Ćwiczenie 1

(1)

Ćwiczenie 1

Technologia i charakterystyka szkieł organicznych

Cel ćwiczenia: otrzymanie szkła krzemianowego niskotemperaturową metodą zol-żel

Wprowadzenie

Technologia zol-żel jest niskotemperaturową metodą syntezy materiałów szklanych, ceramicznych i kompozytów. Metoda ta opiera się na reakcji polimeryzacji cząsteczek prekursorów w roztworze. Prekursorami są alkoksylany metali M(OR)n, w którym M stanowi kation metalu (zazwyczaj jest to krzem, tytan lub glin), R jest podstawnikiem organicznym, natomiast n oznacza wartościowość kationu metalu. Najczęściej stosowanymi prekursorami są alkoksylany krzemu, spośród których szczególne znaczenie przypisuje się tetraetoksysilanowi (TEOS). Otrzymywanie materiałów zol-żelowych jest procesem złożonym, na który składają się następujące etapy: hydroliza i kondensacja, polimeryzacja i żelowanie roztworu oraz suszenie żelu i jego spiekanie.

Stopień czystości materiałów zol-żelowych jest uwarunkowany wyłącznie stopniem czystości składników wyjściowych stosowanych podczas preparatyki, a prowadzenie syntezy w niskiej temperaturze niemalże całkowicie wyklucza możliwość wprowadzania zanieczyszczeń do struktury otrzymywanych materiałów. Innymi zaletami technologii zol-żel są łagodne warunki syntezy, mimo prowadzenia katalizy mediami kwasowymi lub alkalicznymi, ale również prostota i brak potrzeby stosowania wyspecjalizowanej aparatury. Materiały zol-żelowe są powszechnie stosowane jako selektywne adsorbenty, w medycynie jako powłoki implantów, w optoelektronice, ale również do syntezy organiczno-nieorganicznych materiałów hybrydowych.

Odczynniki i sprzęt

Odczynniki: tetraetylokrzemian (TEOS), alkohol etylowy, kwas octowy, octan ołowiu (II), octan europu (III), kwas trifluoroctowy,

Sprzęt: waga, łyżeczki do ważenia, pipety, kolba okrągłodenna o pojemności 25cm3_{, mieszadło} magnetyczne, zlewka

Zagrożenia i środki ostrożności

Tetraetylokrzemian (TEOS)

Zwroty wskazujące rodzaj zagrożenia (R)

R10 Produkt łatwopalny

R20 Działa szkodliwie przez drogi oddechowe

R20/21 Działa szkodliwie przez drogi oddechowe i w kontakcie ze skórą

R36 Działa drażniąco na oczy

R37 Działa drażniąco na drogi oddechowe

R38 Działa drażniąco na skórę

(2)

R51/53 Działa toksycznie na organizmy wodne. Może powodować długo utrzymujące się niekorzystne zmiany w środowisku wodnym

R65 Działa szkodliwie, może powodować uszkodzenie płuc w przypadku połknięcia.

R67 Pary mogą wywoływać uczucie senności i zawroty głowy

Zwroty określające warunki bezpiecznego stosowania (S)

S23 Nie wdychać rozpylonej cieczy

S29 Nie wprowadzać do kanalizacji

S51 Stosować wyłącznie w dobrze wentylowanych pomieszczeniach

S61 Unikać zrzutów do środowiska. Postępować zgodnie z instrukcją lub kartą charakterystyki.

Alkohol etylowy

Symbol i oznaczenie zagrożenia: Niebezpieczeństwo Zwroty wskazujące rodzaj zagrożenia (R)

R11 Produkt wysoce łatwopalny

Kwas octowy

Zwroty wskazujące rodzaj zagrożenia (R)

R10 Produkt łatwopalny

R35 Powoduje poważne oparzenia

S23-26-45 Nie wdychać pary. Zanieczyszczone oczy przemyć natychmiast dużą ilością wody i zasięgnąć porady

lekarza. W przypadku awarii lub jeżeli źle się poczujesz, niezwłocznie zasięgnij porady lekarza - jeżeli to możliwe, pokaż etykietę.

Kwas trifluorooctowy

R35 Powoduje poważne oparzenia

R20 Działa szkodliwie przez drogi oddechowe

R52/53 Działa szkodliwie na organizmy wodne; może powodować długo utrzymujące się niekorzystne

zmiany w środowisku wodnym

S26-45 Zanieczyszczone oczy przemyć natychmiast dużą ilością wody i zasięgnąć porady lekarza. W przypadku

awarii lub jeżeli źle się poczujesz, niezwłocznie zasięgnij porady lekarza - jeżeli to możliwe, pokaż etykietę.

Octan ołowiu (II)

R20/22 Działa szkodliwie przez drogi oddechowe i po połknięciu

(3)

R50/53 Działa bardzo toksycznie na organizmy wodne; może powodować długo utrzymujące się niekorzystne zmiany w środowisku wodnym

R61 Może działać szkodliwie na dziecko w łonie matki

R62 Możliwe ryzyko upośledzenia płodności

S45 W przypadku awarii lub jeżeli źle się poczujesz, niezwłocznie zasięgnij porady lekarza - jeżeli to

możliwe, pokaż etykietę.

S53 Unikać narażenia - przed użyciem zapoznać się z instrukcją

S60 Produkt i opakowanie usuwać jako odpad niebezpieczny

S61 Unikać zrzutów do środowiska. Postępować zgodnie z instrukcją lub kartą charakterystyki

Wykonanie ćwiczenia

Do kolby okrągłodennej o poj. 25cm3

dodać kolejno: TEOS, alkohol etylowy, wodę destylowaną oraz kwas octowy. Otrzymany roztwór mieszać przez 30 minut w zamkniętej kolbie (w tym czasie następuje proces hydrolizy). Stosunek molowy składników: TEOS:EtOH:H2O:CH3COOH wynosi 1:4:10:0,5. Po zakończonej hydrolizie do otrzymanego roztworu (ciągle mieszając) wkroplić roztwór octanu ołowiu (II) i octanu europu (III), które uprzednio należy rozpuścić w wodzie i w kwasie trifluorooctowym. Tak otrzymany roztwór pozostawić na mieszadle magnetycznym przez 1 godzinę w szczelnie zamkniętej kolbie. Otrzymany żel przelać do zlewki, szczelnie przykryć i pozostawić w suszarce (temp. 35 °C) na okres 6 tygodni.

Sprawozdanie z wykonania ćwiczenia

W sprawozdaniu należy zamieścić opis wykonanego ćwiczenia oraz odpowiedzi na następujące pytania:

1. Jaką rolę w otrzymywaniu szkieł niskotemperaturową metodą zol-żel odegrał kwas octowy? Czy inne związki mogą pełnić tę rolę? Jeśli tak, podaj przykłady.

2. Jakie zastosowania mają materiały otrzymane metodą zol-żel?

Zagadnienia do kolokwium 1 cz. I 1. Etapy metody zol-żel

2. Prekursory krzemionki

3. Czynniki wpływające na proces żelowania 4. Etapy suszenia żelu

5. Otrzymywanie szkieł metodą zol-żel i metodą wysokotemperaturowego topienia (zalety i wady) 6. Pojęcia: zol, żel, synereza, punkt krytyczny.