1. Polyakrylaatti koostuu usein akryylihaposta, tai sen johdannaisista. Aluksi voidaan tarkastella akryylihapon rakennetta mallintamalla se.

Transkriptio

1 MALLINNUS Lukiolaisten kanssa voidaan myös tutustua superabsorbenttien rakenteeseen molekyylimallinnuksen avulla. Alla on ohjeet Spartan-ohjelmalle. Mallinnuksen tarkoituksena on esittää miten polyakrylaatti voidaan rakentaa ja miltä kahden natriumpolyakrylaattiketjun väliset ristisidokset voisivat näyttää. Myös vuorovaikutus vesimolekyylien kanssa saadaan näkyville. MALLINNUKSEN VAIHEET Yksittäisen polymeerin mallintaminen 1. Polyakrylaatti koostuu usein akryylihaposta, tai sen johdannaisista. Aluksi voidaan tarkastella akryylihapon rakennetta mallintamalla se. Kuva 1. Akryylihapon molekyylimalli. Huomaa kaksoissidokset. 2. Polyakrylaatin muodostuessa akrylaattihapon kahden hiiliatomin välinen kaksoissidos katkeaa ja hiiliatomit sitoutuvat toisiin akryylihappoihin, joiden sidokset ovat katkenneet samalla tapaa. Näin syntyy pitkä hiiliketju, josta eroaa sivuhaaroina karboksyyliryhmiä.

2 Kuva 3. Viiden yksikön mittainen akrylaattipolymeeri. Mustalla ympyröity osa on polymeerin perusosa. Jokin punaisella ympyröidyistä vetyatomeista voitaisiin korvata uudella perusosalla. Yllä olevassa kuvassa on viisi ketjuuntunutta akrylaattia. Ketjusta tulee rakennustavasta riippuen joko sykkyräinen tai suoraviivainen. Polymeeriketjun rakentamisessa kannattaa olla huolellinen, jotta ketju muodostuu oikein. Esimerkiksi kuvassa mustalla ympyröidyn osan voisi liittää molekyylin vasempaan päähän siten, että punaisella ympyröidyt sidokset yhtyisivät. HUOM. Ketjun kasvaessa se ei näy enää kokonaan ikkunaan. Kuvaa saa kuitenkin lähennettyä tai loitonnettua painamalla shift-näppäin ja hiiren oikea nappi samanaikaisesti pohjaan, ja liikuttamalla hiiren kursoria ylös tai alas. Jos ketjua rakennettaessa atomit menevät päällekkäin, voi rakennetta optimoida Spartanin Minimize-painikkeesta (E, jonka päällä on nuoli). 3. Polymeeriketjusta kannattaa tehdä ainakin kolmenkymmenen akrylaattiyksikön mittainen. Tätä nopeuttaa mahdollisuus kopioida rakennepätkä ja liittää se osaksi molekyyliä. Esimerkiksi viiden yksikön mittainen ketju voidaan kopioida mallinnustilassa (mallinnustilaan pääsee klikkaamalla isoa V-ikonia) klikkaamalla sitä hiirellä samalla kun alt-näppäin on painettuna. Valittu yksikkö kopioidaan painamalla ctrl + c (tai valitsemalla hiirellä edit copy). Kopioitu molekyylinpätkä löytyy nyt rakennusvalikosta (rakennustilaan pääsee klikkaamalla +-ikonia) organic-välilehdeltä kohdasta clipboard. Klikkaamalla clipboardia esikatseluikkunaan ilmestyy kopioitu molekyylinpätkä. Klikkaamalla esikatselukuvaa siinä oleva keltainen piste siirtyy sidoskohdasta toiseen. Tämä keltaisen pisteen merkitsemä sidos on se, josta kopioitu molekyyli liittyy kohtaan, jota klikkaat isolla ruudulla olevassasi molekyylissä.

3 Kuva 4. Kolmenkymmenen akryyliyksikön mittainen polymeeri. Kuvassa käytetään tubemallia. HUOM. Kun rakennat molekyylinpätkän, älä lisää vetyatomeita. Spartan lisää vetyatomit aina automaattisesti kun siirryt mallinnustilaan (iso V). Ketjun kasvaessa kannattaa muuttaa Spartanin käyttämä molekyylimalli selkeämpään muotoon. Model-valikosta löytyy useita vaihtoehtoja, esimerkiksi kuvassa 4 esitetty tubemalli. Superabsorbentin mallinntaminen Akrylaattipolymeeristä saadaan superabsorbentti, kun siihen lisätään natriumioneja ja polymeeriketjujen välisiä ristisidoksia (katso teroria kokeellisuusosasta). Ristisidosten tekeminen 4. Valitse natriumpolyakryylimolekyyli mallinnustilassa (V-ikoni) (paina alt-näppäin alas ja klikkaa molekyyliä hiirellä). Kopioi molekyyli (ctrl+c) ja siirry rakennustilaan. Nyt kokonainen polyakryylimolekyyli löytyy clipboard-osasta. Valitse kopioitu molekyyli, klikkaa oikeasta alareunasta löytyvää Insert-ikonia ja sen jälkeen klikkaa hiirellä rakennuspöytää aiemman molekyylin lähellä. Sinulla pitäisi olla nyt kaksi rinnakkaista polyakryylimolekyyliä.

4 Kuva 7. Kopioimalla luotu rinnakkainen akrylaattipolymeeri. Nyt molemmat molekyylit liikkuvat yhdessä manipuloidessasi niitä hiirellä. Jos haluat siirtää tai kääntää vain toista molekyyliä, siirry rakennustilaan (+-ikoni) ja valitse toinen molekyyleistä klikkaamalla sitä hiirellä. Voit manipuloida vain valittua molekyyliä pitämällä ctrl-näppäimen alhaalla samalla kun käytät hiirtä. 5. Kun olet lisännyt rinnakkaispolymeerin, voit luoda niiden välille ristisidoksia. Ristisidokset ovat lyhyitä molekyylejä, jotka yhdistävät kaksi polymeeriketjua. Käytetään ristisidoksena etyyliryhmää, joka liittyy polymeeriketjujen hydroksyyliryhmiin vedyn tilalle. Kuva 8. Toisen molekyylin hydroksyylihappeen lisätään etyyliryhmä (C 2 H 4 ), joka liitetään viereisen molekyylin hydroksyylihappeen.

5 Vetyatomit poistetaan valitsemalla ensin delete-ikoni (punainen tähti yläpalkissa) ja klikkaamalla haluttuja vetyjä. Mikäli vetyjä ei ole lisätty, voi etyyliryhmän lisätä suoraan. Seuraavaksi siirrytään rakennustilaan (+-ikoni) ja liitetään etyyliryhmä toiseen molekyyleistä. Kun halutut sidosryhmät on lisätty, saadaan ne yhdistettyä toiseen molekyyliin valitsemalla make bond -ikoni (kaksi keltaista palloa yhdistettynä keltaisella viivalla). Syntyvä sidos näyttää epäsuhtaiselta, mutta tilanne korjautuu kun molekyylien energiat minimoidaan. Molekyylien välille voi tehdä esimerkiksi neljä ristisidosta, jonka jälkeen minimoidaan energiat (iso E, jonka päällä nuoli). Nyt minimoinnissa voi kestää jo useita minuutteja, joten se kannattaa lopettaa (klikkaamalla hiirellä mihin tahansa ruudulla) esimerkiksi puolen minuutin kuluttua. Kuva 9. Kaksi polyakrylaattimolekyyliä sitoutuneena toisiinsa. Ristisidokset on ympyröity. Natriumionien lisääminen Ristisidokset estävät polyakryylimolekyylien suoristumisen veden vaikutuksesta, mikä saa ne imemään itseensä enemmän vettä. Jotta molekyylistä saadaan superabsorbantti, täytyy siihen lisätä vielä natriumioneja. Natriumionit sitoutuvat polyakrylaatin karboksyyliryhmään (syntyy -COONa). Kaikkiin karboksyyliryhmiin ei kuitenkaan tule natriumionia. 6. Kolmestakymmenestä akryyliryhmästä koostuvien polymeeriemme neljä karboksyyliryhmää osallistuu ristisidoksiin. Lisätään jäljellejäävistä noin puoleen natriumionit (molempiin molekyyleihin).

6 Natriumionit löytyy rakennusosan inorganic-välilehdeltä (oikea yläkulma). Valitaan ensin Na-ikoni, minkä jälkeen atomi-ikonien alapuolelta valitaan vielä yksi sidos (- -ikoni). Kuva 10. Natriumpolyakrylaattimolekyylit sitoutuneina toisiinsa. Kun natriumionit on liitetty molekyyleihin, kannattaa energia taas minimoida (nytkin alle minuutti riittää. Nyt on luotu malli superabsorbentin molekyylirakenteesta. Vesi tunkeutuu molekyylin väleihin polaarisuuden ja korkean natriumionikonsentraation vetämänä. Ristisidokset estävät molekyylejä avautumasta ja liukenemasta veteen. Haluttaessa molekyylejä voidaan rakentaa vielä lisää kopioimalla saatu ketjuja. Myös alun perin voidaan rakentaa pidempiä ketjuja.

7 LÄHTEET Cambell I.M. (2000). Itroduction to Synthetic Polymers. Oxford: Oxford University Press M 2 Absorbent Chemistry Inc. (2011). Super Absorbent Chemistry (luettu ) BASF Aktiengesellsaft Co. (2001). Superabsorbent Polymer Containing Odor Controlling Compounds and Methods of Making the Same. U.S.Patent No Super Absorbent Polymers, Teacher s Guide. (luettu ) Super Absorbent Polymers, Lab Book. (luettu )