Натуральный каучукИнтегрированный урок-семинар • 10 классДанный урок является средством активизации познавательной (рефлексивной) деятельности старшеклассников и способствует актуализации межпредметных связей в системе наук «химия – биология – география – история». Цели. Образовательная: изучить природное происхождение, химическое строение, свойства и практическое значение натурального каучука. Воспитательная: познакомиться с историей открытия и применения каучука человеком, с ролью знаменитых людей прошлого в распространении этого вещества. Развивающая: совершенствовать умения ра- ботать с учебной, научно-популярной, справочной литературой, выступать с сообщениями по предложенной теме, объективно оценивать результаты учебной деятельности одноклассников. Вопросы для самостоятельной подготовки учащихся к семинару 1. Расскажите об истории открытия натурального каучука и знакомства европейцев с его свойствами. 2. Дайте биологическую характеристику растения гевея бразильская, являющегося главным источником натурального каучука. 3. Сравните химическое строение и физические свойства каучука и гуттаперчи. 4. Расскажите о начале промышленного использования каучука. 5. Расскажите об изобретении способа вулканизации каучука и о химической реакции, лежащей в основе получения резины. ХОД УРОКА Учитель. На предыдущих занятиях мы изучали гомологический ряд диеновых углеводородов (алкадиенов). Практическое значение этих веществ заключается в том, что путем их полимеризации можно получить синтетические каучуки, из которых, в свою очередь, производят резину. Наряду с каучуками синтетического происхождения существует и натуральный (природный) каучук, обладающий ценными свойствами. Далее учитель сообщает учащимся цели занятия и предлагает высказаться по вопросам, вынесенным для обсуждения заранее. Сообщения учащихся 1-й ученик. Человек познакомился с каучуком очень давно. В силезских бурых углях найдено смолистое вещество, очень похожее на каучук. Это доказывает, что в каменноугольный период в Средней Европе росли каучуконосные деревья. В тропических странах и сейчас растут деревья, дающие каучук. Следовательно, в этих странах человек давно должен был встретиться с ним. Однако Древний мир, о котором сохранилось много памятников, не оставил нам никаких сведений о каучуке. Даже в Египте, соседствующим с тропической Африкой, по-видимому, о каучуке не знали. В тропических же странах Америки, например в Мексике, во время раскопок были найдены резиновые мячи. Данный факт доказывает, что древние индейцы знали о существовании каучука, хотя широко и не использовали этот уникальный природный материал. Лишь майя научились делать из каучука резиновые мячи эллипсоидальной формы и впервые в истории изобрели игру, напоминающую футбол. Поскольку каучук очень плотный, то мяч получался весьма тяжелым. Таким мячом можно было нанести серьезные увечья, поэтому игроки отбивали его не ступней, а бедром. Майя придавали игре гораздо больший смысл, чем наши современники: этот мяч служил у них и для ритуальных целей. Скорее всего особое свойство каучуковых мячей отскакивать от твердых поверхностей послужило поводом считать этот материал чудесным. Само слово «каучук» было придумано индейцами. Оно означает в переводе «слезы дерева», или «плачущее дерево», потому что сочащийся из поврежденного ствола дерева-каучуконоса сок напоминал индейцам слезы. А вот современным фермерам тропических стран этот сок напоминает коровье молоко, отчего во многих регионах его называют «резиновое молоко».
Именно за игрой в мяч застали спутники известного путешественника Христофора Колумба жителей острова Гаити. Интересен тот факт, что эта игра сохранилась у них до настоящего времени. Европейцы, конечно, тоже были поражены необычными свойствами мяча и стали расспрашивать, откуда берется такое странное вещество. Полученные сведения записаны в трудах испанских историков начала XVII в., и из них мы узнали, что вещество, из которого делают мячи, получают из сока особого дерева. По-видимому, испанцев удовлетворяли эти сведения, и они не простирали далее своего любопытства. Образцы каучука были привезены Колумбом в Европу и хранились в музеях как редкость. В первой четверти XVIII в. Французская академия наук снарядила в Южную Америку экспедицию для измерения длины меридиана. В состав экспедиции вошел энергичный ученый – астроном и геодезист – Ш.М. де ла Кондамин, который решил воспользоваться пребыванием в новых странах, чтобы подробно изучить их достопримечательности. Заинтересовавшись каучуком, он разузнал о его добыче и применении в Бразилии. Его записки очень поучительны в этом отношении. Они вышли в 1735 г., и из них мы узнаем следующее. Дерево, из которого добывался каучук, носит название H e v e. При его подсечке вытекает белый млечный сок, высыхающий на воздухе и темнеющий при этом. Им пропитывали ткани для придания водонепроницаемости, изготовляли факелы из засохшей смолы, а также получали особые бутылочки в виде спринцовок. Эти спринцовки, или, как их называют по-португальски, серинги, делали так: глиняную форму в виде груши обмазывали соком дерева гевеи и затем коптили в горячем дыму костра. Когда один слой обсыхал, повторяли обмазку снова, покрывая спринцовку новым слоем каучука до тех пор, пока не достигалась желаемая толщина стенок. Затем внутреннюю глину размывали в воде и удаляли, после чего получался полый эластичный сосуд, из которого можно было выбрасывать воду на большую высоту… 2-й ученик. Гевея бразильская (Hevea brasiliensis), или каучуковое дерево, – типичный представитель южноамериканских тропических лесов. Родиной этого растения является Латинская Америка – берега реки Амазонки. Семейство: молочайные. Внешние признаки: дерево высотой до 30–40 м; ствол в верхней части раздвоен; листья тройчатосложные; цветки мелкие, однополые, однодомные, собраны в сложные метельчатые соцветия; плод коробочковидный, распадается на три односемянные доли; семена крупные, покрыты плотной коричневой оболочкой с белым налетом. Если надрезать кору дерева, из нее начинает выделяться белый млечный сок, который называется латексом. Через некоторое время сок затвердевает и образует твердое пластичное вещество, широко используемое при производстве резиновых изделий, – натуральный каучук. Время цветения: июнь–июль. Распространенность: гевея бразильская и другие виды произрастают в диком состояниии в Южной Америке; область культивирования гевеи – тропическая Азия, преимущественно остров Шри-Ланка, полуостров Малакка и Малайский архипелаг, а также некоторые африканские страны.
В Южной Америке каучуковое дерево выращивают начиная с периода колонизации индейских земель. Первые плантации каучуковых деревьев были засажены европейцами. Работали на этих плантациях в основном индейцы. В настоящее время на каучуковых плантациях преимущественно разводится именно гевея бразильская. В мировом промышленном производстве натурального каучука доля сырья, полученного от гевеи бразильской, составляет более 90%. 3-й ученик. Если поместить образец натурального каучука в пробирку, закрыть ее пробкой с газоотводной трубкой, конец которой опущен в другую пробирку, и длительное время нагревать, то будет происходить процесс разложения каучука (деполимеризация). Жидкие продукты разложения собираются в пустой пробирке. Если прилить к ним бромную воду, она обесцвечивается, что доказывает непредельный характер полученных соединений. Экспериментально доказано, что в основном это изопрен, или 2-метилбутадиен-1,3: СН2=С(СН3)–СН=СН2. Следовательно, макромолекулы натурального каучука состоят из множества повторяющихся остатков молекул изопрена. Характерно, что в макромолекуле натурального каучука группы СН2 находятся по одну сторону двойных связей (цис-форма) и мономерные изопреновые звенья регулярно повторяются. Такое пространственное строение молекул полимеров называется стереорегулярным. Оказалось, что именно такое строение молекул придает натуральному каучуку эластичность – способность растягиваться и сжиматься под действием внешней силы, а затем восстанавливать прежнюю форму, а также стойкость к износу. Эти свойства необходимы для производства высококачественных автомобильных и авиационных шин. Ценным свойством каучука является также водо- и газонепроницаемость. Кроме того, он хороший электроизолятор. Каучук практически не растворяется в воде, плохо растворяется в этиловом спирте, а в сероуглероде, хлороформе и бензине он сначала набухает, а затем растворяется. При повышенной температуре каучук становится мягким и липким, а на холоде – твердым и хрупким. При длительном хранении натуральный каучук твердеет. Наряду с цис-полиизопреном в природе встречается и полимер стереонерегулярного строения – транс-полиизопрен, называемый гуттаперчей. Из-за неупорядоченного пространственного строения гуттаперча обладает значительно меньшей эластичностью, стойкостью к износу, водо- и газонепроницаемостью по сравнению с каучуком.
4-й ученик. В Англии с введением газового освещения в городах на газовых заводах начало скапливаться довольно много жидких побочных продуктов сухой перегонки каменного угля. Эти продукты под названием сольвент-нафта* могли растворять каучук, поэтому один из фабрикантов, химик и изобретатель Чарльз Макинтош, закупил всю сольвент-нафту с газовых заводов г. Глазго, чтобы использовать ее для изготовления непромокаемой одежды. Растворяя в ней каучук, он покрывал такими растворами ткани. C того времени непромокаемые пальто называются макинтошами. Однако вскоре обнаружилось, что изготовленная таким образом одежда имеет существенные недостатки: при холодной погоде ткань становилась жесткой и ломкой, а в жару, наоборот, делалась липкой и неудобной. Кроме того, масла, жиры, нефть, скипидар и другие жидкости легко ее портили. Все эти недостатки не удивляют нас теперь, т.к. мы знаем, что сырой, не вулканизированный каучук обладает ими в полной мере. Помимо изготовления тканей резиновая отрасль промышленности выпускала и другие изделия. Описание Ла-Кондамином способа получения бутылок и обуви при помощи соответствующих глиняных и деревянных форм побудило использовать каучуковый млечный сок в промышленном масштабе. Началось это так. В 1823 г. некий Томас Уэльс из Бостона привез как курьез несколько пар бразильских галош. Они, однако, не получили одобрения. При нагревании они растягивались чуть ли не до колен и вообще служили поводом для насмешек и карикатур. Уэльс не пал духом: он послал в Бразилию хорошие колодки, и уже с 1824 г. новые галоши начали понемногу находить сбыт. В промежутке между 1836 и 1850 г. таких галош было вывезено из Бразилии в Нью-Йорк около 1,5 млн пар, а в Европу примерно 1 млн пар. Понятно, что эти галоши не имели ничего общего с современной резиновой обувью. Способ получения их заключался в следующем: деревянную колодку по форме сапога погружали в млечный сок, вынимали и обсушивали копчением в горячем дыму костра. Операция эта повторялась до тех пор, пока не получался слой около 1,5 мм. Под конец резцом наносили рисунок на наружную поверхность, и галоша была готова. Поскольку и в этом случае галоша не вулканизировалась, она обладала всеми недостатками сырого каучука: была недостаточно эластична, чувствительна к переменам температуры, при нагревании становилась липкой и мягкой и растворялась во многих жидкостях. Бутылочки, изготовлявшиеся в Бразилии аналогичным способом, в Европе послужили материалом для других изделий. Их разрезали на пластинки определенного формата и делали из них прокладки, трубки и т. п. Вскоре выяснили: чтобы пластинки не липли, их нужно посыпать минеральным порошком, серой или тальком. 5-й ученик. Количество каучука, потреблявшегося в виде пластин, оставалось очень небольшим. Имеющиеся статистические сведения указывают, что в 1827 г. мировое потребление каучука равнялось всего лишь 3 т. В 1839 г. Чарльз Гудьир, торговавший в Америке пластинами, уронил одну из них на горячую плиту. Сначала он не заметил этого, но когда увидел пластину лежащей на горячей плите, то очень испугался, т.к. ему было известно, что при нагревании каучук становится липким, плавится и уже не возвращается в первоначальное состояние. Гудьир быстро схватил пластину с плиты и начал мять ее, чтобы выяснить, насколько каучук пострадал от нагревания. Он очень удивился, когда увидел, что пластина не размягчилась и не испортилась, а наоборот, стала очень эластичной и упругой и потеряла способность растворяться в обычных растворителях. Зная, что пластина содержала, помимо каучука, примесь серы и глета, Гудьир понял, чем вызвано изменение, произошедшее в каучуке, и насколько оно важно; позже он взял патент на техническое использование этого явления. Такое превращение каучука называется вулканизацией. Она заключается в том, что каучук смешивают с порошкообразной серой и другими примесями, доводят до тестообразного состояния и сформированную массу нагревают. После вулканизации каучук становится значительно прочнее, теряет недостатки сырого каучука, препятствовавшие его применению. Полученный при этом материал называется резиной. С химической точки зрения при вулканизации происходит сшивание полимерных цепей каучука за счет сульфидных мостиков, что придает каучуку устойчивость при действии различных внешних факторов:
Изобретение Гудьира положило начало бурному развитию резиновой отрасли промышленности. После того как сделаны все сообщения по вопросам семинара, учитель предлагает учащимся дать оценку работе своих одноклассников и при необходимости дополнить или уточнить какие-либо моменты. Затем выставляются оценки по итогам семинара. Домашнее задание. Учебник О.С.Габриеляна,
Ф.Н.Маскаева, С.Ю.Пономарева и др. «Химия. Л и т е р а т у р а Большая энциклопедия природы. Жизнь растений. Деревья и кустарники. Т. 7. М.: Мир книги, 2003, с. 86–87; Буцкус П.Ф. Книга для чтения по органической химии: Пособие для учащихся. М.: Просвещение, 1985, с. 116–119; Габриелян О.С., Маскаев Ф.Н., Пономарев С.Ю., Теренин В.И. Химия. 10 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2003, с. 114–116; Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия: Органическая химия. Учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений. М.: Просвещение, 1998, с. 42–44. * Сольвент-нафта – от лат. solvens (распускающий) и греч. naphta (нефть) – продукт перегонки сырого бензина и легких масел, получаемых из каменноугольной смолы; применяется как растворитель для скипидара, каучука, смол. Статья подготовлена при поддержке компании «Може продакт дистрибьтюр». Если на вашем участке деревья начали болеть или завелся короед, то это не повод паниковать и хвататься за бензопилу. На сайте, расположенном по адресу «www.Mauget.Ru», вы сможете приобрести препараты для профилактики деревьев от короеда , а также найти интересующую вас информацию о правильном применении препаратов. Дайте деревьям шанс на жизнь. А.С.ГОРДЕЕВ,
|
