Цели урока:
- Обучающие: изучение учащимися состава, строения, свойств, применения натурального и синтетических каучуков, закрепление знаний о зависимости свойств от состава и строения веществ.
- Развивающие: развитие умений учащихся проводить эксперименты исследовательского характера, анализировать результаты, формулировать выводы и обобщения.
- Воспитательные: формирование любви к Родине, уважения к людям науки.
Оборудование: видеофильм "Каучук", компьютер, медиапроектор, диск с компьютерной презентацией.
Химические реактивы для демонстрации: образцы каучуков.
Химические реактивы для выполнения лабораторных опытов: коллекция "Каучуки", прибор для разложения каучука, латекс, растворы перманганата калия, серной кислоты, бромная вода, раствор каучука в бензине, резина, набухшая в бензине, образцы резины.
Таблица: опорная схема "Каучуки" (Приложение № 1, приложение 2).
На столах учащихся - справочная таблица "Важнейшие представители каучуков" (Приложение № 4) и "Экспериментально-исследовательская программа урока" (Приложение № 5).
Учитель: На предыдущих уроках мы изучали высокомолекулярные соединения - полимеры, рассмотрели многообразие пластмасс, выяснили их значение в промышленности и повседневной жизни человека. Сегодня мы изучаем полимеры, обладающие особым свойством - эластичностью, также широко применяемые в народном хозяйстве. Эти вещества называются каучуками. Каково же их значение в нашей жизни?
Учащиеся: из каучука получают резину - важнейшее вещество, используемое в производстве транспортных средств и в быту.
Учитель: Да, действительно, промышленность, транспорт и сельское хозяйство требуют сотни миллионов резиновых изделий: покрышек, камер, ремней, транспортеров, резиновых сапог, прорезиненной одежды, резиновых скафандров и лодок, бесчисленных изделий санитарии и гигиены, детских игрушек. Без каучука современный человек лишился бы всех благ цивилизации: авиации, автотранспорта, связи, удобной одежды и обуви, телевидения, радио и много другого.
Учитель: Тему "Каучуки" мы изучаем по плану:
Учитель представляет учащимся опорную схему урока (Приложение 1, 2).
| КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА | НАТУРАЛЬНЫЙ КАУЧУК | СИНТЕТИЧЕСКИЕ КАУЧУКИ | СВОЙСТВА, СТРОЕНИЕ РЕЗИНЫ |
размещенную на доске, на которой первоначально закрыто содержание вопросов:
- виды каучуков общего и специального значения;
- молекулярная формула натурального каучука;
- уравнение реакции полимеризации бутадиена-1,3;
- формулы структурных звеньев бутадиенового и дивинилового каучуков.
Учащиеся записывают тему урока, оформляют таблицу для составления опорной схемы в тетради, озаглавливают пункты плана (таблица расчерчивается на двойной развернутый лист тетради).
Учитель: Мы знаем, что полимеры, как углеводороды, могут быть предельными и непредельными. Как практически определить химический характер полимера?
Учащиеся: Предельные соединения не изменяют окраску бромной воды и раствора перманганата калия, непредельные соединения обычно обесцвечивают указанные растворы.
Учащиеся выполняют задание № 1 исследовательской программы урока.
(Приложение № 3, слайд № 1)
Учащиеся делают вывод о непредельном характере каучука как полимера, выдвигают гипотезу, что мономерами каучуков являются непредельные соединения - диеновые углеводороды, самостоятельно формулируют определение каучуков, записывают его в опорную схему.
Каучуки - высокоэластичные непредельные полимеры, мономерами которых обычно являются диеновые углеводороды.
Учитель: Какие же еще важные свойства, кроме эластичности, можно выделить у каучуков?
Учащиеся читают текст учебника, выделяют свойства газо- и водонепроницаемости, диэлектрические свойства, вносят в опорную схему.
Учитель: Современная химическая промышленность вырабатывает несколько видов синтетических каучуков, их классифицируют на каучуки общего и специального значения, каждый из них дает резины с определенными свойствами. Познакомимся с некоторыми из каучуков.
Учащиеся выполняют задание № 2 исследовательской программы урока.
(Приложение № 3, слайд № 1)
Работают со справочной таблицей, заполняют опорную схему, выписывая названия и свойства каучуков общего и специального значения.
Учитель: Чем же определяются свойства веществ, в том числе и каучуков?
Учащиеся: Свойства веществ определяются их составом, строением и влиянием атомов в молекулах друг на друга. Например, резкие различия в свойствах изопренового и хлоропренового каучуков можно объяснить различным составом веществ - наличием атомов хлора в хлоропрене.
Учитель: Рассмотрим подробнее состав, строение, свойства натурального каучука. Познакомимся с происхождением, историей ознакомления европейцев с натуральным каучуком, началом его использования в Европе.
Сообщение учащегося:
В ночь на 12 октября 1492 года три крошечных суденышка -"Санта-Мария", "Пинта" и "Нинья" после перехода через неизведанный еще океан подошли к первому из Багамских островов. Утром Колумб и его спутники впервые ступили на землю открытого ими Нового Света. За три месяца экспедиция посетила множество малых и два больших острова - Кубу и Гаити. Много диковинного нашли испанские моряки на островах -невиданных людей, птиц, растения и предметы, в том числе табак, кукурузу, картофель. На Гаити они видели игру в мяч, сделанный из эластичной древесной смолы, твердый, тяжелый, но с поразительной прыгучестью.
Американские индейцы пользовались непромокаемыми плащами, сапогами, флягами задолго до того, как эти предметы получили широкое распространение в развитых странах. Этим они были обязаны "плачущему дереву" - гевее, которая в своем соке содержит 30-40% каучука.
Учитель: Каучук в природе встречается в составе латекса - млечного сока растений -каучуконосов в виде коллоидного раствора. Выделяют каучук из латекса путем его коагуляции, нагревая или добавляя электролит. Исследуйте, что происходит с латексом при действии на него раствора серной кислоты.
Учащиеся выполняют задания № 3,4 исследовательской программы урока.
(Приложение № 3, слайд № 2)
По результатам исследования учащиеся доказывают свою гипотезу и делают вывод, что мономер натурального каучука - непредельное соединение.
Учитель: Для определения количественного состава натурального каучука решим задачу.
Учащиеся выполняют задание № 5 исследовательской программы урока
(Приложение № 3, слайд № 2)
Учащиеся находят простейшую молекулярную формулу структурного звена и мономера натурального каучука С5Н8, делают вывод, что данная формула соответствует изопрену (2-метилбутадиену-1,3), следовательно, натуральный каучук является полиизопреном и его состав можно выразить формулой (С5Н8)n.
Учитель открывает на опорной схеме молекулярную формулу натурального каучука, сообщает величину его относительной молекулярной массы.
Учащиеся самостоятельно формулируют определение натурального каучука.
Натуральный каучук - биополимер, мономером которого является изопрен.
Учитель: Рассмотрим уравнение реакции полимеризации изопрена (объясняет по опорной схеме, обращает внимание учащихся на условие протекания реакции в природе - наличие биокатализаторов - ферментов, последовательный рост цепи полиизопрена)
Учащиеся заполняют опорную схему, записывают уравнение реакции полимеризации.
Учитель: Чем же может быть обусловлена эластичность каучука?
Учащиеся работают с учебником, находят ответ: эластичность каучука обусловлена глобулярной формой макромолекул натурального каучука - свернутостью их в клубки, глобулы. При действии внешней силы форма макромолекул изменяется, макромолекулы частично распрямляются, при прекращении действия внешней силы макромолекулы возвращаются в исходное состояние.
(Приложение № 3, слайд № 3).
Учитель: Есть и еще одна особенность строения макромолекул каучука, обусловливающая его эластичность. У натурального каучука имеется природный изомер - гуттаперча, обладающая гораздо меньшей эластичностью, хотя последовательность соединения атомов в этих веществах одинакова. Чем же может отличаться их строение?
Учащиеся: Существует геометрическая (цис-транс) изомерия, которая определяется пространственным расположением атомов в молекулах, возможно, натуральный каучук и гуттаперча - геометрические изомеры.
Учитель: Да, действительно, натуральный каучук является цис-изомером полиизопрена, гуттаперча является его транс-изомером, поэтому и отличаются их свойства. Свертыванию макромолекул в глобулы способствует цис-форма структурного звена линейного полимера. Натуральный каучук - биополимер стереорегулярного строения.
Учащиеся вносят в опорную схему формулы структурных звеньев натурального каучука и гуттаперчи.
Учитель: природных ресурсов растений-каучуконосов недостаточно для удовлетворения быстро растущих потребностей человечества в эластичных материалах. Поэтому сейчас производится множество различных синтетических каучуков. Всегда ли мономерами синтетических каучуков являются диеновые углеводороды?
Учащиеся работают со справочной таблицей, делают вывод: мономерами синтетических каучуков не всегда являются диеновые углеводороды.
Синтетические каучуки - каучукоподобные материалы, эластичные полимеры, мономерами которых являются различные непредельные соединения. При синтезе синтетических каучуков возможна сополимеризация.
Учитель: Просмотрим видеофрагмент фильма об истории создания первого советского каучука. В ходе просмотра фильма найдите ответы на вопросы:
Почему в Советском Союзе возникла острая необходимость в создании синтетического каучука?
Имел ли СССР возможность получения натурального каучука из природного сырья или приобретения его за рубежом?
Какие ученые занимались проблемой получения синтетического каучука?
Какое сырье выбрал С.В. Лебедев для синтеза каучука, как назывался первый советский синтетический каучук?
Учащиеся смотрят фильм, отвечают на вопросы, затем следуют сообщения учащихся о конкурсе ВСНХ, работе лаборатории С.В. Лебедева.
(Приложение № 3, слайд № 4, 5, 6)
Учитель: Первым советским каучуком был синтетический каучук бутадиеновый (СКБ), изготовленный лабораторией под руководством С.В.Лебедева. Составьте самостоятельно уравнение реакции полимеризации бутадиена-1,3 в опорном конспекте, найдите в справочной таблице информацию о свойствах бутадиенового каучука.
Учащиеся вносят в опорную схему уравнение реакции полимеризации бутадиена; изучив справочную таблицу, делают вывод о том, что бутадиеновый каучук уступает по эластичности и износостойкости натуральному каучуку.
Учитель: В 40-х годах ХХ века ученые выяснили, что в бутадиеновом каучуке структурные звенья с цис- и транс-конфигурацией расположены хаотически, т.е. бутадиеновый каучук не является полимером стереорегулярного строения, и только в 1957 году группе советских ученых удалось получить синтетический бутадиеновый стереорегулярный каучук, который назвали "дивиниловым" каучуком. Сравним свойства бутадиенового и дивинилового каучуков.
Учащиеся выполняют задание № 6 исследовательской программы урока.
(Приложение № 3, слайд № 7)
Делают вывод, что дивиниловый каучук более эластичен, чем будатиеновый, предполагают, что причина различия свойств указанных каучуков заключается в их разном строении, возможно, бутадиеновый и дивиниловый каучуки - геометрические изомеры.
Учитель: Верно! Дивиниловый каучук - цис-форма полибутадиена, стереорегулярный полимер, в бутадиеновом каучуке преобладает транс-форма структурных звеньев полибутадиена. Составьте самостоятельно формулы структурных звеньев дивинилового и бутадиенового каучуков.
Учащиеся заполняют опорную схему.
Учитель: Ни один из указанных синтетических каучуков не превосходил натуральный каучук по эластичности. Был ли получен синтетический изопреновый каучук, идентичный натуральному? В 50-е годы ХХ века за рубежом с использованием катализаторов Циглера-Натта был впервые получен синтетический изопреновый каучук, аналогичный природному продукту, и даже превосходящий его по эластичности, он имеет стереорегулярное строение - геометрическую цис-форму структурного звена.
Мы рассмотрели строение и свойства различных видов каучуков, но должны хорошо понимать, что почти все они в чистом виде не используются. Почему?
Демонстрация видеофрагмента фильма "Каучук" об изобретении Макинтошем одежды, пропитанной каучуком, которая меняла свои свойства в холодную и жаркую погоду.
Учащиеся: Низкая термическая устойчивость - общий недостаток углеводородных каучуков, они сохраняют свои ценные свойства только в узком интервале температур, поэтому почти все они перерабатываются в резину.
Учитель: Каким же способом каучук превращают в резину?
Познакомимся с историей открытия резины.
Сообщение учащегося:
В первой половине Х1Х века множество экспериментаторов было одержимо идеей "приучить" каучук к теплу и холоду.
Лаборатория американца Чарльза Гудьира помещалась на кухне. Этот торговец скобяными товарами был уже на грани разорения, так как все свои сбережения потратил на опыты с каучуком. У него оставалась последняя пластинка каучука, посыпанная серой, чтобы не липла к рукам, как он услышал строгий голос свой домашней хозяйки, и от неожиданности уронил пластинку каучука на горячую плиту. Еще мгновенье, и она расплавится! Гудьир быстро схватил ее.
Но что это? Пластинка не липла к рукам, а стала прочной, твердой, упругой. Оказывается, чтобы каучук не размягчался при нагревании, достаточно добавить в каучук серы и нагреть эту смесь!
Так в 1839 году была раскрыта тайна превращения каучука в резину.
Демонстрация видеофрагмента открытия вулканизации каучука.
Учитель: Итак, резину получают путем вулканизации, поэтому резину можно назвать вулканизированным каучуком. Сформулируйте определение вулканизации, внесите его в опорную схему.
Учащиеся работают с текстом учебника, выписывают компоненты вулканизации, формулируют: вулканизация - процесс превращения каучука в резину при нагревании его с серой и другими компонентами.
Учитель: Сравните свойства каучука и резины, заполните таблицу в опорной схеме.
Учащиеся выполняют задание 7 исследовательской программы урока.
(Приложение № 3, слайд № 8)
Учитель:
- Почему резина прочнее каучука, не растворяется в органических растворителях?
- Почему для производства резины используются каучуки, мономерами которых являются диеновые углеводороды?
- В чем сущность вулканизации?
Вопросы вызывают у учащихся некоторое затруднение, учитель предлагает учащимся самостоятельно найти ответ в учебнике. Учащиеся думают, формулируют ответы, записывают схему фрагмента молекулы резины, делают вывод:
Резина - полимер пространственной структуры, так как при нагревании каучуков с серой отдельные полимерные цепи каучуков сшиваются между собой дисульфидными мостиками, этому способствует непредельность каучуков, наличие в них двойных связей. Сшивание полимерных цепей дисульфидными связями повышает прочность и эластичность резины по сравнению с каучуком, делает ее нерастворимой в органических растворителях.
(Приложение № 3, слайд № 9)
Учитель подводит итоги урока:
Вдумаемся в слова С.В.Лебедева:
"Растительные каучуки, независимо от того, из какого каучуконоса они получены, по существу представляют один и тот же изопреновый каучук. Поэтому, будучи носителями определенной шкалы свойств, они не могут дать промышленности широкого разнообразия свойств. Синтез каучуков - источник бесконечного разнообразия. А так как каждый новый каучук является носителем своей оригинальной шкалы свойств, то резиновая промышленность: получит недостающую ей широкую свободу в выборе нужных свойств.
(Приложение № 3, слайд, № 10)
Учащиеся выполняют задание № 8 исследовательской программы урока.
Учитель: сегодня мы, изучая каучуки, еще раз подтвердили основную мысль теории химического строения: свойство веществ зависят от состава, строения и взаимного влияния атомов в молекулах. Мы убедились также, что теория химического строения выполняет прогностическую функцию: по свойствам вещества можно определить строение, а по строению можно прогнозировать свойства.
Литература:
- Цветков Л.А. Органическая химия. Учебник для учащихся 10-11 классов ОУ. М. Владос 2001.
- О.С. Габриелян и др. Органическая химия. Учебник для 10 класса ОУ с углубленным изучением химии. М. Просвещение 2005.
- В.Е. Эскин. Мир невидимых великанов. М. Наука 1976.
- Пантелеева К.Х. Урок по теме: "Природный каучук". Химия в школе. 2003 № 4.
- Слободин Я.М. Быль о каучуке. Химия и жизнь. 1980 № 4,5.