум

80

образованию амфотерных соединений висмут восстанавливается полностью в щелочной среде. Эту реакцию можно использовать для открытия висмута.

Опыт 8. Гидролиз соли висмута (III)

Порядок проведения эксперимента. В пробирку внести 1мл раствора соли висмута Bi(NO3)3 и добавить (по каплям) 5-10 капель воды. Размешать раствор стеклянной палочкой, наблюдать помутнение и дальнейшее выпадение осадка основной соли висмута (чтобы осадок выпал быстрее, следует потереть концом палочки о стенку пробирки, что ускоряет процесс кристаллизации).

Запишите данные опыта. Объясните наблюдаемые явления при разбавлении раствора. Напишите в молекулярном и ионном виде уравнения реакции гидролиза нитрата висмута, протекающего с образованием (нерастворимой) основной соли Bi(OH)2NO3.

Вопросы для самоконтроля и повторения

1.Какими химическими свойствами обладают соединения бора?

2.Приведите основные соединения углерода и области их применения.

3.В виде каких модификаций встречается углерод в природе?

4.Какие Вы знаете основные соединения кремния и где они применяются?

5.Опишите полупроводниковые материалы на основе германия, сурьмы и висмута.

Лабораторная работа № 6

ХИМИЯ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ

Цель работы:

1.Изучить процесс схватывания и твердения неорганических вяжущих веществ.

2.Ознакомиться с процессами, протекающими при химической коррозии портландцемента.

3.Ознакомиться с некоторыми физико-химическими свойствами орга-

нических вяжущих веществ.

При изучении химии неметаллических материалов для студентов общеинженерной направленности, в том числе специальности «Лесоинженерное де-

81

ло», важное значение имеет знание неорганических вяжущих веществ, применяемых в строительстве и различных областях промышленного производства.

Теоретическая часть

Строительные вяжущие вещества делятся на неорганические (минеральные) и органические.

Минеральные вяжущие представляют собой порошкообразные вещества, которые после смешивания с водой образуют пластическую массу, постепенно затвердевающую и переходящую в камневидное состояние. В зависимости от условий твердения и водостойкости продуктов твердения различают воздушные и гидравлические вяжущие.

Минеральные вяжущие вещества получают путем измельчения исходных материалов с последующей термической обработкой при разных температурах.

Важнейшими из неорганических вяжущих веществ являются портландцемент, известь и гипс.

Гипсовые вяжущие получают тепловой обработкой природного двуводного гипса

107÷180 оС

CaSO4 2Н2О –––––– CaSO4 0,5H2O.

Сырьем для производства извести являются известняки, мел, доломит, а также промышленные отходы, содержащие карбонаты. При обжиге известковых карбонатных материалов полностью удаляют углекислый газ

разовавшиеся из глинистых примесей исходного сырья. При содержании этих примесей в обжигаемой породе менее 6 % получается воздушная известь, а при большем их содержании – гидравлическая.

При обжиге до спекания сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины (3:1), получается портландцементный клинкер состава

82

Твердение минеральных вяжущих веществ идет по гидратационному механизму, то есть в результате реакции между вяжущим веществом и водой.

Органические вяжущие вещества делятся на три основные группы: битумы, дегти и полимеры. Они характеризуются высокой адгезией к наполнителям, гидрофобностью и растворимостью в органических растворителях. Органические вяжущие вещества обладают способностью изменять свои физикохимические свойства в зависимости от температуры, а многие из них изменяют свои первоначальные свойства и под воздействием кислорода воздуха, ультрафиолетовых лучей, солнечной радиации. Почти все они способны гореть, некоторые из них токсичны.

Битумные подразделяются на природные и нефтяные. Нефтяные битумы представляют собой твердые, вязкопластичные или жидкие продукты переработки нефти. Это сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их производных, содержащих серу, азот, кислород. Основные группы углеводородов в битумах: асфальтены, смолы и масла. Битумы представляют собой гетерогенные дисперсные системы, в которых дисперсной фазой являются твердые частицы - асфальтены, а дисперсионной средой - растворы смол в маслах.

В битумах есть свои поверхностно-активные вещества – асфальтогеновые кислоты, которые, адсорбируясь на поверхности асфальтенов, способствуют повышению адгезии битума к минеральным наполнителям.

Дегти – это продукты переработки твердого топлива: каменного угля, древесины, торфа, горючих сланцев. В состав дегтей входят углеводороды ароматического ряда и их кислород; серо-, азотсодержащие производные. Дегти, как и битумы, гетерогенные дисперсные системы. Их атмосферостойкость ниже, чем у битумов, так как содержащиеся в них непредельные углеводороды подвергаются окислению и полимеризации при воздействии кислорода и ультрафиолетовых лучей солнечного света. Вымывание водой фенолов ускоряет старение.

Отвердевание битумов и дегтей заключается в повышении их вязкости и переходе в вязкоупругое состояние в результате структурообразования при понижении температуры.

В настоящее время перспективными строительными материалами, полученными на основе полимеров, являются полимерцементы и полимербетоны.

Полимерцементы представляют собой вещества, в которых в качестве вяжущего служит цемент или гипс с добавлением полимеров или водных сус-

83

пензий натуральных или синтетических латексов. В качестве полимерного связующего чаще всего используются поливинилацетатная дисперсия, водорастворимые эпоксидные, полиэфирные, фенолформальдегидные или карбамидные полимеры, эфиры целлюлозы и др. Добавление полимеров к минеральным вяжущим повышает их физические и физико-химические свойства. Такие материалы обладают свойствами как цементов, так и полимеров. Эти свойства во многом зависят от выбора полимерных добавок и их количеств.

Полимерцементы применяют для отделочных работ, приклеивания керамической плитки, выравнивания бетонных поверхностей, заделки различных стыков.

Полимербетоны получают на основе минеральных наполнителей (песок, щебень и др.) и полимерных вяжущих. Для этой цели используют, главным образом, термореактивные полимеры. Разработаны полимербетоны на основе эпоксидных, ненасыщенных полиэфирных, фурановых, фенолоформальдегидных, карбамидных и других полимеров. Наиболее дешевыми и наименее дефицитными являются фурановые полимеры. Полимербетоны на их основе обладают высокой химической стойкостью, термостойкостью, и, особенно, стойкостью к истиранию. Эпоксидные полимербетоны обладают высокой адгезией к большинству сухих строительных материалов.

Полимербетоны выгодно отличаются по своим свойствам от обычных бетонов высокой химической стойкостью, повышенной прочностью, износо- и морозостойкостью. Это связано с тем, что полимербетон не содержит цемента, химическая природа его основы инертна, поэтому полимербетоны применяют для устройства монолитных бесшовных полов, отделочных и защитных покрытий, ремонта бетонных конструкций. Из полимербетонов изготавливают элементы наружной облицовки гидротехнических сооружений, работающих в тяжелых условиях. Использование крупнопористого полимербетона на особо легких заполнителях для теплоизоляции позволяет уменьшить теплопроводность и массу бетонов.

Новым направлением в создании высокопрочных и коррозионно-стойких материалов являются бетонополимеры. Их получают пропиткой пористых материалов мономерами (стирол, метилметакрилат), содержащими инициатор полимеризации, с последующей полимеризацией. Это повышает прочность, морозостойкость, коррозионную стойкость тяжелого цементного бетона.

84

Экспериментальная часть

Опыт 1. Гашение воздушной извести

Порядок проведения эксперимента.

Положите в сухую фарфоровую чашку 2-3 кусочка воздушной извести, осторожно смочите несколькими каплями воды и наблюдайте за происходящим. Как называется этот процесс? Какое техническое название имеет образовавшееся вещество?

Добавьте в чашку 5-6 мл воды, размешайте все стеклянной палочкой, дайте осадку отстояться. Полученный известковый раствор отфильтруйте и разделите на две пробирки. В одну добавьте 2-3 капли фенолфталеина и отметьте его окраску. Через раствор во второй пробирке пропустите углекислый газ.

Запишите данные опыта.

Напишите уравнения реакций наблюдаемых вами процессов и укажите их значение в химии вяжущих веществ.

Опыт 2. Разложение портландцемента соляной кислотой

Порядок проведения эксперимента. Поместите 1 г портландцемента в фарфоровую чашку, смочите его минимальным количеством воды, быстро и тщательно размешайте стеклянной палочкой. Отмерьте цилиндром 15 мл концентрированной соляной кислоты и медленно прилейте кислоту к содержимому в чашке до полного исчезновения темного цвета цемента. Вылейте в чашку 100 мл горячей воды и отфильтруйте содержимое в колбу. Опыт обязательно производите под тягой.

Запишите данные опыта.

Напишите реакции paзложения клинкерных минералов цемента соляной кислотой. Какие ионы переходят в раствор и что остается на дне чашки не разложившимся?

Опыт 3. Химическая стойкость битумов

Порядок проведения эксперимента. В коническую колбу положите ку-

сочек битума (приблизительно 3 г), слегка подогрейте и равномерно распределите по дну колбы, зачем прилейте 20 мл реагента в соответствии с вариантом

85

задания. Нагрейте до кипения и отметьте, устойчив или нет битум к действию реагента. Полученные данные занесите в таблицу 1.

Таблица 1

Химическая стойкость битумов

На основании полученных результатов сделайте вывод о химической стойкости битумов к действию агрессивных веществ.

Вопросы для самоконтроля и повторения.

1.На какие группы делятся строительные вяжущие вещества и охарактеризуйте каждую из них.

2.Приведите основные процессы, протекающие при химической коррозии портландцемента.

3.Охарактеризуйте основные процессы, протекающие при химической коррозии портландцемента.

4.Какие полимеры используют для получения полимербетонов?

5.Как получают бетонополимеры и какими свойствами они обладают?

Лабораторная работа № 7

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ

Цель работы:

1.Ознакомиться с растворимостью пластмасс и получением полимерных покрытий.

2.Освоить метод приготовления клеевой композиции и еѐ применение.

3.Освоить один из методов определения температуры размягчения полимеров.

4.Изучить один из методов определения вязкости растворов полимеров.

Теоретическая часть

86

Полимеры – это вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся атомных группировок (структурных звеньев), соединенных ковалентными связями.

Различают неорганические, органические и элементоорганические полимеры. Органические полимеры в свою очередь подразделяются на природные, к которым относятся, например, крахмал, клетчатка, белки; модифицированные, полученные соответствующей обработкой природных, и синтетические, т. е. получаемые искусственным путем из синтетических мономеров.

В качестве конструкционных материалов различного назначения используют синтетические и природные полимеры как в чистом виде, так и в составе различных композиций.

Полимеры получают методами полимеризации или поликонденсации. Полимеризация – это реакция образования полимеров путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярною вещества (мономера). При полимеризации не образуются побочные продукты и соответственно элементарный состав макромолекул не отличается от состава молекул мономера. В качестве мономеров используются соединения с кратными связями, либо соединения с циклическими группировками, способными раскрываться. В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей, например

или раскрытие циклов у мономеров и возникновение химических связей между группами с образованием макромолекул, например

nH2C ––– CH2 (–CH2 – CH2O–)n.

O

Поликонденсация – это реакция синтеза полимера из соединений, имеющих две или более функциональные группы, сопровождающаяся образованием низкомолекулярных продуктов (H2O, NH3, HCl, CH2O и др.). Методом поликонденсации получают примерно четвертую часть выпускаемых полимеров, например, поликапроамид (капрон), полиуретаны, фенолоформальдегидные смолы, мочевиноформальдегидные смолы и др.

Большинство полимеров обычно находится в аморфном состоянии. Однако некоторые полимеры в определенных условиях могут иметь кристаллическую структуру. Свойства кристаллических и аморфных полимеров существенно различаются. Так, аморфные полимеры характеризуются областью тем-

87

ператур размягчения, т. е. областью постепенного перехода из твердого состояния в жидкое, а кристаллические полимеры – температурой плавления.

Полимеры обладают наиболее широким диапазоном механических свойств среди всех известных материалов. Большое число структурных параметров определяет особенности физических свойств полимеров. Кроме того, большое влияние на свойства полимеров оказывают внешние факторы, такие как температура, длительность, частота и скорость нагрузки, давление, термообработка и др.

Теплостойкость и термопластичность полимеров – это основные понятия, определяющие термические, качества полимеров. Изменение физических свойств в зависимости от температуры является важной характеристикой полимеров, так как позволяет уточнить тот температурный интервал, в котором данный полимер имеет достаточную механическую прочность и может применяться в практических целях.

Материалы, получаемые на основе полимеров

На основе полимеров получают волокна. К волокнообразующим полимерам относятся полиамиды, полиакрилонитрилы и др.

Полимерные пленки получают из растворов полимеров. Пленки используют в качестве электроизоляционного и упаковочного материала, для защиты металлических изделий от коррозии.

Лаки – растворы пленкообразующих веществ в opганических растворителях. Кроме полимеров лаки содержат вещества, повышающие пластичность (пластификаторы), растворимые красители, отвердители и др. Применяются для электроизоляционных покрытий, а также в качестве основы грунтовочного материала и лакокрасочных эмалей.

Клеи – композиции, способные соединить различные материалы вследствие образования прочных связей между их поверхностями и клеевой прослойкой. Синтетические органические клеи составляются на основе мономеров, олигомеров, полимеров или их смесей. В состав композиции входят отвердители, наполнители, пластификаторы и др. Клеи подразделяются на термопластические, термореактивные и резиновые.

Пластмассы – это материалы, содержащие полимер, который при формировании изделия находится в вязкотекучем состоянии, а при его эксплуатации – в стеклообразном. Все пластмассы подразделяют на реактопласты и термопласты. К реактопластам относятся материалы на основе фенолфор-

88

мальдегидных, мочевиноформальдегидных, эпоксидных и других смол. К термопластам относятся материалы на основе полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, полистирола, полиамидов и других полимеров. Кроме полимеров в состав пластмасс могут входить пластификаторы, стабилизаторы, красители, наполнители. Пластификаторы снижают температуру стеклования и повышают текучесть полимеров, антиоксиданты замедляют их деструкцию, наполнители улучшают физико-механические свойства. В качестве исполнителей применяют порошки (графит, сажа, мел, металл и т.д.), бумагу, ткань.

Композиционные материалы (композиты) состоят из полимерной основы, армированной наполнителем в виде высокопрочных волокон или нитевидных кристаллов. Армирующие волокна и кристаллы могут быть металлическими, полимерными, неорганическими, например, стеклянными, карбидными, нитридными, борными Армирующие наполнители в значительной степени определяют механические, теплофизические и электрические свойства полимеров. Многие композиционные полимерные материалы по прочности не уступают металлам.

Стеклопластики, армированные стекловолокном, обладают высокой механической прочностью и хорошими электроизоляционными свойствами. Углепластики, армированные углеродными волокнами, сочетают высокую прочность и вибропрочность с повышенной теплопроводностью и химической стойкостью. Боропластики имеют высокую твердость и низкую ползучесть.

Резиновые материалы. Резины представляют собой сложную смесь веществ, основным компонентом среди которых является каучук. Обычно его смешивают с различными веществами, имеющими определенное назначение. Резиновая смесь подвергается вулканизации, которая проводится одновременно с приданием ей формы будущего изделия. Характерным свойством резин является их высокая эластичность, химическая устойчивость.

Применение полимеров

Полипропилен [− СН(СН)3−СН2−]n химически стоек и нерастворим в органических растворителях, более термостоек, чем полиэтилен (до 120140 °С), имеет высокую механическую прочность, стойкость к истиранию, эластичен. Применяется для изготовления труб, пленок, аккумуляторных баков, а также деталей различных машин и приборов.

рукционный и декоративно-отделочный материал в приборостроении, электротехнике. Применяется для изготовления различных деталей и в качестве органического стекла.

Полиметилметакрилат (плексиглас, органиче-

вого излучения, имеет хорошие диэлектрические характеристики. Растворяется в дихлорэтане, ароматических углеводородах, сложных эфирах. Применяют в электро- и радиотехнике, в приборостроении в качестве конструкционного материала. Плексиглас (органическое стекло) используется для остекления автомобилей, самолетов, для изготовления стекол и светофильтров.

Поливинилхлорид [− СН2−СНСl−]n устойчив к действию растворов кислот, щелочей и солей, трудногорюч, механически прочен. Применяется как изоляционный материал, а также как химически стойкий конструкционный материал.

Политетрафторэтилен (фторопласт) [−CF2−CF2−]n обладает исключительной химической стойкостью к кислотам, щелочам и окислителям. Прекрасный диэлектрик. Имеет очень широкие температурные пределы эксплуатации (от -270 до +260 °С). Не растворяется в органических растворителях, не смачивается водой. Фторопласт используется как химически стойкий конструкционный и изоляционный материал. Кроме того, его используют для нанесения антифрикционных, гидрофобных и защитных покрытий.

Полиамид, содержащий в основной цепи амидную группу −NH − СО−, например, поли- -капромид (капрон), [–NH−(СН2)5−СО–]n характеризуется высокой прочностью, износостойкостью, диэлектрическими свойствами. Устойчив в маслах, бензине, разбавленных кислотах и концентрированных щелочах. Применяется для получения волокон, изоляционных пленок, конструкционных, антифрикционных и электроизоляционных изделий.