Получение нитроцеллюлозы

Целлюлоза - природный полимер, важнейший строительный материал для растений. Молекулы целлюлозы состоят из остатков глюкозы, которые образуют длинные цепи [С₆Н₇О₂(OH)₃]_n. Количество остатков глюкозы в такой цепи n может достигать от нескольких сотен до многих тысяч (приблизительно n = 300-10000).

Глюкоза является многоатомным спиртом, поэтому гидроксильные группы в звеньях целлюлозы способны взаимодействовать с кислотами, образуя сложные эфиры.

В частности, целлюлоза взаимодействует со смесью концентрированных серной и азотной кислот (нитрующая смесь), давая нитроцеллюлозу - сложный эфир целлюлозы и азотной кислоты [C₆H₇O₂(OH)_3-x(ONO₂)_x]_n. В звеньях целлюлозы одна, две или три гидроксильные группы этерифицируются азотной кислотой (атом водорода гидроксильной группы замещается на группу -NO₂). Как следует из формулы, минимальная степень этерификации (замещения) х равна нулю (исходная целлюлоза), а максимальная - трем (тринитроцеллюлоза).

Если степень этерификации приблизительно равна двум [1], полученный продукт называется коллоксилин. Коллоксилин растворяется в смеси этилового спирта и диэтилового эфира (1 : 2.5), хотя в каждом из отдельно взятых растворителей он только набухает, но не растворяется. Коллоксилин также растворим в ацетоне.

В отличие от частично нитрованной целлюлозы - коллоксилина, тринитроцеллюлоза (пироксилин) нерастворима в смеси спирта и эфира.

Итак, для нитрования целлюлозы используют смесь азотной и серной кислот. Азотную кислоту лучше брать концентрации 70% и более, серную кислоту - концентрации 93-96%. Для приготовления нитрующей смеси берут 1 весовую часть азотной кислоты и 3 части серной кислоты (это примерно соответствует объемному соотношению серная кислота : азотная кислота 2 : 1). Кислоты предварительно охлаждают, и в серную кислоту небольшими порциями добавляют азотную, вещества перемешивают, смесь также охлаждают.

Приведенное соотношение является ориентировочным: если азотная кислота достаточно крепкая, количество серной кислоты уменьшают, если азотная кислота имеет более низкую концентрацию, это можно компенсировать прибавлением дополнительного количества концентрированной серной кислоты.

В стакан с нитрующей смесью небольшими порциями добавляют хлопковую вату. Хлопковая вата представляет собой почти чистую целлюлозу. Соотношение кислот и целлюлозы может быть от 30-50 : 1 до 100 : 1 (по массе). Практически в стакан можно добавлять вату до тех пор, пока его содержимое не будет представлять собой кашицу из ваты и нитрующей смеси. После этого стакан накрывают и ставят в прохладное место. Время нитрования составляет несколько часов (иногда - несколько десятков минут). Например, в практикуме А.А. Солонина Лабораторное приготовление взрывчатых веществ [ссылка] рекомендуется вести нитрование 4 часа в случае получения растворимой нитроцеллюлозы и 12 часов, если необходимо получить нерастворимую нитроцеллюлозу.

В нашем случае мы просто оставили вату в нитрующей смеси на ночь.

Весь процесс желательно проводить при охлаждении, иначе выход продукта уменьшится (за счет деструкции целлюлозы). Наличие в смеси избыточной воды ведет к гидролизу целлюлозы.

После завершения нитрования вату вынимают, хорошо промывают в проточной воде и сушат. По внешнему виду полученная нитроцеллюлоза мало отличается от исходной хлопковой ваты, но есть простой способ проверить, прошел ли процесс нитрования. Для этого берут небольшой кусочек нитрованной ваты и поджигают. Если реакция прошла нормально, вата вспыхнет и быстро сгорит желтым пламенем.

В случае если вата горит медленно (и после ее горения образуется много обуглившегося остатка), значит целлюлоза пронитровалась плохо (или практически не пронитровалась).

Если имеющаяся в лаборатории серная кислота имеет недостаточную концентрацию, ее необходимо упарить до появления густых белых паров [2].

_______________________________________________________________
¹ Другими словами, в каждом из звеньев глюкозы содержится две нитрогруппы (в среднем).

² Обязательно не забудьте охладить кислоту после упаривания.

<Огонь на ладони (горение нитроцеллюлозы) ч.2> <Горение целлюлозы и нитроцеллюлозы ч.3> <Огонь на ладони (горение нитроцеллюлозы) ч.4> <Разложение нитроцеллюлозы>

<Небо в стакане или опыты с жидким кислородом (№4 2012)> <Опыты с жидким азотом (№4 2012)> <Опыты с фосфором (№4 2012)> <Хлористый азот (№3 2012)> <Перекись ацетона (№3 2011)> <Черный порох (№4 2011)> <Кумулятивный эффект (№5 2011)> <Нитроглицерин (№6 2011)> <Огонь от капли воды (№1 2012)> <Огонь на ладони (№1 2012)>
<Пироксилин> [Отправить сообщение об ошибке]