Формирование основных понятий о высокомолекулярных веществах в курсе средней школы с экологической составляющей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

«Формирование основных понятий о ВМС в курсе средней школы с экологической составляющей»

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание

Глава 1. МЕСТО СИНТЕТИЧЕСКИХ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЕЩЕСТВ И ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ИХ ОСНОВЕ В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ХИМИИ

1.1 Историческая справка

1.2 Синтетические высокомолекулярные вещества и полимерные материалы на их основе в школьных программах по химии

1.2.1 Понятие о высокомолекулярных соединениях

1.2.2 Синтетические каучуки

1.2.3 Синтетические волокна

Глава II. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМАТИКА, СВЯЗАННАЯ С СИНТЕТИЧЕСКИМИ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ И ПОЛИМЕРНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ НА ИХ ОСНОВЕ

2.1 Полимеры в решении сырьевой проблемы

2.2 Поливинилхлорид и материалы на его основе

2.3 Пенополистирол в строительстве - это опасно или нет?

2.4 Разрушающиеся пластмассы. Биополимеры Фоторазрушение

Синтетические биоразрушаемые пластики. Растворимые пластики

2.5 Разложение или повторное использование отходов?

Глава 3. ИЗУЧЕНИЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЕЩЕСТВ НА УРОКЕ ПО ХИМИИ В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ

3.1 План урока. Ход урока

3.2 Задачи

3.3 Тесты

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Человеческое общество по мере своего развития входит во все большую зависимость от сырьевых ресурсов окружающей среды. Масштабы потребления некоторых веществ минерального происхождения уже приближаются, а в будущем могут превысить естественные возможности природы.

Совершенно новые перспективы в планете создания материалов с заданными свойствами открывает химия полимеров. В настоящее время трудно найти отрасль народного хозяйства, где бы ни применялись полимеры; из которых получены материалы с малой плотностью, высокой прочностью, устойчивостью к агрессивным средам, простотой переработки в изделия и т. д.

Основную массу используемых полимеров (около 2/3) составляют полученные более полувека назад полиэтилен, полипропилен, полистирол. Области использования этих полимеров весьма разнообразны - машиностроение, электротехника, транспорт, медицина, строительство и т. д.

С применением полимеров в значительной степени связан прогресс в строительной практике и архитектуре. Внедрение новых полимерных строительных материалов способствует разработке эффективных конструкций, развитию индустриальных методов их производства, созданию красивых, прочных и экономичных зданий.

Актуальность состоит в том, что важной экологической проблемой, связанной с внедрением полимерных материалов, является скопление твердых отходов, среди которых значительную часть составляют полимерные пластмассы, обладающие чрезвычайно высокой устойчивостью.

Материал этой курсовой соответствует трем уровням знаний. Прежде всего, вы получите общую информацию о синтетических высокомолекулярных веществах и процессах полимеризации и поликонденсации. Далее, вы подробно узнаете о некоторых направлениях развития химии полимеров, об их применении в современном мире и о том, какое значение они могут иметь в будущем. И, наконец, общей для всей работы будет очень важная тема: «Изучение синтетических высокомолекулярных веществ в учебно-воспитательном процессе средней школы».

Целью моей работы является освещение основных наиболее остро стоящих во всем мире экологических проблем, связанных с высокомолекулярными соединениями, и возможные пути их решения.

Задачи:

1.   Обзор состояния данного вопроса в современной российской школе.

2.   Анализ школьных программ и учебников, а также другой литературы, показывающих как высокомолекулярные соединения изучаются в средней школе.

3.   Составить план урока, на котором была бы успешно проведена экологизация знаний.

Глава 1. МЕСТО СИНТЕТИЧЕСКИХ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЕЩЕСТВ И ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ИХ ОСНОВЕ В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ХИМИИ   1.1 Историческая справка

Термин “полимеризация” был введен в науку И.Берцелиусом в 1833 г. для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Такое содержание термина не соответствует современным представлениям о полимерах. “Истинные” полимеры к тому времени еще не были известны.

Химия полимеров возникла в связи с созданием А.М.Бутлеровым теории химического строения. А.М.Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. Дальнейшее свое развитие наука о полимерах получила главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука.

С начала 20-х годов 20 века развиваются также теоретические представления о строении полимеров.

Вначале предполагалось, что такие биополимеры, как целлюлоза, крахмал, каучук, белки, а также некоторые синтетические полимеры, сходные с ними по свойствам (например, полиизопрен), состоят из малых молекул, обладающих необычной способностью ассоциировать в растворе в комплексы коллоидной природы благодаря нековалентным связям (теория “малых блоков”).

Автором принципиально нового представления о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы, был Г. Штаудингер.

1.2 Синтетические высокомолекулярные вещества и полимерные материалы на их основе в школьных программах по химии

В программе школьного курса химии на изучении «Cинтетические высокомолекулярные вещества и полимерные материалы на их основе» отводиться 5 часов; эта тема разбита на следующие подразделы: Общие понятия химии высокомолекулярных соединений: мономер, полимер, структурное звено, степень полимеризации, средняя молекулярная масса. Основные методы синтеза высокомолекулярных соединений - полимеризация и поликонденсация.

Линейная, разветвленная и пространственная структура полимеров. Аморфное и кристаллическое строение.

Зависимость свойств полимеров от строения. Термопластичные и термореактивные полимеры. Полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиметилметакрилат.

Фенолформальдегидные смолы, их строение, свойства, применение. Композиты, особенности их свойств, перспективы использования. Проблема синтеза каучука и ее решение.

Многообразие видов синтетических каучуков, их специфические свойства, применение. Стереорегулярные каучуки. Синтетические волокна.

Полиэфирное (лавсан) и полиамидное (капрон) волокна, их строение, свойства, практическое использование. Экологические аспекты данной темы в школьной литературе изложены очень поверхностно или не изложены вовсе.

В школьных учебниках «Химия. 10 класс»/Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман, «Химия. 11 класс»/Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман и Пособие по химии для поступающих в вузы/ Г. П. Хомченко, на эту тему выделено три основных параграфа: § 1.Понятие о высокомолекулярных соединениях, § 2. Синтетические каучуки, § 3. Синтетические волокна, и мы будем рассматривать каждый параграф более подробно.

1.2.1 Понятие о высокомолекулярных соединениях

Полимеры, получаемые в реакциях полимеризации.

Строение молекул. Полимеризация – это последовательное соединение одинаковых молекул в более крупные [1, 3].

При повышенной температуре и давлении или в присутствии катализаторов молекулы этилена соединяются друг с другом вследствие разрыва двойной связи. В упрощенном виде такую реакцию можно выразить так [2]:

Полимеризация характерна для многих органических веществ, в молекулах которых имеются двойные или тройные связи, например:

В результате таких реакций образуются высокомолекулярные соединения, которые называются полимерами (греч. «поли»- много, «мерос»- часть). Вещества, из которых получают полимеры, называются мономерами, а молекулы полимеров – макромолекулами (греч. «макрос»- большой, длинный).

Буква n показывает, сколько молекул мономера взаимно соединилось в процессе полимеризации; её называют степенью полимеризации, а многократно повторяющиеся в макромолекуле группы атомов – структурными звеньями. Например, структурные звенья полиэтилена и полипропилена такие:

 и

Характерно, что степень полимеризации не является величиной постоянной. Так, при полимеризации этилена могут образоваться макромолекулы, у которых число n колеблется от 300 до 100 000. Поэтому обычно указываемая для данного полимера относительная молекулярная масса является его средней молекулярной массой.

Рассмотрим два представителя полимеров – полиэтилен и полипропилен. Они относятся к так называемым линейным полимером, хотя фактически имеют зигзагообразное строение. Их молекулы сильно изогнуты в различных направлениях , иногда даже свернуты в клубки.

В процессе полимеризации, например, пропилена, может образоваться полимер со стереонерегулярной структурой:

Стереонерегулярной эта структура называется потому, что радикалы –CH₃ в ней размещены хаотически – по одну и другую стороны цепи. Обычно в процессе полимеризации образуются полимеры со стереонерегулярной структурой [1].

Получение. Еще недавно полиэтилен ( — CH₂ — CH₂ — )_n получали под высоким давлением при повышенной температуре. Реализация такого производственного процесса была весьма сложной. В последнее время полимеризацию проводят при атмосферном давлении и комнатной температуре в присутствии триэтилалюминия и хлорида титана.

Синтезированный таким путем полиэтилен плавится при более высокой температуре и обладает большей механической прочностью, так как имеет большую молекулярную массу и меньше ответвлений. Подобным образом получают полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиметилметакрилат и некоторые другие полимеры.

Физические свойства. Полиэтилен значительно легче воды, его плотность примерно 0,92 г/см³. Он эластичен, в тонком слое бесцветный, прозрачный, на ощупь несколько жирный, напоминающий парафин. Если кусочек полиэтилена нагреть, то уже при температуре 110 °С он становится мягким и легко изменяет форму, но при очень сильном нагревании полиэтилен разлагается. При охлаждении полиэтилен затвердевает и сохраняет приданную ему форму.

Свойство тел изменить форму в нагретом состоянии и сохранять её после охлаждения называют термопастичностью.

Полипропилен отличается от полиэтилена более высокой температурой плавления (плавится при температуре 160 – 180°С) и большей механической прочностью.

Химические свойства. Полиэтилен и полипропилен обладают свойствами предельных углеводородов. При обычных условиях эти полимеры не реагируют ни с серной кислотой, ни со щелочами. (Концентрированная азотная кислота разрушает полиэтилен, особенно при нагревании.) Они не обесцвечивают бромную воду и раствор перманганата калия даже при нагревании.

Применения. Полиэтилен и полипропилен химически устойчивы, механически прочны, поэтому их широко применяют при изготовлении оборудования в различных отраслях промышленности (аппараты, трубы, сосуды и т. д.). Они обладают высокими электроизоляционными свойствами. Полиэтилен и полипропилен в тонком слое хорошо пропускают ультрафиолетовые лучи. Пленки из этих материалов используются вместо стекла в парниках и теплицах. Их применяют также для упаковки разных продуктов [1] .

Но у Хомченко [3] то, что изложено про многие синтетические высокомолекулярные вещества, отличается от [1], и мы рассмотрим некоторые эти вещества:

Поливинилхлорид- продукт полимеризации хлористого винила CH₂=CHCl. Этот полимер обладает ценными свойствами: он не горюч, легко окрашивается. Широко применяется для изоляции проводов и кабелей.

Тефлон - продукт полимеризации тетрафторэтилена CF₂=CF₂. Это самое инертное органическое вещество, обладает высокой морозо- и теплоустойчивостью. [3]

Полимеры, получаемые в реакциях поликонденсации.

Строение молекул. Реакция поликонденсации – процесс образования высокомолекулярных соединений из низкомолекулярных, которые сопровождается выделением простых низкомолекулярных продуктов (H₂O, NH₃, HCl и др.) [3, 5]. Рассмотрим, как при реакции поликонденсации образуются фенолформальдегидные смолы. Известно, что в молекуле фенола в положениях 2, 4 и 6 атомы водорода весьма подвижны, а для альдегидов характерны реакции присоединения, обусловленные наличием в них p-связи. В связи с этим реакцию фенола с формальдегидом можно отразить так:

Это промежуточное соединение затем реагируют с другими молекулами фенола:

Далее образовавшийся продукт реагируют с другими молекулами метаналя, а затем – с молекулами фенола и т. д. В результате этих реакций получаются высокомолекулярное вещество – фенолформальдегидная смола и побочный продукт – вода.

При повышенной температуре и давлении между разветвленными молекулами полимера происходит химическое взаимодействие и образуется полимер с пространственной структурой. Такой материал теряет термопластичность и становится более прочными.

Полимеры, которые при повышенной температуре не размягчаются и не плавятся в отличие от термопластичных полимеров, называются термореактивными.

Применение. Из фенолформальдегидного полимера (смолы), добавляя различные наполнители (древесная мука, хлопчатобумажная ткань, стеклянное волокно, различные красители и т. д.), получают фенолформальдегидные пластмассы, которые сокращенно называют фенолпластами [1, 3] .

Еще в [3] изложено, что фенопласты- важнейшие заменители цветных и черных металлов во многих отраслях промышленности. Из них изготовляются большое количество изделий широкого потребления, электроизоляционные материалы и строительные детали [3] .

 

1.2.2 Синтетические каучуки

В России нет природных источников получения натурального каучука, поэтому необходимо было получить его синтетическим путем [2].

Под руководством академика С. В. Лебедева впервые в мире был разработан метод промышленного производства синтетического каучука из 1,3-бутадиена (1932 г.). Его получали из этилового спирта. В настоящее время для получения синтетических каучуков в основном используются углеводороды, содержащиеся в нефтяных газах и продуктах переработки нефти.

Производство бутадиенового каучука основывается на полимеризации 1,3-бутадиена в присутствии катализатора:

где n может достигать нескольких тысяч.

Однако оказалось, что группы − CH₂ − в звеньях макромолекул в отличие от природного каучука расположены по разные стороны двойной связи, т. е. находятся в транс- положении:

Впоследствии на основе изучения пространственного строения природного каучука ученым удалось решать проблему синтеза не только дивинилового каучука, но и изопренового каучука стереорегулярного строения [1, 2, 3] .

Некоторые синтетические каучуки получают из различных мономеров в результате их совместимой полимеризации, называемой сополимеризацией. Так, например, при сополимеризации 1,3-бутадиена со стиролом синтезируют бутадиенстирольный каучук [1]:

Для улучшения качества натуральных и синтетических каучуков их превращают в резину. Резина - это вулканизированный каучук. Сущность вулканизации состоит в том, что атомы серы присоединяются к линейным молекулам каучука по месту двойных связей и как бы сшивают эти молекулы друг с другом. Резина прочнее каучука и более устойчива к изменению температуры [2, 3].