Исследовательская работа по химии Орлова Екатерина Святославовна

Некоторые торговые марки клеев, представленные на Российском рынке: «Супер Момент», «Axton», «Bison Super Glue», «Cosmofen Сa-12», «Секунда», «Сила», "Done Deal", "Runway", «UHU», "Liqui Moly", Deli "Super", «QUELYD MAXIGLUE», «Экон express», «3M™ Scotch-Weld™», «Loctite», «VA WEICON 1401», «Монолит», «Политех», «Stanger», «Ultima», «STAYER», «Cement», «Контакт», «Крепость», «NOVORYT», «COSMOFEN» и другие.

4. 
   Перспективы изучения эфиров α-цианакриловой кислоты.
   

Интенсивное развитие «мономерной» химии АЦА привело к двум важным последствиям. С одной стороны, химия АЦА стимулировала изучение химических свойств цвиттер-ионов, образованных АЦА и триалкилфосфинами, что привело к открытию новой реакции внедрения карбамидного фрагмента по связи C – C. Это, в свою очередь, стимулировало развитие такой области катализа, как внутримолекулярный электрофильный катализ с помощью фосфониевого центра. С другой стороны, уже первые исследования химических свойств ЦАК и ее эфиров дали основание рассчитывать на получение новых АЦА, которые позволяют существенно расширить эксплуатационные характеристики адгезивов холодного отверждения и открыть новые пути их использования в промышленности, медицине и органическом синтезе.

5. 
   Практические исследования
   

При работе с химическими веществами необходимо соблюдать требования техники безопасности по ГОСТ 12.1.007-76 "Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности".

1. При работе с химическими реактивами в лаборатории должно находиться не менее двух сотрудников.

2. Приступая к работе, сотрудники обязаны осмотреть и привести в порядок свое рабочее место, освободить его от ненужных для работы предметов.

3. Перед работой необходимо проверить исправность оборудования, рубильников, наличие заземления и пр.

4. Работа с едкими и ядовитыми веществами, а также с органическими растворителями проводится только в вытяжных шкафах.

5. Запрещается набирать реактивы в пипетки ртом, для этой цели следует использовать резиновую грушу или другие устройства.

6. При определении запаха химических веществ следует нюхать осторожно, направляя к себе пары или газы движением руки.

7. Работы, при которых возможно повышение давления, перегрев стеклянного прибора или его поломка с разбрызгиванием горячих или едких продуктов, также выполняются в вытяжных шкафах. Работающий должен надеть защитные очки (маску), перчатки и фартук.

8. При работах в вытяжном шкафу створки шкафа следует поднимать на высоту не более 20 - 30 см так, чтобы в шкафу находились только руки, а наблюдение за ходом процесса вести через стекла шкафа.

9. При работе с химическими реактивами необходимо включать и выключать вытяжную вентиляцию не менее чем за 30 минут до начала и после окончания работ.

10. Смешивание или разбавление химических веществ, сопровождающееся выделением тепла, следует проводить в термостойкой или фарфоровой посуде.

11. При упаривании в стаканах растворов следует тщательно перемешивать их, так как нижний и верхний слои растворов имеют различную плотность, вследствие чего может произойти выбрасывание жидкости.

12. Во избежание ожогов, поражений от брызг и выбросов нельзя наклоняться над посудой, в которой кипит какая-либо жидкость.

13. Нагревание посуды из обычного стекла на открытом огне без асбестированной сетки запрещено.

14. При нагревании жидкости в пробирке держать ее следует отверстием в сторону от себя и от остальных сотрудников.

15. Ни при каких обстоятельствах нельзя допускать нагревание жидкостей в колбах или приборах, не сообщающихся с атмосферой.

16. Нагретый сосуд нельзя закрывать притертой пробкой до тех пор, пока он не охладится до температуры окружающей среды.

1. 
   С 12% раствором HCl
   

Фото 1. Обрабатываю первую пару поверхностей 12% р-ром HCl

Фото 2. Наношу на одну поверхность каплю клея.

Фото 3. Соединяю обе поверхности и оставляю на одну минуту.

Фото 4. После истечения времени пытаюсь разъединить склеенные поверхности.

Склеиваемые поверхности, предварительно обработанные 12% р-ром HCl, по истечении 1 мин. разъединились друг от друга без применения усилий. После разъединения поверхности были протерты сухим ватным диском, остатки смеси снялись полностью (Фото 5.)

Фото 5.

2. 
   С 9% раствором уксусной кислоты
   

Фото 6. Обрабатываю вторую пару поверхностей 9% р-ром уксусной кислоты

Фото 7. Наношу на одну поверхность каплю клея.

Фото 8. Соединяю обе поверхности и оставляю на одну минуту.

Фото 9. После истечения времени пытаюсь разъединить склеенные поверхности.

Склеиваемые поверхности, предварительно обработанные 9% р-ром уксусной кислоты, по истечении 1 мин. разъединились друг от друга с применения усилий. После разъединения поверхности были протерты сухим ватным диском, на поверхностях остались следы полимеризованного клея (Фото 10.)

Фото 10.

3. 
   С 10% раствором NaOH
   

Фото 11. Обрабатываю третью пару поверхностей 10% р-ром NaOH

Фото 12. Наношу на одну поверхность каплю клея.

Склеивание поверхностей, предварительно обработанные 10% р-ром NaOH, невозможна, т.к. процесс полимеризации начинается практически моментально, это видно на Фото 12 (клей мутнеет). По истечении 1 мин. пластины не склеились, а на их поверхности остался явный след полимеризованного клея (Фото 13.)

Фото 13.

Экспериментальным путем выявила, что активность клея напрямую зависит от pH и pOH среды.

pH - мера активности ионов водорода в растворе, количественно выражающая его кислотность. Когда концентрации ионов H⁺ и анионов OH⁻ в растворе одинаковы, этот раствор имеет нейтральную реакцию (среда). При добавлении к воде кислоты концентрация ионов водорода увеличивается, а концентрация гидроксо-анионов соответственно уменьшается, при добавлении щелочи (основания) - наоборот, повышается содержание гидроксо-анионов, а концентрация ионов водорода падает. Когда H⁺ > OH⁻ - раствор является кислотным, а при OH⁻ > H⁺ -щелочным.

Таким образом, кислотность воды обусловлена содержанием в воде веществ, реагирующих с гидроксо-анионами. В данном опыте такими веществами являются: HCl (сильная кислота) и CH3COOH (слабая кислота). Щелочность обусловлена присутствием в воде веществ, содержащих гидроксо-анион и в данном опыте таким веществом, является NaOH (сильная щелочь).

Этот эксперимент подтверждает мою гипотезу работы, что «суперклей» при нанесении на поверхность предмета начинает полимеризоваться не с помощью молекул воды, а за счет свободных анионов OHˉ.
Опыт №2. Реакция клея, содержащего эфир цианакриловой кислоты в воде с разной степенью очистки.
Цель работы: экспериментальным путем сравнить активность клея в воде из крана, в дистиллированной воде и в воде деионизированной.
Оборудование: защитная подложка, резиновые перчатки, защитная маска, три емкости для воды, вода из крана, дистиллированная вода, вода деионизированная, суперклей жидкий.
Ход работы:

1. 
   С водой из крана
   

Фото 14. В первую емкость наливаю воду из крана.

Фото 15. Погружаю в емкость с водой из крана носик тюбика клея. Начинаю выдавливать клей.

При выдавливании клея в воду из крана, на носике тюбика моментально образуется белесая пленка в виде капсулы. Вытащив носик с «капсулой» из воды, «капсула» продолжительное время не деформируется и остается устойчивой (Фото 16).

Фото 16.

2. 
   С дистиллированной водой.
   

Фото 17. Во вторую емкость наливаю дистиллированную воду

Фото 18. Погружаю в емкость с дистиллированной водой носик тюбика клея. Начинаю выдавливать клей

При выдавливании клея в дистиллированную воду, клей выходит из тюбика и опускается на дно емкости в виде прозрачной капли, т.к. плотность клея выше чем у воды. Меньше чем через одну минуту, капли клея на дне емкости начинают интенсивно белеть (Фото 19).

Фото 19.

3. 
   С деионизированной водой.
   

Фото 20. В третью емкость наливаю деионизированную воду.

Фото 21. Погружаю в емкость с деионизированной водой носик тюбика клея. Начинаю выдавливать клей.

При выдавливании клея в деионизированную воду, клей выходит из тюбика и опускается на дно емкости в виде прозрачной капли (Фото 22).

Фото 22.

Фото 23.

Фото 24.

Экспериментальным путем выяснила, что активность клея зависит от содержания гидроксо-анионов в окружающей среде.

Этот эксперимент косвенно, т.к. нет возможности провести более точный, подтверждает мою гипотезу работы, что «суперклей» при нанесении на поверхность предмета начинает полимеризоваться не с помощью молекул воды, а за счет свободных анионов OHˉ.
Опыт №3. Реакция разных форм (жидкий, гелеобразный) клеев содержащие эфиры цианакриловой кислоты с целлюлозой.
Цель работы: экспериментальным путем сравнить взаимодействие жидкого клея и гелеобразного клея с целлюлозой.
Оборудование: защитная подложка, резиновые перчатки, защитная маска, пирометр, 2 целлюлозные губки, клей гелеобразный и клей жидкий.
Ход работы:

1. 
   На подложку положить целлюлозную губку, с помощью пирометра замерить изначальную температуру поверхности. Нанести на целлюлозную губку несколько капель гелеобразного клея.
   

Фото 25. Нанесение клея на целлюлозную губку

Фото 26. Измерение температуры поверхности после нанесения клея.

По истечении одной минуты гелеобразный клей на поверхности губки затвердел, а температура поверхности существенно не изменилась (около 3⁰С).

2. 
   На подложку положить целлюлозную губку, с помощью пирометра замерить изначальную температуру поверхности. Нанести на целлюлозную губку несколько капель жидкого клея.
   

Фото 27. Измерение температуры поверхности до нанесения клея.

Фото 28. Нанесение жидкого клея на губку.

По истечении около одной минуты поверхность губки начала активно дымиться с выделением резкого запаха. Температура поверхности поднялась выше 100⁰С (Фото 29, Фото 30).

Фото 29.

Фото 30.

Экспериментальным путем выявила как реагируют, клея разной формы в состав которых входят эфиры цианакриловой кислоты. Это доказывает, что реакция полимеризации экзотермическая, сопровождается выделением теплоты. Однако в состав гелеобразного клея помимо эфира цианакриловой кислоты добавлены гелеобразующие присадки, которые увеличивают теплоемкость клея, поэтому реакция возгорания клея с целлюлозой не происходит, т.к. выделяющиеся теплота экзотермической реакции поглощается теплоемкостью клея.

Этот эксперимент доказывает, что данные клея не следует применять с легкоплавленными материалами.
Опыт №4. Клеевой эффект с применением соды пищевой (NaHCO₃)
Цель работы: экспериментальным путем посмотреть реакцию клея, если к клею на основе эфиров цианакриловой кислоты добавить соду пищевую.
Оборудование: защитная подложка, резиновые перчатки, защитная маска, деталь из пластики (которую нужно отремонтировать), NaHCO₃, клей жидкий.
Ход работы:

Фото 31. На подложку разместить деталь отверстием вверх.

Фото 32. В отверстие засыпать пищевую соду.

Фото 33. Нанести достаточное, для смачивания всего объема соды, количество «суперклея». Клей должен быть жидкий, это принципиально.

Примерно через 10-15 сек. данная смесь (клей + сода) затвердела, словно камень. На месте повреждения получилась очень прочная «заплатка» (Фото 34, Фото 35).

Фото 34.

Фото 35.

Фото 36.

Фото 37.

Экспериментальным путем выявила как влияет пищевая сода на активность клея в состав которого входит эфир цианакриловой кислоты.

Пищевая сода является хорошо гигроскопичным веществом.
Гигроскопичность- свойство многих веществ вбирать в себя, поглощать влагу из воздуха. Данное свойство пищевой соды усиливает эффективность полимеризации клея. К тому же сода, в данном случае, еще и увеличивает площадь склеиваемой поверхности. Данный эксперимент больше занимательный, чем показательный. Приведенная здесь методика может пригодиться в быту, когда нужно быстро, экономно что- то отремонтировать.

Этот эксперимент, только косвенно, доказывает выдвинутую мной гипотезу, что «суперклей» при нанесении на поверхность предмета начинает полимеризоваться не с помощью молекул воды, а за счет свободных анионов OHˉ.

6. 
   Социологический опрос
   

Мною был проведен опрос 100 человек, которые из них ученики 11 классов ГБОУ г.Москвы «Школы № 1798 «Феникс» и случайные прохожие на улицах города Москвы. Были опрошены мужчины и женщины в возрастных категориях: 16-17 лет, 20-30 лет и 30-50 лет.

Был предложен ряд вопросов, касающийся применению «суперклея» ими в быту:

1. 
   Знаете ли Вы о существовании на рынке такого клея как "суперклей"
   
2. 
   Пользовались ли Вы им хоть раз в жизни
   
3. 
   Как часто Вы его используете
   
4. 
   По какому принципу Вы его покупаете
   

1. 
   Цена
   
2. 
   Марка
   
3. 
   Качество
   
1. 
   Знаете ли Вы, когда и кем он был изобретен
   
2. 
   Знаете ли Вы его принцип работы
   
3. 
   Каковы будут Ваши действия, если клей попал на руки или на одежду
   
   1. 
      Воспользуюсь «Антиклей» (продукт на рынке)
      
   2. 
      Воспользуюсь ацетоном
      
   3. 
      Срезать
      
   4. 
      Оставить как есть
      

На диаграмме видно, что женщины не так часто им пользуются. Главные приоритеты в выборе клея – цена и марка.

На диаграмме видно, что мужчины часто пользуются клеем. Главный приоритет в выборе клея – качество.

7. 
   Заключение
   

В данной работе я ознакомилась с историей создания «суперклея», рассмотрела химические и физические свойства эфиров цианакриловой кислоты, способы их получения и области применения клеев на основе эфиров цианакриловой кислоты.

В ходе изучения научной литературы и ресурсов Интернета пришла к выводу:

1. Изучение эфиров цианакриловой кислоты привело к более глубокому изучению химических свойств цвиттер-ионов, что привело к открытию новой реакции внедрения карбамидного фрагмента по связи C – C.

2. Это стимулировало развитие такой области катализа, как внутримолекулярный электрофильный катализ с помощью фосфониевого центра.

3. Уже первые исследования химических свойств ЦАК и ее эфиров дали основание на получение новых эфиров цианакриловой кислоты, которые существенно расширили эксплуатационные характеристики и позволяют открывать новые пути их использования в промышленности, медицине и органическом синтезе.

На основе проведенной мной практической работы и изучения химических свойств эфиров цианакриловой кислоты, я подтвердила выдвинутую мной гипотезу, что «суперклей» при нанесении на поверхность предмета начинает полимеризоваться не с помощью молекул воды, а за счет свободных анионов OHˉ.


Список литературы

• Журнал «Успехи химии», статья «α-Цианакрилаты: синтез, свойства и применение» том 66 – выпуск 11, 1997 г. /Авторы Ю.Г. Гололобов, В.Грубер – Российская академия наук и Институт органической химии им. Н.Д.Зелинского, г. Москва

• Журнал «Популярна механика», статья «Соединить навсегда: Неразрывная связь» - выпуск №1 (63), январь 2008 г. /Издательский дом «Sanoma Independent Media (SIM)» г. Москва

• Вредные вещества в промышленности, том 1-3 / Под ред. Н.В. Лазарева - Э.Н. Левиной – Л., Химия, 1977 г.

• Авторское свидетельство №183202 «Способ получения алкил- или арил-α-цианакрилатов» /Авторы изобретения: В.В. Коршак, А.М. Полякова, Э.А. Борисова, О.В. Виноградова, К.А. Магер, В.Т. Филинов и В.Н. Семянцев – Заявитель: Институт элементоорганических соединений АН СССР / Выдан: Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР в 1966 году.

• Авторское свидетельство №SU 1168552 A «Способ получения замещенных -цианакрилатов» /Авторы изобретения: В.В. Коршак, А.М. Полякова, С.А. Павлова, Э.Е. Саид-Галиев, Л.М. Ашхотова, И.В. Лопатина – Заявитель: Ордена Ленина Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова /Выдан: Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий в 1985 году.

• 
  «Использование эфиров цианакриловой кислоты в дактилоскопии» /Авторы С.С. Самищенко, В.А. Ивашков – Экспертная практика. - М.: ВНКЦ МВД СССР, 1990. № 29
  

• 
  «Медицинский клей «Сульфакрилат» антибактериальная противовоспалительная клеевая композиция. Руководство для применения в хирургических отраслях» /Авторы В.Т. Марченко, Н.Н. Прутовых, Г.А. Толстиков, А.Г. Толстиков – 2005 г., Новосибирск
  

• 
  Химические формулы, химические реакции и 3D модели в данной работе были сделаны с помощью программы «ChemOffice Professional 15.1.0.0»
  

• 
  https://web.archive.org/web/20090503111504/http://web.mit.edu/invent/iow/coover.html
  

• http://mirchudes.net/technology/1123-super-glue.html

• 
  http://www.technologywood.ru/skleivanie-drevesiny/cianoakrilaty.html
  

• 
  http://www.wikipro.ru/index.php/Универсальный_суперклей_секунда_-_цианоакрилатный_клей
  

Приложение 1.