Методическая разработка урока Проблема синтеза каучуков и пути решения
Синтетические каучуки, строение, свойства, применение. Проблема синтеза каучуков и решение ее в стране (Личностно-ориентированное обучение на уроках химии)
Цели:
1) образовательные
обобщить и углубить знания о каучуках, их видах;
научить записывать уравнения получения синтетических каучуков;
познакомить учащихся с проблемой синтеза каучуков и ее решением у нас в стране;
углубить знания о стереорегулярности полимеров;
2) развивающие
продолжить формирование познавательной активности; развитие умений работать с дополнительными источниками информации, умений фиксировать информацию в виде схем, таблиц;
3) воспитательные
воспитание патриотических чувств учащихся, гордости за достижения отечественной науки и производства;
формирование черт социально- направленной личности.
Оборудование: коллекции “Каучуки”, мультимедийное оборудование, клей “Момент”, пробирка с раствором перманганата калия.
Тип урока: комбинированный урок.
План.
1. История открытия и использования природного каучука.
2. Проблема синтеза каучука.
3. Химическое строение натурального и синтетического каучука.
4. Синтез каучуков в Республике Татарстан.
Ход урока
Актуализация опорных знаний (подготовка к восприятию нового материала)
Классификация высокомолекулярных соединений по происхождению ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
Реакции полимеризации, структурное звено, степень полимеризации (дать определение и показать на слайде).
Запишите структурные формулы следующих алкадиенов ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]):
а) бутадиен-1,3
б) 2-метилбутадиен-1,3
в)2-хлорбутадиен-1,3.
Особенности реакции полимеризации у алкадиенов (по 1,4-положениям).
Демонстрация обесцвечивания раствора перманганата калия (или бромной воды) при добавлении резинового клея (или клея “Момент”) – доказательство непредельного характера свойств каучуков.
1. История открытия и использования природного каучука. (Сообщение ученика, сопровождающееся демонстрацией слайдов).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
Родина каучука – Центральная и Южная Америка. По берегам реки Амазонки, во влажных жарких тропиках растет необычное дерево, которое называется бразильская гевея. Сок дерева гевеи туземцы назвали каучук (от индейских слов: cao - дерево и Chu – течь, плакать), т.е. “слезы дерева”. В первой половине ХVIII в. образцы каучука попали в Европу. Однако новый материал имел большой недостаток: он сохранял свои полезные свойства (эластичность, водонепроницаемость) только в узком интервале температур. Но после открытия Ч. Гудьиром (1839 г.) и Т. Гэнкоком (1843 г.) процесса вулканизации потребность в каучуке резко возросла ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]). Чтобы современный автомобиль вышел из ворот завода, нужно 250 кг каучука; на каждый самолет в среднем уходит 600кг, а на оборудование крупного военного корабля – почти 70 т каучука.
Английский химик М. Фарадей в 1826 г. определил состав каучука: (С5Н8)п. Позднее было установлено, что макромолекулы каучука образованы молекулами изопрена.
Для систематизации знаний о составе, строении и применению каучуков составим таблицу (ученикам розданы заготовки таблицы), в которую будем вносить следующие сведения:
Название каучука
Структурное звено (строение)
Применение
Природный каучук
цис-
строение
изготовление шин, обуви и т.д.
По мере знакомства с СК будем заполнять эту таблицу.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
2. Проблема синтеза каучука. (Сообщение ученика).
Бурное развитие автомобильной промышленности, особенно после изобретения в1888 г. резиновых пневматических шин, поставило перед химиками задачу производства не натурального, а синтетического каучука.
К началу ХХ в. было разработано уже достаточно много способов получения диеновых углеводородов и превращения их в полимеры, которые стали называть синтетическими каучуками.
Первый завод по производству синтетического каучука был построен в г. Ливеркузен (Германия) в 1916 г. Полимеризации под действием металлического натрия подвергался 2,3 – диметилбутадиен-1,3.
Запишите реакцию полимеризации 2,3–диметилбутадиена-1,3:
Полученный продукт получил название “ метилкаучук”.
Первый синтетический каучук по своим потребительским качествам значительно уступал каучуку натуральному. Изделия из него по-прежнему боялись высоких и низких температур, а автомобильные покрышки истирались в десятки раз быстрее, кроме этого, он был гораздо дороже. Поэтому через два года работы завод в г. Ливеркузене был закрыт.
Первым синтетическим каучуком, прошедшим испытание “практикой”, стал бутадиеновый каучук (СКБ), полученный в Советском Союзе по методу С.В.Лебедева ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]). В связи с этим известный американский изобретатель Т. Эдисон писал: “Известие о том, что Советы достигли успехов в производстве синтетического каучука невероятно. Этого никак нельзя сделать. Скажу больше, все сообщение – ложь. Из собственного моего опыта и опыта других ясно, что вряд ли возможно получение синтетического каучука вообще особенно в России”. А тем временем на Казанском заводе СК – 4 и других родственных предприятиях (в Ярославле, Воронеже, Ефремове) успели выпустить сотни тысяч тонн этой продукции. Из первых килограммов продукции, полученной на опытном заводе в 1931 г., была изготовлена шина. Ее поставили на автомобиль, на котором ездил Сергей Васильевич, и она верой и правдой прослужила 16 тыс. км пробега. За рубежом подобные производства появились позже: в Германиив 1938г., в СШАв 1942г.
Более половины мирового производства СК расходуется на производство шин, меньше половины – на все остальные виды резиновых изделий для техники (их около 50 тысяч).
3. Химическое строение натурального и синтетического каучука.
Тем не менее синтетическому каучуку никак не удавалось достичь качества натурального полимера. Причину этого удалось разгадать только в 40-х гг. ХХ в.
Дело оказалось в том, что в синтетическом каучуке элементарные звенья с цис-, транс- конфигурацией расположены хаотически. Кроме того, полимеризация протекает не только как 1,4-, но и как 1,2-присоединение, в результате чего образуется полимер с разветвленной структурой ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]):
цис-полибутадиен транс-полибутадиен
Оказалось, что природный полимер имеет цис-расположение заместителей при двойной связи в более чем 97% элементарных звеньев (рисунок 9). Такое расположение групп СН2 , через которые осуществляется связь звеньев в макромолекуле, способствует естественному скручиванию ее в клубок, что и обусловливает высокую эластичность каучука. Это стереорегулярный полимер (демонстрация слайда – [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]):
Встречается в природе и другой пространственный изомер – транс-полиизопрен: это гуттаперча (стереонерегулярный или атактический). Однако этот полимер не обладает главным свойством каучука – эластичностью.
Впервые получить бутадиеновый каучук стереорегулярного строения удалось в 1957 г. группе советских ученых под руководством академика Бориса Александровича Долгоплоска и члена-корреспондента Академии наук Алексея Андреевича Короткова. По износоустойчивости и эластичности этот полимер превосходил натуральный и получил название дивинилового каучука.
Общим недостатком углеводородных каучуков является их низкая термическая устойчивость, набухание и разрушение в нефтепродуктах (бензин, масла). Этих недостатков лишен хлоропреновый каучук, получаемый полимеризацией 2-хлорбутадиена-1,3 (хлоропрена). Запишите уравнение полимеризации этого вещества. Хлоропреновый каучук используется для изготовления бензо- и маслостойкой резины, трубопроводов для перекачки нефтепродуктов.
Некоторые синтетические каучуки представляют собой сополимеры. Например, бутадиен-стирольный каучук, получаемый сополимеризацией бутадиена-1,3 с винилбензолом, называемым стиролом:
Благодаря уникальной газонепроницаемости бутадиен-стирольный каучук используют для изготовления автомобильных камер, а также транспортных лент. Шины на его основе, по сравнению с массовыми, имеют лучшие характеристики по величине пробега, безопаснее на мокром асфальте.Известный клей “Бустилат” является эмульсией бутадиенстирольного каучука.Сейчас мировое производство каучуков (изопреновых, бутадиеновых, бутадиен-стирольных, хлоропреновых, полиуретановых, силиконовых, акрилатных, этиленпропиленовыех и т.д.) приближается к 10 млн т в год. О применении некоторых из них можно узнать по таблице ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
4. Синтез каучуков в Республике Татарстан. (Сообщение ученика, демонстрация слайда).
В Татарстане синтетические каучуки производятся на ОАО "Казанский завод синтетического каучука, продукцией которого является каучук СКБ, силиконовые и уретановые каучуки, латексы, полиэфиры, самослипающиеся ленты, смеси резиновые, автогерметик, шумоизоляционный материал, антифриз, кровельный материал ТЭЛКРОВ, строительные мастики, кровельные мастики, и ПО “Нижнекамскнефтехим”.
Объединение “Нижнекамскнефтехим” - флагман нефтехимии страны ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]3), по многим параметрам не имеющий аналогов в отечественной и мировой практике. От его бесперебойной работы во многом зависит производственный ритм крупнейших в стране предприятий шинной и резинотехнической промышленности, мощностей по производству важнейших видов пластмасс и других полимерных материалов. Потребителями ПО “Нижнекамскшина” являются не только КамАЗ, но и Волжский, Ульяновский, Ижевский, Кременчугский, Минский, Запорожский, Луцкий автозаводы. Кроме того, нижнекамские шинники “обувают” трактора и другую сельскохозяйственную технику во всех регионах страны. Шины с товарным знаком “НК” можно увидеть на дорогах почти 30 стран мира.
Итог урока.
Учитель задает вопрос классу:
- Какие чувства у вас, как гражданина своей страны, возникли в связи с полученными знаниями о синтетических каучуках? (Ученики высказывают свои мнения, говорят о гордости за достижения отечественной науки и промышленности.)
Татарстан – крупнейший центр российской промышленности, таких ее отраслей, как машиностроение, нефтепереработка, нефтехимия. В республике добывается 7 % российской нефти, производится 16% грузовиков, 35 %полиэтилена, 28 % автомобильных шин, практически все виды каучуков. Свои достижения представила делегация недавно на Первом инвестиционном саммите РТ в Великобритании. В своем выступлении Президент РТ М. Шаймиев, приглашая к долгосрочному и взаимовыгодному сотрудничеству, сказал: “Республика Татарстан созрела и располагает всем необходимым для конкурентоспособного развития на основе наукоемких и высокотехнологичных производств”. Именно вам, подрастающему поколению, предстоит развивать отечественную науку, участвовать в подъеме экономики страны. Я надеюсь, что вы сделаете правильный выбор профессии и внесете достойный вклад в развитие страны.
Домашнее задание: §50 изучить,
1 уровень № 38-40 (в таблицу), стр. 244-245.
2 уровень: закончить таблицу, решить задачу (вариант 1 или вариант 2):
Вариант 1. Какой объем этилового спирта, массовая доля воды в котором составляет 4% (плотность 0,80 г/мл) потребуется для получения 97,2 г бутадиена-1,3 по методу Лебедева, если массовая доля выхода продукта реакции составляет 90%?
Вариант 2. Дегидратацией этанола (по Лебедеву) можно получить бутадиен-1,3 с выходом 80 %. Для реакции был взят этанол объемом 250 мл, плотностью 0,8 г/мл и массовой долей спирта 92 %. Масса бутадиена равна __________г. (Задание ЕГЭ)
Использованная литература
1.Абалонин Б. Е. Избранные главы химической технологии: учебное пособие для студентов биолого-химических факультетов педвузов. – Ч.2. – Казань: Экоцентр, 2000.
2.Габриэлян О. С. Химия. 10 класс: Настольная книга учителя / О. с. Габриэлян, И. Г. Остроумов. – М.: Дрофа, 2004.
3. Косова О. Ю. Единый государственный экзамен. Химия: справ. материалы, контрол.-трениров. упражнения, расчет. задачи. –Челябинск: Взгляд, 2006.
4. Цветков Л. А. Органическая химия: Учеб. Для учащихся 10 – 11 кл. общеобразоват. учеб. заведений. – М.: ВЛАДОС, 2001.
5. Энциклопедический словарь юного химика / Для среднего и старшего школьного возраста / Составители В. А. Крицман, В. В. Станцо. – М.: Педагогика, 1990.
Рисунок 2Рисунок 3Рисунок 4Рисунок 5Рисунок 7