Урок 15. Синтетические полимеры. Конденсационные полимеры. Пенопласты
Предмет: Химия, 10 класс

Конспект урока

Химия, 10 класс

Урок № 15. Синтетические полимеры. Конденсационные полимеры. Пенопласты

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме

Урок посвящён ознакомлению с разнообразием синтетических полимеров и пластмасс на их основе.

Глоссарий

Аминопласты – это термореактивные пластмассы на основе аминоальдегидных смол. Такие смолы в свою очередь получают путем взаимодействия аминосоединения, преимущественно меламина или мочевины, с формальдегидом.

Клеи – композиции на основе мономеров, олигомеров, полимеров или их смесей, а также включающие в себя отвердители, наполнители и пластификаторы. Они способны соединять различные материалы, вследствие образования прочных связей между их поверхностями и клеевой прослойкой.

Композиционные материалы или композиты – состоят из полимерной основы, укрепленной наполнителем в виде высокопрочных волокон и нитевидных кристаллов, которые в свою очередь могут быть металлическими, полимерными или неорганическими.

Лаки – это растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях. Помимо собственно полимеров лаки содержат вещества, повышающие пластичность (пластификаторы) и различные отвердители и красители.

Мономер – это структурная единица полимера, повторяющееся звено в составе полимерных молекул.

Пенопласты – это вспененные ячеистые пластические массы и похожи на застывшую пену. Они состоят из большого количества замкнутых пузырьков, заполненных азотом или воздухом.

Пластмасса – это материал, изготавливаемый на основе полимера и являющийся смесью нескольких веществ.

Полимер – это высокомолекулярное соединение, большая молекула или макромолекула, которая состоит из большого количества повторяющихся структурных звеньев.

Полимерные пленки – сплошные слои полимеров, которые получают путём продавливания расплавов полимеров через тонкие щелевидные отверстия или путем нанесения растворов полимеров на движущуюся ленту.

Полипропилен – это термопластичный продукт полимеризации пропилена.

Политетрафторэтилен – это термопластичный продукт полимеризации тетрафторэтилена, состоящий из цепочки атомов углерода и оболочки из атомов фтора.

Полиэтилен – это термопластичный продукт полимеризации этилена.

Реакция поликонденсации – это химический процесс соединения исходных молекул мономера в макромолекулы полимера, сопровождающийся образованием низкомолекулярного продукта, как правило, воды.

Реакция полимеризации – это химический процесс соединения большого количества исходных молекул мономера в макромолекулы полимера.

Синтетические волокна – это волокна, которые получают путем продавливания растворов или расплавов полимеров через тонкие отверстия в пластине с последующим затвердеванием.

Старение полимеров – это процесс ухудшения свойств полимеров во времени в результате деструкции макромолекул и уменьшения их молекулярной массы.

Степень полимеризации - число мономерных звеньев, образующих в процессе полимеризации полимер.

Стереорегулярные полимеры – это высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых состоят из соединенных между собой определенным образом звеньев с закономерно периодически повторяющимся расположением атомов в пространстве.

Структурное звено полимера – это повторяющаяся группа атомов в молекуле полимера.

Фенолформальдегидные смолы – это синтетические смолы, обладающие свойствами термореактопластов. Они являются жидкими или твердыми продуктами реакции поликонденсации фенола с формальдегидом в кислой или щелочной среде.

Фенопласты – это фенолформальдегидная пластмасса, получаемая из фенолформальдегидной смолы путем добавления в нее различных наполнителей, например, хлопчатобумажной ткани, стекловолокна или древесной муки и последующего отверждения данной композиции при повышенных температурах.

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тестов по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Полимер – это высокомолекулярное соединение, которое состоит из большого количества более мелких молекул, связанных друг с другом прочными ковалентными связями. Число мономерных звеньев - звеньев, повторяющихся в составе полимера, и образующих в процессе полимеризации полимер называется степенью полимеризации. Известны два основных способа получения полимеров – полимеризация и поликонденсация. Полимеры классифицируют по химическому составу, по происхождению, по реакции на нагревание и по степени разветвленности. Полимеры широко применимы в следующих отраслях: в машиностроении, сельском хозяйстве, медицине, строительстве.

У полимеров существуют особые механические свойства:

эластичность – при небольшой нагрузке способны к высоким обратимым деформациям (каучуки);
малая хрупкость - стеклообразные и кристаллические полимеров достаточно прочны и могут во многих сферах заменить обычное стекло (пластмассы, органическое стекло);

Свойства растворов полимеров:

при малой концентрации полимера, его раствор будет обладать высокой вязкостью;
при растворении полимера сначала происходит его набухание.

Особые химические свойства:

полимеры способны резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.).

Особые свойства полимеров объясняются прежде всего тем, что макромолекулы имеют цепное строение, в следствие чего обладают гибкостью.

Биополимеры – класс полимеров, которые входят в состав живых организмов и встречаются в природе в естественном виде: полисахариды, нуклеиновые кислоты, белки. Биополимеры также как и вся группа полимеров состоят из одинаковых (или схожих) звеньев – мономеров. Для каждого типа биополимера характерны свои мономеры: для белков – аминокислоты, для полисахаридов – моносахариды, для нуклеиновых кислот – нуклеотиды. Многие биополимеры находят применение в пищевой, перерабатывающей и фармацевтической промышленности.

Механизм реакции образования полимеров

Реакция полимеризации состоит из трех основных стадий: инициирования полимеризации, дальнейшего роста цепи и реакции обрыва цепи. Реакция инициирования радикальной полимеризации заключается в образовании первичного свободного радикала из молекулы мономера в результате появления в ней неспаренного электрона. Свободные радикалы могут образовываться при действии тепла (термическая полимеризация), света (фотохимическая полимеризация), в результате облучения мономера высокой энергией (высокочастотная или микроволновая полимеризация, радиационная полимеризация), под влиянием инициаторов (полимеризация в присутствии инициаторов или инициированная полимеризация).

Обрыв цепи на последней стадии может произойти при взаимодействии двух растущих радикалов, растущего полимерного радикала с радикалом инициатора, дезактивации растущей полимерной цепи за счет взаимодействия с примесями в реакционной системе.

Полистирол – продукт радикальной полимеризации стирола (винилбензола), имеет линейную структуру. Полистирол термопластичен, степень полимеризации полистиролов, выпускаемых в промышленности составляет n = 600–2500. Полистирол – жёсткий хрупкий полимер, имеет невысокую механическую прочность. Полистирол обладает хорошими диэлектрическими свойствами и выдерживает морозы до −40 °C. Имеет невысокую химическую стойкость (кроме разбавленных кислот, спиртов и щелочей). Выпускается в виде прозрачных гранул цилиндрической формы, которым можно задать любую форму при температуре 190–230 °С.

Полиуретаны – гетероцепные полимеры, макромолекула которых содержит незамещённую и замещённую уретановую группу –N(R)–C(O)O–, где в качестве радикала R могут выступать Н, алкилы, арил или ацил. Используются в качестве заменителей резины при производстве изделий, работающих в агрессивных средах, в условиях больших нагрузок и температур, диапазон которых может варьироваться от −60 °С до +80 °С. Полиуретаны могут быть вязкими жидкостями или являться твёрдыми веществами в кристаллическом состоянии. Благодаря разнообразию механических свойств, полиуретаны могут применяться для производства клеев, лаков, пружин, защитных уплотнений и т.д.

Поливинилхлорид (ПВХ) – термопластичный полимер винилхлорида, бесцветная, прозрачная пластмасса. ПВХ устойчив к щелочам, минеральным маслам и некоторым видам кислот. Не горит на воздухе. Температурные границы для данного полимера от -15 до 66 °С. Применяется для изготовления труб, линолеума, натяжных потолков, используется в качестве уплотнителя в бытовых холодильниках. Также часто применяется для изготовления одежды, так как внешним видом напоминает кожу. Может терять свои свойства на солнце и становиться хрупким - для предотвращения этого в ПВХ вводят светопоглощающие краски, что позволяет уменьшить деструкцию материала.

Утилизация полимеров

Среди крупнейших потребителей полимерных материалов на одном из первых мест стоит строительная индустрия. Широкому применению полимерных материалов в строительстве способствуют не только высокая химическая стойкость, хорошие декоративные свойства многих из них, но и сравнительная простота применения, технологичность и другие свойства. Также из всех выпускаемых пластиков 41 % используется в упаковке, из этого количества 47 % расходуется на упаковку пищевых продуктов. Вследствие этого образуется большое количество отходов полимеров, которые можно разделить на три группы:

а) технологические отходы производства, которые возникают при синтезе и переработке термопластов; бывают неустранимые и устранимые технологические отходы. Неустранимые – остатки при производстве продукции. Устранимые – технологический брак, который образуется при несоблюдении технических условий работы.

б) отходы производственного потребления – накапливаются в результате неисправности и выхода из строя изделий из полимерных материалов, которые используются в различных отраслях народного хозяйства. Данный тип отходов лучше всего предназначен для вторичной переработки.

в) отходы общественного потребления, которые накапливаются в домах, на предприятиях общественного питания и т.д.

К основным способам утилизации отходов пластических масс относятся:

термическое разложение путем пиролиза (разложение органических продуктов в присутствие кислорода или без него);
разложение с получением исходных низкомолекулярных продуктов (мономеров, олигомеров);
вторичная переработка.

Примеры и разбор решения задач тренировочного модуля

Задание №1.

Вопрос. Расставьте по порядку реакции, участвующие в процессе полимеризации.

Тепловое воздействие на молекулу.
Присоединение к радикалам образующихся мономеров.
Образование радикалов.
Образование макрорадикалов.
Перенос активного центра на другую молекулу.

Решение. Известно, что реакции полимеризации начинаются с воздействия на молекулу различных инициаторов, тепла, света и облучения, поэтому из всех представленных пунктов нам подходит «1) Тепловое воздействие на молекулу». Дальнейшее инициирование заключается в образовании свободных радикалов и макрорадикалов (не путать с ростом цепи), соответственно по очереди идут пункты «3) Образование радикалов» и «4) Образование макрорадикалов». Далее уже происходит стадия роста цепи – взаимодействие уже образовавшихся мономеров и радикалов – «2) Присоединение к радикалам образующихся мономеров». И в итоге, когда полимер собран, происходит обрыв цепи, который заключается в «5)Переносе активного центра на другую молекулу», в результате чего молекула больше не взаимодействует с образующимися радикалами и молекулярная цепь не растет.

Следовательно, правильный ответ:

1)Тепловое воздействие на молекулу

3) Образование радикалов.

4) Образование макрорадикалов.

2) Присоединение к радикалам образующихся мономеров.

5) Перенос активного центра на другую молекулу.

Задание №2.

Вопрос. Подставьте в окошки представленного соединения группы –СН3 и –Н таким образом, чтобы получился цис-изомер.

Решение. Цис-транс-изомерия –вид стереоизомерии, который заключается в возможности расположения заместителей по одну или по разные стороны плоскости двойной связи (в данном случае). Обозначения «цис» и «транс» произошли из латыни, в переводе с этого языка цис означает «на одной стороне», а транс – «на другой стороне» или «напротив». Так как нам необходима цис форма, то расположить две одинаковые группы необходимо по одну сторону, следовательно, правильный вариант выглядит так: