| Я ИДУ НА УРОК |
Полимеры,
их промышленное значение
Природа окружает нас загадками,
и попытка их решения принадлежит
к величайшим радостям жизни.
У.Рамзай
Цели. Закрепить знания о высокомолекулярных соединениях, рассмотреть практическое применение различных полимеров, их свойства и строение; показать пути улучшения качества полимеров и материалов на их основе в связи с возросшими к ним требованиями; рассмотреть некоторые виды полимеров, выпускаемые на ОАО «Нижнекамскнефтехим».
Оборудование. Коллекции пластмасс, различные виды каучука.
ХОД УРОКА
Учитель (вводное слово). В начале 70-х гг. ХХ в. любознательные туристы обнаружили в глухом углу бескрайних сибирских лесов семью, прожившую вдали от городов и сел несколько десятков лет. Это семья Лыковых. Что же поразило отшельников больше всего среди вещей, принесенных туристами? Прозрачная полиэтиленовая пленка!
«Стекло, а мнется», – восхищенно сказал седобородый глава семьи, рассматривая полиэтилен, один из многих синтетических материалов, придуманных химиками для облегчения и улучшения нашего хозяйства и быта.
Почему же возникла необходимость в создании полимеров, какими ценными свойствами они обладают, какие полимеры выпускает ОАО «Нижнекамскнефтехим» и где их применяют? Это те вопросы, которые мы должны сегодня рассмотреть на уроке.
Синтетические материалы: пластмассы, каучуки, синтетические волокна – начали производить немногим более 70 лет назад. Несмотря на это, они во многих отношениях превосходят давно известные материалы. Правда, у каждого из них, как и у природных материалов, есть свои недостатки, и при выборе приходится их учитывать и сопоставлять с достоинствами. Главное преимущество пластмасс по сравнению с металлами заключается в том, что их свойства легче регулировать. Поэтому пластмассы быстрее и лучше можно приспособить к требованиям практики. Послушаем сообщение учащегося.
1-й ученик.С каждым днем открываются новые области практического использования полимеров в приборо- и машиностроении, радио- и электротехнике, телевидении, жилищном строительстве, судо-, авто-, самолето- и ракетостроении. Действительно, в настоящее время создана совершенно новая промышленность строительных материалов. Древесно- и стружечно-волокнистые материалы получаются при пропитке синтетическими смолами опилок, стружек и других отходов деревообрабатывающей отрасли промышленности с последующим прессованием. Это красивые по внешнему виду, прочные и дешевые отделочные материалы, не уступающие по своим качествам дорогим древесным породам (дубу, красному дереву и др.). Очень ценными свойствами обладают стеклопластики, которые готовят пропиткой стеклоткани синтетическими смолами с последующим прессованием в листовой материал исключительной прочности. Лучшие сорта стеклопластика превосходят по прочности некоторые сорта легированных сталей. Кроме того, стеклопластики в 5 раз легче стали и в 2 раза легче алюминия. Эти легкие, прочные и стойкие к коррозии металлы уже сейчас начинают успешно конкурировать с легкими металлами. Так, например, пластмассовый кузов автомобиля прочнее обычного металлического и выдерживает без всякой деформации удары молота. В самолете ТУ-104 насчитывается 120 000 деталей из пластика. В искусственных спутниках Земли значительная часть конструкции двигателей и приборов сделана из синтетических материалов. Сейчас уже имеются первые образцы прочных красивых пластмассовых автомобилей, судов и даже домов, где вся обстановка изготовлена также из синтетических материалов.
Очень ценными синтетическими полимерными материалами являются пенопласты, или поропласты. Пенопласты дешевы, прочны, непроницаемы для воды, газов и похожи на застывшую пену. Пенопласты получают в результате заполнения большей части их объема воздухом или азотом. При рассмотрении под микроскопом таких сверхлегких пластиков видно, что они состоят из миллиардов крошечных замкнутых пузырьков. Пенопласты необычайно легки. Некоторые из них в 700 раз легче стали, в 100 раз легче воды и в 25 раз легче пробки. Домики из пенопластов прекрасно зарекомендовали себя на наших полярных станциях благодаря высоким тепло-, звуко- и электроизоляционным свойствам.
Возрастает применение полимерных синтетических материалов при создании новых легких, прочных образцов мебели, невыгорающих и легко моющихся обоев, легкой, прочной обуви, новых красивых тканей, немнущихся, не выгорающих на солнце и не боящихся дождя, прочных на истирание синтетических ковров и т.д.
По-новому будут решаться вопросы здравоохранения благодаря применению ионообменных смол (иониты), обладающих способностью очищать от примесей питьевую воду, различные лекарственные субстанции, антибиотики. Хирурги успешно заменяют пораженные участки кровеносных сосудов, трахей, бронхов и даже пищевода прочными и эластичными пластмассовыми трубками. Искусственные кровеносные сосуды со временем обрастают капсулой из клеток организма и не вызывают воспалительных процессов, т.к. обладают еще и бактерицидным действием. Синтетический полимерный клей склеивает кости и быстро излечивает переломы. Специальные водорастворимые полимеры с успехом могут заменить до 30% человеческой крови. Такую синтетическую кровь можно переливать любому человеку, независимо от особенностей крови больного. Мы стоим на пороге новых интересных открытий. Поэтому с полным основанием можно называть наш век не только веком атомной энергии и освоения космоса, но и веком полимеров.
Учитель. Какие же преимущества у пластмасс?
а) Низкая плотность (легкие), негигроскопичность;
б) отсутствие запаха и вкуса;
в) стойкость к коррозии;
г) стойкость к кислотам и щелочам;
д) изделиям из пластмассы можно придать любую форму;
е) поддаются крошению;
ж) обладают электро- и теплоизоляционными свойствами;
з) прочность к истиранию.
Учитель показывает коллекцию пластмасс.
Учитель. Лауреатами Нобелевской премии по химии в 2000 г. стали американские исследователи Алан Хигер и Алан Мак-Диармид, а также японский химик Хидеки Сиракава. Ими созданы электропроводящие полимеры. В одном из сотен опытов по синтезу полиацетилена Сиракава использовал ошибочно высокую концентрацию катализатора. Результатом этой ошибки было образование прекрасных серебристых пленок полиацетилена с характерным металлическим блеском. Американские химики в это время исследовали металлические свойства неорганического полимера нитрида серы (SN)n.
Ученые объединили усилия в поиске способов синтеза полимерных пленок с электропроводящими свойствами. Исследователям удалось добиться желаемого за счет обработки полиацетилена парaми галогенов – брома или йода.
Открытие этими учеными высокой электропроводности модифицированных полимеров оказало большое влияние на науку о полимерах, положило начало исследованию «синтетических металлов» и послужило основой для получения целого ряда новых материалов. Проводящие полимеры применяют в качестве ингибиторов коррозии, антистатических покрытий, защитных экранов от электромагнитного излучения и т.д.
Сейчас химики разрабатывают различные синтетические ткани, пленки, волокна, пластмассы из созданных в лаборатории полимеров. Один из них – тефлон (демонстрация полимера). Тефлон – белое вещество, напоминающее парафин. Обладает высокой тепло- и морозостойкостью, прекрасный изоляционный материал. По химической стойкости он превышает все известные синтетические материалы и благородные металлы. Не разрушается при действии кислот и щелочей, даже царской водки. Применяется в химической и пищевой отраслях промышленности, в медицине, ядерной технике.
Задание классу. Выведите формулу этого полимера, если известно, что его получают из фторпроизводного этилена, которое содержит по массе 76?% фтора. Плотность этого соединения по водороду равна 50. Напишите уравнение реакции полимеризации.
Один ученик работает у доски, остальные выполняют задание в тетради.
Учитель. Основу большинства пластичных и эластичных полимеров составляют каучуки, различные виды которых выпускает и ОАО «Нижнекамскнефтехим». Об истории открытия каучуков, их строении и синтезе расскажут учащиеся.
Сообщения учащихся.
2-й ученик. Природные и полученные в лаборатории органические соединения современная химия превращает в многочисленные полимеры, которые обычно относят к одному из трех больших отрядов веществ: пластическим массам, химическим волокнам и эластомерам. Основу большинства гибких и пластических эластомеров составляют каучуки.
Каучуки… Откуда появилось это странное название?
История открытия, изучения, улучшения свойств и искусственного воспроизведения этого чудо-материала ярка и увлекательна!
Где-то в зарослях тропического леса Центральной и Южной Америки у ствола гигантского дерева гевеи присел один из местных жителей. Из разреза в коре дерева он собирает вытекающий сок, быстро густеющий на воздухе. Этот сок индейцы называют «каучу», что в переводе означает «слеза дерева».
В XI в. жители Перу, одной из стран Южной Америки, научились защищать свою обувь от влаги с помощью сока гевеи. Обувь обмакивают в «каучу» и полученную пленку коптят на костре. Обувь становится непромокаемой!
Моряки второй экспедиции Колумба к берегам Америки, высадившиеся на остров Гаити в 1496 г., с удивлением наблюдали, как островитяне играют в мяч, который высоко подпрыгивает при ударе о землю. Известные в Европе мячи из кожи и шерсти не обладали такой прыгучестью. Жители Гаити делали свои мячи из каучука! Так назвали новый материал европейцы, прибавив одну букву к местному названию удивительного природного полимера. Мяч из каучука, подаренный Христофором Колумбом испанской королеве Изабелле Кастильской, долго служил развлечением для ее двора.
Одежду, пропитанную каучуком, привезли португальские мореплаватели своему королю. Короля, облаченного в нее, облили водой, но он «вышел сухим из воды».
Участник экспедиции в Южную Америку Ш.М. Кондамин представил во Французскую академию наук в 1738 г. первое научное описание каучука, его свойств, способов добычи и обработки.
3-й ученик. Известный химик Джозеф Пристли нашел каучуку первое применение, весьма важное для всех рисующих и пишущих: шарики и кубики из каучука прекрасно стирали надписи, сделанные карандашом.
В 1811 г. в Вене, а в 1823 г. в Глазго открылись первые фабрики по производству резиновых изделий. Инженер Ч.Макинтош научился растворять каучук в маслах, полученных из каменного угля. Раствором пропитывали дождевые плащи, почтовые сумки и навесы для карет. Но каучуковые покрытия в жару становились липкими, а на морозе – жесткими и ломкими.
Одержимый американский изобретатель-самоучка Чарльз Гудийр в 1839 г. нашел способ сохранить эластичность каучука, сделав при этом его прочным, достаточно твердым, не липким, стойким к воздействию температурных перепадов. Небольшой нагрев каучука с предварительно введенной в него серой приводил к этим благоприятным изменениям. Процесс превращения в резину получил название вулканизации. Он назван так в честь Вулкана, древнеримского бога огня.
Резина нашла широкое применение не только в быту, но и в технике. На рубеже XIX и XX вв. из нее уже делали шины для изобретенных автомобилей.
Химики трудились над расшифровкой состава и структуры каучука. Французский ученый Густав Бушарда установил, что природный каучук представляет собой полимер, длинная цепочка которого состоит из множества небольших молекул сравнительно простого органического соединения – изопрена, непредельного углеводорода, полученного Бушардом в ходе сложной перегонки скипидара без доступа воздуха.
 |
Сбор сока гевеи |
4-й ученик. Один из учеников А.М. Бутлерова, молодой химик И.Л. Кондаков, синтезировал в лаборатории близкое к изопрену соединение – диметилбутадиен, обнаружил его склонность к полимеризации и создал искусственное каучуковое вещество. Другой ученик Бутлерова, академик А.Е. Фаворский, синтезировал изопрен и хлоропрен из простого сырья – газа ацетилена.
Советские ученые добились большого успеха. В 1928 г. группа ленинградских химиков под руководством профессора и будущего академика С.В. Лебедева победила в международном конкурсе на лучший способ производства искусственного каучука, объявленном Советским правительством. В 1932 г. в СССР впервые в мире на заводе в г.Ярославле организовано производство каучука из бутадиена, иначе называемого дивинилом, по способу С.В.Лебедева. Бутадиен получали из технического спирта, а затем осуществляли полимеризацию его в присутствии катализатора – металлического натрия. Советский ученый Б.В. Бызов сумел значительно удешевить процесс создания бутадиена, используя для его синтеза газ бутан из природных газообразных продуктов, выделяемых при переработке нефти.
К концу 1930-х гг. на заводах Германии, а в начале 1940-х гг. и в США тоже начался выпуск синтетического каучука.
5-й ученик. Мировое производство каучука в начале 1980-х гг. значительно превысило 10 млн т в год. Более 60 % этого огромного количества получали в ходе промышленного синтеза каучука, остальное – на больших плантациях гевеи в тропических странах.
Увлекательна и поучительна история открытия и применения каучука. Нет сомнения, что каучуковые мячи – одна из самых важных находок, сделанных европейскими путешественниками в южноамериканских странах. При этом мы отчетливо сознаем, что без вмешательства человека каучук не превратился бы в столь необходимый нам материал. Что же произошло с каучуком во время облагораживания его свойств способом вулканизации?
Невидимое инфракрасное излучение, пучки электронов и рентгеновских лучей помогли ученым заглянуть в глубь этого полимера. Большие молекулы натурального каучука скручены в спирали, клубки, но построены они линейно, между ними, как правило, нет перемычек. Именно эта особенность позволяет кусочкам каучука до вулканизации увеличивать свою длину при растяжении почти в 1000 раз!
Под действием серы и некоторых других вулканизаторов, таких, как нитросоединения или пероксид бензоила, при нагревании происходит «сшивка» больших молекул. Между длинными цепочками образуются поперечные химические мостики-связи. Получается резина, имеющая трехмерную сетчатую пространственную структуру, более прочную и твердую, чем у каучука до вулканизации.
Если в каучук добавлено немного серы, всего 10–15 % от массы исходного вещества, то каучук приобретает прочность, но сохраняет эластичность. Когда количество введенной в каучук серы достигает 25–40 %, образуется твердое роговидное вещество, называемое эбонитом. Вместо живой подвижной резины возникает твердый материал, стойкий к растворителям, хороший электроизолятор, из которого изготавливают многочисленные детали для радиотехники и электроники.
Убедительное доказательство того, что столь очевидные изменения физических свойств веществ происходят благодаря появлению в каучуке поперечных химических связей между длинными молекулами, было получено академиком Н.Д. Зелинским. Группа научных сотрудников под руководством выдающегося советского ученого создала синтетический каучук из хлоропрена, непредельного углеводорода, близкого по составу к изопрену. Хлоропреновый каучук не горит, прочен, эластичен, не поддается разрушению даже таким активным окислителем, как озон, и для превращения в резину путем вулканизации не нуждается в сере! Достаточно небольшого нагревания, и поперечные связи в этом каучуке возникают за счет внутренней перегруппировки его атомов.
Учитель.Из 120 наименований продукции ОАО «Нижнекамскнефтехим» более половины приходится на производство мономеров или полимеров. Назовем некоторые.
Синтетический каучук изопреновый СКИ-3. Используют для изготовления автомобильных шин, резинотехнических изделий, резиновой обуви, спортинвентаря и т.д.
Модифицированный синтетический каучук изопреновый СКИ-3С, СКИ-3Ш.
Бутиловый каучук. Получают сополимеризацией изопрена и изобутилена и применяют для изготовления автокамер, диафрагм форматоров-вулканизаторов.
Отходы синтетических каучуков используют в производстве резинотехнических изделий (ремни конвейерные, шланги, для производства дорожных покрытий).
Получают различные полиэфиры на основе оксида этилена и пропилена с глицерином, применяемые для производства пенополиуретанов.
Подводя итог, нужно сказать, что полимеры прочно вошли в нашу жизнь. Мне остается пожелать, чтобы вам помог случай в открытии новых полимеров. «Случай помогает только подготовленному уму». По этому поводу хочется рассказать об истории открытия на основе натурального нового полимерного материала.
В один из дней 1845 г. профессор химии Х.Ф. Шейнбейн, уже открывший к тому времени необычный газ озон, работал в своей лаборатории в Швейцарии. Нечаянно пролив на пол смесь концентрированных кислот HNO3 и H2SO4, он машинально вытер пол хлопчатобумажным фартуком своей жены. «Кислоты могут прожечь фартук», – подумал Шейнбейн, прополоскал его в воде и повесил сушиться над печкой. К приходу жены ничего не должно было напоминать об участии фартука в его опытах. Фартук подсох, но затем раздался не очень громкий взрыв… и фартука не стало.
Позже Шейнбейн понял причину бурных событий, которые произошли в лаборатории. Гидроксильные группы целлюлозной основы фартука под влиянием H2SO4 уступили место нитрогруппам NO2. Серная кислота явилась прекрасным катализатором. Хлопчатобумажная ткань превратилась в нитроцеллюлозу (пироксилин) – взрывчатое вещество, выделяющее меньше дыма, чем черный порох. Так случай помог открытию нового вещества.
Желаю всем творческих успехов, упорства и трудолюбия.
Учитель подводит итог урока.