Идея: интеграция информации по химии, физике, биологии, экологии, философии, экономической географии, обществознания, компьютерных технологий.
Цели урока:
- Ознакомление учащихся с составом, строением и свойствами натурального каучука, опираясь на понятие о диеновых углеводородах.
- Раскрыть сущность процесса вулканизации, отличие каучука от резины.
Форма проведения: Урок изучения нового материала с элементами конференции.
Образовательные задачи урока:
1. Ознакомить учащихся с углеводородами, содержащими несколько кратных связей.
2. Показать возможность познания состава и строения природных веществ для синтеза синтетических органических веществ, необходимых человеку.
3. Рассмотреть вред, наносимый окружающей среде при синтезе, использовании и утилизации синтетических веществ (в частности резины).
Практикум к уроку:
1. Демонстрации: а) разложение каучука при нагревании и испытание продуктов разложения; б) растворимость каучука и резины в органических растворителях
2. Лабораторные опыты: а) исследование свойств резины и каучука после замачивания в солярке или бензине; б) исследование отношения полиэтилена и каучука к бромной воде.
Эпиграф к уроку
Из совокупности малых причин
Возникают великие следствия.
Ибн – Хаким
Ход урока
Учитель начинает урок с постановки цели.
1. Рассмотреть состав, строение, номенклатуру, физические и химические свойства диеновых углеводородов.
2. Познакомиться с составом, строением и свойствами натурального каучука, опираясь на понятие о диеновых углеводородах.
3. Показать сущность процесса вулканизации, отличие каучука от резины.
Человек знает семь чудес света:
- Египетские пирамиды;
- висячие сады Семирамиды в Вавилоне;
- храм Артемиды в Эфесе;
- статуя Зевса в Олимпии;
- Мавзолей в Галикарнасе;
- Родосский Колосс;
- Александрийский маяк.
Еще одним чудом можно назвать открытие и использование каучука и резины.
Историю открытия каучука представляет первый ученик.
У островов Гаити во время путешествия (1493) испанский адмирал Христофор Колумб увидел туземцев, игравших плотным мячом. Мяч был изготовлен из сплошной твердой массы, но при встрече с препятствиями, отскакивал от них, как живой. Такие мячи индейцы делали из смолы, которую называли «каучу» (от слов каа – дерево и о-чу - плакать). Если сделать надрезы на стволе гевеи, то начинают выделяться капли жидкости – латекс. Если собрать латекс и нагреть, то эта жидкость превращается в темную тяжелую и упругую массу – каучук. Латексом индейцы Южной Америки шпаклевали каноэ, жгли в факелах. Колумб привез несколько кусков удивительного вещества (каучука) на родину, но в те времена он никого не заинтересовал.
Второй ученик представляет сведения из биологии.
Каучук натуральный – эластичный материал, получаемый коагуляцией млечного сока (латекса) каучуконосных растений.
Каучуконосные растения |
||
Латексные (каучук находится в млечном соке) |
Хлоренхимные (каучук находится в зеленых тканях, молодых побегах, листьях) |
Паренхимные (в паренхиме осевых органов – стеблей, корней) |
Промышленное значение имеют латексные деревья, которые не только накапливают каучук в большом количестве, но и легко его отдают. Гевея бразильская дает 95% мирового производства натурального каучука. Гевея бразильская (Hevea brasiliensis из семейства Молочайных (Euhorbiaceae) высотой до 25-30 м произрастает в бассейне Амазонки в Бразилии (каучука в соке гевеи – 40-50%). Начинали использовать дерево с 10-12 летнего возраста. Одно дерево в год давало от 3-4 до 7,5 кг каучука. Гектар плантации гевеи дает до 950 кг, иногда до 2000 кг каучука, но собирают его порциями по 10-15 г за один раз с дерева.
Травянистые латексные каучуковые растения из семейства сложноцветных (кок-сагыз, тау-сагыз, крым-сагыз и др., в их корнях содержится 20-36% каучука) произрастают в умеренной зоне, в том числе и в России, содержат каучук в небольшом количестве в корнях и промышленного значения не имеют.
К паренхимным каучуконосам относится гваюла (родом из Мексики). Гваюла (Parthenium argentatum) - низкорослый пустынный кустарник из семейства сложноцветных.
К хлоренхимным – ряд видов из родов крестовник, василек и др.
Сколько нужно каучука сейчас? Учитель сообщает некоторые сведения.
Долгое время спрос на каучук был мизерный. Даже в 1830 г. во всем мире использовали всего 25 т каучука. А сегодня? Чтобы современный автомобиль вышел из ворот завода, нужно 250 кг каучука; на каждый самолет в среднем уходит 600 кг, а на оборудование крупного военного корабля - почти 70 т каучука.
Третий ученик продолжает рассказ об истории применения натурального каучука.
В 1770 г. Е. Нерн обнаружил, насколько хорошо кусочек каучука стирает с листа бумаги карандашные линии. Это было лучше, чем хлебный мякиш. Так появилась «резинка» (ластик). К 1820 г. во Франции научились изготовлять подтяжки и подвязки из каучуковых нитей, сплетенных с тканью. В 1821 г. в Вене открылась первая фабрика изделий из каучука. В Англии Чарлз Макинтош в 1823 г. предложил класть тонкий слой каучука между двумя слоями ткани и из этого материала шить водонепроницаемые пальто (макинтоши). Пытались делать обувь из каучука, которую носили поверх башмаков (типа галош). Но она была неуклюжей и непрочной. В 1832 г. в Петербурге была построена фабрика по производству обуви, верх которой изготовлен из ткани, пропитанной раствором каучука. Предприимчивые изобретатели пытались из каучука делать головные уборы и даже крыши фургонов. Но, к сожалению, через некоторое время изделия из каучука превращались в неприятное жидкое месиво с отвратительным запахом.
Четвертый ученик рассказывает о родственнике каучука гуттаперче.
У каучука есть «родственник» - гуттаперча! Слово «гуттаперча» знакомо нам по рассказу Дмитрия Григоровича «Гуттаперчевый мальчик». Она добывается из латекса растущего в Малайзии дерева – бересклета. Гуттаперча не эластична. Причина этого в различном пространственном строении макромолекул этих природных полимеров. В макромолекуле натурального каучука участки ее цепи у каждой кратной связи находятся в цисположении, а в макромолекуле гуттаперчи они находятся в трансположении (приводим здесь структурные формулы натурального каучука и гуттаперчи).
Гуттаперча использовалась до 1933 года для изоляции морских кабелей; не нашла широкого применения, но она применяется для производства жевательных резинок, в зубоврачебной практике (как материал для пломб), в производстве мячей для гольфа.
Пятый ученик рассказывает об изобретении резины.
Американский изобретатель Чарлз Гудьир обнаружил, что нагретый в присутствии серы каучук не размягчался, а приобретал высокую эластичность. Такой каучук легко деформировался под действием небольших нагрузок и легко восстанавливал свою форму после их снятия. Это произошло в 1839 г., а в 1844 г. изобретатель запатентовал полученный им вулканизированный каучук, который уже не был обычным каучуком. Это был новый продукт - кожеподобный материал – резина (от лат. rezina - смола). Превращение каучука в резину назвали вулканизацией. Почему? Дело в том, что жар и сера – главные факторы отвержения каучука – согласно мифологии были атрибутами бога Вулкана. Резина содержит около 5% серы. Если содержание серы увеличить до 30 - 40% и выше, то такой каучук становится твердым, приобретая высокую прочность. Эта твердая резина называется эбонитом.
С появлением резины начала развиваться электропромышленность - резина прекрасный изолятор. Появилось производство пневматических покрышек для велосипедов и автомобилей. Резина эластична; в природе не существует веществ, которые, подобно вулканизированным каучукам. В 1860 г. в России открылось первое предприятие резиновой промышленности. Требовалось все больше каучука. Основным поставщиком каучука оставалась Бразилия. Каучук стал вскоре дороже серебра.
Лабораторный опыт: Свойства каучука и резины. Учащиеся на одинаковых образцах каучука и резины исследуют их эластичность и прочность. Что прочнее: каучук или резина? Почему каучук обладает такими свойствами? Это объясняется составом и строением каучука.
Шестой ученик продолжает рассказ об истории каучука и резины.
И вот в 1870 г. 70 тыс. семян бразильской гевеи тайно привезли в Англию и высадили в ботаническом саду г. Лондона, а потом выросшие молодые деревца доставили на остров Цейлон и Индонезию. В результате уже в 1936 г. из 869 тыс. тонн каучукового сырья только 2% ввозили из Бразилии. И все же каучука не хватало. Была и другая проблема: каучуковые деревья росли в экваториальном поясе, а некоторые государства и Россия в том числе, могли лишиться покупки каучука. Кроме этого натуральный каучук не всегда удовлетворял промышленность: он растворялся в масле, в нефтепродуктах, имел плохую термостойкость и быстро терял свои качества. Так возникла необходимость в получении каучука синтетическим способом.
Седьмой ученик. Нужно было решить вопрос (1 вопрос): каков состав и строение каучука?
Для изучения каучука химики использовали старый метод – сухую перегонку, при которой вещество разлагалось, образовавшиеся продукты собирали, а потом исследовали. Нагревая каучук, английский химик Гревиль Уильямс в 1861-1862 г.г. выделил кипящий при 32 0С продукт, названный им изопреном. Он определил и состав изопрена – С5Н8. Спустя 22 года английский химик Уильям Огест Тильден установил структурную формулу изопрена. Он оказался непредельным соединением с двумя сопряженными двойными связями в молекуле.
Изопрен (2-метилбутадиен-1,3)
Французский химик Гюстав Бушард задумал получить каучук из продуктов, выделенных при сухой перегонке. Он подействовал на изопрен соляной кислотой и получил массу, похожую на каучук, т.е. «… обладала эластичностью и другими качествами природного каучука. Она не растворялась в спирте, набухала в эфире и сероуглероде и растворялась в них так же, как природный каучук», - это было записано в дневнике ученого. Теперь ученый был убежден: натуральный каучук состоит из молекул изопрена.
Восьмой ученик. Был другой, не менее сложный вопрос (2 вопрос): как соединяются между собой молекулы изопрена при образовании огромной молекулы натурального каучука?
К тому времени уже были известны некоторые реакции соединения друг с другом многих одинаковых молекул. Такие реакции назвали полимеризацией. Вероятно, в такую же реакцию вступает и изопрен. Но как это происходит, химики не знали. При полимеризации изопрена образуются очень длинные цепи, состоящие из одинаковых элементарных звеньев – остатков молекул изопрена.
Учитель: Посмотрите внимательно на эту формулу. Элементарное звено (мер) отличается от исходного мономера характером связей. В каждом из них вместо двух двойных связей имеется только одна. Это означает, что при полимеризации изопрена две двойные связи рвутся, а рождается новая двойная связь – в середине молекулы. Ее «рождение» - результат соединения двух неспаренных электронов друг с другом. Это все стало известно гораздо позже. А на рубеже XIX и XX вв. перед химиками стояло больше вопросов, чем ответов.
Один (3 вопрос), из которых – где взять мономеры легкодоступные и дешевые?
Вывод формулы диенового углеводорода. Учащимся предлагается решить задачу и вывести общую формулу диеновых углеводородов, познакомиться с номенклатурой диеновых углеводородов. Выясняем, возможны ли углеводороды более непредельные, чем этиленовые.
Задача: Рассчитайте формулу углеводорода, если массовая доля углерода в нем составляет 90%, водорода – 10%. Плотность углеводорода по водороду – 20 (ДН2).
После расчета эмпирической формулы, предлагаю учащимся составить структурную формулу:
Предлагаю учащимся вывести общую формулу для углеводородов, содержащих две двойные связи…
Общая формула СnH2n-2
Возросшую ненасыщенность состава связываем с наличием в данных углеводородах еще одной
p - связи. Отмечаем, что известные учащимся сведения об изомерии углеводородов дополняются новым видом, обусловленным различным взаимным положением двойной связей в углеродной цепи диеновых углеводородов.
Предлагаю классу сделать прогноз о химических свойствах диеновых углеводородов.
Далее решаем вопрос: отражается ли на свойствах углеводородов этого ряда возросшее число кратных связей? Обсуждаем реакцию присоединения галогена (водорода, галогеноводорода) в соотношении 1:1.
В результате выясняем, что атомы галогенов, водорода и др. присоединяются к крайним атомам углерода, происходит перемещение двойной связи в положение 2:
Указываем на возможность второй стадии реакции, идущей при достаточном количестве галогена (есть еще одна p - связь). Анализ реакции полимеризации дивинила позволит обратить внимание на особенность строения элементарных звеньев полимера, в составе которых сохраняются p - связи. Следовательно, полимеры диеновых углеводородов не имеют сходства с полиэтиленом, полипропиленом по структуре элементарного звена, хотя в обоих случаях имеются макромолекулы линейного строения.
Лабораторный опыт: а) полиэтилен с бромной водой; б) резиновый клей (или латекс) с бромной водой. Провести реакции и сделать вывод о составе и строении веществ.
Историю синтеза дивинилового каучука представляет десятый ученик.
Впервые синтетический изопрен был получен в 1897 г. русским химиком В. Н. Ипатьевым. Спустя несколько лет изопрен синтезировали и другие химики. Но все это было сложно и дорого и такой каучук был низкого качества. Начался поиск других мономерных продуктов, которые бы смогли заменить изопрен при получении синтетического каучука. Ближайшим «родственником» изопрена оказался дивинил (бутадиен –1,3)
Н2С = СН - СН = СН2
Он отличается от изопрена только тем, что отсутствует метильная группа. Впервые дивинил был получен в 1862 г. французским химиком Ж. Каванту при пропускании через нагретую железную трубку смеси пентиловых спиртов (смесь, известная под названием «сивушные масла»). Через четыре года П. Бертло получил дивинил в тех же условиях из смеси этилена с ацетиленом. В 1878 г. русский химик- технолог А. А. Летний выделил дивинил из продуктов пиролиза нефти (он назвал его кротониленом) и установил его состав – С4Н8. В 1902 г. В. Н. Ипатьев получил его из этилового спирта в присутствии алюминиевой пыли и оксида алюминия. В 1926 г. Высший совет народного хозяйства объявил международный конкурс на лучший промышленный способ получения синтетического каучука (СК) для создания сырьевой базы резиновой промышленности. Последний срок представлений (и одновременно 2 кг образца СК) был назначен на 1 января 1928 г.
Продолжение истории дивинилового каучука. Одиннадцатый ученик.
С. В.Лебедев отозвался на призыв правительства и организовал группу исследователей из семи человек. Первый успех в работе определился в середине 1927 г. И только 30 декабря 1927 г. 2 кг дивинилового каучука с описанием способа получения С.В. Лебедева было отправлено на конкурсную комиссию. В 1931 г. на опытном заводе был получен первый СК полимеризацией дивинила, который синтезировали из этилового спирта. Эту реакцию успешно осуществил русский химик академик С. В. Лебедев. Ученому удалось при получении дивинила одновременно осуществить два процесса: каталитическую дегидрогенизацию (отнятие водорода) и дегидратацию воды (отнятию воды) этилового спирта:
При этом дивинил получался в достаточном количестве, чтобы использовать его в качестве мономера для получения СК.
Двенадцатый ученик рассказывает об успехе русской науки.
Первый в мире завод по производству дивинилового каучука был пущен в 1932 г. в г. Ярославле. Вскоре такие же заводы начали работать в Воронеже, Казани и Ефремове. Только через несколько лет подобные заводы начали строить в Германии, а в годы второй мировой войны – в США. Знаменитый американский изобретатель Томас Эдисон заявил в то время: «Я не верю, что Советскому Союзу в 1931 г. удалось получить синтетический каучук. Это сплошной вымысел. Мой собственный опыт и опыт других показывает, что вряд ли процесс синтеза каучука вообще когда – либо увенчается успехом». Увенчался! В 1933 году 22 машины с резиновыми покрышками из отечественного синтетического каучука преодолели 6 тыс. км в автопробеге Москва – пустыня Каракум – Москва. И ни у одной из них не возникло проблем с покрышками! При въезде в столицу москвичи чуть ли не на руках несли эти тяжелые грузовые автомашины марки ЗИС-5. В Александро – Невской лавре в Санкт-Петербурге академику С. В. Лебедеву установлен гранитный памятник с барельефным портретом ученого и надписью: «Сергей Васильевич Лебедев – изобретатель синтетического каучука».
Тринадцатый ученик рассказывает об экологических проблемах, возникающих при производстве, потреблении и утилизации отходов использования каучука.
Четырнадцатый ученик рассказывает о применения каучуков.
В 1990 г. в мире потреблялось около 32 млн. т каучука, сегодня около 45 млн. т.
В наше время трудно представить, что в конце 20-хг.г. XX в. потребление каучука на одного человека в год (!) в нашей стране составляло 50 г, а один автомобиль приходился на три тысячи жителей. В настоящее время химикам известно более 25 тыс. видов искусственных каучуков. Подсчитано, что в наше время резина имеет свыше 40 тыс. различных применений в промышленности и быту.
Почему машине лучше на резиновых колесах ? Расскажет шестнадцатый ученик.
В теме, посвященной изучению диеновых углеводородов, используются такие физические понятия, как «остаточная деформация твердых тел», «упругость», «пластичность». На уроках физики учащиеся знакомились с явлением деформации тел, с процессами, вызывающими деформацию, с силой упругости, возникающей при деформации тела. Они также узнают о том, что способность тел к деформации зависит от природы вещества, из которого состоит это тело, от условий, в которых оно находится, и от способов его изготовления.
Ученик начинает свой рассказ с постановки опыта: ударяет о поверхность стола поочередно тремя шариками: пластилиновым, резиновым, костяным. Затем ученик объясняет данное явление с точки зрения знания некоторых физических особенностей полимерных материалов.
Для закрепления предлагается учащимся решить кроссворд по теме урока.
1. Мономер для получения каучука. 2. Растение с млечным соком, похожим на сок гевеи, произрастающий в нашей полосе. 3. Млечный сок растений. 4. Комнатное растение, выделяющее млечный сок. 5. Эластичный материал. 6. Исходное вещество для реакции полимеризации. 7. Мономер природного каучука. 8. Реакция, в процессе которой получают из многих одинаковых молекул более крупные молекулы. 9. Эта страна по площади и населению самая Большая в Южной Америке; ее называют землей «зеленого золота» и «золотых плодов». «Зеленое золото» - кофейное дерево родом из Африки. «Золотые плоды» дает дерево какао, которое произрастает в этой стране. Эта страна … 10. Любое изменение формы и размера тела под действием внешней или внутренней силы, характерно для всех твердых тел. 11. Свойство материалов твердых тел сохранять часть деформации при снятии нагрузок, которые ее вызывали. 12. Из этого растения и сейчас добывают до 30% каучука.
Ответы: 1. Дивинил; 2. Одуванчик; 3. Латекс; 4. Фикус; 5. Эластомер; 6. Мономер; 7. Изопрен; 8. Полимеризация; 9. Бразилия; 10. Деформация; 11. Пластичность; 12. Гевея.
Литература:
1. Артеменко А.И. Удивительный мир органической химии. М.: Дрофа, 2005.
2. Белоцветов А.В., С.Д. Бесков, Н.Г.Ключников. Химическая технология. М.: Просвещение, 1976. 3. Габриелян О.С., Ватлина Л.П. Химический эксперимент в школе. М.: ДРОФА, 2005.