В реакцию полимеризации вступают соединения, которые содержат по крайней мере одну кратную связь или циклы. Реакционная способность мономера зависит от его строения, сопряжения двойной связи в молекуле мономера, количества и взаимного расположения заместителей, их поляризационного явления на двойную связь.

Радикальная полимеризация протекает по цепному механизму и описывается кинетикой неразветвленной цепной реакции.

Основные стадии цепной реакции:

1. Инициирование - образование активных центров;
2. Рост цепи - последовательное присоединение мономеров к активному центру;
3. Обрыв цепи - гибель активного центра;
4. Передача цепи - передача активного центра на другую молекулу.

I. Инициирование цепи (зарождение)

Данная стадия является самой энергоемкой. Различают физическое и химическое инициирование.

Физическое инициирование:

Химическое инициирование

Данный способ инициирования применяется чаще всего. Принцип заключается в использовании веществ-инициаторов (перекиси, азосоединения, red-ox системы), у которых энергия обрыва химической связи значительно меньше, чем у мономеров. При этом процесс происходит в две стадии: сначала генерируются радикалы инициатора, которые затем присоединяются к молекуле мономера, образуя первичный мономерный радикал.

Инициатор очень похож по свойствам на катализатор, но его отличие состоит в том, что инициатор расходуется в процессе химической реакции, а катализатор - нет.

Примеры инициаторов:

II. Рост Цепи

Мономеры поочередно присоединяются к активному центру первичного мономерного радикала.

III. Обрыв цепи

Обрыв цепи происходит в результате гибели активных центров (обрыв кинетической цепи).

• Обрыв кинетической цепи - исчезают активные центры;
• Обрыв материальной цепи - когда данная цепь перестает расти, но активный центр передается другой макромолекуле или мономеру (реакция передачи цепи).

Реакции приводящие к гибели кинетической и материальной цепи – реакции рекомбинации и диспропорционирования.

Вид реакции обрыва цепи (рекомбинация или диспропорционирование) зависит от ряда факторов, в частности от строения молекулы мономера. Если мономер содержит громоздкий по размеру или электроотрицательный по химической природе заместитель, то столкновения таких растущих радикалов друг с другом не происходит и обрыв цепи осуществляется путем диспропорционирования. Например, в случае метилметакрилата:

По мере роста радикалов увеличивается вязкость системы, и вследствие подвижности макрорадикалов скорость обрыва цепи путем рекомбинации снижается. Рост времени жизни макрорадикалов при увеличении вязкости системы приводит к интересному явлению – ускорению полимеризации на поздних стадиях (гель-эффект ) вследствие увеличения концентрации макрорадикалов.

IV. Передача цепи

Передача цепи происходит путём отрыва растущим радикалом атома или группы атомов от какой-то молекулы. Реакция передача цепи приводит к обрыву материальной цепи, а рост кинетической продолжается.

Различают передачу цепи:

Особенности радикальной полимеризации:

• Высокая скорость полимеризации;
• Разветвленность;
• Возможны присоединения г-г, г-хв, хв-хв;
• Полимолекулярные полимеры.

Кинетика радикальной полимеризации

Химическая кинетика - это раздел химии, изучающий механизм и закономерности протекания химической реакции во времени, зависимости этих закономерностей от внешних условий.

Для изучения кинетики радикальной полимеризации необходимо рассмотреть зависимость скорости реакции и степени полимеризации от концентрации исходных веществ, давления и температуры.

Обозначения:

I. Влияние концентрации исходных веществ на скорость реакции.

Общая скорость реакции зависит от скорости образования радикалов V ин (скорости инициирования) , от скорости роста цепи V р и ее обрыва V o.

Мы будем рассматривать реакцию свободнорадикальной полимеризации, когда инициирование осуществляется с помощью химических инициаторов.

Рассмотрим каждую стадию:

Рассмотрение кинетики существенно облегчается, если реакция протекает в условиях, близких к стационарному режиму , при котором скорости возникновения и исчезновения свободных радикалов можно считать равными . При этом концентрация активных центров будет постоянна.

Как видно из графика кривой можно выделить пять участков по значениям скоростей основной реакции превращения мономера в полимер в результате полимеризации:

1 - участок ингибирования, где концентрация свободных радикалов мала. И они не могут начать цепной процесс полимеризации;

2 - участок ускорения полимеризации, где начинается основная реакция превращения мономера в полимер, причем скорость растет;

3 - участок стационарного состояния , где происходит полимеризация основного количества мономера при постоянной скорости (прямолинейная зависимость конверсии от времени);

4 - участок замедления реакции, где скорость реакции уменьшается в связи с убылью содержания свободного мономера;

5 - прекращение основной реакции после исчерпания всего количества мономера.Стационарный режим наблюдается обычно на начальной стадии протекания реакции, когда вязкость реакционной массы невелика и равновероятны случаи зарождения цепи и ее обрыва.

Таким образом скорость реакции роста цепи равна:

II. Влияние концентрации исходных веществ на степень полимеризации.

Степень полимеризации зависит от соотношения скоростей роста и обрыва цепи:

Учтем соответствующие выражения для скоростей

Степень полимеризации равна:

III. Влияние температуры на скорость реакции роста цепи.

Выполним подстановку уравнения Аррениуса в уравнение скорости роста цепи:

Прологарифмируем полученное выражение:

Числитель (6+15-4 = 17) больше нуля, значит, чем больше температура, тем выше скорость реакции радикальной полимеризации. Однако с ростом температуры увеличивается и вероятность столкновения радикалов друг с другом (обрыв цепи путем диспропорционирования или рекомбинации) или с низкомолекулярными примесями. В результате молекулярная масса полимера в целом уменьшается, увеличивается доля низкомолекулярных фракций в полимере. Возрастает число побочных реакций, приводящих к образованию разветвленных молекул. Увеличивается нерегулярность при построении цепи полимера вследствие возрастания доли типов соединения мономера «голова к голове» и «хвост к хвосту».

Энергия активации роста ~ 6 ккал/моль;

Энергия активации инициирования ~30 ккал/моль;

Энергия активации обрыва ~8 ккал/моль.

Числитель (6-15-4 = -13) меньше нуля, значит с ростом температуры степень полимеризации уменьшается. В результате молекулярная масса полимера в целом уменьшается, увеличивается доля низкомолекулярных фракций в полимере.

V. Влияние давления на скорость полимеризации

Принцип Ле-Шателье: Если на систему оказывается внешнее воздействие, то в системе активируются процессы, ослабляющие это воздействие.

Чем выше давление, тем выше скорость радикальной полимеризации. Однако чтобы повлиять на свойства конденсированных систем, нужно прикладывать давление в несколько тысяч атмосфер.

Особенностью полимеризации под давлением является то, что увеличение скорости не сопровождается уменьшением молекулярной массы получаемого полимера.

Ингибиторы и замедлители полимеризации.

Явления обрыва и передачи цепи широко используются на практике для:

• предотвращения преждевременной полимеризации при хранении мономеров;
• для регулирования процесса полимеризации

В первом случае к мономерам добавляют ингибиторы или стабилизаторы , которые вызывают обрыв цепи, а сами превращаются в соединения, не способные инициировать полимеризацию. Также они разрушают пероксиды, образующиеся при взаимодействии мономера с атмосферным кислородом.

Ингибиторы : хиноны, ароматические амины, нитросоединения, фенолы.

Регуляторы полимеризации вызывают преждевременный обрыв материальной цепи, снижая молекулярную массу полимера пропорционально введенному количеству регулятора. Примером их являются меркаптаны.

Термодинамика радикальной полимеризации

Реакция роста цепи обратима, наряду с присоединением мономера к активному центру может происходить и его отщепление-деполимеризация.

Термодинамическая возможность полимеризации, как и любой другой равновесный химический процесс можно описать с помощью функций Гиббса и Гельмгольца:

Однако функция Гиббса наиболее приближена к реальным условиям, поэтому мы воспользуемся ей:

Так же изменение функции Гиббса связано с константой равновесия реакции уравнением:

Константа полимеризационно-деполимеризационного равновесия при достаточно большом молекулярном весе образующегося полимера (p>>1) зависит только от равновесной концентрации мономера:

Откуда следует, что

Из уравнения (а) можно найти такую температуру, при которой реакция полимеризации не будет идти, а из уравнения (б) можно найти равновесную концентрацию мономера, при превышении которой будет происходить полимеризация.

Влияние температуры

Для определения влияния температуры на равновесную концентрацию мы представим уравнение (б) в следующем виде:

В случае, когда ΔH°<0 и ΔS°<0 с ростом температуры увеличивается равновесная концентрация мономера. Верхний предел ограничен концентрацией мономера в массе. Это значит, что есть некоторая верхняя предельная температура - Т в.пр. , выше которой полимеризация невозможна.

В случае, когда ΔH°>0 и ΔS°>0 наблюдается обратная зависимость: с уменьшением температуры увеличивается равновесная концентрация мономера. Следовательно, для мономеров с отрицательным тепловым эффектом существует нижняя предельная температура Т н.пр.

Так же есть известные случаи, когда эти зависимости не пересекаются, но они не представляют практического интереса.

Термодинамическая вероятность

Теперь рассмотрим термодинамическую возможность протекания реакции, условием которой является равенство ΔG<0. Оно определяется как изменением энтальпии так и энтропии, причем вклад энтропийного члена будет изменяться с температурой реакции.

При полимеризации по кратным связям энтропия системы всегда уменьшается, т.е. процесс по энтропийным соображениям невыгоден. Слабая зависимость ∆S° от природы мономера связана с тем, что основной вклад в ∆S° вносит потеря поступательных степеней свободы молекул мономеров.

Но также известны мономеры, для которых при полимеризации происходит увеличение энтропии. Такое изменение ∆S° характерно для некоторых ненапряженных циклов. Причем, поскольку полимеризация оказывается выгодной с энтропийной точки зрения, она может протекать даже при отрицательных тепловых эффектах (полимеризация циклов S 8 и Se 8 с образованием линейных полимеров)

Расчеты и измерения энтропии для полимеризации большинства виниловых мономеров показывают, что ∆S° составляет около 120 Дж/К·моль.

Напротив, ∆Н° изменяется в зависимости от химического строения мономера в довольно широких пределах (∆Q° = −∆Н° варьируется от нескольких кДж/моль до 100 кДж/моль), что обусловлено различием природы кратной связи и ее заместителей. Отрицательные значения ∆Н° свидетельствуют о том, что полимеризация выгодна с точки зрения энтальпийного фактора. При обычных температурах порядка 25°С полимеризация термодинамически разрешима для мономеров, тепловой эффект которых превышает 40 кДж/моль. Это условие соблюдается для большинства виниловых мономеров. Однако, при полимеризации по С=О связи тепловые эффекты ниже 40 кДж/моль. Поэтому условие ∆G<0 соблюдается только при достаточно низких температурах, когда |TΔS°|<|ΔH°|.

Рассмотрим явление несоответствия теоретической и практической энтальпии полимеризации

Выделяется меньшее количество энергии, куда она девается?

1. Разрушается эффект сопряжения;
2. Стерическое отталкивание (при синтезе полистирола образуется спиральная молекула за счет стерического отталкивания).

Причина возрастания Q при полимеризации циклов - термодинамчески не выгодный валентный угол между гибридизованными орбиталями и отталкивание неподеленных электронных пар заместителя.

1. Раскрытие цикла (ΔS 1 ° > 0)
2. Рост цепи (ΔS 2 ° < 0)

ΔS° = ΔS 1 ° + ΔS 2 °, ΔS° может быть больше или меньше нуля.

Радикальная полимеризация виниловых мономеров CH 2 =CHX лежит в основе технологии производства разнообразных полимерных материалов. Mеханизм и кинетические закономерности полимеризации интенсивно иизучались в 50-х и 60-х годах; по этому вопросу опубликован ряд монографий. От других цепных реакций полимеризацию отличают следующие две особенности. Во-первых, в результате цепного процесса последовательного присоединения молекул мономера к растущему макрорадикулу происходит материализация многократно повторяющихся актов продолжения цепи в виде конечного продукта -макромолекулы. Во-вторых, ведет цепную реакцию всего один тип активных центров, а именно, макрорадикал со свободной валентностью на углероде. Присоединение мономера CH 2 =CHX к радикалу R · происходит, как правило, по СH 2 -группе, так что образуется радикал RCH 2 C · HX, последующее присоединение идет по типу голова к хвосту, энергетически наиболее выгодному:

RCH 3 C · HX + CH 2 =CHX ® RCH 2 CHXCH 2 C · HX

Присоединения другого типа (голова к голове и т.д.) протекает лишь в незначительной степени. Например, при полимеризации винилацетата (300-400К) присоединение по типу голова к голове происходит не более, чем в 2% случаев.

Инициированная полимеризация непредельного соединения включает в себя следующие стадии:

r · + CH 2 =CHX rСН 2 C · HX(R 1 ·)

R 1 · + M R 2 ·

R n · + M R n+1 ·

R n · + R m · R n -R m

R n · + R m · R n H + R m-1 CH=CHX

При выводе кинетических соотношений обычно делаются следующие 4 допущения:

1. Рассматривается случай, когда полимеризация протекает с длинными цепями, т.е.скорость полимеризации v >> v i ;

2. Допускается, что k p и k t не зависят от длины реагирующего макрорадикала, т.е. k p1 = k p2 =...k pn , и то же для k tc и k td . Такое предположение представляется разумным, особенно

для высокомолекулярных радикалов, так как реакционная способность радикала определяется его молекулярной структурой вблизи свободной валентности, а при гомополимеризации строение всех макрорадикалов одинаково и различаются они только своей длиной.

3. Предполагается протекание реакции в квазистационарном режиме. Это справедливо для экспериментов с v i = const и длительностью t >> t R · , где t R · = (2k t /v i) -1/2 . При v i = 10 -8 - 10 -6 моль/л и 2k t = 10 6 - 10 8 л/моль с время жизни макрорадикалов R · меняется в диапазоне 0,1 -10 с, что значительно короче периода прогрeва реактора (50-200 с).

4. Обычно пренебрегают обрывом с участием первичных радикалов, образующихся из инициатора (этой реакции r · + R · нет в схеме), так как в большинстве случаев практически все r · реагируют с мономером, а доля r · , реагирующих с макрорадикалами, мала, так как << . При таких преположениях для скорости полимеризации v и длины кинетической цепи v получаются следующие выражения:

v = k p [M](v i /2k t) 1/2 , (1)

n = v /v i = k p [M](2k t v i) -1/2 (2)

В качестве инициатора полимеризации используются разнообразные пероксидные соединения, азосоединения, полиарилэтаны, дисульфиды. Механизм распада инициатора рассмотрен в Лекции 2.

При распаде инициатора в конденсированной фазе образуются два радикала, окруженные молекулами растворителя или мономера (при полимеризации в массе). Часть таких пар погибает в клетке (вступает в реакции рекомбинации или диспропорционирования), а часть выходит в объем. Если с мономером реагируют все вышедшие в обьем радикалы, то скорость инициирования равна скорости генерирования радикалов: v i = 2ek d [I]. Если часть радикалов инициатора, вышедших в обьем, реагирует с макрорадикалами, то v i растет с ростом [M], пока не достигает значения 2ek d [I]. В литературе описаны такого рода примеры. На выход радикалов в объем концентрация мономера практически не влияет, так как рекомбинация радикальных пар в клетке протекает неизмеримо быстрее, чем реакция радикала с мономером.

Обычно инициатор распадается медленно, так что в течение опыта v i = const . Однако встречаются случаи, когда за время опыта распадается его значительная часть. В этом случае при квазистационарном режиме реакции кинетика расходования мономера описывается уравнением:

Реакция продолжения цепи определяет как скорость полимеризации, так и строение образующегося полимера. Виниловые мономеры полимеризуются по типу голова к хвосту (см. выше). Константа скорости продолжения цепи k p определяется активностью мономера и ведущего цепную реакцию макрорадикала. Ниже приведены константы скорости k p для ряда мономеров:

Стирол: k p = 2.4 ´ 10 8 exp(- 37,6/RT), л/моль с;

Метилметакрилат: k p = 2.5 ´ 10 6 exp(- 22.6/RT ), л/моль c;

Винилацетат: k p = 2.0 ´ 10 6 exp(- 19.6/RT ), л/моль с;

Метилакрилат: k p = 1.1 ´ 10 6 exp(- 17.6/RT ), л/моль c;

Винилхлорид: k p = 3.3 ´ 10 6 exp(- 36.4/RT ), л/моль с;

Акрилонитрил: k p = 2.3 ´ 10 5 exp(- 16.2/RT ), л/моль с

Присоединение, естественно, протекает с уменьшением энтропии, предэкспоненте 10 6 л/моль соответствует энтропия активации D ¹ S = - 52Дж/(моль л). Мономеры CH 2 =СHX, содержащие полярную группу (сложноэфирную, нитрильную и т.д.), образуют комплексы с ионами металлов. Например, метилметакрилат образует комплексы состава 1:1 c солями металлов Li + , Mn 2+ , Fe 3+ , Co 2+ , Zn 2+ , акрилонитрил-с солями металлов Li +i , Mg + , Fe 3+ , Mn 2+ , Co 2+ , Ni 2+ . Такие комплексы часто вступают в реакцию с макрорадикалами быстрее. Например, метилметакрилат реагирует с k p = 2.5 ´ 10 2 л/моль с, а его комплекс c
ZnCl 2 - c k p = 6.1 ´ 10 2 л/моль с. Хлористый цинк ускоряет полимеризацию метилметакрилата.

С повышением температуры заметную роль начинает играть реакция деполимеризации, т.е. распада макрорадикала на мономер и радикал

R n · R n-1 · + М

Поскольку реакция роста макрорадикала экзотермична, то реакция деполимеризации эндотермична и разность E U - E p = DH 0 . С повышением температуры достигается такое состояние, что скорости роста цепи и деполимеризации становятся равными: k p [M] = k U , и скорость полимеризации равна нулю. Этому состоянию соответствует максимальная температура полимеризации, равная:

T max = (4)

Для чистого мономера (при полимеризации в массе) T maх = 583K (стирол), T maх = 493K (метилметакрилат), T maх = 334K (a -метилстирол).

Обрыв цепей, как это видно из схемы, происходит в результате реакции между макрорадикалами. Эти радикалы вступают между собой в реакции двух типов, а именно рекомбинации:

2 ~ CH 2 - C · XY ~CH 2 - CXY- CXY- CH 2 ~~

и диспропорционирования:

2~ ~ CH 2 -C · XY ~~ CH 2 - CHXY + ~~ CH=CXY

От соотношения между константами скорости этих двух реакций зависит средняя степень полимеризации :

P = k p [M] или (5)

Это соотношение влияет и на молекулярно-массовое распределение: M w /M n = 1.5 при рекомбинации R · и M w /M n = 2 при их диспропорционировании.

Константы скорости k t = t tc + k td в зависимости от строения мономера меняются в диапазоне 10 8 - 10 6 л/моль с. Mежду константой скорости обрыва цепей и вязкостью растворителя существует антибатная зависимость. Это свидетельствует о том, что реакция между двумя макрорадикалами лимитируется диффузионными процессами. Ряд фактов свидетельствует о том, что поступательная диффузия макрорадикалов в растворе не является лимитирующей стадией обрыва цепей при полимеризации. Для макрорадикалов с полярной группой X на конце (~~ CH 2 CHX) имеет место очевидная симбатность (если не совпадение) между k t и частотой переориентации группы-диполя (Т = 300К).

По-видимому, в большинстве случаев именно сегментальная подвижность лимитирует скорость и определяет величину константы скорости гибели макрорадикалов.

Институт физики высоких технологий
Направление – Химическая технология
Кафедра – Технологии органических веществ и полимерных материалов

КИНЕТИКА РАДИКАЛЬНОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ СТИРОЛА
Отчет по лабораторной работе
по дисциплине «Инновационное развитие химической технологии»

Исполнитель ____________ ___________ студент гр.4ГМ12
(подпись) (дата) Максякова А.В.

Руководитель ____________ ___________ Л.И.Бондалетова
(подпись) (дата)

Томск – 2011
Цель работы: определить скорость радикальной полимеризации стирола при различных концентрациях инициатора и оценить порядок реакции по инициатору.
Реактивы: стирол, динитрил азо-бис-изомасляной кислоты, петролейный эфир или гексан.
Приборы и посуда: рефрактометр, термостаты на 20 и 70 0 С, пробирки с пришлифованными пробками емкостью 20…25 см 3 (5 шт.), стаканы емкостью 100 см 3 (5 шт.), пипетки на 10 см 3 , шприц с длинной иглой, шпатель, часовое стекло.

Теоретическая часть
Синтез полимеров можно осуществить либо из низкомолекулярных соединений (мономеров), либо из высокомолекулярных соединений (полимеров).
Примером реакции синтеза полимеров из низкомолекулярных соединений являются цепная полимеризация и ступенчатая поликонденсация. При полимеризации мономеров образуются макромолекулы в результате раскрытия ненасыщенных связей в алкенах или разрыве химических связей в циклических соединениях. В обоих случаях химический остов мономера и повторяющегося звена одинаков.

В процессе ступенчатой поликонденсации би- и полифункциональные соединения реагируют друг с другом. Реакция идет ступенчато с постепенным нарастанием молекулярной массы полимера.

Под полимеризацией понимают цепную реакцию, в ходе которой молекулы мономера последовательно присоединяются к активному центру, находящемуся на конце растущей цепи.
В зависимости от природы активного центра различают ионную и радикальную полимеризации. Общая схема полимеризации, независимо от природы активных центров, может быть представлена следующим образом:
Полимеризация вызывается первичными активными центрами, образующимися из специально вводимых соединений: инициаторов при радикальной полимеризации и катализаторов при ионной, или в результате физического воздействия на систему, например, путем облучения мономера.
Радикальной полимеризацией называется цепная реакция, протекающая через образование свободных радикалов.
Реакция является одной из основных реакций получения высокомолекулярных соединений.
В простейшем случае схема радикальной полимеризации включает три стадии, которым соответствуют нижеследующие элементарные реакции: инициирование, рост цепи и обрыв цепи. В случае химического инициирования эта схема может быть представлена следующим образом.

где Крас, Кин, Кр, Крек, Кдис – константы скорости распада инициатора (In), инициирования полимеризации, роста и обрыва цепи путем рекомбинации и диспропорционирования, соответственно.
Протекание радикальной полимеризации зависит от присутствия даже ничтожного количества примесей в системе, а иногда и от материала реактора и его формы. Примеси могут вступать в реакцию с растущей макромолекулой, прекращая или замедляя процесс полимеризации.
Инициирование радикальной полимеризации – это процесс образования свободно-радикальных центров R . Вследствие наличия неспа- ренных электронов на внешних орбитах они характеризуются электро-9 фильными свойствами, способность атаковать электронные пары - и даже -связей мономера и превращать его в свободный радикал:

Свободные радикалы могут возникнуть в результате действия на системы физических факторов: в результате теплового воздействия (термическое инициирование), под действием света (фотоинициирование), радиоактивного облучения (радиационное инициирование), а также чисто химическим путем – при гомолитическом распаде соединений с относительно невысокими энергиями связи или в результате протекания окислительно-восстановительных процессов.
В промышленных условиях наиболее часто применяют метод химического инициирования, при котором используют вещества (инициаторы), легко распадающиеся с образованием свободных радикалов. К ним относятся пероксиды, гидропероксиды, азо- и диазосоединения, окислительно-восстановительные системы.
Процесс инициирования характеризуется двумя последовательными реакциями: разложение инициатора (In) с образованием свободных радикалов R и взаимодействие радикала с мономером (М) с образованием активного центра свободно-радикального типа RM . Лимитирующей реакцией является стадия разложения инициатора.
Скорость инициирования может быть описана формулой:
,
где – концентрация инициатора.
Радикалы, образующиеся при распаде инициаторов, могут вновь соединиться в той краткий период времени, когда они находятся в «клетке», образованной молекулами мономера и растворителя, т.е. не успели разойтись. Этот эффект называется эффектом клетки или первичной рекомбинацией.
Рост цепи в радикальной полимеризации заключается в последовательном присоединении молекул мономера к активному центру (первичному радикалу), который продолжается до тех пор, пока растущая цепь сохраняет свойства свободного радикала. Скорость реакции роста полимерной цепи зависит от реакционной способности мономера и активности растущего полимерного радикала и определяется выражением:
V р = K р [M].
Величина Кp для большинства мономеров равна 10 2 …10 4 л/(моль?с).
Реакция обрыва цепи осуществляется различными путями в зависимости от природы макрорадикала, его величины и строения, вязкости среды, температуры, состава реакционной среды и т.д.
Чаще всего обрыв происходит за счет соединения двух макрорадикалов между собой. Такой процесс обрыва называется рекомбинацией (соединением) макрорадикалов:

Диспропорционирование макрорадикалов – образуются две макромолеулы, одна из которых имеет в конечном звене двойную связь.

Кинетическое уравнение скорости полимеризации
Для вывода уравнения используем принцип стационарного состояния, сущность которого такова: в реакционной системе с какого-то момента времени образуются активные центры (свободные радикалы), дающие начало цепной реакции. Одновременно, в результате обрыва цепи, активные центры (в случае радикальной полимеризации – макрорадикалы) начинают исчезать. Концентрация радикалов возрастает во времени, что приводит и к росту скорости обрыва цепи. Через определенный промежуток времени число исчезающих макрорадикалов сравняется с числом образующихся радикалов. В системе установится постоянная, стационарная концентрация растущих радикалов.
В момент установления стационарного состояния скорость инициирования цепи будет равна скорости обрыва цепи:
V ин = V о.
Следовательно, K ин = K 0 2 .
Из этого уравнения находим концентрацию макрорадикалов

Скорость реакции (V п) в стационарном состоянии равна скорости роста цепи (V р):

Подставляя выражение в уравнение скорости роста цепи, получаем:

Из полученного уравнения вытекает важнейшее правило, которое является следствием бимолекулярного обрыва цепи при радикальной полимеризации и служит характерной особенностью процесса, позволяющей отличить радикальный механизм полимеризации от ионного. В ионных процессах это правило не соблюдается.
Скорость полимеризации пропорциональна корню квадратному из концентрации инициатора («правило квадратного корня»).
Следует отметить, что пропорциональность скорости полимеризации концентрации мономера в первой степени не всегда соблюдается. Как правило, эта величина несколько больше единицы, что связано с участием мономера на стадии инициирования и в реакции передачи цепи.
Скорость полимеризации можно оценить путем определения изменения какого-либо параметра системы: плотности, показателя преломления, вязкости, светопоглощения, выделения тепла и др. Конверсия может контролироваться химическими методами по числу непрореагировавших двойных связей йодометрическим или бромметрическим титрованием и др.
C повышением температуры скорость полимеризации возрастает, а молекулярная масса полимера уменьшается. Давление, как правило, увеличивает скорость и степень полимеризации. Так, увеличение давления в 1000 раз по сравнению с атмосферным приводит к возрастанию скорости инициированной полимеризации стирола на порядок, а степени полимеризации – в два раза. Чем больше концентрация инициатора, тем выше скорость полимеризации, но ниже молекулярная масса образующегося полимера. Установлено, что с увеличением концентрации мономера повышается скорость полимеризации и увеличивается средняя степень полимеризации.
Экспериментальная часть
Порядок работы:
1) проведение радикальной полимеризации стирола при различных концентрациях инициатора;
2) определение выхода полимера в пробах реакционной смеси рефрактометрическим методом;
3) построение кинетических кривых полимеризации, определение скорости процесса и оценка порядка реакции по инициатору.
Методика работы
В пробирки с пришлифованными пробками помещают по 5 г стирола. Затем в них вносят навески инициатора, взвешенные на часовом стекле с точностью до четвертого знака после запятой, в количестве 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 и 1,0 % (от массы мономера). Приготовленные растворы термостатируют при 70 °С. Через 10 мин после начала термостатирования из каждой пробирки с помощью шприца с длинной иглой отбирают пробы реакционной смеси для определения выхода полимера рефрактометрическим методом. Последующие пробы отбирают из пробирок через каждые 10 мин. Рефрактометрический метод определения выхода полимера основан на изменении показателя преломления реакционной смеси в ходе полимеризации. Перед началом измерений показателя преломления рефрактометр термостатируют при 20 °С в течение 10…15 мин.
Для каждой концентрации инициатора при данной температуре отбирают не менее 5 проб. Время, через которое определяют выход полимера, зависит от скорости полимеризации мономера; оно выбирается с таким расчетом, чтобы степень превращения мономера в последней пробе не превышала 15 %.
Измерив показатель преломления в пробах реакционной смеси, определяют выход полимера (х) к моменту отбора проб с помощью данных зависимости n 20 от выхода полимера. Полученные значения вносят в таблицу1.
Таблица 1. Исходные и экспериментальные данные