19.02.21 г. 208, 201, 303

ГРУППА 208 

ТЕМА: Целлюлоза, ее строение и химические свой­ства.Применение целлюлозы. Ацетатное волокно.

Целлюлоза, ее строение и химические свойства. Применение целлюлозы. Ацетатное волокно.

Целлюлоза (клетчатка) – растительный полисахарид, являющийся самым распространенным органическим веществом на Земле. 1. Физические свойства Это вещество белого цвета, без вкуса и запаха, нерастворимое в воде, имеющее волокнистое строение. Растворяется в аммиачном растворе гидроксида меди (II) – реактиве Швейцера. Видео-опыт «Растворение целлюлозы в аммиачном растворе гидроксида меди (II)» 2. Нахождение в природе Этот биополимер обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений, образуя стенку растительных клеток. В большом количестве целлюлоза содержится в тканях древесины (40-55%), в волокнах льна (60-85%) и хлопка (95-98%). Основная составная часть оболочки растительных клеток. Образуется в растениях в процессе фотосинтеза. Древесина состоит на 50% из целлюлозы, а хлопок и лён, конопля практически чистая целлюлоза. Хитин (аналог целлюлозы) – основной компонент наружного скелета членистоногих и других беспозвоночных, а также в составе клеточных стенок грибов и бактерий. 3. Строение Состоит из остатков β - глюкозы 4. Получение  Получают из древесины 5. Применение Целлюлоза используется в производстве бумаги, искусственных волокон, пленок, пластмасс, лакокрасочных материалов, бездымного пороха, взрывчатки, твердого ракетного топлива, для получения гидролизного спирта и др. ·        Получение ацетатного шёлка – искусственное волокно, оргстекла, негорючей плёнки из ацетилцеллюлозы. ·        Получение бездымного пороха из триацетилцеллюлозы (пироксилин). ·        Получение коллодия (плотная плёнка для медицины) и целлулоида   (изготовление киноленты, игрушек) из диацетилцеллюлозы. ·        Изготовление нитей, канатов, бумаги. ·        Получение глюкозы, этилового спирта (для получения каучука)  К важнейшим производным целлюлозы относятся: - метилцеллюлоза (простые метиловые эфиры целлюлозы) общей формулы [C6H7O2(OH)3-x(OCH3)x]n   (х = 1, 2 или 3); - ацетилцеллюлоза (триацетат целлюлозы) – сложный эфир целлюлозы и уксусной кислоты [C6H7O2(OCOCH3)3]n - нитроцеллюлоза (нитраты целлюлозы) – сложные азотнокислые эфиры целлюлозы: [C6H7O2(OH)3-х(ONO2)х]n   (х = 1, 2 или 3). 6. Химические свойства Гидролиз (C6H10O5)n + nH2O t,H2SO4 → nC6H12O6                                                     глюкоза Гидролиз протекает ступенчато: (C6H10O5)n → (C6H10O5)m → xC12H22O11 →  n C6H12O6        (Примечание, m<n) крахмал           декстрины        мальтоза            глюкоза Видео-опыт «Кислотный гидролиз целлюлозы» Реакции этерификации  Целлюлоза – многоатомный спирт, на элементную ячейку полимера приходятся три гидроксильных группы. В связи с этим, для целлюлозы характерны реакции этерификации (образование сложных эфиров). Наибольшее практическое значение имеют реакции с азотной кислотой и уксусным ангидридом. Целлюлоза не дает реакции "серебряного зеркала". 1. Нитрование:                                         (C6H7O2(OH)3)n + 3nHNO3 H2SO4(конц.)→ (C6H7O2(ONO2)3)n + 3nH2O                                                                           пироксилин  Видео-опыт «Получение и свойстванитроцеллюлозы»   целлюлоза +3n HNO3 H2SO4→ тринитрат целлюлозы + 3n H2О Полностью этерифицированная клетчатка известна под названием пироксилин, который после соответствующей обработки превращается в бездымный порох. В зависимости от условий нитрования можно получить динитрат целлюлозы, который в технике называется коллоксилином. Он так же используется при изготовлении пороха и твердых ракетных топлив. Кроме того, на основе коллоксилина изготавливают целлулоид.  2. Взаимодействие с уксусной кислотой:                                                (C6H7O2(OH)3)n + 3nCH3COOH H2SO4(конц.)→ (C6H7O2(OCOCH3)3)n + 3nH2O  При взаимодействии целлюлозы с уксусным ангидридом в присутствии уксусной и серной кислот образуется триацетилцеллюлоза.  +3n  → триацетилцеллюлоза +3n СH3СOOН Триацетилцеллюлоза (или ацетилцеллюлоза) является ценным продуктом для изготовления негорючей кинопленки и ацетатного шелка. Для этого ацетилцеллюлозу растворяют в смеси дихлорметана и этанола и этот раствор продавливают через фильеры в поток теплого воздуха. А сама фильера схематично выглядит так: 1 - прядильный раствор, 2 - фильера, 3 - волокна. Растворитель испаряется и струйки раствора превращаются в тончайшие нити ацетатного шелка. Говоря о применении целлюлозы, нельзя не сказать о том, что большое количество целлюлозы расходуется для изготовления различной бумаги. Бумага – это тонкий слой волокон клетчатки, проклеенный и спрессованный на специальной бумагоделательной машине.

ГРУППА 201 ХИМИЯ

ТЕМА: Карбоновые кислоты. Понятие о карбоновых кислотах. Карбоксильная группа как функциональная. Гомологический ряд предельных однооснóвных карбоновых кислот. Получение карбоновых кислот окислением альдегидов.Химические свойства уксусной кислоты: общие свойства с минеральными кислотами и реакция этерификации.

Карбоновые кислоты - органические вещества, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп.

Карбоксильная группа  (сокращенно —COOH) - функциональная группа карбоновых кислот - состоит из карбонильной группы и связанной с ней гидроксильной группы.

По числу карбоксильных групп карбоновые кислоты делятся на одноосновные, двухосновные и т.д.

Общая формула одноосновных карбоновых кислот R—COOH. Пример двухосновной кислоты - щавелевая кислота HOOC—COOH.

По типу радикала карбоновые кислоты делятся на предельные (например, уксусная кислота CH3COOH), непредельные [например, акриловая кислота CH2=CH—COOH, олеиновая CH3—(CH2)7—CH=CH—(CH2)7—COOH] и ароматические (например, бензойная C6H5—COOH).

Изомеры и гомологи

Одноосновные предельные карбоновые кислоты R—COOH являются изомерами сложных эфиров  (сокращенно R'—COOR'') с тем же числом атомов углерода. Общая формула и тех, и других CnH2nO2.

г о м о л о г и	HCOOH метановая (муравьиная)
	CH3COOH этановая (уксусная)		HCOOCH3 метиловый эфир муравьиной кислоты
	CH3CH2COOH пропановая (пропионовая)		HCOOCH2CH3 этиловый эфир муравьиной кислоты	CH3COOCH3 метиловый эфир уксусной кислоты
	CH3(CH2)2COOH бутановая (масляная)	2-метилпропановая	HCOOCH2CH2CH3 пропиловый эфир муравьиной кислоты	CH3COOCH2CH3 этиловый эфир уксусной кислоты	CH3CH2COOCH3 метиловый эфир пропионовой кислоты
	и з о м е р ы

Алгоритм составления названий карбоновых кислот

1. Найдите главную углеродную цепь - это самая длинная цепь атомов углерода, включающая атом углерода карбоксильной группы.
2. Пронумеруйте атомы углерода в главной цепи, начиная с атома углерода карбоксильной группы.
3. Назовите соединение по алгоритму для углеводородов.
4. В конце названия допишите суффикс "-ов", окончание "-ая" и слово "кислота".

В молекулах карбоновых кислот p-электроны атомов кислорода гидроксильной группы взаимодействуют с электронами -связи карбонильной группы, в результате чего возрастает полярность связи O—H, упрочняется -связь в карбонильной группе, уменьшается частичный заряд (+) на атоме углерода и увеличивается частичный заряд (+) на атоме водорода.

Последнее способствует образованию прочных водородных связей между молекулами карбоновых кислот.

Физические свойства предельных одноосновных карбоновых кислот в значительной степени обусловлены наличием между молекулами прочных водородных связей (более прочных, чем между молекулами спиртов). Поэтому температуры кипения и растворимость в воде у кислот больше, чем у соответствующих спиртов.

Химические свойства кислот

Упрочнение -связи в карбонильной группе приводит к тому, что реакции присоединения для карбоновых кислот нехарактерны.

1. Горение:
   
   CH3COOH + 2O2  2CO2 + 2H2O
   
   
   
2. Кислотные свойства.
   Из-за высокой полярности связи O-H карбоновые кислоты в водном растворе заметно диссоциируют (точнее, обратимо с ней реагируют):
   
   
   HCOOH  HCOO- + H+ (точнее HCOOH + H2O  HCOO- + H3O+)
   
   Все карбоновые кислоты - слабые электролиты. С увеличением числа атомов углерода сила кислот убывает (из-за снижения полярности связи O-H); напротив, введение атомов галогена в углеводородный радикал приводит к возрастанию силы кислоты. Так, в ряду
   
   
   HCOOH  CH3COOH  C2H5COOH
   
   сила кислот снижается, а в ряду
   
   

   CH3COOH		CH2ClCOOH		CHCl2COOH		CCl3COOH
   уксусная кислота		монохлоруксусная кислота		дихлоруксусная кислота		трихлоруксусная кислота

   
   - возрастает.
   
   Карбоновые кислоты проявляют все свойства, присущие слабым кислотам:
   
   
   Mg + 2CH3COOH  (CH3COO)2Mg + H2
   CaO + 2CH3COOH  (CH3COO)2Ca + H2O
   NaOH + CH3COOH  CH3COONa + H2O
   K2CO3 + 2CH3COOH  2CH3COOK + H2O + CO2
   
   
3. Этерификация (реакция карбоновых кислот со спиртами, приводящая к образованию сложного эфира):
   

   				+ H2O
   муравьиная кислота	этанол		этиловый эфир муравьиной кислоты

   
   В реакцию этерификации могут вступать и многоатомные спирты, например, глицерин. Сложные эфиры, образованные глицерином и высшими карбоновыми кислотами (жирными кислотами) - это жиры.
   
   

   	+				+ 3H2O
   глицерин		карбоновые кислоты		триглицерид

   
   
   Жиры представляют собой смеси триглицеридов. Предельные жирные кислоты (пальмитиновая C15H31COOH, стеариновая C17H35COOH) образуют твердые жиры животного происхождения, а непредельные (олеиновая C17H33COOH, линолевая C17H31COOH и др.) - жидкие жиры (масла) растительного происхождения.
   
   
4. Замещение в углеводородном радикале:
   

   CH3—CH2—COOH	+ Cl2		CH3—CHCl—COOH	+ HCl
   пропионовая кислота			-хлорпропионовая кислота

   
   Замещение протекает в -положение.
   
   Особенность муравьиной кислоты HCOOH состоит в том, что это вещество - двуфункциональное соединение, оно одновременно является и карбоновой кислотой, и альдегидом:
   
   
   
   Поэтому муравьиная кислота кроме всего прочего реагирует и с аммиачным раствором оксида серебра (реакция серебряного зеркала; качественная реакция):
   
   HCOOH + Ag2O(аммиачный раствор)  CO2 + H2O + 2Ag

Получение карбоновых кислот

1. Окисление альдегидов.
   В промышленности: 2RCHO + O2  2RCOOH
   
   Лабораторные окислители: Ag2O, Cu(OH)2, KMnO4, K2Cr2O7 и др.
   
   
2. Окисление спиртов: RCH2OH + O2  RCOOH + H2O
   
   
3. Окисление углеводородов: 2C4H10 + 5O2  4CH3COOH + 2H2O
   
   
4. Из солей (лабораторный способ): CH3COONaкр. + H2SO4 конц.  CH3COOH + NaHSO4

ГРУППА 303

ТЕМА: Обратимость химических реакций. Обратимые и необратимые реакции.Реакции, идущие с образованием осадка, газа или воды.Химическое равновесие и способы его смещения.

Обратимые и необратимые химические реакции. Химическое равновесие и способы его смещения

Понятие прямой и обратной реакции

Рассмотрим некоторую абстрактную реакцию, которую запишем в виде:

А+В→АВ, Прямая реакция. Но многие химические реакции могут идти в обратную сторону.

АВ А+В; Обратная реакция.

Для краткости такую реакцию записывают, используя две стрелки, одну – вперед, другую – назад.

А+ВАВ

При повышении температуры скорость большинства химических реакций увеличивается. Но оказывается, что в случае некоторых реакций продукт реакции при температуре, когда она идет с хорошей скоростью, уже начинает разлагаться. В частности, такая ситуация реализуется при взаимодействии водорода с йодом при получении йодоводорода.

Н2 + I2       (1)

Скорость химической реакции увеличивается с увеличением концентрации исходных веществ и соответственно уменьшается с уменьшением концентрации исходных веществ. Получается, что, по мере прохождения реакций, скорость прямой реакции будет уменьшаться, т. к. исходные вещества будут расходоваться. А скорость обратной реакции будет возрастать, потому что концентрация вещества АВ исходного для обратной реакции будет постепенно увеличиваться. До каких пор скорость прямой реакции будет уменьшаться, а обратной увеличиваться? Это будет до того момента, когда скорости прямой и обратной реакции станут равными. Наступит химическое равновесие. Рис. 1.

Рис. 1

Химическое равновесие – это состояние реакционной системы, в котором скорости прямой и обратной реакции равны.

Константа равновесия

Равновесная концентрация веществ

Равновесная концентрация веществ – это концентрации веществ в реакционной смеси, находящихся в состоянии химического равновесия. Равновесная концентрация обозначается химической формулой вещества, заключенной в квадратные скобки.                                            

 Например, следующая запись обозначает,  что равновесная концентрация водорода в равновесной системе составляет 1 моль/л.

Рис. 2

Химическое равновесие  (Рис. 2) отличается от привычного для нас понятия «равновесие». Химическое равновесие – динамическое. В системе, находящейся в состоянии химического равновесия, происходят и прямая, и обратная реакции, но их скорости равны, и поэтому концентрации участвующих веществ не меняются. Химическое равновесие характеризуется константой равновесия, равной отношению констант скоростей прямой и обратной реакций.

Константы скорости прямой и обратной реакции – это скорости данной реакции при концентрациях исходных для каждой из них веществ в равных единицах. Также константа равновесия равна отношению равновесных концентраций продуктов прямой реакции в степенях стехиометрических коэффициентов к произведению равновесных концентраций реагентов. 

Если  , то в системе больше исходных веществ. Если  , то в системе больше продуктов реакции.

Обратимые и необратимые химические реакции

Если константа равновесия значительно больше 1, такую реакцию называют необратимой.

Необратимыми называются химические реакции, которые происходят только в одном направлении до полного расходования одного из реагентов.

Например, это реакция:                          

4Р+5О2 =2Р2О5                (2)

Обратимыми называются  химические реакции, которые осуществляются во взаимно противоположных направлениях при одних и тех же условиях.

Факторы, влияющие на смещение равновесия

Если изменить внешние условия, то состояние химического равновесия нарушится. Смещение равновесия в зависимости от изменения внешних условий в общем виде определяется

· Принципом Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказывают воздействие извне путем изменения какого-либо из условий, определяющих положение равновесия, то оно смещается в направлении того процесса, протекание которого ослабляет эффект произведённого воздействия.

Так, повышение температуры вызывает смещение равновесия в направлении того из процессов, течение которого сопровождается поглощением тепла, а понижение температуры действует в противоположном направлении.

Равновесие смещается вправо, если повысились равновесные концентрации продуктов прямой реакции. Если повышаются равновесные концентрации исходных веществ прямой реакции, то равновесие смещается влево. Какие факторы можно изменять, чтобы сместить равновесие? Это

· Температура

· Давление

· Концентрации веществ

· Добавление катализатора

· Изменение площади реакционной поверхности гетерогенных реакций

Добавление катализатора и изменение площади реакционной поверхности гетерогенных реакций не оказывают влияние на смещение химического равновесия.

Остальные факторы рассматриваем более детально.

Температура

Реакция синтеза аммиака (Рис. 3)

относится к экзотермическим реакциям. При прохождении прямой реакции теплота выделяется, а при прохождении обратной – поглощается. Если увеличить температуру, то, согласно правилу Ле Шателье, равновесие сместится в таком направлении, чтобы уменьшить это воздействие. В данном случае влево, так как теплота поглощается. Реакция синтеза аммиака проводится при температуре около 500

Если реакция эндотермическая, то повышение температуры приведет к смещению равновесия вправо.

Изменение концентрации веществ

При увеличении концентрации какого-либо из веществ, участвующих в равновесной реакции, равновесие реакции сместится в сторону его расходования, а соответственно, при уменьшении концентрации какого-либо из веществ – в сторону реакции его образования. Например, при увеличении концентрации азота в реакции синтеза аммиака, равновесие сместится вправо, т. е. в сторону расходования азота. Если же в этой реакции удалять из реакционной смеси аммиак, то равновесие сместится в сторону его образования. Сделать это можно, например, при растворении аммиака в воде.

Изменение давления

Изменение давления может оказывать влияние только на реакции с участием газообразных веществ. Если в реакции синтеза аммиака увеличить давление, равновесие сместится в сторону уменьшения числа моль газа. Если слева число моль газа больше, чем справа, равновесие сместится в сторону образования аммиака.

Если число моль газа одинаково и слева и справа, например, в реакции получения оксида азота (II),

N2 +O2      (3)

то изменение давления не будет оказывать влияние на положение химического равновесия в таких реакциях. Изучение химического равновесия имеет большое значение, как для теоретических исследований, так и для решения практических задач. Определяя положение равновесия для различных температур и давлений, можно выбрать наиболее благоприятные условия проведения химического процесса. Окончательный выбор условий требует учета влияния их и на скорость процесса.

Подведение итога урока

На уроке была изучена тема «Химическое равновесие», рассмотрены условия смещения равновесия в случае обратимых реакций.