Дипломная работа: Перспективы развития экологического сознания школьников при изучении темы "Полимеры" в курсе химии

Процесс полимеризации включает следующие основные стадии: образование активных центров, рост цепи, обрыв цепи. Образование активных центров протекает при взаимодействии инициатора или катализатора с мономером. Эта стадия характеризуется низкой скоростью, требует затраты энергии. Рост цепи происходит путем присоединения молекул мономера к активным центрам с передачей активного центра на присоединившуюся молекулу. Эта стадия обычно идет быстро и сопровождается выделением энергии. Обрыв цепи происходит вследствие

дезактивации активных центров, в результате которой рост данной молекулы прекращается. Обрыв цепи осуществляется двумя путями: путем уничтожения активного центра Mn*, его перехода в неактивное состояние

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-мерами между собой. На концах образующихся макромолекул всегда присутствуют свободные функциональные группы. Различают гомополиконденсацию и гетерополиконденсацию.

Гомолполиконденсацией называют 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 Alcaligenes eutrophys. 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 понятие полимеры, 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 → H2C ═ CHCl

                                                        винилхлорид

Винилхлорид полимеризуется также, как и этилен:

H2C ═ CHCl + H2C ═ 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.)

Страницы: 1, 2, 3, 4