Dæmi um spurningar og umræður um fjölliðunarviðbrögð
Fjölliðunarviðbrögð eru lykilatriði í lífrænni efnafræði. Þetta ferli felur í sér að sameina einliðusameindir til að mynda risavaxnar sameindir sem kallast fjölliður. Fjölliður eru nauðsynlegar í daglegu lífi, allt frá hráefnum sem notuð eru til að framleiða plast og gúmmí til vefnaðartrefja. Í þessari grein munum við ræða nokkur dæmi um fjölliðunarviðbrögð og lausnir þeirra.
Tegundir fjölliðunar
Almennt má skipta fjölliðun í tvo meginflokka:
1. Viðbótarpolymerisation – Þetta ferli felur í sér að sameina einliður sem innihalda tví- eða þrítengi til að mynda fjölliðu án þess að mynda aukaafurðir. Algengt dæmi um viðbótarpolymer er pólýetýlen, sem er myndað úr etýleni (CH₂=CH₂).
2. Þéttingarfjölliðun – Í þessu ferli myndast fjölliða ásamt aukaafurðum eins og vatni eða metanóli við efnahvarf milli tveggja einliða sem innihalda ákveðna virka hópa. Algengt dæmi er nylon, sem myndast úr díamíni og tvísýru.
Dæmi um viðbótarfjölliðunarvandamál
Spurning 1:
Etýlen (CH₂=CH₂) er einliða sem fjölliðast og myndar pólýetýlen. Lýstu fjölliðunarviðbrögðunum og tilgreindu hvaða afurðir myndast.
Umræða:
Pólýetýlen er fjölliða sem mynduð er úr etýlen einliðum með viðbótarfjölliðunarviðbrögðum. Þessari viðbrögðum má rita á eftirfarandi hátt:
\[ n \text{(CH₂=CH₂)} \rightarrow \text{ -[CH₂-CH₂]- }_n \]
Þar sem \(n \) er fjöldi einliðaeininga. Pólýetýlenið sem myndast er löng keðja af etýlen einliðum án aukaafurða.
Dæmi um þéttingarpólýmerun
Spurning 2:
Nylon-6,6 fjölliða myndast við efnahvarf hexametýlendíamíns og adípínsýru. Skrifaðu efnahvarfið og teldu upp aukaafurðirnar.
Umræða:
Nylon-6,6 er fjölliða sem myndast við efnahvarf hexametýlendíamíns (H₂N-(CH₂)₆-NH₂) og adípínsýru (HOOC-(CH₂)₄-COOH). Myndunarviðbrögðin geta verið sett fram á eftirfarandi hátt:
\[ \text{n (H₂N-(CH₂)₆-NH₂) + n (HOOC-(CH₂)₄-COOH)} \hægri ör \text{ -[NH-(CH₂)₆-NH-CO-(CH₂)₄-CO]- O}_} \texti \texti
Aukaafurðin er vatn (H₂O).
Aðrar spurningar um fjölliðun
Spurning 3:
Pólýetýlen tereftalat (PET) er notað við framleiðslu á plastflöskum og efnum. Einliðurnar sem PET mynda eru etýlen glýkól (HOCH₂CH₂OH) og tereftalsýra (HOOC-C₆H₄-COOH). Útskýrðu myndunarferlið við PET og reiknaðu út magn aukaafurðar ef við byrjum með 5 mólum af hverri einliðu.
Umræða:
Þéttingarfjölliðunarviðbrögðin við myndun PET eru:
\[ n \text{(HOCH₂CH₂OH)} + n \text{(HOOC-C₆H₄-COOH)} \rightarrow \text{ -[OOC-C₆H₄-COO-CH₂CH₂O]- }_n + 2n \text{H₂O} \]
Þar sem \(n \) er fjöldi móla af einliðu. Ef við byrjum með 5 mólum af etýlen glýkóli og 5 mólum af tereftalsýru, þá eru aukaafurðirnar sem myndast 5 × 2 = 10 mól af H₂O.
Kinematískir þættir í fjölliðun
Í fjölliðunarviðbrögðum er hvarfhraðafræði mikilvægur þáttur. Fjölliðunarhraðinn getur verið undir áhrifum ýmissa þátta eins og hitastigs, þrýstings og einliðuþéttni.
Spurning 4:
Ef fjölliðunarhraði hvarfs er sagður vera \(k[M]^x \), þar sem k er hraðastuðullinn, [M] er styrkur einliðunnar og x er röð hvarfsins miðað við einliðuna, útskýrðu þá hvernig breyting á styrk einliðunnar mun hafa áhrif á hvarfhraðann ef x = 2.
Umræða:
Ef x er 2, þá er hvarfhraðinn \(k[M]^2 \). Þetta þýðir að hvarfhraðinn er í réttu hlutfalli við ferninginn af einliðuþéttni. Ef einliðuþéttni er tvöfalduð, mun hvarfhraðinn fjórfaldast (2² = 4).
Redox fjölliðun
Önnur tegund fjölliðunarviðbragða er oxunar-afoxunarfjölliðun. Þetta felur í sér oxunar-afoxunarviðbrögð milli tveggja efna sem hefja fjölliðun.
Spurning 5:
Fjölliða myndast við oxunar-afoxunarviðbrögð milli bensóýlperoxíðs og stýrens. Skrifaðu upphafsviðbrögðin sem eiga sér stað.
Umræða:
Upphafsviðbrögðin milli bensóýlperoxíðs og stýrens mynda sindurefni sem hefja fjölliðun. Viðbrögðin eru sem hér segir:
\[ \text{(C₆H₅CO)₂O₂} \rightarrow 2 \text{C₆H₅COO·} \]
Bensóýloxýl stakeindin (C₆H₅COO)) hvarfast síðan við stýren og hrindir af stað keðjuverkun fjölliðunar.
\[ \text{C₆H₅COO· + CH₂=CHC₆H₅} \rightarrow \text{C₆H₅COOCH₂-CH·C₆H₅} \]
Þessi viðbrögð halda áfram þar til eftirstandandi stýren í kerfinu hefur brugðist við og myndað pólýstýren.
Niðurstaða
Að skilja fjölliðunarviðbrögð og ferlana á bak við þau er mikilvægt fyrir alla sem starfa í efnafræði eða efnisfræði. Með dæmunum sem rædd eru hér að ofan er gert ráð fyrir að lesendur skilji grunnferli viðbótar- og þéttingarfjölliðunar, sem og nokkra flókna þætti eins og hvarfhraða og redox-fjölliðun. Með traustum grunni getum við betur skilið mikilvægi fjölliða í ýmsum þáttum nútímalífsins.
