Разработка школьного элективного курса "Полимеры вокруг нас"

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 е - 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) - ]_n получают 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 -]_n получают 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:

1. мягкий и эластичный пластифицированный полимер - пластикат;

2. жесткий непластифицированный полимер, смешанный с 2 - 3% стабилизатора - винипласт.

Винипласт представляет собой твердый упругий продукт с высокой прочностью на удар и сравнительно хорошими механическими свойствами. Их массы, полученной вальцеванием порошкообразного полимера со стабилизаторами, формуют листы, пленки, трубы, вентили, детали насосов т.д.; которые могут эксплуатироваться при температурах, не превышающих 50 - 60^оС. Винипласт сваривается, склеивается и хорошо перерабатывается механическими методами; им можно футеровать электролизные ванны, резервуары кислот и другие сосуды.

Для производства перчаток, галош, обуви, плащей и т.д. широкое применение нашли поливинилхлоридные пасты, представляющие собой тонкодисперсионного полимера в пластификаторе. Вследствие сравнительно небольшой вязкости и липкости таких паст их можно наносить в виде тонкого слоя на ткань, бумагу, кожу или форму. На холоде паста долгое время практически не меняется, при нагревании же происходит быстрое набухание полимера и превращение пасты в монолитную прочную и эластичную пленку. Поливинилхлорид используется также для изготовления мягких и жестких пенопластов.

Методом экструзии (выдавливания) из ПВХ можно получать различные строительные изделия: плинтусы, карнизы, дверные ручки и т.д. Также ПВХ используют для производства линолеума. Из растворов ПВХ формуют поливинилхлоридное волокно - хлорин, которое применяют в производстве фильтровальных и негорючих тканей, спецодежды, нетканых материалов, а в смеси с другими волокнами - для изготовления ковров, искусственной кожи, пушистых трикотажных изделий.

Поливинилацетат (ПВА) [ - СН₂ - СН(ОСОСН₃) - ]_n получают радикальной полимеризацией винилацетата.

ПВА - твердый, бесцветный и прозрачный полимер, имеющий низкую термостойкость (размягчается при 40^оС). Набухает в воде, растворяется в органических растворителях. Является сырьем для получения поливинилового спирта. Благодаря высокой адгезии ко многим материалам (стеклу, металлам, древесине и д.р.) ПВА в виде дисперсии часто входит в состав лаков и клеев, а также применяют для покрытия дерева, ткани, бумаги (моющиеся обои), керамики - для придания им гидрофобных свойств. Поливинилацетатная дисперсия (ПВАД) входит в состав высокоэмульсионных красок. ПВА - основа клеев и связующее при изготовлении полимербетонов.

Полиметилметакрилат («органическое стекло» или «плексиглас»)

[ - СН₂ - С(СН₃)(СООСН₃) - ]_n получают радикальной полимеризацией метилметакрилата.

Полиметилметакрилата - прозрачный полимер, стойкий к действию агрессивных веществ. Термопластичен. Обладает способностью пропускать 74% ультрафиолетового излучения (для сравнения: кварцевое стекло пропускает 100%, а обычное силикатное-оконное - 0,6%). Полимер способен окрашиваться во многие цвета. Полиметилметакрилат используют в производстве высокопрочных стекол для остекления салонов самолетов, машин и при выработке часовых и оптических стекол. Полимер применяют в зубопротезной практике.

Политетрафторэтилен (тефлон или фторопласт - 4) [ - СF₂ - СF₂ - ]_n получают радикальной полимеризацией тетрафторэтилена.

Фторопласт - 4 - сероватый, тяжелый полимер, обладающий хорошими диэлектрическими свойствами. Гидрофобен. Имеет высокую механическую прочность и химическую стойкость. Пластичен, дает самые тонкие пленки. Применяют в производстве электроизоляционных пленок, подшипников, уплотнителей, поршневых колец, труб, прокладок, протезов органов человека. Политетрафторэтиленовая суспензия служит для нанесения антикоррозионных, антифрикционных и электроизоляционных покрытий на металлы.

Эпоксидные полимеры (смолы).

Такие полимеры могут быть в виде вязких жидкостей или твердых хрупких веществ. Эпоксидные полимеры характеризуются значительной атмосферо и влагостойкостью, а также инертностью ко многим химическим и агрессивным соединениям. Обладают прекрасной адгезией к металлам, древесине, бетонам, пластмассам. Применяют для создания пленкообразных лаков. Они являются основой клеев, герметиков, служат в качестве связующих для армированных пластиков. Будучи безвредными для человека, они могут служить для защиты стенок консервной тары.

Фенолоформальдегидные полимеры.

Эти полимеры получают поликонденсацией фенола с формальдегидом. Присоединяясь к фенолу, формальдегид вначале образует спирты:

Затем следует поликонденсация фенолоспиртов с выделением воды:

При кислотном катализе при взаимодействии фенола и формальдегида образуется линейный полимер - новолак:

Новолаки используют для производства лаков и прессовочных порошков.

При поликонденсации фенола с избытком формальдегида в щелочной среде получают разветвленные полимеры - резолы:

или пространственные полимеры - резиты.

Резолы находят применение в производстве пластмасс с наполнителями (фенопласты). Из них формуют различные изделия, а также используют для изготовления слоистых пластиков, пропитывая резолом материал (текстолит) или бумагу (гетинакс). Резольные полимеры идут на производство лаков, пресспорошков, клея БФ. Фенолоформальдегидные полимеры обладают высокой химической и механической стойкостью. Поэтому они используются для производства некоторых деталей автомашин, электрооборудования, телефонной и телевизионной аппаратуры.

К природным полимерам относят белки и нуклеиновые кислоты, целлюлозу и ее производные, крахмал, каучук.

Целлюлоза [ С₆Н₉О₄(ОН)]_n и ее производные.

1. целлюлоза или клетчатка , - главная составная часть оболочек растительных клеток, выполняющая функцию конструкционного материала. Целлюлоза в чистом виде обычно не встречается, но волокна хлопчатника (очищенная вата) и фильтровальная бумага могут служить образцом почти чистой целлюлозы (до 96%).

2. по своему строению целлюлоза представляет собой линейный полимер. Целлюлоза входит в состав многих наполнителей и непосредственно используется в производстве текстильных материалов и бумаги, она также подвергается химическим превращениям с целью получения искусственного волокна, пластических масс, лаков, красок.

3. при обработке целлюлозы концентрированным раствором щелочи получают щелочную целлюлозу:

[ C₆H₇O₂(OH)₃]_n + nNaOH = [ C₆H₇O₂(OH)₂ONa]_n + nH₂O

Такая целлюлоза используется в качестве промежуточного продукта для производства ксантогената целлюлозы, который служит для получения вискозного волокна:

S

[ C₆H₇O₂(OH)₂ONa]_n ^nCS2 [C₆H₇O₂(OH)₂ - O - C - SNa]_n

^{ксантогенат целлюлозы}

Волокно получают продавливанием через фильеру (насадка с мелкими отверстиями) щелочного раствора ксантогената в раствор серной кислоты. При этом целлюлоза регенерируется и одновременно образуются тонкие нити. Если вискозу, пластифицированную глицерином, продавливать через узкие прорези в осадительный раствор, то получают тонкий прозрачный лист - целлофан.

4. нитроцеллюлоза [C₆H₇O₂(OH)(ONO₂)₂]_n - синтезируется путем обработки целлюлозы смесью серной и азотной кислот.

Несмотря на легкую воспламеняемость и нестабильность, до сих пор используется в сочетании с пластификаторами (дибутилфталат, камфора), а иногда с наполнителями для производства целлулоида и быстро высыхающих нитролаков. Целлулоид перерабатывается в изделия выдуванием листового материала и методом экструзии. Нитролаки, содержащие, кроме перечисленных компонентов, смолы и высыхающие масла, применяются для покрытия мебели, металлических предметов, тканей и т.д.

Для получения высококачественного ацетатного волокна служат главным образом ацетаты целлюлозы [ C₆H₇O₂ (OОС - СН₃)₃]_n; прядение ведется из растворов полимера. Благодаря их трудной воспламеняемости ацетатами часто заменяют нитраты в производстве кинопленки. Пластифицированный ацетат перерабатывается в изделия с высокой ударной прочностью методами литья под давлением, прессования и экструзии.

Наибольшее практическое значение среди простых эфиров целлюлозы имеет этилцеллюлоза [ C₆H₇O₂(OСH₂ - С₆Н₅)₃]_n. Этот эфир трудно воспламеняется, хорошо формуется, изделия из него имеют высокую прочность на удар, сохраняя гибкость и упругость до - 40⁰ С.

Водорастворимая метилцеллюлоза [ C₆H₇O₂(OH)₂(OСН₃)]_n. Используется в качестве загустителя для пищевых продуктов, а также как эмульгатор и клей.

Крахмал (С₆Н₁₀О₅)_n - самый распространенный в природе полисахарид, играющий роль резервного вещества многих растений. Он является главным компонентом картофеля, риса, пшеницы и кукурузы. Основное количество крахмала получается из клубней картофеля.

Крахмал представляет собой смесь полисахаридов двух типов: растворимой в воде амилозы (20 - 30%) и нерастворимого амилопектина (70 - 80%).

Крахмал ценный пищевой продукт. Применяется он и в химической промышленности. Например, кислотный гидролиз крахмала (при кипячении) служит промышленным методом получения глюкозы. Крахмал является сырьем для производства этилового и н-бутилового спиртов, ацетона, молочной и лимонной кислот, глицерина и других продуктов. Он используется для проклеивания бумаги и картона, производства декстринов и клеев. Ацилированный крахмал применяют для приготовления покрытий и загустителей. Алкильные производные крахмала используют в качестве пластификаторов и клеев.

Каучук (С₅Н₈)_n - относится к эластомерам. Каучуки делят на натуральный (природный) и синтетические.

Натуральный каучук - природный непредельный полимер, представляет собой высокоэластичную массу, получаемого из млечного сока (латекса - взвесь мельчайших частичек каучука в воде) некоторых тропических деревьев (гевеи бразильской и др.) и растений (кок - сагыз, тау - сагыз, гваюла). Наиболее важным отличием натурального каучука является его высокая эластичность - способность к большому растяжению под действием внешней нагрузки и восстановлению своей формы после ее снятия. Натуральный каучук растворяется во многих углеводородах, образуя вязкие растворы.

Установлено, сто структурной единицей натурального каучука является изопреновая группировка:

- СН₂ - С = СН - СН₂ -

СН₃

Другими словами, натуральный каучук - полимер изопрена.

Другой разновидностью полимера изопрена является гуттаперча. В отличие от каучука она не обладает эластичностью причина этого в различном строении макромолекул этих природных полимеров.

Каучук - пластический материал. Изделия из него обладают рядом недостатков: при повышении температуры становятся липкими, теряют форму, а при низкой температуре - эластичность. Поэтому каучук нельзя использовать непосредственно. Для придания каучукам прочностных свойств, эластичности и термостойкости их подвергают обработке серой - вулканизируют (процесс протекает в специальных аппаратах при 140 - 180 ⁰С). В результате каучук превращается в технический продукт - резину, которая содержит около 5% серы. Ее роль состоит в том, что она «сшивает» между собой макромолекулы каучука, образуя сетчатую структуру. Кроме серы в резину входят также различные наполнители, пластификаторы, красители, антиокислители (антиоксиданты) и др.

Высокая потребность промышленности каучуке привела к тому, что большая часть его производится синтетическим путем. Некоторые сорта синтетического каучука не уступают натуральному, а по некоторым свойствам даже превосходят его.

Темы докладов:

1. Применение полиэтиленов в промышленности и в быту. ПЭНД и ПЭВД.

2. Полипропилен: получение и применение.

3. Полиизобутилен. Каучук (природный и синтетический)

4. Полистирол.

5. Поливинилхлорид.

6. ПВА.

7. Полиметилметакрилат и тефлон.

8. Эпоксидные смолы. Клеи.

9. Фенолформальдегидные полимеры.

10. Целлюлоза и ее производные. Крахмал.

Тема 6. Биополимеры

Биополимеры - это хорошо известные вам белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты.

Белки - это биополимеры, состоящие из остатков Ь - аминокислот. В белках выделяют 4 уровня структур:

Первичную структуру белков можно рассматривать как линейную структуру. Она определяется порядком чередования остатков молекул аминокислот в полипептидной цепи и обуславливает белковую индивидуальность всех живых организмов на земле. Как из букв алфавита можно построить бесконечное количество слов, так и их немногим более чем 20 Ь - аминокислот природа создает все многообразие белков. У каждого организма свой неповторимый, как рисунок отпечатков пальцев, набор белковых молекул. На неприятии «чужих» белковых наборов (например, микробных) основана такая защитная реакция организма, как иммунитет и отторжение.

Вторичная структура белка (чаще всего спиралевидная) определяется особенностями скручивания (типом укладки) полипептидных цепей белковых молекул в спираль за счет возникновения водородных связей между группами - NH - и - С = О (рис. 2).

Третичная структура белков (клубочковидная или глобулярная) определяется пространственным расположением белковых спиралей за счет возникновения водородных, амидных и дисульфидных связей. Третичная структура в виде определенной пространственной конфигурации с выступами и впадинами, с обращенными наружу функциональными группами обуславливает специфическую биологическую активность белковой молекулы (рис.3).

Некоторые белки, например, гемоглобин, имеют четвертичную структуру. Четвертичная структура относится к макромолекулам, в состав которых входит несколько полипептидных цепей. Эта структура соответствует размещению в пространстве полипептидных цепей, не связанных между собой ковалентными связями.

Полисахариды - это биополимеры, состоящие из остатков моносахаридов.

Представителями полисахаридов являются крахмал и целлюлоза. И опять можно убедиться в том, насколько важное значение имеет пространственное строение для свойств веществ. Ведь в основе столь разительных отличий крахмала и целлюлозы, имеющих общую формулу (С₆Н₁₀О₅)n, лежит тот факт, что крахмал - ценное питательное вещество, запасной углевод растительной клетки - построен из остатков молекул Ь - глюкозы, а целлюлоза - дополнительная механическая оболочка растительной клетки - построена из остатков молекул в - глюкозы.

Полинуклеотиды, или нуклеиновые кислоты, - это биополимеры, состоящие из остатков нуклеотидов.

Подобно молекулам белков, нуклеиновых кислоты также характеризуются последовательностью чередования в их макромолекуле всего четырех видов нуклеотидов - аденинового (А), гуанинового (Г), цитозинового (Ц) (в молекуле любой нуклеиновой кислоты), урацилового (У) - в РНК или тиминового (Т) - в ДНК.

Макромолекулы ДНК представляют собой спираль, состоящую из двух цепей, закрученных вокруг общей оси. Это их вторичная структура. В поддержание ее, как и в белка, важная роль принадлежит водородным связям. Образуются они между азотными основаниями разных цепей молекулы, располагающимися, в отличие от радикалов белковых молекул, не снаружи, а внутри спирали (рис. 4).

Нуклеиновые кислоты - РНК и ДНК выполняют важнейшую роль в хранении и передаче наследственной информации организма, в биосинтезе белка. Изучение биополимеров, особенно белков и нуклеиновых кислот, привело к созданию новых наук - биоорганическая химия, молекулярная биология, генная инженерия, открывающих перед человечеством неисчерпаемые возможности глубокого проникновения в тайны жизни и все более широкого использования постигаемых закономерностей в практических целях.

Зачетное занятие по курсу «Полимеры вокруг нас»

I вариант.

1. Какие вещества называют полимерами?

2. Какая реакция называется реакцией полимеризации? Приведите примеры данной реакции.

3. Дайте определения:

а. структурное звено - это

б. белки - это

в. нуклеиновые кислоты - это

г. пластмассы - это

4. Укажите мономеры:

а. бутадиенового каучука

б. изопренового каучука

5. Определите среднечисловую и средневесовую молекулярные массы системы, содержащей по N молекул с молекулярными массами 100, 200, 300.

II вариант.

1. На какие группы классифицируют по происхождению ВМС?

2. Какая реакция называется реакцией поликонденсации? Приведите примеры данной реакции.

3. Дайте определение:

а. мономер - это

б. полисахариды - это

в. волокна - это

г. степень полимеризации - это

4. Напишите формулы элементарных звеньев в молекулах:

а. бутадиенового каучука

б. изопренового каучука

5. Определите среднечисловую и средневесовую молекулярные массы системы, состоящей из 100 молекул с молекулярной массой m = 100; 20 с m = 500 и 50 молекул с m = 200.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В дипломной работе на тему «Разработка школьного элективного курса «Полимеры вокруг нас»» мы проанализировали учебно - методические комплекты разных авторов. Разработали школьный элективный курс на тему «Полимеры вокруг нас», который рассчитан на 16 часов. Программа элективного курса предусматривает изучение теоретических вопросов, проведение практических работ, экскурсий.

В дипломной работе мы представили школьную лекцию на тему «Волокна», конференцию на тему «Получение и применение наиболее важных синтетических и природных полимеров, практические работы, а также разработали задания текущего контроля.

На базе МОУ ср. школы № 66 мы организовали и провели экскурсию на «Фабрику игрушек», где учащиеся познакомились с технологией производства кукол из поливинилхлоридного материала (поливинилхлоридный пластикат марки «Пластизоль Д - 17 И») и технологией производства пластмассовых игрушек. Экскурсия способствовала развитию познавательного интереса у учащихся.

Выводы:

1. проведен анализ учебно - методических комплектов разных авторов

2. разработан школьный элективный курс на тему «Полимеры вокруг нас».

3. организована и проведена экскурсия на «Фабрику игрушек».

ЛИТЕРАТУРА

1. Габриелян О. С. Химия. 9 класс. - М.: Дрофа, 2002. - 224 с.

2. Габриелян О. С. Химия. 10 класс. - М.: Дрофа, 2005. - 189 с.

3. Габриелян О. С., Лысова Г. Г. Химия. 11 класс. - М.: Дрофа, 2005. - 362 с.

4. Гузей Л. С., Суровцева Р. П., Лысова Г. Г. Химия. 11 класс - М.: Дрофа, 2002. - 240 с.

5. Ермаков Д. С., Муравлянская Ю. Д., Рыбкина Т. И. Элективные курсы по химии для профильного обучения //Химия. Методика преподавания. - 2005. - №5. - стр. 61 - 66.

6. Запольских Г. Ю. Элективный курс «Химия в быту». // Химия в школе. - 2005. - №5. - стр. 25 - 28.

7. Иванова Р. Г., Каверина А. А., Корощенко А. С. Уроки химии в 10 - 11 классах: методическое пособие для учителя. - М.: Просвещение, 2000. - 190 с.

8. Логинова О. Б. От «углубленки» к профильному обучению. //Химия в школе. - 2006. - №2. - стр. 14 - 17.

9. Об основных итогах первого этапа эксперимента по введению профильного обучения. // Химия в школе. - 2005. - №2. - стр. 3 - 5

10. Программы для общеобразовательных учреждений: Химия. 8 - 11 классы: общая, неорганическая, органическая / Министерство образования РФ. - М.: Дрофа, 2001. - 287 с.

11. Сборник инструктивно - методических материалов по организации предпрофильной подготовки учащихся основной школы. Часть 1. / Министерство образования РФ. Министерство образования Пензенской области - Пензенский областной институт повышения квалификации и переподготовки работников образования. - Пенза: 2004. - 79 с.

12. Суматохин С. В. О преподавании химии в условиях модернизации образования в 2003/04 учебном году.// Химия в школе. - 2003. - №5. - стр. 2 - 7.

13. Суматохин С. В. Об использовании учебников и пособий по химии в 2004/05 учебном году. // Химия в школе. - 2004. - №6. - стр. 2 - 6.

14. Тематическое приложение к журналу «Вестник образования»/ Профильное обучение. Часть 1/ Министерство образования и науки РФ. - М.: Просвещение, 2004. - №4 - 139с.

15. Элективные курсы в профильном обучении / Министерство образования РФ - Национальный фонд подготовки кадров. - М.: Вита - Пресс, 2004. - 144 с.