--PAGE_BREAK--Mn
*
→
Mn
и передачей цепи с одного активного центра на другую молекулу мономера с превращением ее в новый растущий активный центр:
Mn
*
+
M
→
Mn
+
M
*
Скорость реакций обрыва обычно лимитируется скоростью диффузии активных центров в реакционной среде. От соотношения скоростей роста и обрыва цепи зависят степень полимеризации и молекулярная масса образующегося полимера: чем выше скорость роста и ниже скорость обрыва цепи, тем больше молекулярная масса. Активными центрами цепной полимеризации могут быть свободные радикалы (электронейтральные частицы, имеющие один или два неспаренных электрона), ионы (положительно или отрицательно заряженные частицы), ион-радикалы. В соответствии с характером активных центров различают радикальную и ионную (анионную, катионную, ионо-координационную) полимеризацию.
Поликонденсация.
Поликонденсацией называют ступенчатый процесс получения полимеров из би- или полифункциональных соединений, в котором рост макромолекул происходит путем химического взаимодействия функциональных групп молекул мономеров друг с другом и с n
-мерамимежду собой. На концах образующихся макромолекул всегда присутствуют свободные функциональные группы. Различают гомополиконденсацию и гетерополиконденсацию.
Гомолполиконденсациейназывают реакции, в которых участвует минимально возможное для данного случая число типов мономеров или только молекулы одного мономера, содержащего два типа функциональных групп. Типичным примером гомополиконденсации служит синтез полиамидов из аминокислот.
Гетерополиконденсацией называют реакции с участием молекул мономеров, содержащих различные функциональные группы, способные взаимодействовать друг с другом, например диаминов с дикарбоновыми кислотами.
Реакцию, в которой помимо мономеров, необходимых для протекания, участвуют и другие мономеры, называют сополиконденсацией.
По пространственному строению получаемых полимеров различают линейную и трехмерную поликонденсацию. В последние годы большое значение приобрела полициклоконденсация – двухступенчатый синтез лестничных полимеров путем внутримолекулярной циклизации продуктов, полученных на первой стадии. Процессы поликонденсации широко применяются для синтеза полимеров с рядом специфических свойств: термостойких, полупроводников, электропроводящих, фотоактивных, биополимеров, катализаторов, ионитов и др.
1.5 Применение полимеров
На конец двадцатого столетия производство синтетических пластмасс в мире достигло 130 млн.т/год. Такие многотоннажные полимеры как полиэтилен и полипропилен химически устойчивы, механически прочны, поэтому их широко применяют при изготовлении оборудования в различных областях 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 используют вместо стекла в парниках и теплицах. Их применяют также для упаковки разных продуктов. Политетрафторэтилена (тефлон) – механически прочное и химически очень стойкое вещество. Тефлон по химической устойчивости превосходит все металлы, даже золото и платину. Он выдерживает температуру до 260 °С, не горит и является отличным диэлектриком. Из фенолформальдегидной смолы, добавляя различные наполнители (древесная мука, хлопчатобумажная ткань, стеклянное волокно, различные красители и т.д.), получают фенолформальдегидные пластмассы, которые сокращенно называют фенопластами. Из фенопластов получают шарикоподшипники и шестерни, тормозные накладки, ступеньки для эскалаторов, широко применяют в радио- и электротехнике в качестве электроизоляционного материала, изготавливают автоцистерны, кузова автомобилей, телефонные аппараты, электрические контактные платы, органическое стекло, искусственную кожу, клеенку и многое другое.
Но большой объем производства полимеров и связанное с этим широкое использование полимерных пленок привели к появлению важнейшей проблеме – загрязнение окружающей природной среды отходами полимерной продукции.
1.6 Экологические проблемы производства полимеров и утилизации пластмассовых отходов
Производство полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида приносит немалые экологические проблемы для окружающей природной среды. Это использование различных токсичных мономеров и катализаторов, образование сточных вод и газовых выбросов, обезвреживание которых сопряжено с большими энергетическими, сырьевыми и трудовыми затратами и не всегда добросовестно выполняется производителями [5].
Производство полиэтилена и других полиолефинов относиться к категории пожароопасных и взрывоопасных (категория А): этилен и пропилен образуют с воздухом взрывчатые смеси. Оба мономера обладают наркотическим действием. ПДК в воздухе этилена составляет 0,05 ∙ 10 -3 кг/м3, пропилена — 0,05 ∙ 10 -3 кг/м3. Особенно опасно производство полиэтилена высокого давления (ПЭВД), поскольку оно связано с применением высокого давления и температуры. В связи с возможностью взрывного разложения этилена во время полимеризации реакторы оборудуют специальными предохранительными устройствами (мембраны) и устанавливают в боксах. Управление процессом полностью автоматизировано. При производстве полиэтилена низкого давления и полипропилена особую опасность представляет применяемы в качестве катализатора диэтилалюминийхлорид. Он отличается высокой реакционной способностью. При контакте с водой и кислородом взрывается. Все операции с металлоорганическими соединениями должны проводиться в атмосфере чистого инертного газа (очищенный азот, аргон). Небольшие количества триэтилалюминия можно хранить в запаянных ампулах из прочного стекла. Большие количества следует хранить в герметически закрытых сосудах, в среде сухого азота, либо в виде разбавленного раствора в каком-либо углеводородном растворителе (пентан, гексан, бензин – чтобы не содержали влаги). Триэтилалюминий является токсичным веществом: при вдыхании его пары действуют на легкие, при попадании на кожу возникают болезненные ожоги. В этих производствах используется также бензин. Бензин — легковоспламеняющаяся жидкость, температура вспышки для разных сортов бензина колеблется от — 50 до 28 °С. Концентрационные пределы воспламенения смеси паров бензина с воздухом составляют 2-12% (объемных). На организм человека оказывает наркотическое действие. ПДК бензина в воздухе = 10,3 ∙ 10 -3 кг/м3. Порошкообразные полиолефины образуют взрывоопасные смеси. ПДК полипропилена составляет: 0,0126 кг/м3. При транспортировании порошкообразных полиолефинов происходит образование аэрозолей и неизбежно накапливание зарядов статического электричества, что может привести к искрообразованию. Транспортирование полиолефинов по трубопроводу производят в атмосфере инертного газа. Для защиты окружающей среды все вентиляционные выбросы из производственных помещений должны подвергаться очистке на специальных установках. Сточные воды при отмывке полиэтилена низкого давления и полипропилена от остатков катализатора и продуктов его распада, а также образующиеся при регенерации промывной жидкости должны подвергаться нейтрализации и тщательной очистке на специальных очистных сооружениях.
Сходным полимером является поливинилхлорид. Если к ацетилену присоединить хлороводород, то образуется газообразное вещество винилхлорид, или хлорвинил.
Винилхлорид полимеризуется также, как и этилен. Из поливинилхлорида получают химически и механически стойкую пластмассу.
Производство и использование винилхлорида относят также к категории взрывоопасных и пожароопасных (категория А). Винилхлорид в газообразном состоянии оказывает наркотическое действие, продолжительное пребывание в помещение, в атмосфере которого содержится большое количество винилхлорида, вызывает головокружение и потерю сознания. ПДК в рабочих помещениях составляет 3∙ 10-5 кг/м3. При концентрации 1 ∙ 10-4 кг/м3 вызывает раздражение слизистых оболочек, а запах начинает ощущаться даже при 2 ∙ 10-4 кг/м3. Вдыхание паров при открытом испарении мономера вызывает острое отравление. Другие мономеры, используемые при производстве политетрафторэтилена, политрифторхлорэтилена, поливинилфторидов также не менее токсичны.
В настоящее время для очистки окружающей природной среды от пластмассовых отходов активно разрабатываются два основных подхода:
— захоронение (хранение отходов на свалках);
— утилизация.
Захоронение пластмассовых отходов – это бомба замедленного действия и перекладывание сегодняшних проблем на плечи будущих поколений.
Более щадящим приемом является утилизация, которую можно разделить на ряд главных направлений:
— сжигание;
— пиролиз;
— рециклизация – переработка.
Однако как сжигание, так и пиролиз отходов кардинально не улучшают экологическую обстановку [6]. Повторная переработка в определенной степени решает этот вопрос, но и здесь требуются значительные трудовые и энергетические затраты: отбор из бытового мусора пластической тары и упаковки, разделение по виду пластиков, мойка, сушка, измельчение и только затем переработка в конечное изделие. Для активизации направления по рециклизации пластмассовых отходов в ряде стран принимаются законодательные нормативы по обязательному сбору и переработке пластиковой тары и упаковки. Так Европейские директивы предусматривают при изготовлении пластмассовой упаковки применять 15% вторичных пластмасс, а в Германии эта квота составляет 50% и должна увеличиваться до 60%. Специалисты считают, что это технически невозможно, так как только для транспортных и непищевых продуктов возможно применение до 25% вторичных пластмасс, но не для пищевых продуктов [7].
Следует отметить, что сбор и повторная переработка полимерной тары и упаковки приводит к удорожанию упаковки, качество рециклизованного продукта также ниже продукта, полученного непосредственно первичным изготовителем. К тому же не каждый потребитель согласен использовать упаковку из рециклизованного полимера.
Радикальным решением проблемы «полимерного мусора», по мнению специалистов, является создание и освоение широкой гаммы полимеров, способных при соответствующих условиях биодеградировать на безвредные для живой и неживой природы компоненты.
Именно биоразлагаемость высокомолекулярных соединений и будет приоритетным направление разработки, которое позволит исключить значительное число проблем «полимерного мусора», возникающего при использование полимерной тары и других изделий из полимеров [8].
В настоящий период можно выделить три основных направления развития этой области:
— полиэфиры гидроксикарбоновых кислот;
— пластические массы на основе природных воспроизводимых природных полимеров;
— придание биоразлагаемости промышленным высокомолекулярным синтетическим материалам.
Первый в мире биоразлагаемый полимер Биопол (Biopol) – полигидроксиолконоаты на основе 3-гидроксивалериановой кислот – был получен в процессе ферментации полисахаридов (сахара, крахмала) под действием бактерии Alcaligeneseutrophys. Биопол – термопласт, который перерабатывается экструзией, выдуванием и другими традиционными методами. Полученные из этого полимера изделия за несколько недель разлагаются микроорганизмами почвы с образованием углекислого газа и воды. С использованием указанных бактерий сложные сополиэфиры получают из такого сырья как бутиленгликоль, бутиролактон, масляная и хлормасляная кислота. Пленки из таких сополимеров разлагаются в почве через 2 недели после захоронения.
Использование смесей полимеров для получения различных материалов с необходимым комплексом свойств также является очень прогрессивным направлением с различных точек зрения. При создании биоразлагаемых смесей полимеров, как правило, применяется следующий принцип: к синтетическому полимеру добавляют хорошо биоразлагаемый полимер (природный или синтетический). В качестве природных чаще всего используют полисахариды, в первую очередь крахмал и целлюлозу.
Глава II. ТЕМА «ПОЛИМЕРЫ» В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ХИМИИ
Химия – одна из стремительно развивающихся областей знания, результаты ее ускоренного развития в макро- и микромасштабах проявляются в повседневной жизни. А вот время на изучение этой дисциплины в школе неуклонно сокращается. И это не может не увеличивать пропасть между наукой и содержанием школьного предмета. Мы убеждены, что содержание школьного курса химии и процесс обучения должны отражать не упрощенные представления об особенностях развития химической науки, а состояние современного знания, реальную сложность объекта познания химии.
2.1 Урок по теме «Полимеры» в 9-х классах
Цель урока: познакомить учащихся со способом получения поливинилхлорида и возможностями его применения, а также обобщить знания учащихся о высокомолекулярных соединениях.
Задачи обучения: сформировать понятиеполимеры, расширить представление о способах получения, свойствах и способах применения различных типов полимеров в промышленности.
Задачи развития: продолжить развитие у учащихся основных приемов мышления (умения анализировать, сравнивать и т.д.), совершенствовать умение учащихся самостоятельно работать с дополнительной информацией.
Задачи воспитания: продолжить химическое образование школьников.
Ход урока
I. Организационный момент (1-2 мин.)
— посадка детей;
— проверка принадлежностей;
— отметка отсутствующих и т.д.
II
.Опрос домашнего задания (10 мин.)
1. Что такое аминокислоты?
2. Какие функциональные группы имеют в своей молекуле аминокислоты?
3. Что такое белки?
4. Как образуются белки?
5. Какова роль аминокислот и белков в живых организмах?
III
.Изучение нового материала (20 мин.)
Полимеры – высокомолекулярные соединения, молекулы которых образуются в результате соединения множества одинаковых звеньев – составных частей молекулы полимера.
Первоначальные сведения о полимерах в школьном курсе рассматриваются при изучении полимеризации этилена и пропилена (с.166, §63, Химия, 9 класс) [9]. Сходным полимером является поливинилхлорид. Если к ацетилену присоединить хлороводород, то образуется газообразное вещество винилхлорид, или хлорвинил:
H
─
C
≡
C
─
H
+
H
─
Cl
→
H
2
C
═
CHCl
винилхлорид
Винилхлорид полимеризуется также, как и этилен:
H
2
C
═
CHCl
+
H
2
C
═
CHCl
+ … → ( ─ CH2 ─
C
─
H
─)
n
|
Cl
поливинилхлорид
Из поливинилхлорида получают химически и механически стойкую пластмассу.
Знакомясь с диенами, вы получили также первоначальные знания о природном каучуке и синтетических каучуках (с.166, §63, Химия, 9 класс). Первые сведения вы получили также о природных полимерах крахмале и целлюлозе (с.175, §70, Химия, 9 класс) [9]. К сложным природным полимерам иногда причисляют и белки.
Чтобы получить представление, сколь велико значение только одного вида полимеров – фенопластов, рассмотрите табл.40.
Таблица 40. Важнейшие фенопласты ФФС.
Характеристика фенопластов
Виды фенопластов
Текстолит
Волокнит
Гетинакс
Стеклопласт
Карболит
Исходные материалы, спрессованные при повышенной температуре.
Хлопчатобумажная ткань, пропитанная ФФС
Обрезки хлопчатобумажной ткани, пропитанная ФФС
Бумага, пропитанная ФФС
Стеклянная ткань и стекловолокно, пропитанные ФФС
Древесная мука, пропитанная ФФС
Свойства
Выдерживает большие нагрузки, легко поддается обработке
Высокая износоустойчивость
Очень хороший электроизо-ляционный материал
Механически прочный материал, устойчивый к коррозии
Хороший электроизо-
ляционный материал, устойчивый к коррозии
Применение
Изготовляют детали машин и аппаратов (зубчатые колеса, шарикоподшипники)
Изготовляют автомобильные диски сцепления, дуги тормозов, ступеньки эскалаторов и др.
Используют в электро- и радиотехнике как хороший электроизоляционный материал
Производят детали больших габаритов (надстройки для автомобилей, автоцистерны, лодки и др.)
Изготовляют телефонные аппараты, электровыключатели, контактные гнезда и др.
IV
.Закрепление знаний (5 мин.)
1. Что такое полимеры?
2.Как получают полиэтилен, полипропилен и поливинилхлорид (напишите уравнения реакций)?
3.Перечислите важнейшие фенопласты и области их применения?
V
.Домашнее задание (3 мин.)
Ответьте на вопросы и выполните упражнения 1-12, §72, стр.179 [9].
Именно таким образом выглядит план урока в школе по теме «Полимеры».
Остальные сведения о полимерах сводятся к материалам различных приложений, в которых рассматриваются в основном природные, синтетические и искусственные волокна. Основные классы полимеров, вопросы получения полимеров и не менее важные вопросы рециклизации и утилизации отработавших полимеров в школьном курсе химии не рассматриваются.
Исходя из вышеизложенного, очевидна необходимость наполнения школьного курса химии экологическим содержанием. Результаты проделанной работы будут изложены в третьей главе.
Глава II
I
. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ «ПОЛИМЕРЫ» В КУРСЕ ХИМИИ СРЕДНЕЙ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ШКОЛЫ
Экологическое образование и развитие школьников – полноценная область знания, познания самого себя, окружающего мира, которая реально воздействует на формирование мировоззренческой компоненты их развития как личностей.
Вашему вниманию представляется урок на тему: «Полимеры», наполненный экологическим содержанием, позволяющий оценить важную роль перспективы развития экологического самосознания школьников, выявить взаимосвязь между изучаемым объектом и окружающей средой, а также определить роль уроков химии при формировании экологической культуры школьников, их способности применять знания и навыки для достижения основной цели экологии – сохранении окружающей природной среды.
продолжение
--PAGE_BREAK--3.1 Урок по теме «Полимеры» в 9 классах, позволяющий развить экологическое сознание школьников
Цель урока: познакомить учащихся со способом получения поливинилхлорида и возможностями его применения, а также обобщить знания учащихся о высокомолекулярных соединениях, сформировать систему экологических знаний при изучении полимеров и способов их получения, показать необходимость предотвращения загрязнения окружающей природной среды продуктами производства синтетических полимерных материалов и готовыми изделиями из них.
Задачи обучения: сформировать понятиеполимеры, расширить представление о способах получения, свойствах и способах применения различных типов полимеров в промышленности. Развить экологическое сознание и воспитание школьников, приучить их к способности понимать, что возможности полимерной химии безграничны и многообразны, но неосознанное загрязнение окружающей среды отходами полимерной промышленности может нанести непоправимый вред как здоровью человека, в частности, так и привести к глобальным негативным последствиям, в целом, для всей планеты.
Задачи развития: продолжить развитие у учащихся основных приемов мышления (умения анализировать, сравнивать и т.д.), совершенствовать умение учащихся самостоятельно работать с дополнительной информацией. Развить экологическое сознание школьников, заложить в основу воспитания представления о взаимосвязи состава, строения, свойств и биологической функции веществ, их двойственной роли в живой природе.
Задачи воспитания: продолжить химическое и экологическое образование школьников.
Ход урока
II. Организационный момент (1-2 мин.)
— посадка детей;
— проверка принадлежностей;
— отметка отсутствующих и т.д.
II
.Опрос домашнего задания (10 мин.)
6. Что такое аминокислоты?
7. Какие функциональные группы имеют в своей молекуле аминокислоты?
8. Что такое белки?
9. Как образуются белки?
10. Какова роль аминокислот и белков в живых организмах?
III
.Изучение нового материала (20 мин.)
Полимеры – высокомолекулярные соединения, молекулы которых образуются в результате соединения множества одинаковых звеньев – составных частей молекулы полимера.
Полимеры являются основной частью пластмасс. Они связывают в единое целое другие компоненты, т.е. полимерное вещество служит связующим. При этом образуются различные полимерные композиции, обладающие набором нужных физико-механических характеристик. Помимо полимера в состав пластической массы входят наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, отвердители, смазывающие вещества, красители, порообразователи и другие добавки. Наполнители вводят для улучшения механических свойств пластмасс, уменьшения усадки во время отверждения, повышения их стойкости к действию различных сред. Пластификаторы – это специальные добавки, придающие материалу пластичность и сохраняющие его свойства в широком интервале температур. Улучшается морозостойкость, огнестойкость и стойкость к действию УФ-лучей. Стабилизаторы – химические соединения, способствующие длительному сохранению свойств пластмасс в процессе их переработки и эксплуатации. Отвердители – это вещества, которые вводят для создания трехмерной структуры в полимере. Смазывающие вещества – это вещества, которые предотвращают прилипание материала к оборудованию.
Первоначальные сведения о полимерах в школьном курсе рассматриваются при изучении полимеризации этилена и пропилена (с.166, §63, Химия, 9 класс) [9], и получение в результате полиэтилена и полипропилена, но ничего не сказано об экологических проблемах производства полиолефинов.
Итак, к полиолефинам относятся полиэтилен, полипропилен, полимеры на основе α – олефинов и полиизобутилен.
Однако, производство полиэтилена, полипропилена и поливинилхлорида приносит немалые экологические проблемы для окружающей природной среды [5].
Производство полиэтилена и других полиолефинов относиться к категории пожароопасных и взрывоопасных (категория А): этилен и пропилен образуют с воздухом взрывчатые смеси. Оба мономера обладают наркотическим действием. ПДК в воздухе этилена составляет 0,05 ∙ 10 -3 кг/м3, пропилена — 0,05 ∙ 10 -3 кг/м3. Особенно опасно производство полиэтилена высокого давления (ПЭВД), поскольку оно связано с применением высокого давления и температуры. В связи с возможностью взрывного разложения этилена во время полимеризации реакторы оборудуют специальными предохранительными устройствами (мембраны) и устанавливают в боксах. Управление процессом полностью автоматизировано. При производстве полиэтилена низкого давления и полипропилена особую опасность представляет применяемый в качестве катализатора диэтилалюминийхлорид. Он отличается высокой реакционной способностью. При контакте с водой и кислородом взрывается. Все операции с металлоорганическими соединениями должны проводиться в атмосфере чистого инертного газа (очищенный азот, аргон). Небольшие количества триэтилалюминия можно хранить в запаянных ампулах из прочного стекла. Большие количества следует хранить в герметически закрытых сосудах, в среде сухого азота, либо в виде разбавленного раствора в каком-либо углеводородном растворителе (пентан, гексан, бензин – чтобы не содержали влаги). Триэтилалюминий является токсичным веществом: при вдыхании его пары действуют на легкие, при попадании на кожу возникают болезненные ожоги. В этих производствах используется также бензин. Бензин — легковоспламеняющаяся жидкость, температура вспышки для разных сортов бензина колеблется от — 50 до 28 °С. Концентрационные пределы воспламенения смеси паров бензина с воздухом составляют 2-12% (объемных). На организм человека оказывает наркотическое действие. ПДК бензина в воздухе = 10,3 ∙ 10 -3 кг/м3. Порошкообразные полиолефины образуют взрывоопасные смеси. ПДК полипропилена составляет: 0,0126 кг/м3. При транспортировании порошкообразных полиолефинов происходит образование аэрозолей и неизбежно накапливание зарядов статического электричества, что может привести к искрообразованию. Транспортирование полиолефинов по трубопроводу производят в атмосфере инертного газа. Для защиты окружающей среды все вентиляционные выбросы из производственных помещений должны подвергаться очистке на специальных установках. Сточные воды при отмывке полиэтилена низкого давления и полипропилена от остатков катализатора и продуктов его распада, а также образующиеся при регенерации промывной жидкости должны подвергаться нейтрализации и тщательной очистке на специальных очистных сооружениях.
Сходным полимером является поливинилхлорид. Если к ацетилену присоединить хлороводород, то образуется газообразное вещество винилхлорид, или хлорвинил.
Винилхлорид полимеризуется также, как и этилен. Из поливинилхлорида получают химически и механически стойкую пластмассу.
Производство и использование винилхлорида относят также к категории взрывоопасных и пожароопасных (категория А). Винилхлорид в газообразном состоянии оказывает наркотическое действие, продолжительное пребывание в помещение, в атмосфере которого содержится большое количество винилхлорида вызывает головокружение и потерю сознания. ПДК в рабочих помещениях составляет 3∙ 10-5 кг/м3. При концентрации 1 ∙ 10-4 кг/м3 вызывает раздражение слизистых оболочек, а запах начинает ощущаться даже при 2 ∙ 10-4 кг/м3. Вдыхание паров при открытом испарении мономера вызывает острое отравление. Другие мономеры используемые при производстве политетрафторэтилена, политрифторхлорэтилена, поливинилфторидов также не менее токсичны.
Знакомясь с диенами, вы получили также первоначальные знания о природном каучуке и синтетических каучуках (с.166, §63, Химия, 9 класс). Первые сведения вы получили также о природных полимерах крахмале и целлюлозе (с.175, §70, Химия, 9 класс) [9]. К сложным природным полимерам иногда причисляют и белки.
Здесь нам хотелось бы остановиться на такой важной проблеме как производство и применение биоразлагаемых пластиков на основе синтетических полимеров, рассмотренных выше и природных полимеров (крахмал, целлюлоза), изученных ранее.
Итак, биоразлагаемые полимеры представляют собой смесь широко используемых синтетических полимеров и природных полимеров, таких как крахмал, целлюлоза, лигнин, хитин и т.д. Известно, что отработавшие свой срок службы изделия из пластических масс чаще всего подвергаются утилизации захоронением в почву. При этом такие полимеры как полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и т.д. могут находиться в почве не разлагаясь в течение очень длительного времени, до десятков и сотен лет. Разложение полиэтилена в течении 10 лет происходит только на 1 %. При использовании же в разумных пределах природных полимеров, легко и экономически доступных для получения, биоразлагаемых композиций приводит к разложению отработавшего свой срок полимера под действием микроорганизмов почвы, влаги и света в течении от двух недель до нескольких месяцев. Биоразлагаемые композиции используют при производстве тары и упаковки, в медицине и во многих других отраслях промышленного производства [10-13]. Рассмотрим рис. 1-3, Приложение 1.
IV
.Закрепление знаний (5-7 мин.)
1. Что такое полимеры?
2.Как получают полиэтилен, полипропилен и поливинилхлорид (напишите уравнения реакций)?
3.Расскажите, к каким производствам относят производства полиэтилена, полипропилена и поливинилхлорида?
4. Какой вред здоровью человека могут нанести повышенное содержание этих полимеров и их мономеров в атмосфере производственных и других помещений?
5. Что такое ПДК?
6.Что такое биоразлагаемые пластики и какова область их применения?
V
.Домашнее задание (2-3 мин.)
1. Рассмотрите табл. 40 и ответьте на вопросы и выполните упражнения 1-12, §72, стр. 178-179.
2. Повторите пройденный на уроке материал и обобщите свои знания об экологических проблемах, связанных с производством и применением синтетических полимеров.
Для закрепления материала можно провести тестирование среди учащихся. В качестве тестов представлены 2 варианта вопросов, один из которых содержит вопросы экологического характера. Примеры тестов по теме «Полимеры» для учеников 9-х классов представлены в Приложении 1.
Результаты тестирования представлены на рис.1.
Рис.1.
Итак, результаты тестирования показали, что усвояемость знаний выше в 9 «Б» классе. В 9 «Б» классе был проведен урок, содержащий материал, раскрывающий экологические проблемы, возникающие при производстве и использование полимеров. Для развития дальнейшего интереса к проблемам охраны окружающей природной среды предлагаем использовать проведение различных внеклассных мероприятий. Например, ролевых игр, различных конкурсов, КВН и т.п. (Приложение 1.)
Заключение
Острота современной экологической ситуации привела к пониманию необходимости формировать новое экологическое мышление и сознание, экологизировать науки, производства, переосмыслить проблемы взаимодействия природы и общества в структуре мировоззрения, изучать основные предметы естественных наук – географию и биологию, физику и химию – в тесной связи с экологическими проблемами. Особенно глубоко должны разбираться эти проблемы при изучении химии. Очень важно решение такого вопроса как элементарная химическая подготовленность людей, ведь каждый из нас ежедневно контактирует с веществами способными нанести вред окружающей природной среде.
Исходя из вышесказанного, очевидно, что общеобразовательная школа обязана воспитывать и развивать в школьниках экологическую культуру, готовность не только потреблять блага научно-технического прогресса, но и нести ответственность за сохранение природы.
Важно, что в результате проведенного эксперимента в 9-х классах Гимназии №14 учащиеся поняли, что в решении экологических проблем они не должны чувствовать себя сторонними наблюдателями, а обязаны нести ответственность за сохранение жизни на нашей Земле.
Литература
1. Макареня А.А., Кривых С.В., Ишкова Л.В. От химического образования к междисциплинарному подходу / Химия в школе, №7, 2000 г., с.3-6.
2. Егорова Н.В. Вопросы экологического образования при изучении химии. Химия в школе, № 5, с.46-49
3.Кузнецов В.И. Г. Штаудингер: Основополагающие начала химии высокомолекулярных соединений // Химия в школе. – 2002. — №8. – с. 89-91.
4.Тугов И.И., Кострыкина Г.И. Химия и физика полимеров. М: Химия, 1989. – 432 с.: ил.
5. Быстров Г.А. Оборудование и утилизация отходов в производстве пластмасс. М.:, Химия, 1982 г.
6. Васнев В.А. Биоразлагаемые полимеры. Высокомолекулярные соединения. Серия Б. 1997. т. 39. №12., с.2073-2086
7.Фомин В.А., Гузеев В.В. Биоразлагаемые полимеры, состояние и перспективы использования. Пласт. массы. 2001., №2, с. 42-46
8.Макаревич и др. Пласт. массы, 1996, №1, с.34-36
9. Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия, учебник для 9 класса М.; Просвещение, 2002 г. -192 с.
10. Кукушкин В.Д., Семенов В.Г., Смирнов О.М., Соловьев В.П., Тулупов С.А. Эффективная утилизация пилиэтилентерефталата и других термопластов. Создание нового семейства композитов / Экология и Промышленность России – ЭкиП, сентябрь, 2005 г., с.12-15.
11. Соломин И.А., Башкин В.Н. Выбор оптимальной переработки ТБО / Экология и Промышленность России – ЭкиП, №9, 2005 г., с.42-45.
12. Адамович Б.А., Дербичев Г.Б., Дудов В.И. Новая технология уничтожения медицинских отходов / Экология и Промышленность России – ЭкиП, №3, 2005 г., с.10-13.
13. Липик В.Т., Прокопчук Н.Р. Технология сортировки бытовых полимерных отходов / Экология и Промышленность России – ЭкиП, №4,
Приложение 1
Тестовые задания по теме «Полимеры»:
Тестирование на тему: «Высокомолекулярные соединения»
1 вариант.
1. Процесс образования высокомолекулярного вещества путем соединения друг с другом исходных низкомолекулярных веществ:
а) полимеризация в) алкилирование
б) диспропорционирование г) галогенирование
2. Полимеризация олефинов в зависимости от механизма может быть двух видов:
а) радикальная и сополимерная в) радикальная и каталитическая
б) изомерная и каталитическая г) сополимерная и изомерная
3. Реакция полимеризации не характерна для:
а) альдегидов в) алкенов
б) кетонов г) алкадиенов
4. Выделяют …. стадии полимеризации:
а) 2 в) 4
б) 3 г) 5
5. Реакцию, в которую вступают смеси полимеров называют смешанной полимеризацией или:
а) димеризацией в) сополимеризацией
б) тримеризацией г) ионизацией
6. Заключительной стадией полимеризации является:
а) ингибирование в) инициирование
б) обрыв цепи г) пластификация
7. Исходные низкомолекулярные вещества в процессе полимеризации называются:
а) олигомеры в) димеры
б) мономеры г) тримеры
8. Полимеризация, которая протекает под действием протондонорных катализаторов называется:
а) катионной в) радикальной
б) анионной г) сополимерной
9. Отношение скоростей прямой и обратной реакций при полимеризации называют:
а) степенью полимеризации в) константой равновесия
б) константой растворимости г) ростом цепи
10. Цепная молекула полимера называется:
а) макромолекулой в) мегамолекулой
б) мономером г) изомером
11. Отличительной особенностью полимеров является:
а) износостойкость в) термоустойчивость
б) низкая химическая активность г) большая молекулярная масса
12. К образованию ВМС приводят:
а) полимеризация и поликонденса-ция в) ингибирование и поликонденсация
б) катализ и полимеризация г) поликонденсация и катализ
13. Процесс образования полимера из низкомолекулярного соединения, содержащего две или несколько функциональных групп с выделением простого вещества, называется:
а) поликонденсация в) полимеризация
б) олигомеризация г) димеризация
14. Величина, указывающая на число мономерных звеньев, образующих макромолекулу называется:
а) масса полимеризации в) уровень полимеризации
б) число полимеризации г) степень полимеризации
15. Если основная цепь полимера имеет боковые ответвления меньшей длины, чем основная цепь, состоящие также из элементарных звеньев, то такой полимер называется:
а) разветвленным в) пространственным
б) сетчатым г) линейным
16. Полимеры, свойства и строение которых после нагревания и последующего охлаждения не меняются, называются:
а) термоактивными в) термопластичными
б) термоэластопластичными г) термореактивными
17. Если полимер представляет собой структуры, состоящие из макромолекулярных цепей, соединенных между собой посредством поперечных мостиков, состоящих из атомов или групп атомов, то этот полимер называется:
а) разветвленным в) линейны
б) сетчатым г) кольцевым
18. При повышенных температурах полимеры подвергаются следующему виду деструкции:
а) химической в) окислительной
б) фотолитической г) термической
19. Органические соединения с двумя реакционно-способными группами является:
а) полифункциональными в) олигофункциональными
б) монофункциональными г) бифункциональными
20. Если основная цепь макромолекулы полимера содержит только атомы углерода, то этот полимер:
а) сшитый в) пространственный
б) карбоцепной г) гетероцепной
21. Реакции получения полимеров по своему характеру подразделяются на:
а) цепные и ступенчатые в) катионные, анионные и ионокоординационные
б) катионные и анионные г) свободно-радикальные и ионные
22. Беспорядочное взаимное расположение макромолекул обуславливает структуру:
а) упорядоченную в) аморфную
б) кристаллическую г) смешанную
23. Процесс, позволяющий получить изделия с большей эластичностью и меньшей хрупкостью, называется:
а) «сшивание» в) наполнением
б) пластификацией г) стабилизацией
24. … — строго определенное пространственное расположение атомов в молекуле, не изменяющееся в процессе теплового движения:
а) структура в) изомерия
б) конформация продолжение
--PAGE_BREAK--г) конфигурация
25. Полимеры, которые при нагревании приобретают пространственную структуру, необратимо теряя способность плавиться и растворяться, называются:
а) термореактивными в) сетчатыми
б) термопластичными г) термоактивными
26. Полимеры, содержащие ассиметричные атомы углероды могут быть пространственно упорядоченными, т.е.:
а) стереорегулярными в) стереонерегулярными
б) кристаллическими г) атактическими
27. Потеря первоначальных физико-химических свойств полимером с течением времени – это:
а) дегидрирование в) эксплуатация
б) старение г) пластификация
28. К природному полимеру не относится:
а) лигнин в) целлюлоза
б) гуттаперча г) тефлон
29. В зависимости от способа получения и молекулярной массы различают два вида полиэтилена:
а) плотный и пористый в) низкого и высоко давления
б) конденсационный и полиме-ризационный г) низкой и высокой температуры
30. При получении полиэтилена высокой плотности в качестве катализатора используются:
а) окись хрома в) H2SO4
б) катализатор Циглера-Наттаг) Pt, Pd
31. В полиамидных синтетических высокомолекулярных соединениях углеродные цепочки чередуются с атомами:
а) азота в) серы
б) кислорода г) кремния
32. Прозрачная пленка, получаемая из вискозы – это:
а) полиэтилен в) капрон
б) лавсан г) целлофан
2 вариант
1. Процесс образования высокомолекулярного вещества путем соединения друг с другом исходных низкомолекулярных веществ:
а) полимеризация в) алкилирование
б) диспропорционирование г) галогенирование
2. Полимеризация олефинов в зависимости от механизма может быть двух видов:
а) радикальная и сополимерная в) радикальная и каталитическая
б) изомерная и каталитическая г) сополимерная и изомерная
3. Реакция полимеризации не характерна для:
а) альдегидов в) алкенов
б) кетонов г) алкадиенов
4. Выделяют …. стадии полимеризации:
а) 2 в) 4
б) 3 г) 5
5. Реакцию, в которую вступают смеси полимеров называют смешанной полимеризацией или:
а) димеризацией в) сополимеризацией
б) тримеризацией г) ионизацией
6. Заключительной стадией полимеризации является:
а) ингибирование в) инициирование
б) обрыв цепи г) пластификация
7. Исходные низкомолекулярные вещества в процессе полимеризации называются:
а) олигомеры в) димеры
б) мономеры г) тримеры
8.Высокомолекулярные соединения, молекулы которых образуются в результате соединения множества одинаковых звеньев – это:
а) мономеры в) иономеры
б) полимеры г) электроды
9. Для улучшения механических свойств полимеров в их состав вводят:
а) разрыхлители в) катализаторы
б) наполнители г) стабилизаторы
10. Мономеры, у которых амино- и карбоксильные группы разделены четырьмя и менее метиленовыми группами (CH2), легко при нагревании образуют прочные гетероциклы и поэтому для синтеза полиамидов они:
а) не используются в) используются редко
б) используются широко г) использовались ранее
11. К синтетическим полиамидным волокнам относятся:
а) вискоза, лавсан, капрон в) только капрон
б) капрон, найлон, энант г) найлон, лавсан, капрон
12. Высокомолекулярные кремний-органические соединения придают материалам гидрофобность, т.е. образуют пленку, которая:
а) отталкивает воду в) защищает от коррозии
б) усиливает термоустойчивость г) придает негорючесть
13. Синтетические волокна особо широко применяются нами в:
а) медицине в) строительстве
б) текстильной промышленности г) металлургии
14. Высокомолекулярные соединения из которых получают лавсан – это:
а) полиен в) полиэфир
б) полиуретан г) полиол
15. Капрон получают полимеризацией:
а) этилена в) виниловых эфиров
б) формальдегида г) капрол октама
16. На основе феноло-формальдегидных смол получают:
а) фторопласты в) пеноплаты
б) фенопласты г) пентаплаты
17. При поликонденсации формальдегида с мочевиной или меламином получают:
а) фенолформальдегидные смолы в) карбомидные смолы
б) параформ г) изопрен
18. Фенолформальдегидные смолы – это продукты поликонденсации:
а) фенола и формальдегида в) фенола и ацетальдегида
б) нафтола и ацетальдегида г) нафтола и формальдегида
19. Тефлон относится к:
а) хлоропластам в) полиенам
б) полиэфирам г) фторопластам
20. Вещества, которые предотвращают прилипание полимера к оборудованию –это:
а) соосаждающие вещества в) индикаторы
б) отвердители г) смазывающие вещества
21. Каким негативным действием обладают этилен и пропилен:
а) наркотическим в) возбуждающим
б) соматическим г) успокаивающим
22. ПДК в воздухе этилена составляет:
а) 5 ∙ 10-3 кг/м3 в) 50∙ 10-3 кг/м3
б) 15 ∙ 10-3 кг/м3 г) 0,05 ∙ 10-3 кг/м3
23. Катализатор – диэтилалюминийхлорид, применяемый при производстве полипропилена считается особо опасным соединением. Почему:
а) при контакте с водой и кислородом он взрывается в) не реагирует с водой
б) не реагирует с кислородом
24. ПДК бензина в воздухе рабочей зоны составляет:
а) 10,3 ∙ 10-3 кг/м3 в) 0,103 ∙ 10-3 кг/м3
б) 103 ∙ 10-3 кг/м3 г) 1 ∙ 10-3 кг/м3
25. Биоразлагаемые полимеры – это:
а) смесь синтетических крупнотоннажных полимеров (полиэтилен, полипропилен и т.д.) в) смесь синтетических крупнотоннажных полимеров и природных полимеров (крахмал, целлюлоза и т.д.)
26. Мономером для получения поливинилхлорида является:
а) хлорэтен в) хлористый алкин
б) 1,1- дихлорэтен г) бромэтен
27. Сущность, какого процесса заключается в образовании новых поперечных связей между полимерными цепями:
а) изомеризация в) вулканизация
б) олигомеризация г) полимеризация
28. Технический продукт превращения каучука:
а) гуттаперча в) резина
б) ликопин г) латекс
29. Фамилия ученого, разработавшего промышленный метод производства бутадиенового каучука:
а) П. Карнер в) Д.И. Менделеев
б) С.В. Лебедев г) Г. Вильямс
30. Первый промышленный метод производства бутадиенового каучука был разработан в:
а) СССР в) США
б) Англии г) Германии
31. В состав силиконовых каучуков входит:
а) фосфор в) кремний
б) алюминий г) азот
32. Натуральный каучук получают из молочного сока:
а) хлебного дерева в) одуванчика
б) гивеи г) секвойи
Ролевая игра «Нас полимеров окружает рать»:
«НАС ПОЛИМЕРОВ ОКРУЖАЕТ РАТЬ»
Предлагаем Вашему вниманию разработку урока изучения и первичного закрепления нового материала в сочетании с комплексным применением знаний и умений по разделу «Углеводороды». На уроке использовано сочетание групповых и индивидуальных форм работы учащихся. В основе урока лежат такие способы эмоционального стимулирования деятельности учащихся, как познавательная игра с элементами театрализации (поэтизация фрагментов урока) и выполнение творческих заданий.
Цели и задачи урока:
повысить мотивацию учащихся к изучению химии, связав историю открытия каучука с развитием химии полимеров;
рассмотреть простейшие по составу и строению полимеры, суть реакций полимеризации;
показать взаимосвязь строения полимеров с их свойствами;
закрепить навыки работы в группе, умения применять прием разделения труда и оказывать взаимопомощь;
расширять кругозор учащихся, развивать ассоциативное мышление,
продемонстрировать взаимосвязь предметов естественного и гуманитарного циклов (химия, география, биология, экология, история, лингвистика).
Оборудование:
плакат «История полимеров», модели молекул этилена, пропилена, хлорвинила, тетрафторэтилена, стирола, выставка изделий из пластических масс и полимеров.
Раздаточный материал:
шаростержневые модели атомов, инструкционные карточки 1 и 2, коллекция «Пластмассы», информационные листы со сведениями о полимерах.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ЛИСТЫ
Поливинилхлорид
(ПВХ, полихлорвинил, вестолит, хосталит, корвик, сикрон, джеон, луковил, хелник, норвик)
Синтетический полимер.
Общая формула (-СН2-СНС1-)n.
Относительная молекулярная масса 10 ч 150 тыс.
Свойства. Твердое белое вещество, термопласт. Плотность 1,35 ч 1,43 г/см3, температура плавления 150 ч 220 °С, температура стеклования 75 + 120 °С, предел прочности при растяжении 55 ч 70 МП а. Не растворяется в воде, спиртах, углеводородах, растворим в циклогексаноне, ограниченно растворим в бензоле и ацетоне. Стоек в растворах щелочей, кислот, солей, трудногорюч.
Применение. Для изготовления электроизоляциипроводов и кабелей, листов, труб, пленки, искусственной кожи (сапоги, перчатки, плащи), настилов (для полов, клеенок, скатертей, игрушек, поливинилхлоридного волокна, пенополивинилхлорида.
Полипропилен
(хоастален, данлай, моплен, новолен, олеформ пропатен, профакс)
Синтетический полимер.
Общая формула
Относительная молекулярная масса 300 ч 700 тыс..
Свойства. Бесцветное, полупрозрачное вещество, термопласт. Плотность 0,905 ч 0,920 г/см3, температуpaплавления 160 ч176 °С, предел прочности при растяжении 24 ч 40 МПа, относительное удлинение 200 ч 800 %, максимальная температура эксплуатации120 ч 140 °С. Устойчив в воде (даже в кипящей) и в и агрессивных неорганических растворителях (кроме сильных окислителей), выше 80 °С набухает в органических растворителях и разрушается. Имеет высокую стойкость к многократным изгибам и истиранию, высокую степень кристаллизации, хорошие диэлектрические свойства, низкую паро- и газопроницаемость. В тонком слое не поглощает ультрафиолетовые лучи.
Применение. Для изготовления нетонущих канатов, сетей, фильтровальных и бытовых изделий (флаконы, крышки, канистры), покрытий для теплиц, емкостей, изоляционных материалов.
Полиэтилен
Синтетический полимер.
Общая формула (—СН2—СН2—)n.
Свойства. Бесцветное полупрозрачное вещество, термопласт. Температура хрупкости от -60 до -269 °С. При температуре более 80 °С растворяется в углеводородах и их галогенопроизводных Химически стоек, но не в окислителях, стоек к действию радиоактивного излучения. Температура самовоспламенения 400 °С (в порошкообразном состоянии образует с воздухом взрывоопасные смеси). Имеет низкую газо-и паропроницаемость. Не поглощает ультрафиолетовые лучи.
В зависимости от способа получения различают полиэтилен высокого и низкого давления (табл. 1).
Таблица 1
Свойства
Полиэтилен
высокого давления
низкого давления
Относительная молекулярная масса
50 ч 800 тыс.
50 тыс. ч 3 млн
Плотность, г/см3
0,913 ч 0,934
0,919 ч 0,973
Температура плавления, °С
102 ч 105
125 ч 137
Предел прочности при растяжении, МПа
7 ч 17
15 ч 45
Относительное удлинение, %
100 ч 800
100 ч 1200
Применение. Для изготовления различных медицинских, электротехнических изделий, деталей для машиностроения, тепло- и электроизоляционных пленок, трубок и кабелей, антикоррозионных покрытий и покрытий для теплиц, труб и емкостей для агрессивных жидкостей, пакетов, сумок, крышек, банок, флаконов.
Политетрафторэтилен
(фторопласт-4, фторлон-4, тефлон, сорефлон, хостафлон, флюон)
Синтетический полимер.
Общая формула (—CF2—CF2—)n.
Относительная молекулярная масса 20 тыс. ч 10 млн.
Свойства. Твердое вещество молочно-белого цвета, термопласт. Плотность 2,15 ч2,24 г/см3, температура плавления 327 °С, температура разложения — более 415 °С, предел прочности при растяжении 13,7 ч 29,4 МПа, относительное удлинение 250 ч 500 %, температура эксплуатации — от -269 до 260 °С (без нагрузки). Не растворяется ине набухает в органических растворителях. Эластичен и хладотекуч, не поглощает воду. Устойчив к воздействию атмосферы, химически стоек, абсолютно устойчив к действию кислот, окислителей и щелочей, не горит. Обладает высокими диэлектрическими свойствами.
Применение. Для изготовления электроизоляционных пленок и трубок, тонкостенных труб и шлангов, антифрикционных деталей, оболочек кабелей, протезов органов человека, для пропитки и покрытия металлов, как наполнитель для пластмасс и каучуков, загуститель консистентных смазок для агрессивных сред.
Ход урока.
Учащиеся рассаживаются группами по периметру класса. В центре располагается выставка изделий из пластмасс, на столе учителя выставка изделий из самых разнообразных полимеров.
Учитель.
Друзья! Приятна встреча с вами!
Полна надежды я и веры,
Что вместе мы не заскучаем.
Урока тема — «Полимеры».
Урок начинается с беглого опроса учащихся по разделу «Углеводороды».
Вопросы
Какие углеводороды вы знаете?
Какие из них способны вступать в реакцию полимеризации?
Почему именно из этих углеводородов можно получить полимеры?
Могут ли образовывать полимеры галогенпроизводные непредельных углеводородов?
Прежде чем приступить к изучению полимеров, учитель предлагает ролевую игру «Знакомство цивилизованного мира с каучуком».
Учащиеся делятся на группы:
«мореплаватели», «индейцы», «европейцы» («дети», «родители», «торговцы», «ученые»).
«Индейцы» и «мореплаватели» выходят из класса, помощник учителя ставит с ними сценку. В это время учитель объясняет «европейцам» их задания по группам и дает 1-2 мин на подготовку.
Учитель.
1493 год.
Через Атлантику идет
Вторая-экспедиция. Колумб опять ее ведет
Безбрежными границами.
Входят «мореплаватели» во главе с Колумбом.
Америка! Америка!
Приплыли на Гаити.
В кабинет под музыку заходят «индейцы», играя с маленьким резиновым мячиком.
Бегут индейцы к берегу
И европейцы видят:
Они играют с шариком,
И шарик этот скачет.
Любого — млад иль старенький -
Такое озадачит.
«Мореплаватели» расспрашивают «индейцев» об этом скачущем предмете, а те, в свою очередь, показывают жестами, как получают такой шарик. Один из «индейцев» изображает дерево гевею, второй показывает, как его надрезают и собирают млечный сок (латекс), а третий объясняет, что это «као-о-чу» — «слезы» дерева. «Европейцы» произносят слово по-своему: «Каучук». Получив в подарок от «индейцев» шарик, они «возвращаются в Европу» — садятся на свои места.
Учитель с мячиком в руках подходит к каждой группе учащихся, и ребята выражают свою реакцию на этот чудесный новый предмет. «Дети» восхищаются, удивляются, спрашивают, из чего он сделан, просят «родителей» купить его. «Родители» интересуются его свойствами и ценой. «Торговцы» соображают, как организовать поставки, и, собираясь приступить к торговле такими шариками, интересуются, можно ли их найти где-то поближе, чем в Америке. «Ученые» заинтересованы удивительными свойствами материала, из которого состоит шарик, ставят перед собой задачу изучить свойства, состав и строение его молекул. У них возникает мысль о получении подобного вещества искусственным путем.
По окончании игры учитель подводит итог, делает акцент на заключении «ученых», по существу ставящих проблему, которую можно выразить схемой 1.
продолжение
--PAGE_BREAK--