Урок 13 Органічні речовини як основа сучасних матеріалів. Пластмаси - Хімія 11 клас - Старша школа - Каталог статей - Учительська світлиця
Головна » Статті » Старша школа » Хімія 11 клас

Урок 13 Органічні речовини як основа сучасних матеріалів. Пластмаси

 

Урок 13

Органічні речовини як основа сучасних матеріалів. Пластмаси

Мета уроку: поглибити й розширити знання учнів про роль хімії у створенні нових матеріалів; показати можливості застосування нових синтетичних матеріалів з оригінальними властивостями, використання нових технологій; визначити роль органічної хімії у створенні нових матеріалів, зокрема полімерів (пластмас), показати різноманітні сфери застосування полімерів; розвивати логічне мислення учнів.

Очікувані результати: учні повинні визначати провідну роль органічної хімії у створенні нових речовин; учні повинні характеризувати полімерні матеріали, зокрема пластмаси, і знати сфери їх застосування.

Обладнання: для лабораторної роботи та для демонстрації, зразки пластмас, вироби з пластмас, розчини кислоти, лугу, калій перманганату, пробірки в штативі, нагрівальне устаткування.

                                                                                                                                                        

Тип уроку: засвоєння нових знань.

  • 1. Організаційний етап

1.1. Привітання.

1.2. Перевірка присутності учнів: кількість за списком _________,

кількість присутніх на уроці ___________, відсутніх ___________.

1.3. Перевірка готовності учнів до уроку.

1.4. Перевірка готовності класного приміщення до уроку.

  • 2. Аналіз контрольної роботи

Оголошення результатів, аналіз та виправлення типових помилок, яких припустилися учні під час виконання контрольної роботи.

  • 3. Етап підготовки учнів до активного й усвідомленого засвоєння нового матеріалу

3.1. Повідомлення теми нового матеріалу.

3.2. Формулювання разом з учнями мети і задач вивчення нового матеріалу.

У процесі бесіди підвести учнів до думки, що створення нових технологій неможливе без створення нових матеріалів.

3.3. Показ практичного значення вивчення нового матеріалу.

Слово вчителя

Будь-який вид людської діяльності, починаючи з готування їжі й закінчуючи запуском космічних кораблів, так чи інакше пов’язаний із використанням різних матеріалів. Виробництво більшості видів матеріалів ґрунтується на хімічних процесах. Розробка й одержання нових матеріалів та вдосконалення існуючих — одне з головних завдань сучасної хімії.

  • 4. Актуалізація опорних знань

Запитання до учнів

1. У чому полягають основні цілі наукових розробок у створенні нових матеріалів?

Учні мають дійти висновку, що цілі наукових розробок полягають у тому, щоб:

будь-яку речовину зробити матеріалом або його компонентом;

на основі однієї речовини створити різноманітні матеріали.

2. Які з органічних речовин мають широке застосування?

У процесі бесіди з’ясувати, що найбільш широке застосування в сучасному світі знайшли полімери.

  • 5. Етап засвоєння нових знань

5.  Етап засвоєння нових знань

1.         Сучасні вимоги до нових матеріалів

Для будь-якого хіміко-технологічного процесу потрібна апаратура, що виготовлена з таких матеріалів, які здатні протидіяти різноманітним агресивним впливам, у тому числі хімічним, механічним, термічним, електричним, а в деяких випадках навіть радіаційним і біологічним.

Запитання до учнів

— Які нові матеріали, що були створені останнім часом, вам відомі?

Хімічна галузь постачає промисловості та сільському господарству різні матеріали і сировину. Це паливо, мастила, хімічні волокна, пластмаси, синтетичні каучуки, мінеральні добрива, мийні засоби, парфуми, фармацевтичні препарати, луги, кислоти, розчинники, вибухові речовини тощо.

«Широко простягає хімія руки свої у справи людські. Куди не подивимось, куди не оглянемось, скрізь обертаються перед очима нашими успіхи її старанності».

Ці слова великого російського вченого-природодослідника М. В. Ломоносова, висловлені майже 250 років тому, і сьогодні не втратили свого значення. Навпаки, вони звучать з особливою силою, оскільки на сьогодні роль хімії в житті суспільства постійно зростає.

Запитання до учнів

  • — Щоб, на вашу думку, сказав великий учений, якби опинився у XXI столітті?

 

Проникнення хімічних нових речовин і нових матеріалів у майже всі галузі промислового виробництва, сферу побуту, охорону здоров’я значною мірою забезпечує їх прогрес. Саме тому й відбувається хімізація практично всіх сфер людської діяльності. Створення нових матеріалів — це життєва необхідність сьогодення. Матеріали, що зараз використовуються, зокрема в машинобудуванні, недостатньо стійкі та міцні. Тому обладнання передчасно зношується, потребуючи частих замін та ремонтів. Нових матеріалів вимагають і нові галузі техніки: космічна, атомна тощо. Для практичних потреб необхідні такі матеріали, як метали, полімери, кераміка та композити.

Вимоги до матеріалів постійно зростають. Це пояснюється тим, що значно ширше застосовують екстремальні впливи — надвисокі й наднизькі тиски та температури, ударні й вибухові хвилі, йонізуючі випромінювання, ферменти. Зважаючи на це зростає також роль хімії у створенні нових матеріалів, здатних чинити опір цим впливам.

  •  

2.         Роль органічної хімії у створенні нових матеріалів

Історія розвитку хімічної промисловості доводить, що іноді з пустої породи або з відходів виробництва можна одержати цінну сировину. Наприклад, калій хлорид КСl наприкінці минулого століття був відходом при добуванні кухонної солі із сильвініту. Тепер сильвініт переробляють з метою вилучення з нього КСl для виробництва цінних мінеральних добрив, а натрій хлорид перетворився на відходи.

Багато рідкісних металів раніше не мали застосування через їхню промислову недоступність, але потреба в цих металах атомної енергетики, мікроелектроніки, радіотехніки, космічної техніки, що сьогодні визначають науково-технічний прогрес, зробили можливим промислове виробництва цих елементів.

Комплексне використання сировини спрямовується на застосування всіх її головних частин для одержання корисних продуктів або матеріалів. Це означає, що з одного виду сировини можна добути велику кількість різних продуктів. Наприклад, нині деревина використовується не лише як джерело для виготовлення меблів, а й як джерело багатьох матеріальних цінностей. Отже, розробка нових способів комплексного використання сировини має величезне значення.

Хімія має велике значення для розробки способів щоб повернути речовини, що прореагували, до початкового стану для їх повторного використання (рециркуляція, регенерація сировини).

Наприклад, зараз досить широко використовуються метали як вторинна сировина (так званий скрап). Майже половина світового виробництва сталі базується на скрапі.

Невичерпним джерелом сировини є промислові й побутові відходи. Вони отруюють водойми, заражують ґрунт і повітря, засмічують території. Завдання хіміків полягає у знешкодженні відходів. Для цього будують спеціальні очисні споруди.

В Україні встановлено норми допустимого вмісту речовин у газоподібних промислових викидах і стічних водах. Але головне завдання хіміків полягає у створенні безвідходних виробництв, де відходи перетворювалися б на корисні продукти. Реалізація такого завдання тісно поєднана з комплексним використанням сировини і комбінуванням технологій, коли відходи одного заводу стають сировиною для іншого.

Серед неметалічних матеріалів важливого значення набули полімери на основі фенолформальдегідних смол, полівінілхлориду, поліетилену та флуоропластів. Ці матеріали, на відміну від металічних, мають високу стійкість до агресивних середовищ, мають низьку щільність, хороші діелектричні й теплоізоляційні властивості. Важливе значення мають каучуки та різні матеріали на їх основі — бутилкаучук, фторкаучук, силіконові каучуки тощо.

До групи неметалічних матеріалів належать і такі традиційні матеріали, як кераміка, порцеляна, фаянс, скло, цемент, бетон, графіт, що використовуються по-новому.

  •  

3.         Полімери

Полімери — це високомолекулярні сполуки, молекули яких складаються з великого числа мономерних ланок, що сполучені між собою хімічними зв’язками.

Наприклад, полімер (—CH2—CH2—)n складається з n ланок етену.

Число n називається ступенем полімеризації.

Відносна молекулярна маса полімерів коливається від 15 до 500 000.

Мономерні ланки в молекулах полімерів сполучені ковалентними зв’язками.

Залежно від будови та розміщення молекул у полімерах, вони можуть перебувати у кристалічному або аморфному стані. Проте у кристалічних полімерах можуть бути окремі аморфні ділянки.

Завдяки цінним властивостям синтетичні полімерні сполуки широко використовуються майже в усіх галузях господарства. Вони є основою виробництва різних видів пластмас, волокон, каучуків, штучної шкіри та хутра, фарб, лаків, клеїв тощо.

Використання полімерних матеріалів у машинобудуванні безперервно зростає. Інші галузі народного господарства також збільшують застосування полімерних матеріалів у сільському господарстві, будівництві, легкій і харчовій промисловості. Із полімерів почали виготовляти значно більше дрібних, але конструктивно складних деталей машин і механізмів. Водночас усе частіше з полімерів виготовляють великогабаритні корпусні деталі машин і механізмів, що витримують значні навантаження.

До недавніх пір широкому використанню полімерних матеріалів у машинобудуванні перешкоджали два недоліки полімерів: їх низька (у порівнянні з марочними сталями) міцність і низька теплостійкість. Межа міцності властивостей полімерних матеріалів удалося подолати переходом до композиційних матеріалів, переважно скла й вуглепластиків. Тепер вираз «пластмаса міцніша за сталь» є цілком обґрунтованим. З полімерів виготовляють величезну кількість тих деталей, у яких не потрібна особливо висока міцність: заглушки, штуцери, ковпачки, рукоятки, шкали і корпуси вимірювальних приладів.

Майже три чверті салонів легкових автомобілів, автобусів, літаків, річкових і морських суден і пасажирських вагонів виконані з декоративних пластиків, синтетичних плівок, тканин, штучної шкіри. Більше того, для багатьох машин і апаратів тільки використання антикорозійної обробки синтетичними матеріалами забезпечило їх надійну, довгострокову експлуатацію.

Нині є підгалузі, де використання полімерних матеріалів забезпечує економію матеріальних і енергетичних ресурсів, і ріст продуктивності праці. Майже повну автоматизацію забезпечило застосування полімерів у виробництві систем гальмування для транспорту. Усі функціональні деталі цих систем для автомобілів і близько 45 % для залізничного транспорту виробляються із синтетичних прес-матеріалів. Близько 50 % деталей обертання виготовляється з міцних конструкційних полімерів. Інша тенденція — повна заміна металевих деталей у редукторах на деталі з вуглепластиків. Цим досягається значне зниження механічних витрат, тривалість терміну служби.

Ще одна область застосування полімерних матеріалів у машинобудуванні — виготовлення металорізального інструменту. Сьогодні три чверті абразивного інструменту виробляється із застосуванням синтетичних смол.

Широкого застосування полімерні матеріали набули в авіаційній промисловості. Наприклад, заміна алюмінієвого сплаву графітопластиком при виготовленні предкрилка крила літака дозволяє знизити вагу на 22 %, вартість — на 25 %. При цьому запас міцності виробу становить 178 %. Лопаті гелікоптерів та лопаті вентиляторів реактивних двигунів найкраще виготовляти з поліконденсаційних смол, наповнених алюмосилікатними волокнами, що дозволяє знизити вагу літака при збереженні міцності та надійності.

 

4.         Властивості пластмас

  • Матеріал для роботи в групах
  • Група 1

Інструктивна картка № 1

1.   Уважно прочитайте теоретичний матеріал.

2.   Схарактеризуйте основні фізичні властивості пластмас.

3.   На підставі яких фізичних властивостей пластмаси так широко ввійшли до нашого побуту?

4.   За допомогою наявних на вашому столі приладів і матеріалів (хімічна склянка з водою, зразки пластмас) продемонструйте деякі фізичні властивості полімерів.

  •  

Теоретичний матеріал

Щільність більшості пластмас становить 0,92—1,54 г / см3, що є нижчим за щільність легких металів. Уведення Хлору до молекули підвищує щільність. Наприклад, у полівінілхлориду вона дорівнює 1,7 г / см3. Найменшу щільність серед пластмас має поліпропілен, а полістирол ледь важчий за воду. Пінопласти з паперу й тканин, просочені пластиками,— нові легкі матеріали високої міцності.

Прозорість. Аморфні полімери — світлі й прозорі. Ступінь прозорості оцінюється за кількістю пропущеного світла. Найбільша світлопроникність (понад 90 %) у поліметилметакрилату, полістирол й органічні прості та складні ефіри целюлози також мають гарну світлопроникність.

Електричний опір деяких пластмас дуже великий, тому вони знаходять різноманітне застосування в електронному устаткуванні. Полістірол, поліетилен, поліметилметакрилат, поліпропілен і тефлон (політетрафтороетилен) мають чудові діелектричні й ізолюючі властивості.

Термостійкість. Деякі пластмаси, особливо тефлон, мають виняткову термостійкість, але важко піддаються прямому пресуванню або формуванню. Тефлон можна повільно видавлювати за високих температур; одержані вироби зберігають твердість і стійкість (без деструкції й розкладання) за температур до 260 °С упродовж тривалого часу.

Міцність на розтягування. Межа міцності на розтягування — це максимальне розтяжне зусилля, яке матеріал може витримати без розриву. Більшість пластмас мають межу міцності на розтягування в діапазоні 48–83 МПа; у деяких випадках волокнисті наповнювачі збільшують міцність на розтягування. Лінійні кристалічні матеріали, наприклад нейлон, після процесу витягування значно підвищують свою міцність на розтягування (до 276–414 МПа).

  •  

Міцність (кг / мм2) деяких речовин:

1 — вовна; 2 — шовк; 3 — капрон, нейлон, лавсан; 4 — сталь високої якості; 5 — поліетилен; 6 — рекордно міцна сталь; 7 — ідеально впорядкований поліетилен.

 

Міцність на стискування. Межа міцності на стискування — це максимальне стискування, що матеріал може витримати без зміни (зменшення) об’єму. Армовані пластмаси мають значно вищі межі міцності на стискування (більше 200 МПа), ніж ненаповнені вінильні полімери (~70 МПа).

  •  

Група 2

Інструктивна картка № 2

1.   Уважно прочитайте теоретичний матеріал.

2.   Схарактеризуйте основні хімічні властивості пластмас.

3.   На підставі яких хімічних властивостей пластмаси так широко ввійшли до нашого побуту?

4.   За допомогою наявних на вашому столі приладів і матеріалів (пробірки, розчини сульфатної кислоти, натрій гідроксиду, хімічна склянка з водою, зразки пластмас) продемонструйте деякі хімічні властивості пластмас.

 

Теоретичний матеріал

Хімічні властивості. Полімери одержують полімеризацією ненасичених вуглеводнів. Так, з етену H2C═CH2 , пропену H2C═CH—CH3 і стиролу H2C═CH—C6H5 одержують поліетилен, поліпропілен і полістирол з такими структурами:

, , .

 

Властивості цих полімерів подібні до властивостей вуглеводнів. Вони, наприклад, розчиняються у вуглеводнях, не поглинають воду, не реагують із кислотами й основами, горять, подібно до вуглеводнів, можуть хлоруватися, бромуватися, а у випадку полістиролу — нітруватися й сульфуруватися.

Хімічна стійкість до агресивних рідин. Деякі пластмаси мають виняткову стійкість до кислот, лугів і розчинників. Термореактивні смоли взагалі не піддаються впливу розчинників.

Деякі розчинники впливають на більшість термопластів. Вуглеводородні смоли зазвичай розчинні в ароматичних вуглеводнях, а от вода й нижчі спирти на них не впливають. Полістирол надзвичайно стійкий до сильних мінеральних кислот і лугів.

 

 

Група 3

Інструктивна картка № 3

1.   Уважно прочитайте теоретичний матеріал.

2.   Схарактеризуйте основні методи виробництва пластмас.

3.   Визначте, як вироблені видані вам вироби із пластмас (пластикові пляшки, лінолеум, поролон, ґудзики, ламінована фотографія, електричний шнур).

  •  

Теоретичний матеріал

  • Методи обробки термопластів для одержання виробів з них відрізняються від методів обробки термореактивних матеріалів.
  • Переробка й використання термопластів.

Екструзія (виштовхування) використовується для виробництва волокон, плівок, аркушів, труб, стрижнів тощо.

Видувне формування використовують для виготовлення пляшок та інших ємностей або плівок.

Метод заливання. Рідкий матеріал (пластизоль) заливають у порожню форму, потім шляхом обертання його розподіляють по стінках із подальшим видаленням надлишку пластизолю. На внутрішній поверхні форми залишається шар матеріалу, що при нагріванні перетворюється на еластомер. Після охолодження готовий виріб витягають із форми. Точність виготовлення, можливість одержання деталей складної конфігурації й низьких виробничих витрат — головні переваги цього процесу.

Литтьове формування може бути використане для будь-яких термопластів від поліпропілену до тефлону. Це найбільш практичний і швидкий метод виготовлення предметів зі складним профілем. Матеріал (зазвичай у вигляді невеликих гранул) нагрівають у камері за відсутності повітря. Коли пластмаса розріджується, поршень видавлює її крізь отвір у холодну форму. Матеріал швидко охолоджується й після затвердіння виймається з форми.

Для виготовлення пінопластів потрібно або використання агента, що виділяє газ і який рівномірно розподілено у масі, або розчинення газу в м’якій пластичній масі під тиском із наступним випінюванням маси, коли вплив тиску припиняється. Варіанти цього методу залежать від пластика, що використовується. В авіапромисловості пінопласти використовуються як легкі арміруючі елементи для крил, причому матеріал зазвичай спінюють на місці — у крилі.

Переробка й використання реактопластів

Пряме пресування. Цей спосіб використовується у виробництві твердих, термостійких, стійких до деформації предметів — гребенів, оправ для окулярів, ручок каструль, слухавок, попільниць, корпусів і панелей радіоприймачів і телевізорів, холодильників, пральних машин і кондиціонерів.

Литтьове пресування застосовується тоді, коли виріб має металеві елементи і складний профіль. Вихідні речовини завантажують в окрему камеру, і, коли форма закривається, щільно прилягаючий плунжер видавлює речовину з камери в порожнину форми.

Одержання шаруватих матеріалів (ламінування). Шаруваті матеріали (ламінати) виробляють із паперу або тканини, що просочені термореактивною смолою. Як наповнювачі застосовуються текстиль, папір і глина, переважно у формі аркушів. Так формують прості предмети — аркуші, стрижні або труби. Під впливом температури й тиску шари спікаються. Товщина шаруватого матеріалу визначається числом аркушів, що поміщають між пластинами преса.

При роботі в групах кожній групі слід дати завдання (інструктивну картку) й теоретичний матеріал. Після обговорення заслухати короткі повідомлення (виступає один представник групи), під час доповідей інші учні складають короткий конспект у зошитах.

Демонстрація. Виявлення властивостей пластмас: відношення до нагрівання, розчинів кислот, лугів, окисників.

Звернути увагу учнів

Часто паралельно використовуються поняття «речовина» і «матеріал», проте слід їх чітко розмежовувати, оскільки ці поняття не тотожні одне одному. Речовина може лише тоді стати матеріалом, коли вона набуває застосування.

  • 6. Узагальнення й закріплення знань

6.1. Лабораторний дослід № 4. Ознайомлення зі зразками пластмас.

6.2. Творче завдання: «Розкажіть, що відбулося б, якби раптом із нашого життя зникли пластмасові вироби».

  • 7. Домашнє завдання, інструктаж щодо його виконання

7.1. Завдання для всього класу.

Підручник _________________________________________________

Робочий зошит _____________________________________________

Збірник завдань ____________________________________________

7.2. Індивідуальне завдання.

Підготувати повідомлення (3–5 хв) про застосування пластмас.

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

 

Категорія: Хімія 11 клас | Додав: uthitel (16.10.2014)
Переглядів: 3305 | Рейтинг: 0.0/0
Всього коментарів: 0
Ім`я *:
Email *:
Код *: