染料化学课后习题答案amp#46doc.docx
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染料化学课后习题答案amp#46doc
染料化学课后习题答案第一章一.何谓染料以及构成染料的条件是什么试述染料与颜料的异同点。
答染料是能将纤维或其他基质染成一定颜色的有色有机化合物。
成为染料
需要具备以下两个条件1可溶于水或者可在染色时转变成可溶状态对纤
维有一定的亲合力。
2能够使纤维着色且上染后具有一定的染色牢度。
染料与颜料的相同点都可以用于纤维或基质的着色
不同点染料主要用于纺织物的染色和印花它们大多可溶于水有的可在
染色时转变成可溶状态。
染料可直接或通过某些媒介物质与纤维发生物理的和化
学的结合而染着在纤维上。
染料主要的应用领域是各种纺织纤维的着色同时也
广泛地应用于塑料、橡胶、油墨、皮革、食品、造纸等工业。
颜料是不溶于水和一般有机溶剂的有机或无机有色化合物。
它们主要用于油
漆、油墨、橡胶、塑料以及合成纤维原液的着色也可用于纺织物的染色及印花。
颜料本身对纤维没有染着能力使用时是通过高分子粘合剂的作用将颜料的微
小颗粒粘着在纤维的表面或内部。
二试述染料和颜料的分类方法写出各类纺织纤维染色适用的染料按应用分
类。
答染料分类
1.按化学结构分类分为偶氮染料、蒽醌染料、芳甲烷染料、靛族染料、硫
化染料、酞菁染料、硝基和亚硝基染料此外还有其他结构类型的染料如甲川
和多甲川类染料、二苯乙烯类染料以及各种杂环类染料等。
2.按应用性能分为直接染料、酸性染料、阳离子染料、活性染料、不溶性
偶氮染料、分散染料、还原染料、硫化染料、缩聚染料、荧光增白剂此外还
有用于纺织品的氧化染料如苯胺黑、溶剂染料、丙纶染料以及用于食品的食
用色素等。
颜料分类
颜料可根据所含的化合物的类别来分类无机颜料可细分为氧化物、铬酸盐、
硫酸盐、碳酸盐、硅酸盐、硼酸盐、钼酸盐、磷酸盐、钒酸盐、铁氰酸盐、氢氧化物、硫化物、金属等。
有机颜料可按化合物的化学结构分为偶氮颜料、酞菁颜
料、蒽醌、靛族、喹吖啶酮等多环颜料、芳甲烷系颜料等。
从生产制造角度来分类可分为钛系颜料、铁系颜料、铬系颜料、橡胶用颜料、
陶瓷及搪瓷用颜料、医药化学品用颜料、美术颜料等等。
纺织纤维按其来源可以分为3类植物纤维动物纤维合成纤维对于植
物纤维如棉麻可用直接染料活性染料还原染料不溶性偶氮染料硫化
染料缩聚染料进行染色。
对于动物纤维如羊毛蚕丝可以用酸性染料中性
染料媒染染料活性染料进行着色。
合成纤维常见的有涤纶锦纶腈纶
涤纶可以用分散染料染色锦纶可以用酸性染料染色腈纶可以用阳离子染料染
色。
三按染料应用分类列表说明各类染料的结构和性质特点、染色对象、方法。
答如下表所示染料名称
结构性质特点染色对象及方法
直接染料直接染料是一类水溶性阴离子
染料。
染料分子中大多含有磺酸
基有的则具有羧基染料分子
与纤维素分子之间以范德华力
和氢键相结合。
直接染料主要用于纤维素纤维的染
色也可用于蚕丝、纸张、皮革的
染色。
染色时染料在染液中直接上
染纤维通过范德华力和氢键等吸
附于纤维上。
酸性染料
酸性染料是一类水溶性阴离子
染料。
染料分子中含磺酸基、羧
基等酸性基团通常以钠盐的形
式存在在酸性染浴中可以与蛋
白质纤维分子中的氨基以离子
键结合故称为酸性染料。
常用于蚕丝、羊毛和聚酰胺纤维以
及皮革染色。
酸性染料通过自身
亲和力上染纤维并以离子键与纤
维结合酸性媒染染料其染色条
件和酸性染料相似但需要通过某
些金属盐的作用在纤维上形成螯
合物才能获得良好的耐洗性能酸
性含媒染料有一些酸性染料的分
子中具有螯合金属离子水解倾向
小染色牢度好。
阳离子染料阳离子染料可溶于水呈阳离子
状态早期的染料分子中具有氨
基等碱性基团常以酸盐形式存
在。
主要用于聚丙烯腈纤维的染色染
色时能与蚕丝等蛋白质纤维分子中
的羧基负离子以盐键形式相结合。
活性染料活性染料又称为反应性染料。
这
类染料分子结构中含有活性基
团染色时能够与纤维分子中的
活性染料主要用于纤维素纤维纺织
物的染色和印花也能用于羊毛和
锦纶纤维的染色。
染料通过自身亲羟基、氨基发生共价结合而牢固
地染着在纤维上。
和力上染纤维之后在碱剂的作用
下通过共价键与纤维牢固结合。
不溶性偶氮染料这类染料在染色过程中由重氮
组分色基和偶合组分色酚
直接在纤维上反应生成不溶性
色淀而染着这种染料称为不溶
性偶氮染料。
这类染料主要用于纤维素纤维的染
色和印花。
色基先重氮化然后通
过亲和力上染到用色酚打底的纤维
织物然后偶合形成不溶性色淀而
牢固存在织物上。
分散染料分散染料是一类结构简单
水溶性极低在染浴中主要以微
小颗粒的分散体存在的非离子
染料。
分散染料的化学结构以偶
氮和蒽醌类为主也有杂环类分
散染料。
分散染料主要用于聚酯纤维的染色
和印花同时也可用于醋酯纤维以
及聚酰胺纤维的染色。
染色时必须
借助分散剂将染料均匀地分散在染
液中然后对各类合成纤维进行染
色。
还原染料还原染料大都属于多环芳香族
化合物其分子结构中不含有磺
酸基羧酸基等水溶性基团。
它
们的基本特征是在分子的共轭
双键系统中含有两个或两个以
上的羰基C
O因此可以
在保险粉的作用下使羰基还原
成羟基并在碱性水溶液中成为
可溶性的隐色体钠盐。
还原染料主要用于纤维素纤维的染
色。
染色时它们在含有还原剂(如
Na2S2O4连二亚硫酸
钠俗称保险
粉)的碱性溶液中被还原成水溶性
的隐色体钠盐后上染纤维再经氧
化后重新成为不溶性染料而固着在
纤维上。
硫化染料硫化染料是一类水不溶性染料
一般是由芳胺类或酚类化合物
与硫磺或多硫化钠混合加热制
得这个过程叫做硫化
硫化染料主要用于纤维素纤维
的染色。
染色时它们在硫化碱溶
液中被还原为可溶状态上染纤维
后经过氧化又成不溶状态固着在
纤维上。
缩聚染料缩聚染料是一类在上染过程中
或上染以后染料本身分子间或
与纤维以外的化合物能够发生
共价键结合从而增大分子的染
料。
缩聚染料分子中含有硫代硫
酸基—SSO3Na
它们在硫化
钠、多硫化钠等作用下能将亚
硫酸根从硫代硫酸基上脱落下
来并在染料分子间形成
—S—S—键使两个或两个以
上的染料分子结合成不溶状态
而固着在纤维上。
缩聚染料可溶于水它们在纤维
上能脱去水溶性基团而发生分子间
的缩聚反应成为相对分子质量较
大的不溶性染料而固着在纤维上。
目前此类染料主要用于纤维素纤
维的染色和印花也可用于维纶的
染色。
荧光增白剂
荧光增白剂可看作一类无色的
染料它们上染到纤维、纸张等
基质后可吸收紫外线发出蓝
不同类型的荧光增白剂可用于
各种纤维的增白处理。
它们直接处
理到织物上通过自身亲和力或交色光从而抵消织物上因黄光反
射量过多而造成的黄色感在视
觉上产生洁白、耀目的效果
联剂而固着在纤维上。
四试述现代染料工业的发展历程以及目前的发展前沿。
答略。
五何谓染料的商品化加工举例说明染料商品化加工的作用和重要性。
答原染料经过混合、研磨并加以一定数量的填充剂和助剂加工处理成商
品染料使染料达到标准化的过程称染料商品化加工。
染料商品化加工对稳定染
料成品的质量、提升染料的应用性能和产品质量至关重要。
对非水溶性染料如分散染料、还原染料要求能在水中迅速扩散成为均匀稳
定的胶体状悬浮液染料颗粒的平均粒径在1m10-6m左右。
因此在商品
化加工过程中加入扩散剂、分散剂和润湿剂等一起进行研磨达到所要求的分散
度后加工成液状或粉状产品最后进行标准化混合,从而达到直接应用于生产。
六.何谓染色牢度主要有哪些指标来评价染料的染色牢度
答习惯上将纺织物上的染料在服用或加工处理过程中经受各种因素的作
用而在不同程度上能保持其原来色泽的性能叫做染色牢度。
染料在纺织物上所受
外界因素作用的性质不同就有各种相应的染色牢度例如日晒、皂洗、气候、
氯漂、摩擦、汗渍、耐光、熨烫牢度以及毛织物上的耐缩绒和分散染料的升华牢
度等。
七.何谓功能染料试述功能染料在功能纺织品和生物医疗中的应用。
答功能性染料是一类具有特殊功能或应用性能的染料这种特殊功能指的
是染料用于着色用途以外的性能,通常都与近代高、新技术领域关联的光、电、
热、化学、生化等性质相关。
功能染料在功能纺织品中的应用
功能染料已经在纺织印染行业中进入实用阶段或已显示出其潜在的应用前
景。
目前主要应用和研究的有
(1).光变色染料和颜料具有光致变色即颜色随光照而变化性的染料或
颜料。
(2).荧光染料和颜料能在可见光范围强烈吸收和辐射出荧光的染料。
而荧
光颜料实质上是颗粒很细的荧光染料的树脂固溶体。
(3).红外线吸收染料和红外线伪装染料红外线吸收染料是指对红外线有较
强吸收的染料被用于太阳能转换和贮存红外线伪装染料或颜料指的是红
外线吸收特性和自然环境相似的一些具有特定颜色的染料可以伪装所染物体
使物体不易被红外线观察所发现主要用于军事装备和作战人员的伪装。
(4).热变色染料和颜料具有热敏变色性的染料和颜料已越来越多地用于纺
织品的染色和印花。
(5).湿敏涂料由钴盐制成的无机涂料。
(6).有色聚合物可用于塑料或纤维的原液中着色和纺织品的涂层和印花。
由于功能高分子染料耐高温性耐溶剂性和耐迁移性特别适用于纤维及其织物
的着色可提高被染物的耐摩擦性和耐洗涤性由于有色聚合物的耐迁移性能优
异安全性高可用于食品包装材料、玩具、医疗用品等的染色。
此外还应用
于皮革染色、彩色胶片和光盘等染色。
(7).远红外保温涂料由
具有很强的发射红外线的特性的无机陶瓷粉末以及
一些镁铝硅酸盐加工而成。
主要用于加工阳光蓄热保温织物。
此外通过涂料印
花或涂层加工还可赋予织物发射红外线的功能使织物具备良好的隔热性或保
温性。
功能染料在生物医疗中的应用
功能染料在生物医疗中的应用主要是通过物理作用或者化学反应将染料分
子引入生物大分子的主链或侧链上染料和底物在分子水平上的结合只要极少量
染料便可获得所需的颜色深度或者发出较强的荧光从而衍生出生物医学用色
素。
这类色素的种类有多种主要是荧光探针、DNA测序用荧光染料和光动力
学治疗用色素。
第二章一、何谓染料中料有哪些常用的中料它们主要通过哪几类反应来合成的
试写出下列中料的合成途径从芳烃开始
1OHNH2SO
3Na
NaO3S2.CHCH
SO3NaNaO3S
NO2O2N3.C
HC
C
N
N
CH3HO
4.OH
NH2NaO3S5.OH
NaO3S
NH26.O
O
NH2NH2
7.O
O
OH
OH8.O
O
NH
NH9.O
O
NH2
答由苯、甲苯、二甲苯、萘和蒽醌等基本原料开始要先经过一系列化学
反应把它们制成各种芳烃衍生物然后再进一步制成染料。
习惯上将这些还不
具有染料特性的芳烃衍生物叫做“染料中间体”简称“中间体”或“中料”。
合
成染料主要是由为数不多的几种芳烃苯、甲苯、二甲苯、萘和蒽醌等作为基
本原料而制得的。
常用的中间体有苯胺硝基苯卤代苯烷基苯苯酚萘
酚苯磺酸萘磺酸等。
合成染料中料的反应主要可归纳为三类反应其一是通
过亲电取代使芳环上的氢原子被NO2、Br、Cl、SO3Na、R等基团取代
的反应其二是芳环上已有取代基转变成另一种取代基的反应如氨化、羟基化
等其三是形成杂环或新的碳环的反应即成环缩合。
(1)OHNH2SO3Na
NaO3S
H2SO494%
SO3H2SO4SO3H
HO3S
SO3H
SO3H
HNO3HO3S
SO3H
SO3H
NO2Fe+HCl
HO3S
SO3H
SO3H
NH2
(1)50%NaOH
(2)H
(2)CHCH
SO3NaNaO3S
NO2O2N
CH3O2N
CH3H2SO4SO3CH3SO3Na
O2N
[O]
HNO3
3C
CH
C
N
N
CH3HO
Cl2FeCl3Cl
NH2NH2NHNH2CH3COCH2COCH2CH3
4
SO3H
SO3H
NH2SO3H
OH
(NH4)2SO3,NH3145℃
SO3H
NH2HO3S
SO3H
H2SO4SO3稀H2SO4NH2HO3S
SO3H
NH2HO3S
OH
125℃
58%NaOH
205℃
OH
(1)NaOH
(2)H
H2SO4,270℃
(5)
H2SO4SO3OH
SO3H
HO3S
SO3H
HO3S
NH2HO3SNH2OH
65NaOH
勃契勒
反应
SO3H
OH
(1)NaOH
(2)H,270℃(6)
O
O
H2SO4SO3HgSO4O
O
SO3H
SO3H
HCl
NaClO3O
O
Cl
Cl
NH4OH
O
O
NH2NH2
(7)O
O
H2SO4SO3O
O
SO3H
O
O
OH
OH
NaOH,NaClO3185℃
8O
O
NH
NH
O
O
OH
OH
[H]
Zn,HCl
OH
OH
OH
OH
H3BO3NH2
9O
O
NH2O
O
H2SO4SO3HgSO4O
O
SO3NH4OH
二.以氨基萘磺酸的合成为例说明萘的反应特点以及在萘环上引入羟基、氨基的
常用方法。
答萘的磺化随磺化条件特别是随温度的不同得到不同的磺化产物。
低温
<60℃磺化时由于位上的反应速率比β位高主要产物为取代物。
随着
温度的提高165℃和时间的推移位上的磺酸基会发生转位生成β-萘磺酸。
一萘环上引入羟基的方法有
1酸基碱熔反应萘磺酸在高温下300℃与氢氧化钠或氢氧化钾共熔时磺
酸基转变成羟基ONa
SO3HNaOH
270℃H+OH。
2羟基置换卤素反应Ar-Cl
2NaOH
Ar-ONaNaClH2O
HAr-OHNO2NO2Cl
NO2NO2ONa
NO2NO2OH
H
3羟基置换氨基反应NH2OH
1520H2SO4200℃
二在萘环上引入氨基的反应主要是硝基还原和氨解反应
1硝基的还原如
NO2SO3H
SO3H
NH2H2/Pt
或FeHCl。
2氨解反应如OH
NH2NH4HSO3NaOHNaHSO3NH3
三.以蒽醌中料的合成为例说明在蒽醌上引入羟基、氨基的常用方法。
答蒽醌上引入羟基的常用的方法是酸基碱熔法如O
O
SO3H
NaOH
2700C
O
O
ONa
H
+
O
O
OH蒽醌上引入氨基最常用的方法是氨解法如β-氨基蒽醌NH3H-TH-P
NH3Cat
H-TH-P
O
O
SO3H
O
O
Cl
O
O
NH2O
O
NH2
四.试述芳胺的重氮化反应机理及其影响反应的因素阐述各类芳胺的重氮化方
法及反应条件。
答1.重氮化反应机理色基和盐酸与亚硝酸钠的反应称为重氮化反应。
对
于重氮化反应本身来说溶液中具有一定的质子浓度是一个必要的条件,反应中
首先是盐酸与亚硝酸钠作用生成亚硝酸在酸性介质中亚硝酸与酸反应生成亚硝
化试剂反应如下
NaNO2+HClHNO2+NaCl
HNO2+H+H2NO2
+H2NO2
++Cl-H2O+NOCl
H2NO2
++NO2-N2O3+H2O,
其中亚硝酸阳离子,亚硝酰氯,亚硝酸酐都是亚硝化试剂.色基的重氮化反应是以
亚硝化试剂作为进攻试剂的亲电反应,色基在盐酸的作用下生成色基的盐酸盐而
溶于水,由于色基的盐酸盐的氨基氮上带正电荷,具有强的亲电能力的亚硝化试
剂不能进攻,所以只有解析出游离胺才能使重氮化反应正常进行.重氮化反应如
下:
Ar-NH2N-亚硝化ArNH2NOHArNHNO
ArNNOH
ArNNHH2O
迅速
迅速
迅速
在稀酸[H]<0.5M条件下重氮化反应的各种反应历程按现有的研究结
果可归纳如下式式中X代表Cl或Br。
HNO2H2ONO
H+XNO
XN2O3NO2
ArNH2ArNH2ArNH2
ArNH2NO
HArNHNO
ArNNOH
ArNN
HH2O
迅速
迅速
迅速
ArNN2.重氮化反应影响因素
(1)酸的用量和浓度
要使反应顺利进行酸必须过量。
酸的用量取决于芳伯胺的碱性碱性越弱
过量越多。
酸的浓度影响下列反应
Ar-NH2
+H3
+O
Ar-NH3+H2O
HNO2+H2O
H3O+NO2
一般说无机酸浓度低时后一影响是主要的浓度升高反应速率增加随着浓
度的进一步增加前一影响逐渐成为主要因素浓度越高反应速率反而降低。
2亚硝酸的用量
重氮化反应进行时自始至终必须保持亚硝酸稍过量否则也会引起自我偶
合反应。
3反应温度
重氮化反应一般在0~5℃进行较高温度会加速重氮盐和亚硝酸的分解。
4芳胺的碱性
当酸的浓度很低时芳胺的碱性对N-亚硝化的影响是主要的,这时芳胺的碱
性越强反应速率越快。
在酸的浓度较高时铵盐的水解难易游离胺的浓度是
主要影响因素这时碱性较弱的芳伯胺的重氮化速率快。
3.各类芳胺的重氮化方法及反应条件
根据芳胺不同性质可以确定它们的重氮化条件如重氮化试剂即选用的无机酸反应温度酸的浓度和用量以及反应时的加料顺序。
1碱性较强的一元胺与二元胺
如苯胺、甲苯胺、甲氧基苯胺、二甲苯胺及-萘胺、联甲氧基苯胺等这些
芳胺的特征是碱性较强分子中不含有吸电子基容易和无机酸生成稳定的铵盐
铵盐较难水解重氮化时酸量不宜过量过多否则溶液中游离芳胺存在量太少
影响反应速率。
重氮化时一般先将芳胺溶于稀酸中然后在冷却的条件下加
入亚硝酸钠溶液即顺法。
2碱性较弱的芳胺
如硝基甲苯胺硝基苯胺多氯苯胺等这些芳胺分子中含有吸电子取代基
碱性较弱难以和稀酸成盐生成铵盐。
在水中也很容易水解生成游离芳胺。
因
此它们的重氮化反应速率比碱性较强的芳胺快所以必须用较浓的酸加热使芳胺
溶解然后冷却析出芳胺沉淀并且要迅速加入亚硝酸溶液以保持亚硝酸在反应
中过量否则偶合活泼性很高的对硝基苯胺重氮液容易和溶液中游离的对硝基
苯胺自偶合生成黄色的重氮胺基化合物沉淀。
3弱碱性芳胺
若芳胺的碱性降低到即使用很浓的酸也不能溶解时它们的重氮化就要用亚
硝酸钠和浓硫酸为重氮化试剂。
在浓硫酸或冰醋酸中这些芳胺的铵盐很不稳定
并且很容易水解在浓硫酸中仍有游离胺存在故可重氮化。
对铵盐溶解度极小
的芳胺形成钠盐也可采用反式重氮化即等分子量的芳胺和亚硝酸钠混合
后加入到盐酸硫酸和冰的混合物中进行重氮化。
4氨基偶氮化合物
氨基偶氮化合物如NN
HO3S
NH2NN
NH2HO3S
在酸性介质中迅速达成如下平衡NN
HO3S
NH2HO3S
NHN
NH
偶氮苯
醌腙体生成的醌腙体难溶于水不能进行重氮化反应。
为了防止醌腙体的盐生成
当偶氮染料生成后加碱溶解然后盐析使之全部成为偶氮体的钠盐析出沉
淀过滤。
加入亚硝酸钠溶液迅速倒入盐酸和冰水的混合物中可使重氮反应进
行到底。
5邻-氨基苯酚类
在常规的条件下重氮化时很容易被亚硝酸所氧化因此它的重氮化是在醋
酸中进行的醋酸是弱酸与亚硝酸钠作用缓慢放出亚硝酸并立即与此类化合
物作用可避免发生氧化作用。
NH2OH
SO3H
NaNO2CH3COOH
NN
O
SO3H
五.试述重氮盐的偶合反应机理及其影响反应的因素阐述各类偶合组分的偶合
反应条件。
答偶合反应条件对反应过程影响的各种研究结果表明偶合反应是一个芳
环亲电取代反应。
在反应过程中第一步是重氮盐阳离子和偶合组分结合形成一
个中间产物第二步是这个中间产物释放质子给质子接受体生成偶氮化合物。
ArNN
NH2
ArNN
H
NH2ArNN
H
NH2ArNNNH2HB
B
影响偶合反应的因素
1重氮盐
偶合是芳香族亲电取代反应。
重氮盐芳核上有吸电子取代基存在时加强了
重氮盐的亲电子性偶合活泼性高反之芳核上有给电子取代基存在时减弱
了重氮盐的亲电子性偶合活泼性低。
2偶合组分的性质
偶合组分芳环上取代基的性质对偶合活泼性具有显著的影响。
在芳环上引入供电子取代基增加芳环上的电子云密度可使偶合反应容易进行如酚、芳
胺上的羟基、氨基是给电子取代基。
重氮盐常向电子密度较高的取代基的邻对位
碳原子上进攻当酚及芳环上有吸电子取代基Cl、COOH和SO3H等存在
时偶合反应不易进行一般需用偶合活泼性较强的重氮盐进行偶合。
3偶合介质的pH值
对酚类偶合组分随着介质pH值增加ArOH
ArOH
有利于生成偶合组分的活泼形式酚负氧离子偶合速率迅速增大pH增加至9
左右时偶合速率达到最大值。
当pH值大于10后继续增加pH值重氮盐会
转变成无偶合能力的反式重氮酸钠盐Ar
NN
ONa。
由此降低了偶合反应速率。
因此重氮盐与酚类的偶合反应通常在弱碱性介质中pH910进行。
芳胺在强酸性介质中氨基变成NH3正离子降低了芳环上的电子云密度而
不利于重氮盐的进攻。
NH3ArNH2H
Ar
HOH
随着介质pH值的升高增加了游离胺浓度偶合速率增大。
当pH5左右
时介质中已有足够的游离胺浓度与重氮盐进行偶合这时偶合速率和pH值关
系不大出现一平坦区域待pH=9以上偶合速率降低是由于活泼的重氮
盐转变为不活
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