Разработка школьного элективного курса "Полимеры вокруг нас"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМ. В.Г. БЕЛИНСКОГО

Факультет Кафедра

естественно-географический химии и биохимии

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

РАЗРАБОТКА ШКОЛЬНОГО ЭЛЕКТИВНОГО КУРСА «ПОЛИМЕРЫ ВОКРУГ НАС»

Студент _________________________________________Шаркова О. А.

 _{подпись}

Руководитель __________________________ к.х.н. доц. Кузнецова А. В.

 _{подпись}

К защите допустить. Протокол № ___ от «___»_______________2006 г.

Зав. кафедрой ___________________________ д.б.н. проф. Генгин М. Т.

 _{подпись}

Пенза 2006

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО ТЕМЕ «РАЗРАБОТКА ШКОЛЬНОГО ЭЛЕКТИВНОГО КУРСА «ПОЛИМЕРЫ ВОКРУГ НАС»» 4

I. 1. Возможные формы организации профильного обучения 6

I. 2. Классификация элективных курсов 12

I. 3. Психолого-педагогические требования к разработке элективных курсов 15

I. 4. Анализ школьных учебно-методических комплектов по теме «Полимеры» 18

ГЛАВА II. РАЗРАБОТКА ШКОЛЬНОГО ЭЛЕКТИВНОГО КУРСА «ПОЛИМЕРЫ ВОКРУГ НАС» 22

II. 1. Программа курса профильной ориентации для учащихся 9 класса в рамках предпрофильной подготовки по курсу «Полимеры вокруг нас» 22

II. 2. Тематическое планирование учебного материала курса «Полимеры вокруг нас» 25

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 61

ЛИТЕРАТУРА 62

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Тема нашей дипломной работы ««Разработка школьного элективного курса «Полимеры вокруг нас»». Данная тема заинтересовала тем, что на сегодняшний день осуществляется первый этап модернизации образования. В условиях обновления содержания образования основная школа переходит к профильному обучению. Создание элективных курсов является важнейшей частью обеспечения профильного обучения. Именно в этом и заключается актуальность нашего дипломного проектирования. Нашей задачей является создание элективного курса «Полимеры вокруг нас», соответствующего всем требованиям, предъявляемым к элективным курсам. Мы провели анализ школьных учебно-методических комплектов под редакцией разных авторов по теме «Полимеры» с учетом распределения учебных часов, предусмотренных программами авторов анализируемых учебно-методических комплектов и пришли к выводу о том, что большинством авторов на изучение данной темы отводится максимум 5 часов.

В нашей дипломной работе мы предлагаем программу элективного курса, тематическое планирование по данному курсу, школьную лекцию на тему «Волокна», конференцию на тему «Получение и применение наиболее важных синтетических и природных полимеров», практические работы, а также план проведенной нами экскурсии на фабрику игрушек.

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО ТЕМЕ «РАЗРАБОТКА ШКОЛЬНОГО ЭЛЕКТИВНОГО КУРСА «ПОЛИМЕРЫ ВОКРУГ НАС»

Сегодня в качестве основной задачи образования рассматривается улучшение качества образования. Предполагается, что такая модернизация сохранит общепризнанную фундаментальность советского образования и будет ориентирована не только на усвоение каждым обучающимся определенной суммы знаний, но и на развитие его личности, познавательных и созидательных способностей. Планируется, что этот процесс будет осуществляться в период до 2010 года.

В настоящее время осуществляется первый этап модернизации российского образования. На этом этапе завершается разработка федерального компонента государственного образовательного стандарта общего образования [12].

В условиях обновления содержания образования, увеличения числа различных видов общеобразовательных учреждений, мощных инновационных процессов в системе общего образования ведется работа по созданию научно – методических условий для организации предпрофильной подготовки в школе и введение профильного обучения на старшей ступени общего образования [13].

В соответствии с федеральной программой развития образования во всех регионах страны, начиная с 2006 – 2007 учебного года, начинается введение профильного обучения на старшей ступени общеобразовательной школы. Под профильным обучением понимается система специализированной подготовки старшеклассников, ориентированная на индивидуализацию обучения и социализацию обучающихся.

Профильное обучение начало складываться примерно с начала 90 – х годов, когда на смену единому типовому учебному плану пришел базисный план и каждой школе пришлось достраивать систему обучения, прежде всего на старшей ступени. Введение профильного обучения строилось на принципах добровольности, когда школы принимали соответствующее решение по мере их внутренней готовности. Специфика настоящего этапа состоит в масштабах перехода к профильному обучению и сейчас каждой школе предлагается ориентировочно к 2008 – 2010 годам ввести систему профильного обучения на старшей ступени [8].

Переход к профильному обучению преследует следующие основные цели:

- обеспечить углубленное изучение отдельных предметов программы полного общего образования;

- создать условия для существенной дифференциации содержания обучения старшеклассников с широкими и гибкими возможностями построения школьниками индивидуальных образовательных программ;

- способствовать установлению равного доступа к полноценному образованию разным категориям обучающихся в соответствии с их способностями, индивидуальными склонностями и потребностями;

- расширить возможности социализации учащихся, обеспечить преемственность между общим и профессиональным образованием, более эффективно подготовить выпускников школы к освоению программ высшего профессионального образования;[15]

В 2002 году принята концепция профильного обучения на старшей ступени общего образования. Данная концепция предусматривает ввести 5 профилей обучения на старшей ступени общего образования: естественно – математический (профильные предметы – математика, физика, химии, география, биология); социально – экономический (история, экономика, право, экономическая и социальная география, социология); гуманитарный (русский язык и литература, иностранный язык, история, обществознание, искусство); технологический (специализация – информационные технологии, агротехника, индустриальные технологии, технология сферы обслуживания, медицина, педагогика и т. п.); универсальный (общеобразовательный для непрофильных классов и школ). В федеральном базисном учебном плане предлагается вариант введения 10 профилей. Это физико – математический, естественно – научный, информационно – технологический, гуманитарный, филологический, социально – экономический, оборонно – технический, художественный, агро – технологический, индустриально – технологический [6].

Профильное обучение призвано обеспечить дифференциацию и индивидуализацию образования. Предполагается модернизировать структуру, содержание и организацию образовательного процесса таким образом, чтобы более полно учитывались интересы, склонности и способности учащегося, создавались условия для обучения старшеклассников в соответствии с их интересами и профессиональными намерениями в дальнейшем [5].

I. 1. Возможные формы организации профильного обучения

Предлагаемая концепция профильного обучения исходит из многообразия форм его реализации. Можно выделить несколько вариантов (моделей) организации профильного обучения.

1.  Модель внутришкольной профилизации. Общеобразовательное учреждение может быть однопрофильным (реализовывать только один избранный профиль) и многопрофильным (организовать несколько профилей обучения).

2.  Модель сетевой организации. В подобной модели профильное обучение учащихся конкретной школы осуществляется за счет целенаправленного и организованного привлечения образовательных ресурсов иных образовательных учреждений. Оно может строиться в двух основных вариантах: Первый вариант связан с объединением нескольких образовательных учреждений вокруг наиболее сильного образовательного учреждения, обладающего достаточным материальным и кадровым потенциалом, которое выполняет роль «ресурсного центра». В этом случае каждое образовательной учреждение данной группы обеспечивает преподавание в полном объеме базовых общеобразовательных предметов и ту часть профильного обучения (профильные предметы и элективные курсы), которое оно способно реализовать в рамках своих возможностей. Остальную профильную подготовку берет на себя «ресурсный центр». Второй вариант основан на кооперации общеобразовательного учреждения с учреждениями дополнительного, высшего, среднего и начального профессионального образования и привлечении дополнительных образовательных ресурсов. В этом случае учащемуся предоставляется право выбора получения профильного образования не только там, где он учится, но и в кооперированных с общеобразовательным учреждением образовательных структурах (дистанционные курсы, заочные школы, учреждения профессионального образования и др.)[10] .

Предложенный подход не исключает возможности существования и дальнейшего развития универсальных (непрофильных) школ и классов, не ориентированных на профильное обучение, и различного рода специализированных общеобразовательных учреждений (хореографические, музыкальные, художественные, спортивные школы, школы – интернаты при крупных ВУЗах и др.) [15].

В концепции профильного обучения на старшей ступени общего образования отмечается, что реализация идеи профилизации обучения на старшей ступени ставит выпускника основной ступени перед необходимостью совершения выбора – предварительного самоопределения в отношении профилирующего направления собственной деятельности.

Важность подготовки к ответственному выбору профиля обучения в старшей школе, которое предполагает большую вариативность и дифференциацию обучения на старшей ступени, определяет серьёзной значение предпрофильной подготовки в основной школе [5].

Предпрофильная подготовка – это система педагогической, психолого – педагогической, информационной и организационной деятельности, содействующая самоопределению учащихся старших классов основной школы относительно избираемых ими профилирующих направлений будущего обучения и широкой сферы последующей профессиональной деятельности (в том числе в отношении выбора профиля и конкретного места обучения на старшей степени школы или иных путей продолжения образования).

Курсы по выбору в рамках предпрофильной подготовки подразделяются на два основных вида: предметные и межпредметные (ориентационные). Необходимую направленность и перечень курсов школа определяет исходя из задач, которые решаются в рамках их реализации. Эти курсы рекомендуется организовывать в виде учебных модулей и делать их относительно краткосрочными (месяц, четверть).

Предметные курсы по выбору являются пропедевтическими по отношению к профильным курсам, они призваны помочь выпускнику основной школы сделать осознанный выбор профиля обучения.

Программы предметных курсов предполагают углубление отдельных тем базовых общеобразовательных программ, а также их расширение, то есть изучение тем, выходящих за их рамки. Аналогом таких курсов могут быть традиционные факультативы, которые дополняют базовую программу, не нарушая ее целостности. Программы факультативов могут быть модифицированы.

В процессе реализации предметных курсов по выбору решаются следующие задачи:

- реализация учеником интереса к выбранному предмету;

- уточнение готовности и способности осваивать предмет на повышенном уровне;

- создание условий для подготовки у экзаменам по выбору, то есть наиболее вероятным предметам будущего профилирования.

Школы могут использовать собственный творческий опыт для разработки программ курсов предметно – ориентированной направленности.

Межпредметные (ориентационные) курсы предполагают выход за рамки традиционных учебных предметов. Они знакомят школьников с комплексными проблемами и задачами, требующими синтеза знаний по ряду предметов, и способами разработки проблем в различных профессиональных сферах.

Задачами данных курсов являются:

- создание базы для ориентации учеников в мире современных профессий;

- ознакомление на практике со спецификой типичных видов деятельности, соответствующих наиболее распространенным профессиям;

- поддержание мотивации ученика к тому или иному профилю [11].

Информационная работа – это организованное знакомство учащихся IX классов с местными образовательными учреждениями (для возможного продолжения образования после окончания основной школы), изучение условий приема, особенностей организации образовательного процесса, образовательных программ, посещение дней открытых дверей и др.

К предпрофильной подготовке также относятся мероприятия по профильной ориентации и психолого-педагогической диагностике учащихся IX классов, их анкетирование, консультирование, организация «Пробы сил» и т. п. Целью профильной ориентации является оказание учащимся психолого – педагогической поддержки в проектировании продолжения обучения в профильных и непрофильных классах старшей ступени, учреждениях начального и среднего профессионального образования. Профильная ориентация способствует принятию школьниками решения о выборе направления дальнейшего обучения и созданию условий для повышения готовности подростков к социальному, профессиональному и культурному самоопределению в целом [14].

Целью профильной ориентации в основной и старшей школе можно считать формирование ориентационной (профориентационной) компетентности. Она рассматривается как результат оказания подростку педагогической, психологической и информационной поддержки необходимого уровня ориентированности в ситуации выбора по окончании основной или старшей школы, как способность к адекватному поведению этой «типичной ситуации». Профориентационная компетентность выражается в готовности школьника:

- испытывать потребность в выборе, в образовательной и профессиональной самоидентификации, в конструировании версий продолжения образования и профессионального самопродвижения;

- ставить и корректировать соответствующие им ближние и дальние цели, использовать внешние и внутренние ресурсы;

- приобретать опыт создания личностно – значимых образовательных продуктов;

- противостоять внешним манипулятивным воздействиям;

- владеть способами деятельности по обеспечению принятия решения о продолжении образования и профессиональном становлении в условиях изменяющегося общества и рынка труда;

- запрашивать необходимую помощь специалистов.

В основной школе профильная ориентация предусматривает оказание учащимся психолого-педагогической поддержки проектирования версий продолжения обучения в профильных и непрофильных классах (группах) старшей школы, учреждениях профессионального образования. Профильная ориентация способствует принятию ими решения о выборе направления дальнейшего обучения и созданию условий для повышения готовности подростков к социальному, профессиональному и культурному самоопределению в целом.

Подготовка учащегося к ситуациям выбора профиля обучения предусматривает этапы:

- пропедевтический (при завершении обучения в VIIIклассе или в начале IX класса) – выявление образовательного запроса учащихся;

- основной (в период обучения в IX классе) – моделирование видов образовательной деятельности, востребованных в профильной школе, и ситуации принятия решения в различных образовательных моментах;

- завершающий (при окончании IX класса) – оценка готовности школьника к принятию решения о выборе профиля обучения в старшей школе.

На пропедевтическом этапе профильной ориентации осуществляется общее знакомство с различными вариантами продолжения образования по окончании основной школы. Желательно, чтобы знакомство с возможностями профильного обучения в старшей школе было согласовано и с информацией о типах и уровнях профессионального образования по окончании IX и XI классов и профессионального становления на послешкольном этапе.

На основном этапе реализуется профильно-ориентационный курс, предусматривающий более содержательный диалог со школьниками о возможных путях продолжения образования по окончании основной и старшей школы, о путях достижения успеха в послешкольной жизни. Также в ходе изучения курса каждый учащийся при помощи преподавателя или педагога – психолога конкретизирует, какие приоритетные факторы влияют именно на его индивидуальный выбор по окончании основной школы.

 На заключительном этапе профильной ориентации предусматривается повторное использование диагностических материалов (или их отдельных элементов), которые применялись на пропедевтическом этапе, а также рефлексивное осмысление результатов изучения других элективных курсов предпрофильной подготовки. Иными словами, опыт изучения элективных курсов, выполнения проектных работ, прохождения социальных практик должен выполнять роль не только составления индивидуальной коллекции достижений, но и инструмента самоидентификации и самопрезентации в различных вариантах продолжения образования [14].

Профильное обучение предусматривает возможность для каждого учащегося обучаться по индивидуальному учебному плану, который строится на основе базисного плана и включает следующие основные блоки:

- базовые общеобразовательные предметы, являющиеся обязательными для всех учащихся во всех профилях обучения;

- профильные общеобразовательные предметы, включающие предметы повышенного уровня, определяющие направленность каждого конкретного профиля обучения, которые являются обязательными для учащихся, выбравших данный профиль (например, физика, химия, биология – профильные предметы в естественно – научном профиле);

- элективные курсы, обязательные курсы по выбору учащихся, определяемые профилем обучения. Они реализуются за счет времени, отводимого на компонент образовательного учреждения.

Содержание первых двух блоков учебных предметов определяется федеральным компонентом государственного стандарта общего образования и контролируется ЕГЭ [9].

Элективные курсы играют важную роль в системе профильного обучения на старшей ступени школы. В отличие от факультативных курсов, существующих в школе в настоящее время, элективные курсы в рамках профильного обучения обязательны. Количество элективных курсов в составе профиля должно быть избыточным по сравнению с курсами, которые обязаны выбрать учащиеся. По элективным курсам ЕГЭ не проводится. Примерное соотношение базовых общеобразовательных, профильных общеобразовательных предметов и элективных курсов определяется пропорцией 50:30:20.

Итак, создание элективных курсов – важнейшая часть обеспечения профильного обучения [6].

I. 2. Классификация элективных курсов

Можно выделить следующие типы элективных курсов по химии:

1. предметные курсы, цель которых – углубление и расширение содержания профильного общеобразовательного курса химии.

1. 1. курсы повышенного уровня, направленные на углубленное изучение всех разделов предмета «химия» и согласованные с основной программой как тематически, так и по времени.

1. 2. спецкурсы, в которых углубленно изучаются отдельные разделы профильного курса химии, входящие в обязательную программу данного предмета (например, «Строение и свойства органических соединении», «Химия полимеров», «Химическая технология»). Выбранная тема изучается более глубоко, чем эта же тема в рамках курсов повышенного уровня.

1. 3. спецкурсы, в которых углубленно изучаются отдельные разделы основного курса химии, не входящие в обязательную программу («Квантовая химия», «Химия плазмы», «Ядерная реакция», «Комплексные соединении»).

1. 4. прикладные элективные курсы, цель которых – ознакомление учащихся с важнейшими и методами применения знаний на практике, развитие интереса учащихся к современной технике и производству («Химия в сельском хозяйстве», «Химия в быту», «Химия в решении проблем окружающей среды»).

1. 5. элективные курсы, в которых изучаются химические методы познания природы («Методика и техника химического эксперимента», «Квантово – химическое моделирование», «Как делаются открытия», «Математические методы и модели в химии»).

1. 6. элективные курсы, посвященные истории химии («Современные проблемы химии», «История органической химии», «Нобелевские премии по химии»).

1. 7. элективные курсы, содержанием которых является составление и решение задач по химии («Решение олимпиадных задач по химии», «Экспериментальные задачи по химии», «Задачи по химии с практическим содержанием по химии»).

2. Межпредметные элективные курсы, обеспечивающие интеграцию знаний учащихся о природе и обществе («Алхимия как феномен культуры», «Устойчивое развитие и химия», «Экологическая химия», «Химия и здоровье», «Экономика химической промышленности», «Естественно – научная картина мира»).

3. Элективные курсы по предметам, не входящим в базисный учебный план, но поддерживающие их изучение, социализацию, профессиональное самоопределение учащихся (например, «Мир профессий», «Эффективное поведение в конфликте», «Информационная культура и сетевой этикет») [5].

Элективные курсы должны помочь в решении двух важнейших задач. Первая из них – создание условия для того, чтобы ученик утвердился в сделанном им выборе направления дальнейшего обучения, связанного с определенным видом профессиональной деятельности, или отказался от него.

Выбор пятнадцатилетним человеком жизненного пути и связанный с этим выбор профиля учения очень часто является не окончательным. Чаще всего в этом возрасте школьник точно знает то, что ему не нравится, чем он почти наверняка заниматься не будет. Ответить же на этот вопрос относительно того, чем, собственно, он хочет заниматься в жизни, он не может – он прости никогда не пробовал (не имел возможности) серьезно заняться гуманитарными науками или, например, лингвистикой. Одним словом, не было у ученика в учебном плане места для проб и ошибок. Этим местом могут и должны стать элективные курсы определенного вида. Этот вид элективных курсов называется «пробные».

Аналогом пробных элективных курсов можно считать ту часть прежних факультативов, программы которых были ориентированы на знакомство с видами деятельности, характерными для человека, работающего в той или иной образовательной области. Разница состоит лишь в том, что факультативы изучались не всеми и после уроков, а элективные курсы для всех и являются составной частью индивидуального плана ученика.

Вторая задача – помочь старшекласснику, совершившему первоначальный выбор образовательной области для более тщательного изучения, увидеть многообразие видов деятельности, связанных с ней.

Предположим, ученик утвердился во мнении, что он должен осваивать программу филологического класса. Но кем он будет – журналистом, литературным критиком или корректором, он пока не решил. Для подобного решения у него нет пока оснований, реального опыта для рефлексии. В решении этой проблемы также могут помочь элективные курсы определенного вида. Элективные курсы данного вида называются «ориентационными» [15].

I. 3. Психолого-педагогические требования к разработке элективных курсов

Требования к учебным изданиям для профильного обучения направлены на реализацию личностно ориентированного подхода к обучению и воспитанию, на создание условий для самообразования и творческой работы учащихся. Сформулируем основные требования, которыми следует руководствоваться при разработке элективных курсов.

В основу разработки курса должны быть положены принципы, соответствующие логике отбора и реализации содержания личностно ориентированного образования. Это:

1. систематизация, выделение «базового ядра» информации из той или иной области профессиональной деятельности, содержание которой подлежит дидактической трансформации;

2. целеполагание, создание целевого проекта;

3. трансформация содержания профессиональной деятельности в дидактические объекты;

4. проектирование технологии изучения курса;

5. инструментализация, оформление отобранного содержания и технологии его освоения в виде программ, учебных и методических изданий.

Место курса в образовательном процессе

При разработке содержания и учебно-методической системы элективного курса необходимо четко обозначить место курса в соотнесении с общеобразовательными и базовыми профильными предметами. Важно показать, какие Межпредметные связи реализуются при изучении элективного курса, какие общеучебные, профильные и специальные (химические) умения и навыки при этом развиваются, каким образом создаются условия для активизации познавательного интереса учащихся, профессионального самоопределения.

Цели и задачи изучения курса желательно формулировать в терминах, понятных и учителю, и учащимся. В целях указывается, для чего изучается курс, какие образовательные потребности от удовлетворяет. В соответствии с целями ставятся задачи изучения курса: что необходимо для достижения целей, над чем конкретно предстоит работать и учителю и учащимся при изучении курса.

Отбор содержания элективного курса должен осуществляться на основе как морфологического, так и функционального анализа. В ходе морфологического анализа выясняется взаимосвязь предметного содержания элективного курса и содержания базовых и профильных курсов с культуроведческой, компетентностной, научной и профессиональной точек зрения. Функциональный анализ определяет функции учебного содержания: описание изучаемых объектов, процессов и явлений, их качественное объяснение; осмысление, как на теоретическом, так и на уровне практического преобразования действительности.

Таким образом, при отборе содержания решаются следующие вопросы: какие факты, понятия, представления, идеи, принципы и ценности должны предлагаться для раскрытия и усвоения учебного предмета; какие умения и навыки, методы и виды деятельности, а также опыт их освоения будут сформированы; для каких химических профессий (прикладных областей химии) полезны формируемые умения и навыки; какие разделы и из каких школьных курсов должны быть освоены (как учащимися, так и учителем) предварительно, перед началом изучения элективного курса; в виде каких материалов реализуется содержание курса (учебное пособие, рабочая тетрадь для учащихся, методическое пособие для учителя, хрестоматия, электронные и мультимедийные пособия, Интернет – ресурсы и т. п.).

Методы и формы обучения должны определяться требованиями профилизации обучения, учета индивидуальных особенностей учащихся, развития и саморазвития личности. Ведущее место в профильном обучении следует отвести методам проблемного, практического и исследовательского характера, стимулирующим познавательную активность учащихся. Это дискуссии, эксперименты, учебные проекты, работа в творческих мастерских. Значительной должна быть доля самостоятельной работы с различными источниками учебной информации.

При определении форм организации учебных занятий следует исходить прежде всего из специфических целей курса. Поскольку, в принципе, не исключается изучение элективного курса даже одним учащимся, необходимо предусмотреть варианты изучения как в коллективных, так и в индивидуально – групповых формах. Важно предусмотреть использование таких методов и форм обучения, которые давали бы представление учащимся об условиях и процессах будущей профессиональной деятельности в соответствии с выбранным профилем обучения, т. е. в какой – то степени моделировать эти процессы.

Тематический план включает в себя основное содержание всех разделов и тем курса с распределением учебного времени. Отдельно выделяются практические и лабораторные работы, экскурсии, работа над учебными проектами и др.

Подбираются дополнительные обучающие материалы: литература для учителя и для учащихся (основная и дополнительная), электронные издания (компакт – диски, обучающие компьютерные программы), Интернет – ресурсы.

Важным элементом методического обеспечения элективного курса является определение ожидаемых результатов изучения курса, а также способов их диагностики и оценки. Ожидаемый результат изучения курса – это ответ на вопрос: какие знания, умения, опыт, необходимые для построения индивидуальной образовательной траектории в школе и последующей профессиональной деятельности, будут получены, какие виды деятельности будут освоены и какие ценности будут предложены для усвоения? Результаты должны быть значимы в первую очередь для самих учащихся, что необходимо для обеспечения привлекательности курса на этапе первоначального знакомства с ним и его выбора школьниками.

Не менее важно продумать систему контроля уровня достижений учащихся и критерии оценки. Необходимо разработать формы промежуточного контроля и итоговой зачетной работы по курсу [5].

I. 4. Анализ школьных учебно-методических комплектов по теме «Полимеры»

Тема «Полимеры» в учебниках Р. Г. Ивановой, Л. С. Гузея, О. С. Габриеляна рассматривается в 11 классе. Однако в учебнике О. С. Габриеляна этот материал представлен также в 9 классе и в 10 классе. Сразу следует отметить, что учебники Л. С. Гузея и О. С. Габриеляна многоуровневые и рассчитаны как базового уровня, так и для школ естественно – научного профиля.

В учебнике Р. Г. Ивановой (11 класс) [7] знакомство с основными понятиями темы «Полимеры» начинается с § 45 «Общие понятия о синтетических полимерах». Далее материал излагается следующим образом:

§ 46. «Синтез полимеров»

§ 47. «Пластмассы»

§ 48. «Синтетические волокна»

§ 49. «Синтетические каучуки»

По этому разделу предлагаются лабораторные опыты:

Опыт 10. «Изучение свойств полиэтилена»

Опыт 11. «Изучение свойств поливинилхлорида»

Опыт 12. «Изучение некоторых свойств капрона и лавсана»

Таким образом, на изучение данного материала в учебнике Р. Г. Ивановой отводится 17 страниц и предлагаются 3 лабораторные работы. Исходя из программы курса химии для 8 – 11 классов основной и средней (полной) общеобразовательной школы авторов Р. Г. Ивановой и др.следует, что на изучение темы «Полимеры» отводится 5 часов, с учетом того, что обучение химии в 11 классе по учебнику Р. Г. Ивановой рассчитано по 2 часа в неделю (всего 68 часов).

Учебник 11 класса Л. С. Гузей и др. [4] посвящен химии органических соединений. Тема «Полимеры» представлена в этой книге главой 42 «Высокомолекулярные вещества». Изучение данного материала построено следующим образом:

§ 42. 1. ВМС

§ 42. 2. Строение ВМС

§ 42. 3. Физические свойства ВМС

Практические занятия, предложенные по этому разделу:

Практическое занятие № 9. «Исследование свойств пластмасс»

Практическое занятие № 10. Исследование свойств синтетических волокон в сравнении с натуральными и искусственными»

Практическое занятие № 11. Распознавание пластмасс и волокон

Лабораторные опыты:

Опыт № 10. Ознакомление с природными и химическими волокнами

Опыт № 11: Изучение свойств термопластичных полимеров

В этом учебнике также природные полимеры как крахмал, гликоген и клетчатка (целлюлоза), а также биополимеры рассмотрены главой ранее, т. е. в главе 41 «Гетероциклические соединения». По этому разделу предлагается один лабораторный опыт:

Опыт № 9 «Взаимодействие крахмала с йодом, гидролиз крахмала».

На изучение данной темы в учебнике Л. С. Гузея для главы 41 отводится 12 страниц, а для главы 42 – 13 страниц; также предложены три лабораторных опыта и три практических работы.

Поскольку учебник Л. С. Гузея является двухуровневым, то и программа курса химии для 8 – 11 классов общеобразовательных учреждений предусматривает различное количество часов на изучение этих тем:

А. На тему «Гетероциклические соединения» отводится 6/8 часов;

Б. На тему «Высокомолекулярные вещества» 4/5 часов, с учетом того, что обучение в 11 классе по этому учебнику рассчитано на:

1. 2 часа в неделю (всего 70 часов) – базовый уровень;

2. 3 часа в неделю (всего 103 часа) – для углубленного изучения;

В учебниках О. С. Габриеляна [1] изучение темы «Полимеры» начинает освещаться в 9 классе в главе «Органические вещества» с §40 «Аминокислоты и белки». Далее в §41 «Углеводы» говорится о природных полимерах, крахмале и целлюлозе, и заканчивается изучение данной темы §42 «Полимеры».

Практические работы:

Практическая работа № 12 «Распознавание пластмасс»

Практическая работа № 13 «Распознавание волокон»

Итак, в учебнике О. С. Габриеляна на тему «Полимеры» отводится 15 страниц и предлагается две практические работы.

Программой курса химии для 9 класса автора О. С. Габриеляна на изучение главы «Органические вещества», в которую входит рассматриваемая нами тема «Полимеры», отводится 15 часов. Обучение рассчитано на 2 часа в неделю (всего 68 часов).

В учебнике 10 класса О. С. Габриеляна [2] тема «Полимеры» представлена главой третьей «Искусственные и синтетические органические вещества». Изучение построено следующим образом:

§21 «Искусственные полимеры»

§22 «Синтетические органические вещества»

Практическая работа № 2 «Распознавание пластмасс и волокон»

Весь учебный материал излагается на 12 страницах и закрепляется одной практической работой.

Программой курса химии для 10 класса автора О. С. Габриеляна на тему «Искусственные и синтетические органические вещества» отводится 4 часа. Обучение рассчитано на 2 часа в неделю (всего 68 часов).

В учебнике 11 класса О. С. Габриеляна [3] тема «Полимеры» представлена в главе «Строение вещества». §10 «Полимеры». По этому материалу предлагается практическая работа.

На изучение данной темы отводится 13 страниц и одна практическая работа.

Программой курса химии 11 класса авторов О.С. Габриеляна и других на изучение темы «Строение вещества», в которую входит и изучение полимеров отводится 11 часов. Обучение рассчитано на 2 часа в неделю (всего 68 часов).

Заканчивая, хотелось бы отметить, что распределение учебных часов на изучение темы «Полимеры» в программах разных авторов максимум 5 часов от общего времени. Некоторые практические и лабораторные работы очень похожи в разных учебниках, а порой и одинаковы, например у автора Л.С. Гузеля (11 класс) и О.С. Габриеляна (9, 10 класс). Таким образом, можно сделать вывод о том, что разработка элективного курса по данной теме является актуальной.

ГЛАВА II. РАЗРАБОТКА ШКОЛЬНОГО ЭЛЕКТИВНОГО КУРСА «ПОЛИМЕРЫ ВОКРУГ НАС»

 

II. 1. Программа курса профильной ориентации для учащихся 9 класса в рамках предпрофильной подготовки по курсу «Полимеры вокруг нас»

 

Пояснительная записка

Программа элективного курса «Полимеры вокруг нас» предназначена для предпрофильной подготовки учащихся 9 класса с ориентацией на химико – биологический профиль.

Объективная основа формирования фундаментального образовательного курса «Полимеры вокруг нас» заключается в том, что полимерное состояние – особая форма существования веществ, которая в основных физических и химических проявлениях качественно отличается от низкомолекулярных веществ. Поэтому главное внимание в курсе уделяется рассмотрению основных свойств высокомолекулярных соединений отличных от свойств низкомолекулярных веществ. С одной стороны, большие размеры и цепное строение макромолекул обуславливают появление ряда важных специфических свойств, которые определяют практическую ценность полимеров как материалов, а также их биологическое значение. С другой стороны, химические превращения и синтез полимеров осуществляется в результате ряда обычных химических реакций, хорошо известных из органической химии низкомолекулярных соединений. Однако участие в этих реакциях макромолекул, макрорадикалов, макроионов вносит качественно новые аспекты в рассмотрение обычных химических реакций.

Данный образовательный курс расширяет и углубляет базовый компонент химического образования, обеспечивает интеграцию информации химического и биологического характера. Он позволит полнее учесть интересы и профессиональные намерения старшеклассников, и, следовательно, сделать обучение более интересным для учащихся, получить более высокие результаты.

Основные цели элективного курса:

1.  Знакомство учащихся с основами науки о полимерах и ее важнейшими практическими приложениями.

2.  Оказание помощи в выборе профиля дальнейшего образования.

Задачи курса

1.  дать представление о полимерах, их строении, свойствах и применении;

2.  развивать специальные умения и навыки обращения с веществами, учить выполнять несложные исследования, соблюдая правила её безопасности;

3.  предоставить учащимся возможность реализовать интерес к химии и применить знания о высокомолекулярных веществах в повседневной жизни;

4.  развивать общеучебные умения учащихся: умения работать с научно – популярной и справочной литературой, сравнивать, выделять главное, обобщать, систематизировать материал, делать выводы;

5.  расширить кругозор учащихся;

Элективный курс рассчитан на 16 часов. Программой предусмотрено изучение теоретических вопросов, проведение практических работ, экскурсии.

Содержание курса

Введение (1 ч.)

Общие понятия о низкомолекулярных и высокомолекулярных соединениях (ВМС). Уникальные свойства полимеров. Природные и синтетические полимеры.

Тема 1. Строение полимеров (1 ч.)

Основные понятия: мономер, структурное звено, степень полимеризации, молекулярная масса. Классификация полимеров.

Тема 2. Синтез полимеров (2 ч.)

Реакция полимеризации. Радикальная полимеризация. Инициаторы. Механизм радикальной полимеризации. Ингибиторы и регуляторы радикальной полимеризации. Ионная полимеризация. Получение и свойства ПЭНД и ПЭВД. Реакция поликонденсации.

Тема 3. Физические свойства полимеров (2 ч.)

Кристаллические и аморфные области в полимере. Три физических состояния аморфных полимеров (стеклообразное, высокоэластичное и вязкотекучее). Механические свойства полимеров.

Тема 4. Волокна (1 ч.)

Природные, синтетические, искусственные волокна и их характеристика. Получение вискозного и ацетатного волокон. Производство капрона.

Тема 5. Пластмассы (2 ч.)

Понятие пластмасс. Термопласты. Реактопласты. Экскурсия на «Фабрику игрушек».

Лабораторный практикум (3 ч.)

Практическая работа 1. «Исследование свойств синтетических волокон в сравнении с натуральными и искусственными», практическая работа 2. «Исследование свойств пластмасс».

Конференция (2 ч.). Получение и применение наиболее важных синтетических и природных полимеров.

Тема 6. Биополимеры (1 ч.) Белки, полисахариды. Нуклеиновые кислоты.

Лабораторный практикум (1 ч.)

Практическая работа 3. «Взаимодействие крахмала с йодом. Гидролиз крахмала».

Зачетное занятие (1 ч.)

II. 2. Тематическое планирование учебного материала курса «Полимеры вокруг нас»

Занятие 1. Введение.

Общие понятия о низкомолекулярных и высокомолекулярных соединениях (ВМС). Уникальные свойства полимеров. Природные и синтетические полимеры.

Форма занятия: лекция.

Образовательный продукт: таблица «Природные, синтетические и искусственные полимеры»».

Занятие 2. Основные понятия: мономер, структурное звено, степень полимеризации, молекулярная масса. Классификация полимеров по строению макромолекулы, по геометрии скелета, по характеру расположения звеньев, по природе атомов основной цепи, по характеру размещения элементарных звеньев, по величине деформации, по способу переработки. ВМС в изделии.

Форма занятия: лекция.

Образовательный продукт: опорный конспект, схема «Классификация полимеров».

Занятие 3. Реакция полимеризации. Радикальная полимеризация. Фотохимическое инициирование. Кинетика и механизм радикальной полимеризации.

Форма занятия: лекция.

Образовательный продукт: опорный конспект.

Занятие 4. Ионная полимеризация. Получение и свойства ПЭНД И ПЭВД. Реакция поликонденсации.

Форма занятия: лекция, групповая работа.

Образовательный продукт: опорный конспект.

Занятие 5. Физические свойства. Кристаллические и аморфные области в полимере. Три физических состояния аморфных полимеров. Механические свойства полимеров.

Форма занятия: лекция

Образовательный продукт: опорный конспект, тезисы.

Занятие 7. Природные, синтетические, искусственные волокна и их характеристика. Получение вискозного и ацетатного волокон. Производство капрона.

Форма занятия: лекция.

Образовательный продукт: опорный конспект, таблица «Волокна».

Занятие 8. Понятие пластмасс. Термопласты. Реактопласты.

Форма занятия: экскурсия.

Образовательный продукт: отчёт об экскурсии.

Занятие 9. Практическая работа 1 «Исследование свойств синтетических волокон в сравнении с натуральными и искусственными».

Образовательный продукт: отчёт.

Занятие 10. Практическая работа 2 «Исследование свойств пластмасс».

Образовательный продукт: отчёт.

Занятие 11 - 12. Получение и применение наиболее важных синтетических и природных полимеров.

Форма занятия: конференция.

Образовательный продукт: доклад.

Введение.

В зависимости от величины относительной молекулярной массы выделяют 3 группы веществ:

1. Низкомолекулярные соединения (НМС).

2. Смолы.

3. Высокомолекулярные соединения (ВМС).

Если относительная молекулярная масса соединения ниже примерно 500, то такие соединения рассматривают как НМС. От 500 до примерно 5000 – как смолы или олигомеры., а выше 5000 – как ВМС или полимеры.

Полимерами называют вещества, молекулы которых состоят из весьма большого числа повторяющихся (точно или приближенно) звеньев.

Молекулы ВМС называют макромолекулами.

Естественно, границы между выше названными соединениями достаточно условны; физическим критерием отнесения соединения к ВМС является невозможность обнаружить изменение свойств в результате присоединения или потери еще одного или нескольких звеньев.

Существуют различия в свойствах НМС и ВМС. Макромолекулы ВМС являются нелетучими, в отличие от молекул НМС. Практически все полимеры имеют цепное строение, то есть длина макромолекулы много больше диаметра.

Уникальные свойства полимеров:

- анизотропия свойств кристаллических, жидко – кристаллических и аморфных полимеров (приводит к тому, что на практике полимеры способны образовывать волокна и пленки).

- очень высокая эластичность и вязкоупругость.

- растворы полимеров, в отличие от обычных при малых концентрациях вещества (1 – 2 %), теряют текучесть.

Все ВМС по происхождению делятся на:

1.  Природные

2.  Синтетические

3.  Искусственные

К природным полимерам относятся: целлюлоза, белки, крахмал, нуклеиновые кислоты, натуральный каучук, графит, силикаты.

К синтетическим полимерам относятся: полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, капрон, лавсан, каучуки, стекловолокно.

Синтетические полимеры получают при помощи реакций полимеризации и поликонденсации таких веществ, которых нет в природе.

К искусственным полимерам относятся: ацетилцеллюлоза, нитроцеллюлоза, резина.

Искусственные полимеры получают из природных полимеров, используя химические методы, которые не затрагивают (не меняют) главную цепь.

Тема 1. Строение полимеров

Низкомолекулярное вещество, из которого по реакциям полимеризации или поликонденсации получают полимеры, называют мономером. Например, мономером политетрафторэтилена (- CF₂ - CF₂ -)_n является тетрафторэтилен (CF₂ = CF₂).

Повторяющийся участок структуры молекулы полимера носит название структурного звена. Обычно в качестве такого звена выбирают фрагмент, соответствующий одной молекуле мономера. Например, в структуре политетрафторэтилена (- CF₂ - CF₂ -)_n в качестве структурного звена рассматривают группу - CF₂ - CF₂ -, а не - CF₂ -.

Среднее число структурных звеньев в молекуле полимера называется степенью полимеризации (поликонденсации). Это число может варьироваться в очень широких пределах – от тысяч до десятков миллионов. При этом следует всегда помнить, что речь идет именно о средней величине. В веществе – полимере имеются молекулы с разной молекулярной массой. К ним неприменим закон постоянства состава, поскольку неизбежные колебания состава молекул на одно, десять, сто (некоторое не очень большое число) звеньев практически не влияют на свойства. Например,

 n CH₂ = CH ^{УФ - свет} ( - СН₂ – СН - )_n

 СН₃ СН₃

Число n в формуле полимера – является степенью полимеризации.

Понятие молекулярная масса для полимеров имеет некоторые особенности. При полимеризации в макромолекулы соединяется различное число молекул мономера в зависимости от того, когда произойдет обрыв растущей полимерной цепи. Вследствие этого образуются макромолекулы разной длины и, следовательно, разной массы, поэтому обычно указываемая для этого вещества молекулярная масса – это только среднее ее значение.

Для полимеров существует средневесовая (1) молекулярная масса и среднечисловая молекулярная масса (2).

М_w = Σ qw_(i)M_i = Σ q_(i) M_i²/ Σ qn_(i) M_i (1)

M_n = Σ qn_(i) M_i = Σ n_iM_i / Σ n_i (2)

ВМС классифицируют:

I. в зависимости от строения макромолекулы:

- молекулярные, состоящие из хотя и больших, но отдельных линейных или разветвленных молекул (полиэтилен).

- пространственные, ( - СН₂ – СН₂ - )_n представляющие собой одну гигантскую молекулу (резина).

II. по геометрии скелета макромолекулы:

А. цепные полимеры (линейные полимеры);

Б. разветвленные полимеры (содержат боковые ответвления от нескольких атомов до больших цепей)

- древообразование;

- звездообразование;

- гребнеобразные;

В. сшитые полимеры;

Г. лестничные;

Д. спирополимеры;

III. По характеру расположения звеньев:

А. гомоцепные полимеры (один тип мономеров);

Б. сополимеры (несколько типов мономеров)

- статистические сополимеры;

АААВВАВВВАА

- чередующиеся сополимеры;

АВАВАВ

- блок сополимеры (полимеры, линейные молекулы которых состоят из чередующихся блоков одного или нескольких сополимеров);

АААВВВ

- привитые сополимеры (состоят из последовательностей мономерных звеньев одного типа и боковых ответвлений другого типа);

АААААААААА

ВВВ ВВВ

IV. В зависимости от того из каких атомов построена цепь:

А. гомоцепные полимеры (полиэтилен); ( - СН₂ – СН₂ - )_n

В. гепироцепные полимеры (цепь состоит из атомов О, S, C и т.д.)

V. По характеру размещения элементарных звеньев в макромолекулярной цепи различают:

А. регулярные;

В. нерегулярные.

Регулярность строения выражается в правильно повторяющемся расположении атомов или их групп в цепи. Например, молекулы мономера типа СН₂ = СН – R могут присоединяться друг к другу с образованием макромолекулярной цепи двумя путями. Присоединение может идти по типу ά, ά – («голова к голове») и β, β - («хвост к хвосту»):

n^βCH₂ = ^άCH .... – ^βCH₂ – ^άCH – ^άCH – ^βCH₂ - ....

 R R R

Или по типу ά, β – («голова к хвосту»)

n^βCH₂ = ^άCH .... – ^βCH₂ – ^άCH – ^βCH₂ – ^άCH - ....

 R R R

Заместители R в макромолекулярной цепи могут занимать различное положение. Пространственное расположение (направленность) их также может быть различным. С этим связано понятие стереорегулярности полимеров, которое определяется чередованием заместителей R в пространстве с определенной периодичностью.

Среди стереорегулярных полимеров различают:

1. Регулярные полимеры:

а. полимеры синдиотактической структуры – боковые группы расположены последовательно по обе стороны от главной цепи:

б. полимеры изотактической структуры – все боковые группы – заместители расположены по одну сторону от главной макромолекулярной цепи:

 

2. К стереонерегулярным полимерам относятся полимеры атактической структуры – расположение боковых групп – заместителей беспорядочно:

VI. Материалы изготовленные из полимеров подразделяют на:

А. эластомеры ( каучуки, резина);

Б. пластомеры (пластики);

В. волокна (целлюлоза).

VII. в зависимости от способа переработки ВМС в изделии:

А. термопласты (перерабатываются расплавленными);

Б. реактопласты (для переработки требуют химической модификации) [1, 19, 20].

Тема 2. Синтез полимеров

Существуют 2 основных способа получения полимеров – реакция полимеризации и реакция поликонденсации.

Реакция полимеризации – это химический процесс соединения множества исходных молекул низкомолекулярного вещества (мономера) в крупные молекулы (макромолекулы) полимера, не сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных веществ (Н₂О, HCl).

В реакцию полимеризации вступают ненасыщенные мономеры, у которых двойная связь находится между углеродными атомами или между углеродом и любым другим атомом:

n H₂C = CH₂ (этилен) → [H₂C = CH₂] n

Как видно из примера, реакция полимеризации не приводит к изменению элементного состава мономера. Как и любая другая химическая реакция, полимеризация начинается с разрыва одних химических связей и возникновения других. Такой разрыв может происходить или по гетеролитическому, или гомолитическому механизму. В первом случае образуются ионы, во вротом – свободные радикалы.

Полимеризация, протекающая через образование ионов называется ионной, а идущая с участием свободных радикалов – радикальной.

Таким образом, радикальная и ионная полимеризация различаются природой активного центра, начинающего и ведущего макромолекулярную цепь.

Полимеризация мономеров протекает по цепному механизму.

I. Радикальная полимеризация

Активным центром цепной полимеризации является свободный радикал. Реакция радикальной полимеризации складывается из трех основных стадий: инициирования, роста цепи и ее обрыва.

А. Инициирование (образование активного центра). На этой стадии происходит образование свободных радикалов (R′·), которые легко взаимодействуют с различными непредельными соединениями (мономерами).

R′· + СН₂ = СН₂R → R′ - CH₂ – CHR

В зависимости от способа образования свободных радикалов, начинающих реакционную цепь, различают несколько видов полимеризации: термическую, фотохимическую, радиационную и инициированную.

Одним из наиболее распространенных и часто применяемых на практике методов полимеризации является инициированная полимеризация. Она активируется соединениями, которые легко распадаются на свободные радикалы в условиях полимеризации. Такие соединения называют инициаторами полимеризации. Они содержат в своих молекулах неустойчивые химические связи (О – О, N – N, S – S, O – N и др.), которые разрываются при гораздо меньшей энергии, чем это требуется для образования свободного радикала из молекулы мономера (при ее активации). Инициаторами могут быть органические пероксиды и гидропероксиды, некоторые азо – и диазосоединения и другие вещества.

С₆Н₅ – СО – О – О – СО – С₆Н₅ → 2 С₆Н₅ – СОО· → 2 С₆Н₅·

Скорость распада инициатора на свободные радикалы можно увеличить не только повышением температуры, но и добавкой в реакционную среду специальных веществ – промоторов и активаторов.

Б. Рост цепи. Реакция роста цепи состоит в многократном присоединении молекул мономера к усложняющемуся каждый раз радикалу с сохранением свободного электрона в концевом звене растущей макромолекулы. Другими словами, растущая макромолекулярная цепь должна оставаться в период ее роста свободным макрорадикалом.

R′ + СН₂ – СНR + СН₂ = СНR → R′ - СН₂ – СНR – СН₂ – СНR

R′ - [- CH₂ – CHR -]_n+1 – CH₂ – CHR и т.д.

В результате таких последовательных реакций присоединения двойная связь мономера превращается в простую, что сопровождается выделением энергии.

В. Обрыв цепи. Конец роста цепи связан с исчезновением свободного электрона у конечного звена макромолекулы. Чаще всего это происходит в результате соединения между собой двух радикалов (реакция рекомбинации), что приводит к возникновению углеводородной цепи, не способной к дальнейшему росту.

R′ - [- CH₂ – CHR -]_n – CH₂ – CHR + R′ - СН – СН₂ – R′ →

R′ - [- CH₂ – CHR -]_n – CH₂ – CHR – СН₂ – R′

II. Ионная полимеризация

Ионная полимеризация протекает с образованием либо иона карбония, либо карбаниона, с последующей передачей по росту цепи положительного или отрицательного заряда. В зависимости от этого различают катионную (карбониевую) и анионную (карбанионную) полимеризацию.

Ионная полимеризация, как и радикальная, - цепной процесс.

Ионная полимеризация проходит в присутствии катализаторов, способствующих образованию ионов. Поэтому ионная полимеризация называется также каталитической полимеризацией. Процесс ионной полимеризации протекает также в три стадии.

II. 1. Катионная (карбониевая) полимеризация. Для проведения такой полимеризации используют катализаторы, обладающие электроно–акцепторными свойствами: кислоты, катализаторы Фриделя – Крафтса (AlCl_3, BF₃ и др.).

Полимеризацию проводят в присутствии специальных добавок – сокатализаторов (вода, кислоты, другие вещества, являющиеся донорами электронов).

А. Инициирование. На этой стадии происходит взаимодействие катализатора (AlCl₃) и сокатализатора (НВ) с образованием комплексного соединения, которое проявляет свойства сильной кислоты

AlCl₃ + НВ →[ AlCl₃В]^- + Н⁺

Эта кислота, отдавая протон молекуле мономера, превращает его в карбониевый ион, уравновешенный комплексным противоионом (ионная пара):

 [ AlCl₃В]^-Н⁺ + СН₂ = СНR → СН₃ – СНR_AlCl3В-

Сокатализаторами могут быть те вещества, которые взаимодействуют с катализаторами. Роль сокатализатора во многом зависит от характера реакционной среды. Большое значение имеет характер заместителя в молекуле иономера. Электронодонорные заместители (R) создают избыток электронной плотности на противоположном конце молекулы мономера и этим способствуют присоединению протона или карбатиона.

Б. Рост цепи. В процессе роста цепи полярные молекулы мономера присоединяются к растущему иону, «внедряясь» между макрокарбкатионом (со стороны его заряженной части) и противоионом (AlCl₃В^-):

СН₂ = СНR + СН₃ – СНR → СН₃ – СНR – СН₃ – СНR _AlCl3В- →

СН₃ – СНR - [- CH₂ – CHR -]_n – CH₂ – CHR _AlCl3В-

В. Обрыв цепи. Рост цепи прекращается при отщеплении (регенерации) от растущего иона комплексной кислоты или катализатора:

СН₃ – СНR - [- CH₂ – CHR -]_n – CH₂ – CHR _AlCl3В-

→ СН₃ – СНR - [- CH₂ – CHR -]_n – CH₂ – CHRB

→ СН₃ – СНR - [- CH₂ – CHR -]_n – CH = CHR

В результате катализатор снова выделяется в свободном виде.

II. 2. Анионная (карбанионная) полимеризация. Катализаторами этой полимеризации служат электроннодонорные вещества – основания, щелочные металлы, гидриды металлов, амид калия, а также металлорганические соединения.

Механизм анионной полимеризации в присутствии катализатора KNH₂ в среде жидкого аммиака.

А. Инициирование.

KNH₂ ↔ К⁺ + NH₂^- → H₂N – CH₂ – CHR_k+

Электроноакцепторные заместители (R) в молекуле мономера способствуют присоединению аниона. Оттягивая электронную плотность, они создают дефицит электронов на конце молекулы, к которому присоединяется отрицательно заряженная группа (NH₂^-).

Б. Рост цепи.

H₂N – CH₂ – CHR → H₂N – CH₂ – CHR – CH₂ – CHR_K+ →

H₂N – [- CH₂ – CHR - ]_n+1 – CH₂ – CHR_K+

Как и при каталитической полимеризации, мономер занимает место между макрокарбанионом и противоионом.

В. Обрыв цепи. Прекращение роста макромолекулярной цепи может произойти в результате ее взаимодействия с растворителем:

H₂N – [- CH₂ – CHR - ]_n+1 – CH₂ – CHR_K+ + HNH₂ →

H₂N – [- CH₂ – CHR - ]_n+1 – CH₂ – CH₂R + KNH₂

Особое значение получила анионная полимеризация в присутствии металлорганических катализаторов. Из этих катализаторов наиболее высокой полимеризационной активностью обладают катализаторы Циглера – Натта – комплексы триэтилалюминия с солями титана: Al(C₂H₅)₃ + TiCl₄ (или TiCl₃). Эти катализаторы позволили полностью изменить технологию получения многих полимеров.

Например, для синтеза полиэтилена без таких катализаторов требуются довольно жесткие условия (давление 150-200 МПа, 300⁰С). Используя же катализаторы Циглера – Натта, полиэтилен получают при давлении, не превышающем 1МПа, и температуре, которая не выше 60⁰С. Полиэтилен, синтезированный без этих катализаторов, называют полиэтиленом высокого давления – ПЭВД, в противоположность полиэтилену низкого давления – ПЭНД (с катализатором Циглера –Натта).

Свойства полиэтилена, полученного при низком давлении, отличаются от свойств полиэтилена, полученного при высоком давлении. ПЭНД прочнее и жестче, его плотность выше, а ПЭВД – более эластичный и гибкий, при растяжении образует прозрачную пленку.

Реакция поликонденсации - это химический процесс соединения исходных молекул мономера в макромолекулы полимера, идущий с образованием побочного низкомолекулярного продукта (чаще всего воды).

В реакцию поликонденсации вступают мономеры, содержащие в молекулах функциональные группы ( - ОН, - СООН, галогены и др.).

Мономеры, участвующие в реакциях поликонденсации, должны быть не менее чем бифункциональными:

HOOC – (CH₂)₄ – COOH + HNH – (CH₂)₆ – NH₂ ↔

HOOC – (CH₂)₄ – CO – NH – (CH₂)₆ – NH₂ + H₂O

С помощью реакций поликонденсации получают полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, полиакрил и т. д.

Вопросы и упражнения

1.  Какие вы знаете основные методы получения полимеров?

2.  Какая реакция называется полимеризацией? Приведите примеры такой реакции.

3.  Какие мономеры могут вступать в реакцию полимеризации?

4.  Какие разновидности полимеризации вы знаете?

5.  Какая частица является активным центром радикальной полимеризации?

6.  Из каких трех стадий состоит процесс цепной полимеризации?

7.  Чем отличается радикальная полимеризация от ионной?

8.  Какие вещества катализируют катионную полимеризацию?

9.  Какие катализаторы используют при анионной полимеризации?

10.Что представляет собой катализатор Циглера – Натта?

11.Какая реакция называется поликонденсацией? Чем она отличается от реакции полимеризации?

12.Какие мономеры могут вступать в реакцию поликонденсации?

Тема 3. Физические свойства полимеров

ВМС находятся только в двух агрегатных состояниях – твердом и жидком. По фазовому состоянии. Они могут быть аморфными или кристаллическими. Аморфное строение имеют полимеры, макромолекулы которых расположены неупорядоченно, хаотично. Такое расположение характерно для макромолекул нерегулярного строения. Например, аморфными являются атактический полипропилен, многие каучуки. Аморфные полимеры – мягкие, эластичные материалы. Они могут существовать в следующих физических состояниях – вязкотекучем, высокоэластическом и стеклообразном.

Вязкотекучие полимеры, имеющие аморфное строение (например, низкомолекулярный полиизобутилен, фенолформальдегидные полимеры – резолы), необратимо изменяют свою форму под воздействием даже незначительных механических нагрузок.

Высокоэластические полимеры, имеющие в ненапряженном состоянии аморфное строение (например, каучуки и резины), подвергаются обратимой деформации под воздействием небольших нагрузок. При нагревании многие твердые полимеры (полистирол, поливинилхлорид и др.) становятся высокоэластическими.

Стеклообразные полимеры – твердые аморфные полимеры, не успевшие при охлаждении закристаллизоваться, но потерявшие текучесть. Они имеют аморфное или кристаллическое строение и мало изменяют свою форму даже при больших механических нагрузках. После устранения действия последних они способны восстанавливать свою первичную форму.

Полимеры, которые переходят из высокоэластичного состояния в стеклообразное при температурах ниже комнатной, относятся к эластичным, а при более высоких температурах – к пластикам.

Кристаллическое строение имеют полимеры только стереорегулярной структуры. Они характеризуются упорядоченным расположением макромолекул. Кристаллические полимеры обычно являются пластиками. В отличие от обычных кристаллических твердых веществ кристаллические полимеры не состоят из одних кристаллов. Даже само понятие «кристалл» для полимера несколько отличается от обычного. У кристаллических полимеров имеются области (зоны), в которых отдельные участки макромолекул имеют плотную упаковку, напоминающую пластины ромбовидной формы – своеобразные кристаллы. Эти области соседствую с основной аморфной массой полимера. Таким образом, аморфная и кристаллическая части состоят из одинаковых макромолекул, но в аморфной части они расположены беспорядочно, а в кристаллической – плотно упакованы за счет упорядоченного расположения.

Следует однако заметить, что в полимере между крайними формами строения – аморфной и кристаллической – существует много различных форм упорядоченности (фибриллы, монокристаллы, сферолиты и т. д.) и неупорядоченности (аморфные пачки, глобулы и пр.).

Итак, основным условием кристаллизации полимеров является стереорегулярное строение их макромолекул. Любое нарушение регулярности препятствует процессу кристаллизации. Поэтому, например, полиэтилен линейного строения имеет более высокую кристалличность, чем полиэтилен с разветвленными цепями. Сшивки («мостики») между полимерными цепями мешают кристаллизации в такой же степени, как и разветвленность цепей. Макромолекулы полимера должны быть достаточно гибкими, подвижными, что облегчает их упаковку в плотные структуры. Если же полимерная цепь жесткая, то кристаллизация не происходит.

Степень кристалличности одного и того же полимера может изменяться. Например, при растягивании полимера его макромолекулы принимают параллельное расположение относительно друг друга. При этом кристалличность его возрастает. Кристаллические полимеры обладают более высокими механическими показателями, чем аморфные.

Тема 4. Школьная лекция «Волокна» (1 ч.) 9 класс

Общий метод обучения: объяснительно – иллюстративный

Форма обучения: фронтальная

План лекции:

1.  классификация волокон

2.  природные волокна

3.  искусственные волокна: получение вискозного и ацетатного волокон

4.  синтетические волокна: производство капрона

1. Волокна – протяженные, гибкие, прочные тела с малыми поперечными размерами, пригодные для изготовления пряжи и текстильных изделий.

Волокна делят на натуральные (природные) и химические. Натуральные волокна могут быть растительного или животного происхождения. Химические волокна в свою очередь подразделяют на искусственные и синтетические. Классификацию волокон можно представить в виде схемы (приложение 1).

2.  Природные волокна:

Волокно растительного происхождения – хлопок, лен.

Хлопковое волокно получают из субтропического растения – хлопчатника. Состав хлопкового волокна:

- целлюлоза – 96%

- пентозан – 1 – 2 %

- жиры и воска – 1%

- азотосодержащие и белковые вещества – 0,3%

- зола – 0,2 – 0,4%

Хлопковое волокно легкое, достаточно прочное, мягкое, гигроскопичное. Состоит из нескольких скрученных элементарных волоконец. Между волоконцами есть полые пространства, поэтому хлопок хорошо впитывает и испаряет влагу. Хорошая гигроскопичность хлопка связана также с его строением: гидроксогруппы целлюлозы образуют с молекулами воды водородные связи.

Волокна животного происхождения – шерсть и шелк.

Шелк вырабатывают многочисленные гусеницы и пауки. Важнейшее значение имеет тутовый шелкопряд. Основа нити – белок – фибрион шелка (78%). Элементарные фибрионовые нити склеены белковым веществом- серизином (20%). Куколку из кокона убивают струей горячего воздуха. При погружении коконов в воду серизин размягчается, так что вращающиеся в водяной бане щетки могут захватывать концы шелковых нитей из коконов. Соединяют 4 – 10 нитей, наматывают их на катушки и высушивают. Из 3 – 4 тысяч метров волокна получают 900 метров шелковой нити.

Шерсть – волокна волосяного покрова овец, коз, верблюдов и других животных.

3. Искусственные волокна:

Наибольшее значение среди искусственных волокон занимают ацетатное и вискозное волокна, получаемые из древесной целлюлозы.

Без предварительной обработки древесной целлюлозы из нее нельзя получить прочное волокно: ее необходимо перевести в растворимое состояние. Целлюлозу переводят в диацетат целлюлозы, действуя на нее уксусной кислотой. Раствор диацетата целлюлоза продавливают через фильеру с большим числом мельчайших отверстий. Нагретый воздух испаряет ацетон, а пучок тонких волоконец, выходящий из фильеры, скручивают в одну непрерывную нить. Так получают ацетатное волокно.

Получение вискозного волокна:

Из целлюлозы получают щелочную целлюлозу, которую затем обрабатывают сероуглеродом – ксантогенируют. Водный раствор ксантогената целлюлозы потом выдавливают через отверстия фильеры в осадительную ванну с серной кислотой, которая омыляет ксантогенат целлюлозы. Образуется регенерированная целлюлоза с ориентированными макромолекулами. Ориентация полимерных цепей вдоль оси волокна происходит во время его формования.

4. Синтетически волокна:

из синтетических волокон наибольший интерес представляют полиамидное волокно – полиамид – 6 (капрон) и полиэфирное – полиэтиленгликольтерефталат (лавсан).

Капрон получают из капролактала, который под воздействием воды размыкает цикл, образуя ε – капроновую кислоту. Из этой кислоты в результате поликонденсации образуется полимер линейной структуры:

n H₂N – (CH₂)₅ – COOH → [- NH – (CH₂)₅ – CO -]n + (n-1)H₂O

Домашнее задание: Заполнить таблицу

Название волокна (группы волокон)	Вещество, составляющее основу волокна	Формула полимера	Свойства волокон	Изделия из волокна

Тема 5. Пластмассы

Пластмассами называют материалы, изготовленные на основе полимеров, способные приобретать при нагревании заданную форму и сохранять ее после охлаждения.

Пластмасса – это смесь нескольких веществ; полимер – это лишь одно из них, но самое важное. Он связывает все компоненты пластмассы в единое, более или менее однородное целое. Поэтому полимер называют связующим.

Превращать в готовое изделие проще пластмассы, которые обратимо твердеют и размягчаются. Это так называемые термопласты, или термопластические полимеры. Их можно рационально обрабатывать и перерабатывать методом литья под давлением, вакуумной формовки, профильным прессованием. К таким пластмассам относятся полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиамиды.

Если же в процессе формования изделия происходит сшивка макромолекул и полимер, твердея, приобретает сетчатое строение, то это вещество уже нельзя возвратить в вязкотекучее состояние нагреванием или растворением.

Такие пластмассы называют реактопластами или термореактивными полимерами. К ним относятся фенолформальдегидные, карбамидные и полиэфирные смолы.

Экскурсия на «Фабрику игрушек»

План экскурсии:

1.  Знакомство с технологией производства пластмассовых игрушек.

2.  Знакомство с технологией производства кукол из полихлорвинилового пластиката марки «Пластизоль Д – 17 И».

3.  Посещение участка сборки кукол из отдельных деталей.

4.  Посещение участка по производству мягких игрушек.

Конференция на тему «Получение и применение наиболее важных синтетических и природных полимеров»

Из года в год растет производство синтетических полимеров, это связано с широким разнообразием их полезных свойств, а также со сравнительно невысокими ценами на исходное сырье. В сравнении с другими материалами полимеры обладают рядом преимуществ. Так, они легче металлов, имеют достаточную прочность (некоторые – прочнее стали), устойчивы к агрессивным средам, не подвергаются коррозии. Несмотря на их некоторые недостатки (невысокую теплостойкость и низкую морозостойкость, склонность к деструктивным процессам), полимеры сегодня используют практически во всех областях промышленности.

К наиболее распространенным синтетическим полимерам относят полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, политетрафторэтилен, эпоксидные и фенолформальдегидные полимеры и д.р. На их основе получают пластмассы, эластомеры, волокна, клеи, лаки, мастики и герметики.

Полиэтилен [ - СН₂ – СН₂ - ]_n – продукт полимеризации этилена. В зависимости от способа получения различают, как правило, полиэтилен высокого и низкого давления. Полиэтилен низкого давления имеет, в основном, линейную структуру, а полиэтилен высокого давления – разветвленное строение. Полиэтилен высокого давления – мягкий и эластичный материал, а полиэтилен низкого давления характеризуется высокой степенью кристалличности, большой плотностью и более высокой молекулярной массой. Все полиэтилены обладают высокой морозоустойчивостью (низкой температурой хрупкости) и могут эксплуатироваться при температурах до – 70^оС. Полиэтилены стойки ко многим агрессивным средам (кислоты, щелочи и т.д.) и органическим жидкостям; на холоде они не растворяются в органических растворителях, хотя набухают в некоторых из них.

Полиэтилены представляют собой воскоподобные материалы (иногда прозрачные), выпускаемые промышленностью в виде блоков, листов и гранул; перерабатываются они в изделия главным образом методами литья под давлением, экструзия (выдавливание различного полимера через сопло шприц – машины) и выдувания. Из полиэтилена производят бесшовные корозийностойкие трубки, изоляционные оболочки электропроводов и пленки, широко применяемые в качестве упаковочного материала, для изготовления покрытий, перегородок, шаров, в сельском хозяйстве и т.д. При помощи литья под давлением или выдувания получают различную тару (бутылки, склянки, ведра, корзины, бочки и т.д.). Благодаря своим прекрасным диэлектрическим свойствам полиэтилен широко применяется для изоляции электрических кабелей, в телевидении, радиолокации и для многопроводной телефонной связи.

Полиэтилен хорошо сваривается. Пропуская струю сжатого воздуха со взвешенными в ней частицами полимера через воздушноацетиленовое пламя и направляя эту струю на металлические изделия, можно покрыть их сплошным защитным слоем (метод газопламенного напыления). Тот же результат достигается при погружении разогретого до 250 – 300^оС изделия во взвесь полимера. Полиэтилен перерабатывается и обычными методами механической обработки.

Существенным недостатком полиэтилена является его быстрое старение, которое, однако, резко замедляется при введении в полимер различных противостарителей, таких как фенолы, амины и газовая сажа.

Полипропилен [ - СН₂ – СН(СН₃) - ]_nполучают ионной полимеризацией пропилена.

Полипропилен – твердое, жирное на ощупь вещество, является наиболее легким из всех известных жестких полимеров; он отличается высокой прочностью на разрыв, жесткостью и твердостью. По прочности на разрыв и удар и по теплостойкости он превосходит полиэтилен, поливинилхлорид и полистирол.

У стереорегулярного полипропилена такие же диэлектрические свойства, как и у полиэтилена, но лучшая химическая стойкость, при повышенных температурах. При помощи тех же методов, которые используются при переработке полиэтилена, из полипропилена изготавливаются трубы для горячих жидкостей, прозрачные пленки с низкой проницаемостью для жидкостей, газов и паров, бутылки флаконы и различные сосуды для химической промышленности. Используют в строительстве. Может применяться для армирования цемента. Весьма перспективно полипропиленовое волокно, которое прядется сухим методом без применения растворителей и пластификаторов.

Полиизобутилен [ - СН₂ – С(СН₃)₂ -]_nполучают ионной полимеризацией изобутилена в присутствии катализаторов AlCl₃, BF₃, AlBr₃.

Низкомолекулярный полиизобутилен – вязкая жидкость, высокомолекулярный – эластичный продукт, напоминающий каучук. Эти материалы отличаются от натурального каучука тем, что они сохраняют эластичные свойства при очень низких температурах (до – 55^оС). Благодаря своей насыщенности полиизобутилены не способны вулканизироваться обычными методами и при комнатной температуре стойки к действию щелочей, галогенов и почти всех кислот. Они легко кристаллизуются при растяжении, хотя в нерастянутом состоянии аморфны. Полиизобутилен обладает прекрасными диэлектрическими свойствами, поэтому его применяют в электроизоляционной промышленности.

Полиизобутилен окисляется кислородом при длительном воздействии солнечного света (под влиянием ультрафиолетовых лучей). Этот недостаток в значительной степени устраняется путем добавления к полимеру активных наполнителей (сажа, тальк, графит) или других полимеров (полиэтилен, каучук, фенольноальдегидная смола).

Полиизобутилены хорошо растворяются в ароматических углеводородах, сероуглероде и хлорированных углеводородах, но не растворимы во многих полярных растворителях, таких как спирты и сложные эфиры. Растворы полиизобутилена используются в качестве клея.

Ввиду высокой коррозийностойкости полиизобутилен нашел широкое применение, как футеровочный (обкладочный) и прокладочный материал. Листы из него используются для защиты металлических труб и для обкладки реакторов, железнодорожных цистерн и кислотохранилищ. Они содержат наряду с полимером до 70% наполнителей (сажа, графит, асбест, тальк), которые вводятся в массу на горячих вальцах. Листы могут быть соединены при помощи сварки. Методом экструзии из полиизобутилена производят трубки, оболочки и ленты.

Длительная нагрузка при комнатной температуре вызывает у полиизобутилена необратимую деформацию («холодная текучесть»); для устранения этого нежелательного явления полиизобутилен смешивают с природными и синтетическими смолами. Широкое применение получили смеси полиизобутилена и полиэтилена.

Полистирол [ - СН₂ – СН(С₆Н₅) - ]_n получают радикальной полимеризацией стирола.

Полистирол – бесцветное, твердое стеклоподобное вещество. Термопластичен, имеет высокие диэлектрические показатели, легко окрашивается. К недостаткам полистирола следует отнести хрупкость, легкую склонность к деструкции под влиянием кислорода воздуха и света. Полистирол один из самых первых (известен более 100 лет) и самых распространенных полимеров. Применяют, главным образом, как изоляционный материал в радиотехнике и телевидении, для изготовления пенопластов, галантерейных изделий и предметов домашнего обихода. Пенополистирол нашел применение в строительстве, холодильной технике, транспорте. Ударопрочный полистирол используют для изготовления ванн, корпусов холодильников. Известное применение нашла механическая обработка блоков и пластин из полистирола в производстве линз и электротехнических деталей.

Поливинилхлорид (ПВХ) [ - СН₂ – СН(Cl) - ]_n продукт радикальной полимеризации винилхлорида.

Поливинилхлорид – термопластичный материал, устойчивый к агрессивным веществам, стойкий к истиранию.

Промышленность выпускает два вида материала на основе поливинилхлорида: