Головна ⇒ 📌Плани-конспекти уроків по фізиці ⇒ Рідкі кристали та їх властивості. Полімери та їх властивості, застосування

Рідкі кристали та їх властивості. Полімери та їх властивості, застосування

ВЛАСТИВОСТІ ГАЗІВ, РІДИН, ТВЕРДИХ ТІЛ*

Урок № 18

Тема. Рідкі кристали та їх властивості. Полімери та їх властивості, застосування

Мета: ознайомити учнів з природою рідких кристалів та полімерів.

Основні поняття: рідкі кристали, полімери.

Обладнання: підручник.

Тип уроку: комбінований.

ХІД УРОКУ

I. Розминка

Фізичний диктант

– Тверді тіла, які складаються з безлічі безладно орієнтованих дрібних кристалічних зерен, називаються… (полікристалами).

– Великі поодинокі кристали, у яких в межах всього об’єму

зберігається дальній порядок розташування частинок, називаються… (монокристалами).

– Пластичні, не мають певної температури плавлення – … (аморфні тіла).

– Тіла, властивості яких однакові в усіх напрямах, називають… (ізотропними).

– Частинки, з яких складається кристал, при тепловому русі коливаються навколо положень рівноваги, називають… (вузлами).

– До яких типів кристалів належать нафталін, парафін, сухий лід СO2? (Молекулярні)

II. Актуалізація опорних знань

Розв’язування задач (учні розв’язують дані задачі самостійно в зошитах, а потім коментують з місця,

деякі на дошці)

1. Сталевий стрижень якого діаметра потрібно взяти, щоб у разі навантаження 25 кН розтягувальне напруження дорівнювало 6-107 Н/м2?

2. До мідного дроту площею поперечного перерізу 0,5 мм2 підвішений вантаж масою 5 кг. Знайдіть механічне напруження в дроті та його відносне видовження.

3. Який запас міцності забезпечений на тепловозі в причіпному пристрої, якщо його переріз 10-2 м2, а межа міцності 5-107 Н/м2, сила тяги тепловоза 75 кН?

4. Під час розтягування алюмінієвої дротини завдовжки 2 м у ній виникла механічна напруга 35 МПа. Визначте абсолютне і відносне видовження дротини. Модуль пружності алюмінію 70 ГПа.

5. Якого виду деформації зазнає натягнута струна гітари?

III. Вивчення нового матеріалу

Метод “Навчаючи – вчуся”. Учні отримують на окремих аркушах повідомлення, а потім виступають перед іншими учнями.

Завдання № 1. Історичний розвиток хімії полімерів

Термін “полімерія” був уведений в науку І. Берцеліусом в 1833 р. для позначення особливого виду ізомерії, за якої речовини однакового складу, відрізняються молекулярною масою. Наприклад, етилен і бутилен, кисень і озон. Синтетичні полімери на той час ще не були відомі, а перші згадки про них належать до 1838 р. (полівініліденхлорід) і 1839 р. (полістирол). Тому такий зміст терміна не відповідає сучасним уявленням.

Деякі полімери, вірогідно, одержували ще в першій половині XIX ст. Це були побічні та небажані на той час продукти “осмолення” основної хімічної реакції. Реакції полімеризації та поліконденсації, які вели до утворення таких продуктів на той час намагалися подавити. Тому для полімерів ще іноді використовують термін “смола”. Хімія полімерів як наука виникла лише після створення в 60-х роках XIX ст. російським хіміком О. М. Бутлеровим (1828-1886) теорії хімічної будови органічних речовин, що дало можливість систематизувати величезний практичний матеріал, накопичений на той час органічною хімією. Реакція Кучерова заклала основу промислового синтезу складних і простих вінілових ефірів, які використовуються для утворення ряду полімерів (наприклад, полівінілацетату). Вуглеводні ацетиленового ряду також дуже легко полімеризуються з утворенням циклічних вуглеводнів ряду бензолу.

Завдання № 2. Загальна характеристика та класифікація

Розмір молекули полімеру визначається ступенем полімеризації п, тобто числом ланок у ланцюзі. Якщо n = 10…20, речовина належить до легких масел. Зі зростанням n збільшується в’язкість, речовина стає воскоподібною, нарешті, при n = 1000 утворюється твердий полімер. Ступінь полімеризації необмежений: він може бути 104, і тоді довжина молекул досягає мікрометрів. Молекулярна маса полімеру дорівнює добутку молекулярної маси мономера та ступеня полімеризації. Зазвичай молекулярна маса перебуває в межах 103…3-105. Більша довжина молекул перешкоджає їх правильному впакуванню, і структура полімерів варіює від аморфної до частково кристалічної. Частка кристалічності значною мірою визначається геометрією ланцюгів. Чим ближче укладаються ланцюги, тим більш кристалічним полімер стає. Кристалічність навіть у найкращому разі виявляється недосконала.

Аморфні полімери плавляться в діапазоні температур, яка залежить не тільки від їхньої природи, але й від довжини ланцюгів; кристалічні мають точку плавлення.

В основу класифікації полімерів закладені різні ознаки: походження, склад, методи утворення, структура, галузі використання. Так, за походженням полімери поділяються на:

– природні або натуральні, до яких належить велика група (білки, крохмаль, целюлоза, натуральний каучук, природний графіт та ін.);

– синтетичні – утворені синтезом з низькомолекулярних речовин – мономерів (поліетилен з етилену, полістирол із стиролу). Це провідна група, тому що синтез дозволяє цілеспрямовано регулювати склад і властивості;

– штучні – утворюються з природних полімерів шляхом їх хімічної модифікації (наприклад, під час взаємодії целюлози з азотною кислотою утворюється нітроцелюлоза).

Природні полімери утворюються в результаті життєдіяльності рослин і тварин й утримуються в деревині, вовні, шкірі. До природних полімерів належать протеїн, целюлоза, крохмаль, шелак, лігнін, латекс.

Зазвичай природні полімери піддаються операціям виділення, очищення, модифікації, за яких структура основних ланцюгів залишається незмінною. Продуктом такої переробки є штучні полімери. Прикладами є натуральний каучук, виготовлений з латексу, целулоїд, що представляє собою нітроцелюлозу, пластифіковану камфорою для підвищення еластичності.

Природні та штучні полімери відіграють значну роль у сучасній техніці. Різке зростання виробництва та споживання органічних матеріалів відбулося за рахунок синтетичних полімерів – матеріалів, отриманих шляхом синтезу з низькомолекулярних речовин неприродних аналогів. Без полімерів уже не може обійтися жодна галузь техніки, тим більше нової. За хімічною структурою полімери поділяються на лінійні, розгалужені, сітчасті та просторові. Молекули лінійних полімерів хімічно інертні по відношенню одна до одної і зв’язані між собою лише силами Ван-дер-Ваальса. Під час нагрівання в’язкість таких полімерів зменшується, і тоді вони здатні зворотно переходити спочатку у високо-еластичний, а потім й у в’язко-текучий стан. Оскільки єдиним наслідком нагрівання є зміна пластичності, лінійні полімери називають термопластичними. Не слід уважати, що термін “лінійні” позначає прямолінійні, навпаки, для них більше характерна зубчаста або спіральна конфігурація, що надає таким полімерам механічної міцності.

Термопластичні полімери можна не лише плавити, але й розчиняти, тому що зв’язки Ван-дер-Ваальса легко руйнуються під дією реагентів.

Розгалужені (щеплені) полімери більш міцні, ніж лінійні. Контрольоване розгалуження ланцюгів служить одним з головних промислових методів модифікації властивостей термопластичних полімерів. Сітчаста структура визначається тим, що ланцюги зв’язані один з одним, а це сильно обмежує рух і призводить до зміни як механічних, так і хімічних властивостей. Звичайна гума м’яка, але під час вулканізації сіркою утворюються ковалентні зв’язки типу S – О, і міцність зростає. Полімер може отримати сітчасту структуру й спонтанно, наприклад під дією світла або кисню, відбудеться старіння із втратою еластичності та працездатності. Нарешті, якщо молекули полімеру містять реакційні групи, то під час нагрівання вони з’єднуються безліччю поперечних міцних зв’язків, полімер виявляється зшитим, тобто набуває просторової структури. Таким чином, нагрівання викликає різкі та необоротні реакції, що змінюють властивості матеріалу, надаючи йому міцності і високої в’язкості і роблячи його нерозчинним і неплавким. Внаслідок великої реакційної здатності молекул, яка проявляється під час підвищення температури, такі полімери називають термореактивними. Неважко уявити, що їхні молекули активні не тільки по відношенню одна до іншої, але й до поверхонь сторонніх тіл. Тому термореактивні полімери, на відміну від термопластичних, мають високу адгезовану здатність навіть за низьких температур, що дозволяє використовувати їх як захисні покриття, клеї і сполучні в композиційних матеріалах.

Термопластичні полімери отримують за реакцією полімеризації. Під час ланцюгової полімеризації молекулярна маса наростає майже миттєво, проміжні продукти нестійкі, реакція чутлива до наявності домішок і потребує, як правило, високих тисків. Не дивно, що такий процес у природних умовах неможливий і всі природні полімери утворилися в інший спосіб. Сучасна хімія створила новий інструмент – реакцію полімеризації, а завдяки йому – великий клас термопластичних полімерів. Реакція полімеризації реалізується лише в складних апаратурах спеціалізованих виробництв, і термопластичні полімери споживач одержує в готовому вигляді.

Реакційності молекули термореактивних полімерів можна досягти більш простим і природним шляхом – поступово від мономера до димера, потім до тримера, тетрамера тощо. Таке об’єднання мономерів, їх “конденсацію” називають реакцією поліконденсації; вона не вимагає ні високої чистоти, ні тисків, але супроводжується зміною хімічного складу, а часто й виділенням побічних продуктів (звичайно водяної пари). Саме ця реакція реалізується в природі; вона може бути легко здійснена за рахунок лише невеликого нагрівання за найпростіших умов, аж до домашніх. Така висока технологічність термореактивних полімерів надає широкі можливості виготовляти різні вироби на нехімічних підприємствах, у тому числі на радіозаводах.

Незалежно від виду та складу вихідних речовин і способів одержання матеріали на основі полімерів можна класифікувати в такий спосіб: пластмаси, волокніти, шаруваті пластики, покриття, клеї.

Фізичні властивості

Полімери – здебільшого аморфні речовини. Довгі ланцюжки та велика молекулярна маса не дозволяють полімерам переходити до рідкого стану (швидше настає хімічний розпад). Проте у разі підвищення температури з полімерами відбуваються зміни – вони розм’якають і стають дуже пластичними. Температура переходу від крихкого стану до пластичного називається температурою склування. Температура склування не є чітко визначеною температурою фазового переходу, а радше вказує на температурний діапазон, у якому відбуваються зміни. За низьких температур полімери є досить крихкими матеріалами.

Здебільшого використовуються механічні властивості полімерів. За температури, вищої за температуру склування, їх неважко пресувати в довільну форму, застигаючи, вони зберігають форму й можуть слугувати для інкапсуляції та інших цілей. Проте спряжені полімери дедалі частіше використовуються як органічні напівпровідники.

Структура полімерів

Структурні елементи полімерів – макромолекули. Структура макромолекули – це складне поняття, яке включає хімічну будову, довжину і розподіл за довжинами та молекулярними масами, просторове розташування ланок, форму макромолекули. Знання основних параметрів структури дає можливість її регулювати і впливати на властивості.

Розглядаючи структури полімеру, потрібно враховувати:

– будову кінцевих груп, які відрізняються від будови основної ланки, яка повторюється (це суттєво для олігомерів);

– неоднорідність хімічного складу (результат побічних реакцій під час утворення);

– неоднорідність за числом складових ланок, обумовлену статистичним характером протікання реакцій утворення;

– різне просторове розміщення ланок у макромолекулі;

– надмолекулярну структуру.

Хімічна будова

Хімічна будова складової ланки характеризує хімічну будову макромолекули. Залежно від цього полімери поділяються на:

– органічні – головний ланцюг містить атоми С, О, N, S. У бокові групи можуть входити Н, галогени, які безпосередньо з’єднані з Карбоном, або атоми інших елементів, безпосередньо не з’єднані з Карбоном головного ланцюга;

– неорганічні – складаються з неорганічних атомів і не містять органічних бокових радикалів; елементоорганічні – їх макромолекули поряд з атомами Карбону містять неорганічні фрагменти. За складом головних ланцюгів їх поділяють:

– з’єднання з неорганічними ланцюгами, обрамлені боковими органічними групами;

– з’єднання, в головному ланцюгу яких знаходяться атоми Карбону, а бокові групи містять будь-які інші атоми за винятком азоту, сірки, кисню і галогенів, з’єднаних безпосередньо з атомами Карбону;

– з’єднання з органо-неорганічними ланцюгами.

Молекулярна маса

За будовою, тобто формою, макромолекули полімерів поділяються на: лінійні, розгалужені, стрічкові (драбинкові) і просторові (тримірні).

Якщо кожну елементарну ланку позначити через А, то макромолекула лінійної будови матиме вигляд: …-А-А-А-…

У цьому випадку кожна елементарна ланка пов’язана лише з двома сусідніми і утворює нерозгалужений ланцюг. Лінійні макромолекули можуть мати зигзагоподібну форму або бути закрученими у спіраль. На фізико-механічні властивості лінійного полімеру впливає щільність упаковки макромолекул в одиниці обсягу. У разі більш щільної упаковки сильніша взаємодія макромолекул сприяє збільшенню міцності та зменшенню розчинності полімеру. Лінійні полімери використовують переважно для виготовлення плівок та волокон (поліетилен, поліаміди).

Розгалужені відрізняються від лінійних тим, що їх макромолекули мають бокові відгалуження.

Драбинкові полімери складаються з двох ланцюгів, з’єднаних хімічними зв’язками. Ці полімери мають більш жорсткий головний ланцюг – підвищену теплостійкість, більшу жорсткість, нерозчинні в органічних розчинниках (кремнійорганічні полімери).

Просторові, або сітчасті, полімери утворюються при з’єднанні (“зшиванні”) макромолекул між собою в поперечному напрямі міцними хімічними зв’язками безпосередньо або через хімічні елементи чи радикали.

За структурою молекулярних ланцюгів залежно від густоти сітки розрізняють: рідко-сітчасті (сітчасті) полімери, які мають пружність (м’які гуми); густосітчасті (просторові) полімери – характерні властивості твердість, підвищена теплостійкість, нерозчинність іноді крихкість (смоли). Просторові полімери лежать в основі створення конструкційних неметалевих матеріалів. До сітчастих належать пластинчасті, які мають площинну двомірну будову (наприклад, графіт).

Застосування

Полімерні матеріали мають комплекс характеристик, які в разі умілого їх використання забезпечують ефективні експлуатаційні властивості виробів та рентабельність їх виробництва. До основних переваг полімерів відносять:

– високу технологічність, завдяки якій з виробничого циклу можна вилучити трудомісткі та коштовні операції механічної обробки виробів;

– мінімальну енергомісткість, обумовлену тим, що температура переробки цих матеріалів складає, як правило, 150-250 °С, що значно нижче ніж у металів та кераміки;

– можливість отримання за один цикл формування відразу декілька виробів, у тому числі складної конфігурації, а під час виробництва погонажних виробів вести процес на великих швидкостях;

– автоматизацію практично всіх процесів переробки.

Унаслідок перелічених особливостей полімери здобули виняткового поширення та ефективно використовуються практично в усіх галузях світового господарства.

Основними виробниками полімерів є США, Японія, Німеччина, Корея, Китай.

Близько 90 % усього виробництва полімерних матеріалів припадає на декілька різновидів великотоннажних полімерів. Випуск поліолефінів, поліетилену низької та високої густини (ПЕНГ та ПЕВГ) та поліпропілену (ПП), складає від 35 до 45 % загальної кількості об’єму виробництва, від 11 до 20 % – частка полівінілхлориду (ПВХ), 9-13 % припадає на полістирольні полімери, від 2 до 7 % – на поліаміди. До 4 % характеризується частка епоксидних смол, ненасичених поліефірів, поліетилентерефталата (ПЕТФ), полікарбонату (ПК), поліацеталей.

У гірничій справі і дотичних галузях полімерні реагенти застосовують під час флокуляції, збагачення корисних копалин, заводнення родовищ нафти, підготовки бурових розчинів, спеціальних тверднучих речовин в’яжучих матеріалів тощо.

Сировинна база виробництва полімерів

На початку розвитку галузі основною сировиною були продукти переробки вугілля (продукти коксування і газифікації кам’яного вугілля). Сучасне виробництво полімерів базується на вуглеводнях – продуктах переробки нафти, попутного і природного газу. Частка цього виду сировини складає близько 90 %, частка продуктів переробки вугілля – 9-10 %, а частка рослинної сировини – лише 1 %. Вартість сировини в собівартості виробництва полімерів складає 70-80 %.

Основною сировиною для виробництва полімерів є мономери – вуглеводневі гази різних джерел (природні та попутні нафтові гази, гази нафтопереробки). Вони є продуктами основного органічного синтезу і належать до різних гомологічних рядів:

– парафінів – метану, етану, пропану, бутану і пентанів; вуглеводні цієї групи зустрічаються у природному і попутному нафтовому газі, а також утворюються при термічних і каталітичних процесів переробки нафти, вугілля та інших горючих копалин;

– олефінів – етилену, пропілену, бутилену – утворюються під час термічних і каталітичних процесах переробки нафти, а також піролізу і гідрування вуглеводневих газів групи парафінів;

– діолефінів – головними представниками цього ряду, які мають велике практичне значення, є бутадієн і ізопрен. Вони найбільш економічно утворюються під час дегідрування вуглеводнів групи Аі Б;

– ацетилену – одержують крекінгом або піролізом вуглеводнів парафінового ряду.

Мономери використовують для синтезу проміжних продуктів (напівпродуктів), наприклад фенолу, аніліну, метанолу, етилового спирту, бутадієну, стиролу, вінілацетилену, формальдегіду та ін. Далі шляхом відповідного перероблення напівпродуктів з них одержують більш складні органічні речовини – синтетичні смоли, пластмаси, каучук та ін.

Основний органічний синтез базується на обмеженому числі вихідних з’єднань – продуктів переробки нафти і газу. Це насамперед етилен, пропілен, бутилен. Приблизно половина етилену, що виготовляється, використовується на одержання поліетилену; з решти виробляють етиленоксид, стирол, вінілхлорид, вінілацетат – мономери великотоннажних полімерів. З пропілену одержують поліпропілен (20 %), пропіленоксид (15 %), акрілонітріл (20 %), ізопропілбензол, спирти, в тому числі фенол (40 %), епіхлоргідрін, метакрілати.

Ароматичні вуглеводні до 50-х років одержували з коксохімічної сировини. Зараз такі продукти, як бензол, толуол, ксилол, одержують з нафтової сировини шляхом крекінгу, дегідрогенізації нафтенових вуглеводнів або циклізацією парафінових вуглеводнів. Далі з них одержують цілий ряд мономерів, наприклад з бензолу фенол, малеіновий ангідрид, і стирол, із ксилолу шляхом окиснення – терефталеву кислоту, із нафталіну – фталевий ангідрид і т. ін.

Загальна характеристика

Рідкий кристал – проміжна фаза (мезофаза) між ізотропною рідиною і кристалічним твердим тілом. Рідкі кристали – це флюїди, молекули яких певним чином впорядковані, тобто існує певна симетрія. Отже, існує анізотропія механічних, електричних, магнітних та оптичних властивостей речовин цього класу. Поєднуючи властивості рідин та твердих тіл (текучість, анізотропія), рідкі кристали проявляють специфічні ефекти, багато з яких не спостерігаються у рідинах і твердих тілах. Зокрема, в рідких кристалах спостерігається подвійне променезаломлення, флексоелектричний ефект, перехід Фредерікса.

Мезогени

Речовини, молекули яких за певних умов здатні утворювати рідкокристалічні фази, називаються мезогенами. Як правило, ці молекули є певною мірою жорсткими та анізотропними (суттєво довші або коротші в одному напрямі, ніж в інших). Більшість мезогенів – це видовжені стрижнеподібні молекули. Менш поширені дископодібні молекули, хоча існують ще більш екзотичні форми молекул рідких кристалів.

Класифікація

Деякі мезогени можуть утворювати кілька мезофаз. Залежно від способу утворення мезофаз рідкі кристали поділяються на ліотропні та термотропні. Ліотропні рідкі кристали проявляють властивості мезофаз за певних концентрацій мезогену у розчиннику, в той час як термотропні рідкі кристали є мезофазами в певних температурних межах. Останні, у свою чергу, поділяються залежно від способу впорядкування молекул (з огляду на симетрію) на нематичні рідкі кристали (нематики) та смектичні рідкі кристали (смектики). Нематики, молекули яких мають видовжену стрижнеподібну форму, характеризуються дальнім орієнтаційним порядком, проте не мають дальнього трансляційного порядку. Тобто існує певний переважний напрям орієнтації довгих осей молекул нематика, який характеризується одиничним вектором і називається директором. Смектична мезофаза відрізняється від нематичної наявністю дальнього трансляційного порядку. Таким чином, молекули смектиків розміщуються шарами.

Холестеричні рідкі кристали (холестерики) складаються з оптично активних молекул, тобто несиметричних молекул із хіральністю. Холестеричні рідкі кристали характеризуються далеким порядком в одному напрямі, в якому директор є періодичною функцією. Період зміни напряму директора називається кроком спіралі. Оскільки крок спіралі холестеричних рідких кристалів залежить від температури, вони міняють колір при нагріванні чи охолодженні.

Застосування рідких кристалів

Найпопулярніше поле для використання рідких кристалів – рідкокристалічні дисплеї. Принцип дії таких пристроїв заснований на ефекті електричного переходу Фредерікса – переорієнтації молекул рідкого кристалу в комірці за наявності прикладеної до цієї комірки напруги.

Крім цього, рідкі кристали застосовують під час виготовлення термодавачів, детекторів НВЧ-випромінювання тощо.

Повідомлення учнями матеріалу за планом:

– розвиток полімерів;

– характеристика та класифікація полімерів;

– фізичні властивості полімерів;

– структура полімерів;

– хімічна будова полімерів;

– молекулярна маса полімерів;

– застосування полімерів;

– сировинна база виробництва полімерів;

– загальна характеристика рідких кристалів;

– класифікація рідких кристалів;