Перспективы развития экологического сознания школьников при изучении темы «Полимеры» в курсе химии

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОЗНАНИЯ ШКОЛЬНИКОВ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ТЕМЫ: «ПОЛИМЕРЫ» В КУРСЕ ХИМИИ

СОДЕРЖАНИЕ Введение

Глава 1. Вопросы экологического образования при изучении темы «Полимеры»

1.1 Пути реализации целей школьного экологического образования

1.2 История начала химии высокомолекулярных соединений

1.3 Полимеры. Химическое строение полимеров

1.4 Получение полимеров

1.5 Применение полимеров

1.6 Экологические проблемы производства полимеров и утилизации пластмассовых отходов

Глава 2. Тема «Полимеры» в школьном курсе химии

2.1 Урок по теме «Полимеры» в 9 классах

Глава 3. Экологические аспекты изучения темы: «Полимеры» в курсе химии средней общеобразовательной школы.

3.1 Урок по теме «Полимеры» в 9 классах, позволяющий развить экологическое сознание школьников

3.2 Результаты контрольного тестирования по теме «Полимеры»

Заключение

Приложение

Природа окружает нас загадками,

и попытка их решения принадлежит

к величайшим радостям жизни.

У. Рамзай

Химия — одна из стремительно развивающихся областей знания, результаты ее ускоренного развития в макрои микромасштабах проявляются в повседневной жизни. А вот время на изучение этой дисциплины в школе неуклонно сокращается, и это не может не увеличивать пропасть между наукой и содержанием школьного предмета. Мы убеждены, что содержание школьного курса химии и процесс обучения должны отражать не упрощенные представления об особенностях развития химической науки, а состояние современного знания, реальную сложность объекта познания химии. Выживание человечества зависит от его нравственного совершенствования. Сегодня для дальнейшего развития цивилизации становится очевидной необходимость формирования экологической культуры на основе ценностей экологической этики. Экологическая культура должна проявляться в социальной активности и гражданской зрелости личности. Чтобы экологические требования превратились в норму поведения каждого человека, необходимо с детских лет целенаправленно воспитывать чувство ответственности за состояние окружающей среды, природный мир, его экологическую чистоту.

По этой причине тема развития экологического сознания школьников при изучении темы «Полимеры» очень важна и актуальна, так как не раскрыты и не решены многие задачи, связанные с ней. Известно, что полимеры окружают нас повсеместно. Наверное, нет ни одной области в жизни человека, так или иначе, не связанной с использованием полимеров и изделий из них. В тоже время безответственное отношение к вопросам утилизации отработавших свой срок службы полимерных изделий приводит к загрязнению окружающей среды и наносит непоправимый вред нашей планете.

В связи с этим, целью настоящей работы является рассмотрение перспектив развития экологического самосознания школьников на примере темы: «Полимеры», анализ школьных учебников (тем и заданий, оценка сложности и доступности анализируемого материала). Для достижения поставленной цели, в работе рассматриваются следующие задачи: обзор конкретной темы, а именно «Полимеры», подготовка необходимого, по нашему мнению, дополнения к этим темам, внедрение материалов с экологическим уклоном, увеличение числа заданий и тестов, носящих экологический характер, а также проведение различных внеклассных мероприятий с экологическим содержанием.

Работа включает в себя: введение, три главы и заключение. Первая глава излагает понятие о полимерах, их получение и использование. Во второй главе рассматривается тема «Полимеры» так, как она преподносится в школьной программе. Третья глава восполняет недостатки школьного курса через раскрытие экологической проблематики, связанной с полимерами.

ГЛАВА I. ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ТЕМЫ «ПОЛИМЕРЫ»

1.1 Пути реализации целей школьного экологического образования

Среди современных проблем, стоящих перед мировым сообществом, особенно выделяется одна — проблема ухудшения качества среды обитания человека. Она носит глобальный характер и волнует людей всех стран, больших и малых, развитых и развивающихся. Рост загрязнения среды проявляется наглядно и вызывает эмоциональную критику людей. К сожалению, такая критика часто бывает мало аргументированной. Чаще основные претензии населения обращены к химии.

В сложившихся условиях необходимо провести объективный анализ причин расширения масштабов загрязнения окружающей среды и учащения катастроф, связанных с неконтролируемым распространением химических соединений технического или биологического происхождения. В настоящее время можно выделить два основных аспекта общей проблемы.

Первый из них касается известной хаотичности и противоречивости развития экономики, второй — самого человека, уровня его подготовленности к осознанному использованию современных достижений в производственных и бытовых сферах. Особенно важно решение вопроса элементарной «химической» подготовленности людей, так как с веществами, способными нанести определенный вред человеку, сегодня контактирует практически каждый. В повседневной жизни человек использует лекарства, косметические и парфюмерные средства, красители, различные виды топлива, пластики, удобрения.

Поэтому сегодня общеобразовательная школа призвана заложить основу формирования личности с новым образом мышления и типом поведения в окружающей среде — экологическим.

Пути реализации целей школьного экологического образования могут быть самыми разными: экологизация учебных дисциплин, создание интегрированных курсов, введение в практику обучения специального предмета, раскрывающего вопросы экологии и защиты окружающей природной среды от загрязнений.

Вопрос загрязнения окружающей среды отходами полимерных производств и готовыми пластмассовыми изделиями в данный момент стоит особо остро и требует немедленного решения. Но решение это должно носить конструктивный характер и быть надлежащим образом подкреплено научными представлениями о полимерной химии и об экологических проблемах, связанных с производством и использованием полимеров и изделий из них.

1.2 История начала химии высокомолекулярных соединений

Вся история органической химии — это непрерывное триумфальное шествие органического синтеза, основное назначение которого — получение продуктов высшей химической ценности на основе доступного, чаще всего углеводородного сырья. Синтез считался успешным даже тогда, когда выход продукта достигал всего лишь 20−30%, а иногда даже 10−15%. Если целевой продукт был очень нужен, то цель оправдывала средства. При этом удручал не столько низкий процент выхода продукта, сколько факт образования большого количества побочных веществ — густых масел, асфальтоподобных смол, от которых трудно было очистить целевой продукт, поэтому процедуру их отделения называли «испачканной химией», портившей результаты синтеза.

Однако, в 1920;х гг. появился исследователь, отбросивший мрачные взгляды на неприятные отходы органического синтеза. Этим исследователь был немецкий химик-органик Г. Штаудингер (Герман Штаудингер род. 23 марта 1881 г. в Вормсе, Германия). Своими работами он показал потенциальную ценность органического синтеза, их полимерную природу и обратил внимание на их сходство с природными веществами типа каучука. Понадобились годы для того, чтобы доказать единую высокомолекулярную основу каучука и побочных продуктов органического синтеза, поскольку до Штаудингера в науке бытовало мнение о низкомолекулярной основе каучука и подобных ему веществ. Существование высокомолекулярных изделий категорически отрицалось учеными.

В результате деятельности Штаудингера 1920;1930;е гг. оказались периодом великих преобразований в химии: «испачканная химия» из неприятного сопровождения органического синтеза превратилась в исключительно привлекательный объект исследования. На основе органической химии, которая не имела понятия о макромолекулах, вырастала химия высокомолекулярных соединений со своими теориями и методами. Эта новая химия обещала стать поставщиком новых синтетических материалов — каучуков, волокон, смол, которые до этого производила лишь живая природа. Но зарождение этой новой химии было невероятно трудным.

Отмеченные 1920;1930;е гг. были еще и периодом «великих битв» Г. Штаудингера и его последователей за истину, за признание существования макромолекул. Своеобразие этой борьбы мнений заключалось в том, что против химии макромолекулярных соединений выступали единым фронтом все химики-органики и представители коллоидной химии. Они рассматривали не только каучук, но и все полимеры как низкомолекулярные вещества, превращающиеся под действием физических сил притяжения в коллоидные частицы. Эти ученые отчетливо представляли себе, что образование полимеров из мономеров это реальный факт, доказанный еще А. М. Бутлеровым, открывшим реакции полимеризации изобутена и пропена в димеры, триммеры и т. д. Они признавали, что натуральный каучук это тоже полимер изопрена, но не знали, какими могут быть значения n — показателя «поли».

Никому из них не приходило в голову, что показатель n может достигать десятков, сотен и тысяч единиц. Приверженцы классической химии выделили из коллоидной химии так называемую теорию агрегации малых молекул как защиту новшеств, вводимых в химию Г. Штаудингером.

Между тем Штаудингер приводил одно за другим все новые экспериментально обоснованные доказательства существования высокомолекулярных соединений. В 1922 г. он совместно с И. Фритчи установил наличие в полимерах между мономерными звеньями наличие ковалентных связей, а не просто физических сил притяжения. Но тогда он еще ничего не мог сказать о степени полимеризации, так как отсутствовали способы определения молекулярной массы частицы полимера, т. е. макромолекулы.

Изучая свойства и структуру синтезированных им полистирола и полиоксиметилена, он пришел к выводу о цепном строении макромолекул и показал, что структура полистирола аналогична структуре высокомолекулярных парафиновых углеводородов, но предположительно с неизмеримо большей молекулярной массой. Однако, поскольку этот вывод не объяснял потерю некоторыми полимерами способности плавиться и растворятся при повышенных температурах, ученый дополнил его представлениями о разветвленной макромолекуле и трехмерной полимерной сетке. Изучение структуры полимеров физическими методами в дальнейшем подтвердило это предположение.

В 1934 г. последовало самое главное доказательство существования макромолекул. Г. Штаудингер совместно с В. Хейром открыл реакцию трехмерной полимеризации и, что самое важное, установил зависимость между молекулярной массой полимера и вязкостью его раствора. На этой основе Штаудингер разработал вискозиметрический метод определения молекулярных масс разнообразных, в том числе и высокомолекулярных, соединений. Это дало возможность точно устанавливать значение показателя

N — «поли" — любого макромолекулярного соединения.

Таким образом, существование макромолекул было доказано. Вместе с тем было доказано и принципиальное отличие малых молекул мономеров, димеров и даже олигомеров от макромолекул таких полимеров, как каучук, полистирол, полиэфиры целлюлозы и т. д.

В 1953 г. Штаудингер «в признание заслуг за исследования в области химии высокомолекулярных соединений» был удостоен Нобелевской премии. И хотя он не принимал участие в разработке технологии производства синтетических каучуков, пластмасс и химических волокон, никто не сомневался в том, что без его работ такое производство вряд ли было возможно.

В России химия высокомолекулярных соединений начала интенсивно развиваться с 1930;х гг. Впервые в мире здесь было создано многотоннажное производство синтетического каучука на основе бутадиена по способу С. В. Лебедева. В 1950;х гг. были получены первые образцы стереорегулярных полимеров, разработаны способы получения всевозможных кремнийорганических соединений — почти на 100% высокомолекулярных соединений, а на их основе создано производство пластмасс и эластомеров. Большая заслуга в развитии химии кремнийорганических соединений принадлежит К. А. Андрианову. Ученые разработали технологии производства многих химических волокон, в частности капрона и лавсана.

1.3 Полимеры. Химическое строение полимеров

Полимеры — это природные и синтетические соединения, молекулы которых, как следует из их названия (поли — много, мера — часть), состоят из большого числа повторяющихся одинаковых или различных по строению атомных группировок, соединенных между собой химическими и координационными связями в длинные линейные и разветвленные цепи.

Группа атомов, с помощью которой можно описать строение полимера, называется составным звеном. Составное звено, которое многократно повторяется, называют повторяющимся составным звеном, а группы на концах цепи — концевыми группами. Молекула полимера, состоящая из повторяющихся составных звеньев и концевых групп, называется макромолекулой.

Вещества, из которых образуется полимер, называют мономерами (моно — один). Если при получении полимера мономер полностью входит в его состав, то составное повторяющееся звено называют мономерным звеном. Если получение полимера сопровождается выделением низкомолекулярными соединениями, например воды, газов, то строение составного звена будет отличаться от строения мономера и называть такое звено мономерным нельзя.

Полимеры, полученные из одного мономера, называют гомополимерами, а из двух или более — сополимерами.

Число повторяющихся звеньев n можно варьировать в широких пределах — от десятков до десятков тысяч. Как правило, в одном полимере содержатся макромолекулы различной длины, т. е. с разным числом составных повторяющихся звеньев.

Переход от низкомолекулярного соединения к полимеру происходит в результате роста числа повторяющихся звеньев. При этом заметно изменяются физические и химические свойства, но при достижении определенного значения n они перестают изменяться, несмотря на дальнейшее увеличение числа звеньев. С этого момента соединение становится полимером. Таким образом, полимер — это соединение, построенное из многократно повторяющихся одного или более составных звеньев, соединенных между собой химическими и координационными связями, число которых достаточно для проявления комплекса свойств, остающихся практически неизменными при добавлении или удалении одного или нескольких звеньев.

Промежуточное положение между низкомолекулярными соединениями и полимерами занимают вещества, называемые олигомерами (олиго — немного). Они проявляют свойства, характерные как для мономеров, так и для полимеров; при добавлении или удалении одного или нескольких повторяющихся звеньев наблюдается заметное изменение некоторых их свойств. Число повторяющихся звеньев у олигомеров невелико — несколько единиц или десятков.

Названия полимеров образуются из названия мономерами с приставкой поли, а олигомеров — с приставкой олиго. Химическая формула полимера (олигомера) может быть изображена несколькими способами, например:

Полиэтилен

? CH₂? CH₂? ;

…? CH₂? CH₂? … ;

Структурой полимера (как любой сложной системы) называют устойчивое взаимное расположение в пространстве всех образующих его элементов, их внутреннее строение и характер взаимодействия между ними. Каждый структурный элемент в любом теле подвержен одновременному воздействию многочисленных, непрерывно изменяющихся по величине и направлению сил (электрических, магнитных, механических и др.), вызывающих притяжение или отталкивание этих элементов друг от друга. Находясь в непрерывном (броуновском) движении, каждая структурная единица стремится занять наиболее выгодное положение, характеризующееся минимальной энергией и максимальной неупорядоченностью, соответствующее максимальной энтропии.

В полимерных телах структурными элементами являются макромолекулы. Движение каждого атома в мономерном звене, каждого мономерного звена в макромолекуле и каждой макромолекулы зависит от совокупности сил, действующих сил, действующих на электронном, атомном, молекулярном уровнях в каждое данное мгновение.

Так же, как атомы и молекулы, находящиеся в непрерывном движении, макромолекулы стремятся занять наиболее энергетически выгодное, равновесное положение друг относительно друга, образуя так называемую надмолекулярную структуру.

Химическое строение.

Характеристикой химического строения макромолекулы является химическое строение ее повторяющегося составного звена. По химическому строению повторяющегося звена полимеры делятся на органические, неорганические и элементоорганические.

Органические полимеры содержат в главной цепи атомы углерода, а также кислорода, азота и серы. В боковые группы могут входить водород, галогены, соединенные непосредственно с углеродом, или атомы других элементов, непосредственно не соединенных с углеродом основной цепи.

Неорганические полимеры состоят из неорганических атомов и не содержат органических боковых радикалов.

Элементоорганические полимеры — это соединения, макромолекулы которых наряду с атомами углерода содержат неорганические фрагменты. По составу главных цепей их делят на три группы:

— соединения с неорганическими цепями, обрамленные боковыми органическими группами;

— соединения, в главной цепи которых находятся атомы углерода, а боковые группы содержат любые другие атомы, за исключением азота, серы, кислорода и галогенов, соединенных непосредственно с атомом углерода;

— соединения с органонеорганичекими цепями.

Соединения каждого класса можно разделит на гомоцепные и гетероцепные. У гомоцепных соединений цепи построены из атомов одного элемента, у гетероцепных — на разных.

При делении на гомоцепные и гетероцепные полимеры состав боковых цепей не учитывают.

От природы атомов в звеньях зависит не только энергия связей, но и их полярность. Эти показатели являются очень важными, поскольку определяют ряд эксплуатационных свойств полимеров, например, стойкость к действию высоких температур, агрессивных сред, электрические свойства и др. В зависимости от полярности связей полимеры делят на неполярные и полярные. К неполярным относят, например: полиэтилен, полипропилен, полиизопрен, полибутадиен, полиизобутилен. Полярные полимеры содержат в составе повторяющегося звена группы с полярными связями (С — ОН, С — СООН, С — NН₂, С — СN, С — СCl), и их дипольный момент отличен от нуля. К полярным полимерам относят, например: поливиниловый спирт, целлюлоза, крахмал, содержащие большое количество групп ОН, полинитрилоакрил, поливинилхлорид и др. Полярность полимера зависит и от симметричности расположения полярных групп в повторяющемся составном звене.

1.4 Получение полимеров

В настоящее время наряду с природными материалами все большее значение приобретают синтетические полимеры. Выбор соответствующих исходных продуктов и условий процесса позволяет проводить направленный синтез высокомолекулярных соединений и получать их с заранее заданной структурой и необходимым комплексом свойств. При этом можно регулировать степень полимеризации, полидисперсность, разветвленность, конфигурацию звеньев и порядок их присоединения.

Существуют два основных метода синтеза полимеров — полимеризация и поликонденсация. Кроме того, в последние годы широко используется возможность изменения свойств полимеров за счет изменения их молекулярного строения в результате химических реакций — так называемых реакций модификации.

Полимеризация.

Полимеризацией называют процесс образования макромолекул путем последовательного присоединения молекул мономеров М к активному центру М^* растущей молекулы. При этом активный центр переходит во вновь присоединившееся звено:

М^* + М₁ > М — М ₁^* М — М ₁^* + М₂ > М — М ₁ — М₂ ^*

М — М ₁ — М₂ ^* + М₃ > М — М ₁ — М₂ ^* — М₃^*

М₁ ••• М_n^* + М > М₁ ••• М_n+1^*

В настоящее время в мире полимеризацией получают около 5/4 полимеров как гомотак и гетероцепных. Процесс протекает по цепному механизму. Цепными реакциями называются такие, в которых образование каких-либо активных частиц (активных центров) приводит к тому, что каждая из них вызывает цепь последовательных реакций.

Различают гомои сополимеризацию. Гомополимеризация — это реакция соединения нескольких (n) молекул одного мономера:

nM > [ - M -]_n

В сополимеризации участвуют молекулы двух (или более) мономеров и образуется статистический или блок-сополимер:

> [ - M₁ — M₂ -]_n+m

nM₁ + mM₂-

> [ - M₁ — ]_n — > [ - M₂ -]_m

Процесс полимеризации включает следующие основные стадии: образование активных центров, рост цепи, обрыв цепи. Образование активных центров протекает при взаимодействии инициатора или катализатора с мономером. Эта стадия характеризуется низкой скоростью, требует затраты энергии. Рост цепи происходит путем присоединения молекул мономера к активным центрам с передачей активного центра на присоединившуюся молекулу. Эта стадия обычно идет быстро и сопровождается выделением энергии. Обрыв цепи происходит вследствие

дезактивации активных центров, в результате которой рост данной молекулы прекращается. Обрыв цепи осуществляется двумя путями: путем уничтожения активного центра Mn^*, его перехода в неактивное состояние

Mn^* > Mn

и передачей цепи с одного активного центра на другую молекулу мономера с превращением ее в новый растущий активный центр:

Mn^* + M > Mn + M^*

Скорость реакций обрыва обычно лимитируется скоростью диффузии активных центров в реакционной среде. От соотношения скоростей роста и обрыва цепи зависят степень полимеризации и молекулярная масса образующегося полимера: чем выше скорость роста и ниже скорость обрыва цепи, тем больше молекулярная масса. Активными центрами цепной полимеризации могут быть свободные радикалы (электронейтральные частицы, имеющие один или два неспаренных электрона), ионы (положительно или отрицательно заряженные частицы), ион-радикалы. В соответствии с характером активных центров различают радикальную и ионную (анионную, катионную, ионо-координационную) полимеризацию.

Поликонденсация.

Поликонденсацией называют ступенчатый процесс получения полимеров из биили полифункциональных соединений, в котором рост макромолекул происходит путем химического взаимодействия функциональных групп молекул мономеров друг с другом и с n-мерами между собой. На концах образующихся макромолекул всегда присутствуют свободные функциональные группы. Различают гомополиконденсацию и гетерополиконденсацию.

Гомолполиконденсацией называют реакции, в которых участвует минимально возможное для данного случая число типов мономеров или только молекулы одного мономера, содержащего два типа функциональных групп. Типичным примером гомополиконденсации служит синтез полиамидов из аминокислот.

Гетерополиконденсацией называют реакции с участием молекул мономеров, содержащих различные функциональные группы, способные взаимодействовать друг с другом, например диаминов с дикарбоновыми кислотами.

Реакцию, в которой помимо мономеров, необходимых для протекания, участвуют и другие мономеры, называют сополиконденсацией.

По пространственному строению получаемых полимеров различают линейную и трехмерную поликонденсацию. В последние годы большое значение приобрела полициклоконденсация — двухступенчатый синтез лестничных полимеров путем внутримолекулярной циклизации продуктов, полученных на первой стадии. Процессы поликонденсации широко применяются для синтеза полимеров с рядом специфических свойств: термостойких, полупроводников, электропроводящих, фотоактивных, биополимеров, катализаторов, ионитов и др.

1.5 Применение полимеров

На конец двадцатого столетия производство синтетических пластмасс в мире достигло 130 млн. т/год. Такие многотоннажные полимеры как полиэтилен и полипропилен химически устойчивы, механически прочны, поэтому их широко применяют при изготовлении оборудования в различных областях промышленности (аппараты, трубы, сосуды и т. д.). Они обладают высокими электроизоляционными свойствами. Полиэтилен и полипропилен в тонком слое хорошо пропускают ультрафиолетовые лучи. Пленки из этих материалов используют вместо стекла в парниках и теплицах. Их применяют также для упаковки разных продуктов. Политетрафторэтилена (тефлон) — механически прочное и химически очень стойкое вещество. Тефлон по химической устойчивости превосходит все металлы, даже золото и платину. Он выдерживает температуру до 260 °C, не горит и является отличным диэлектриком. Из фенолформальдегидной смолы, добавляя различные наполнители (древесная мука, хлопчатобумажная ткань, стеклянное волокно, различные красители и т. д.), получают фенолформальдегидные пластмассы, которые сокращенно называют фенопластами. Из фенопластов получают шарикоподшипники и шестерни, тормозные накладки, ступеньки для эскалаторов, широко применяют в радиои электротехнике в качестве электроизоляционного материала, изготавливают автоцистерны, кузова автомобилей, телефонные аппараты, электрические контактные платы, органическое стекло, искусственную кожу, клеенку и многое другое.

Но большой объем производства полимеров и связанное с этим широкое использование полимерных пленок привели к появлению важнейшей проблеме — загрязнение окружающей природной среды отходами полимерной продукции.

1.6 Экологические проблемы производства полимеров и утилизации пластмассовых отходов

Производство полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида приносит немалые экологические проблемы для окружающей природной среды. Это использование различных токсичных мономеров и катализаторов, образование сточных вод и газовых выбросов, обезвреживание которых сопряжено с большими энергетическими, сырьевыми и трудовыми затратами и не всегда добросовестно выполняется производителями.

Производство полиэтилена и других полиолефинов относиться к категории пожароопасных и взрывоопасных (категория А): этилен и пропилен образуют с воздухом взрывчатые смеси. Оба мономера обладают наркотическим действием. ПДК в воздухе этилена составляет 0,05 • 10 ^-3 кг/м³, пропилена — 0,05 • 10 ^-3 кг/м³. Особенно опасно производство полиэтилена высокого давления (ПЭВД), поскольку оно связано с применением высокого давления и температуры. В связи с возможностью взрывного разложения этилена во время полимеризации реакторы оборудуют специальными предохранительными устройствами (мембраны) и устанавливают в боксах. Управление процессом полностью автоматизировано. При производстве полиэтилена низкого давления и полипропилена особую опасность представляет применяемы в качестве катализатора диэтилалюминийхлорид. Он отличается высокой реакционной способностью. При контакте с водой и кислородом взрывается. Все операции с металлоорганическими соединениями должны проводиться в атмосфере чистого инертного газа (очищенный азот, аргон). Небольшие количества триэтилалюминия можно хранить в запаянных ампулах из прочного стекла. Большие количества следует хранить в герметически закрытых сосудах, в среде сухого азота, либо в виде разбавленного раствора в каком-либо углеводородном растворителе (пентан, гексан, бензин — чтобы не содержали влаги). Триэтилалюминий является токсичным веществом: при вдыхании его пары действуют на легкие, при попадании на кожу возникают болезненные ожоги. В этих производствах используется также бензин. Бензин — легковоспламеняющаяся жидкость, температура вспышки для разных сортов бензина колеблется от — 50 до 28 °C. Концентрационные пределы воспламенения смеси паров бензина с воздухом составляют 2−12% (объемных). На организм человека оказывает наркотическое действие. ПДК бензина в воздухе = 10,3 • 10 ^-3 кг/м³. Порошкообразные полиолефины образуют взрывоопасные смеси. ПДК полипропилена составляет: 0,0126 кг/м³. При транспортировании порошкообразных полиолефинов происходит образование аэрозолей и неизбежно накапливание зарядов статического электричества, что может привести к искрообразованию. Транспортирование полиолефинов по трубопроводу производят в атмосфере инертного газа. Для защиты окружающей среды все вентиляционные выбросы из производственных помещений должны подвергаться очистке на специальных установках. Сточные воды при отмывке полиэтилена низкого давления и полипропилена от остатков катализатора и продуктов его распада, а также образующиеся при регенерации промывной жидкости должны подвергаться нейтрализации и тщательной очистке на специальных очистных сооружениях.

Сходным полимером является поливинилхлорид. Если к ацетилену присоединить хлороводород, то образуется газообразное вещество винилхлорид, или хлорвинил.

Винилхлорид полимеризуется также, как и этилен. Из поливинилхлорида получают химически и механически стойкую пластмассу.

Производство и использование винилхлорида относят также к категории взрывоопасных и пожароопасных (категория А). Винилхлорид в газообразном состоянии оказывает наркотическое действие, продолжительное пребывание в помещение, в атмосфере которого содержится большое количество винилхлорида, вызывает головокружение и потерю сознания. ПДК в рабочих помещениях составляет 3• 10^-5 кг/м³. При концентрации 1 • 10^-4 кг/м³ вызывает раздражение слизистых оболочек, а запах начинает ощущаться даже при 2 • 10^-4 кг/м³. Вдыхание паров при открытом испарении мономера вызывает острое отравление. Другие мономеры, используемые при производстве политетрафторэтилена, политрифторхлорэтилена, поливинилфторидов также не менее токсичны.

В настоящее время для очистки окружающей природной среды от пластмассовых отходов активно разрабатываются два основных подхода:

— захоронение (хранение отходов на свалках);

— утилизация.

Захоронение пластмассовых отходов — это бомба замедленного действия и перекладывание сегодняшних проблем на плечи будущих поколений.

Более щадящим приемом является утилизация, которую можно разделить на ряд главных направлений:

— сжигание;

— пиролиз;

— рециклизация — переработка.

Однако как сжигание, так и пиролиз отходов кардинально не улучшают экологическую обстановку. Повторная переработка в определенной степени решает этот вопрос, но и здесь требуются значительные трудовые и энергетические затраты: отбор из бытового мусора пластической тары и упаковки, разделение по виду пластиков, мойка, сушка, измельчение и только затем переработка в конечное изделие. Для активизации направления по рециклизации пластмассовых отходов в ряде стран принимаются законодательные нормативы по обязательному сбору и переработке пластиковой тары и упаковки. Так Европейские директивы предусматривают при изготовлении пластмассовой упаковки применять 15% вторичных пластмасс, а в Германии эта квота составляет 50% и должна увеличиваться до 60%. Специалисты считают, что это технически невозможно, так как только для транспортных и непищевых продуктов возможно применение до 25% вторичных пластмасс, но не для пищевых продуктов.

Следует отметить, что сбор и повторная переработка полимерной тары и упаковки приводит к удорожанию упаковки, качество рециклизованного продукта также ниже продукта, полученного непосредственно первичным изготовителем. К тому же не каждый потребитель согласен использовать упаковку из рециклизованного полимера.

Радикальным решением проблемы «полимерного мусора», по мнению специалистов, является создание и освоение широкой гаммы полимеров, способных при соответствующих условиях биодеградировать на безвредные для живой и неживой природы компоненты.

Именно биоразлагаемость высокомолекулярных соединений и будет приоритетным направление разработки, которое позволит исключить значительное число проблем «полимерного мусора», возникающего при использование полимерной тары и других изделий из полимеров.

В настоящий период можно выделить три основных направления развития этой области:

— полиэфиры гидроксикарбоновых кислот;

— пластические массы на основе природных воспроизводимых природных полимеров;

— придание биоразлагаемости промышленным высокомолекулярным синтетическим материалам.

Первый в мире биоразлагаемый полимер Биопол (Biopol) — полигидроксиолконоаты на основе 3-гидроксивалериановой кислот — был получен в процессе ферментации полисахаридов (сахара, крахмала) под действием бактерии Alcaligenes eutrophys. Биопол — термопласт, который перерабатывается экструзией, выдуванием и другими традиционными методами. Полученные из этого полимера изделия за несколько недель разлагаются микроорганизмами почвы с образованием углекислого газа и воды. С использованием указанных бактерий сложные сополиэфиры получают из такого сырья как бутиленгликоль, бутиролактон, масляная и хлормасляная кислота. Пленки из таких сополимеров разлагаются в почве через 2 недели после захоронения.

Использование смесей полимеров для получения различных материалов с необходимым комплексом свойств также является очень прогрессивным направлением с различных точек зрения. При создании биоразлагаемых смесей полимеров, как правило, применяется следующий принцип: к синтетическому полимеру добавляют хорошо биоразлагаемый полимер (природный или синтетический). В качестве природных чаще всего используют полисахариды, в первую очередь крахмал и целлюлозу.

Глава II. ТЕМА «ПОЛИМЕРЫ» В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ХИМИИ

Химия — одна из стремительно развивающихся областей знания, результаты ее ускоренного развития в макрои микромасштабах проявляются в повседневной жизни. А вот время на изучение этой дисциплины в школе неуклонно сокращается. И это не может не увеличивать пропасть между наукой и содержанием школьного предмета. Мы убеждены, что содержание школьного курса химии и процесс обучения должны отражать не упрощенные представления об особенностях развития химической науки, а состояние современного знания, реальную сложность объекта познания химии.

2.1 Урок по теме «Полимеры» в 9-х классах

Цель урока: познакомить учащихся со способом получения поливинилхлорида и возможностями его применения, а также обобщить знания учащихся о высокомолекулярных соединениях.

Задачи обучения: сформировать понятие полимеры, расширить представление о способах получения, свойствах и способах применения различных типов полимеров в промышленности.

Задачи развития: продолжить развитие у учащихся основных приемов мышления (умения анализировать, сравнивать и т. д.), совершенствовать умение учащихся самостоятельно работать с дополнительной информацией.

Задачи воспитания: продолжить химическое образование школьников.

Ход урока

I. Организационный момент (1−2 мин.)

- посадка детей;

— проверка принадлежностей;

— отметка отсутствующих и т. д.

II. Опрос домашнего задания (10 мин.)

1. Что такое аминокислоты?

2. Какие функциональные группы имеют в своей молекуле аминокислоты?

3. Что такое белки?

4. Как образуются белки?

5. Какова роль аминокислот и белков в живых организмах?

III. Изучение нового материала (20 мин.)

Полимеры — высокомолекулярные соединения, молекулы которых образуются в результате соединения множества одинаковых звеньев — составных частей молекулы полимера.

Первоначальные сведения о полимерах в школьном курсе рассматриваются при изучении полимеризации этилена и пропилена (с. 166, § 63, Химия, 9 класс). Сходным полимером является поливинилхлорид. Если к ацетилену присоединить хлороводород, то образуется газообразное вещество винилхлорид, или хлорвинил:

H - C ? C - H + H - Cl > H₂C = CHCl

винилхлорид

Винилхлорид полимеризуется также, как и этилен:

H₂C = CHCl + H₂C = CHCl + … > (- CH₂ - C - H -)n

|

Cl

поливинилхлорид

Из поливинилхлорида получают химически и механически стойкую пластмассу.

Знакомясь с диенами, вы получили также первоначальные знания о природном каучуке и синтетических каучуках (с. 166, § 63, Химия, 9 класс). Первые сведения вы получили также о природных полимерах крахмале и целлюлозе (с. 175, § 70, Химия, 9 класс). К сложным природным полимерам иногда причисляют и белки.

Чтобы получить представление, сколь велико значение только одного вида полимеров — фенопластов, рассмотрите табл.40.

Таблица 40. Важнейшие фенопласты ФФС.

IV. Закрепление знаний (5 мин.)

1. Что такое полимеры?

2. Как получают полиэтилен, полипропилен и поливинилхлорид (напишите уравнения реакций)?

3. Перечислите важнейшие фенопласты и области их применения?

V. Домашнее задание (3 мин.)

Ответьте на вопросы и выполните упражнения 1−12, § 72, стр. 179.

Именно таким образом выглядит план урока в школе по теме «Полимеры».

Остальные сведения о полимерах сводятся к материалам различных приложений, в которых рассматриваются в основном природные, синтетические и искусственные волокна. Основные классы полимеров, вопросы получения полимеров и не менее важные вопросы рециклизации и утилизации отработавших полимеров в школьном курсе химии не рассматриваются.

Исходя из вышеизложенного, очевидна необходимость наполнения школьного курса химии экологическим содержанием. Результаты проделанной работы будут изложены в третьей главе.

Глава III. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ «ПОЛИМЕРЫ» В КУРСЕ ХИМИИ СРЕДНЕЙ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ШКОЛЫ

Экологическое образование и развитие школьников — полноценная область знания, познания самого себя, окружающего мира, которая реально воздействует на формирование мировоззренческой компоненты их развития как личностей.

Вашему вниманию представляется урок на тему: «Полимеры», наполненный экологическим содержанием, позволяющий оценить важную роль перспективы развития экологического самосознания школьников, выявить взаимосвязь между изучаемым объектом и окружающей средой, а также определить роль уроков химии при формировании экологической культуры школьников, их способности применять знания и навыки для достижения основной цели экологии — сохранении окружающей природной среды.

3.1 Урок по теме «Полимеры» в 9 классах, позволяющий развить экологическое сознание школьников

Цель урока: познакомить учащихся со способом получения поливинилхлорида и возможностями его применения, а также обобщить знания учащихся о высокомолекулярных соединениях, сформировать систему экологических знаний при изучении полимеров и способов их получения, показать необходимость предотвращения загрязнения окружающей природной среды продуктами производства синтетических полимерных материалов и готовыми изделиями из них.

Задачи обучения: сформировать понятие полимеры, расширить представление о способах получения, свойствах и способах применения различных типов полимеров в промышленности. Развить экологическое сознание и воспитание школьников, приучить их к способности понимать, что возможности полимерной химии безграничны и многообразны, но неосознанное загрязнение окружающей среды отходами полимерной промышленности может нанести непоправимый вред как здоровью человека, в частности, так и привести к глобальным негативным последствиям, в целом, для всей планеты.

Задачи развития: продолжить развитие у учащихся основных приемов мышления (умения анализировать, сравнивать и т. д.), совершенствовать умение учащихся самостоятельно работать с дополнительной информацией. Развить экологическое сознание школьников, заложить в основу воспитания представления о взаимосвязи состава, строения, свойств и биологической функции веществ, их двойственной роли в живой природе.

Задачи воспитания: продолжить химическое и экологическое образование школьников.

Ход урока

II. Организационный момент (1−2 мин.)

- посадка детей;

— проверка принадлежностей;

— отметка отсутствующих и т. д.

II. Опрос домашнего задания (10 мин.)

6. Что такое аминокислоты?

7. Какие функциональные группы имеют в своей молекуле аминокислоты?

8. Что такое белки?

9. Как образуются белки?

10. Какова роль аминокислот и белков в живых организмах?

III. Изучение нового материала (20 мин.)

Полимеры — высокомолекулярные соединения, молекулы которых образуются в результате соединения множества одинаковых звеньев — составных частей молекулы полимера.

Полимеры являются основной частью пластмасс. Они связывают в единое целое другие компоненты, т. е. полимерное вещество служит связующим. При этом образуются различные полимерные композиции, обладающие набором нужных физико-механических характеристик. Помимо полимера в состав пластической массы входят наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, отвердители, смазывающие вещества, красители, порообразователи и другие добавки. Наполнители вводят для улучшения механических свойств пластмасс, уменьшения усадки во время отверждения, повышения их стойкости к действию различных сред. Пластификаторы — это специальные добавки, придающие материалу пластичность и сохраняющие его свойства в широком интервале температур. Улучшается морозостойкость, огнестойкость и стойкость к действию УФ-лучей. Стабилизаторы — химические соединения, способствующие длительному сохранению свойств пластмасс в процессе их переработки и эксплуатации. Отвердители — это вещества, которые вводят для создания трехмерной структуры в полимере. Смазывающие вещества — это вещества, которые предотвращают прилипание материала к оборудованию.

Первоначальные сведения о полимерах в школьном курсе рассматриваются при изучении полимеризации этилена и пропилена (с. 166, § 63, Химия, 9 класс) [9], и получение в результате полиэтилена и полипропилена, но ничего не сказано об экологических проблемах производства полиолефинов.

Итак, к полиолефинам относятся полиэтилен, полипропилен, полимеры на основе б — олефинов и полиизобутилен.

Однако, производство полиэтилена, полипропилена и поливинилхлорида приносит немалые экологические проблемы для окружающей природной среды.

Производство полиэтилена и других полиолефинов относиться к категории пожароопасных и взрывоопасных (категория А): этилен и пропилен образуют с воздухом взрывчатые смеси. Оба мономера обладают наркотическим действием. ПДК в воздухе этилена составляет 0,05 • 10 ^-3 кг/м³, пропилена — 0,05 • 10 ^-3 кг/м³. Особенно опасно производство полиэтилена высокого давления (ПЭВД), поскольку оно связано с применением высокого давления и температуры. В связи с возможностью взрывного разложения этилена во время полимеризации реакторы оборудуют специальными предохранительными устройствами (мембраны) и устанавливают в боксах. Управление процессом полностью автоматизировано. При производстве полиэтилена низкого давления и полипропилена особую опасность представляет применяемый в качестве катализатора диэтилалюминийхлорид. Он отличается высокой реакционной способностью. При контакте с водой и кислородом взрывается. Все операции с металлоорганическими соединениями должны проводиться в атмосфере чистого инертного газа (очищенный азот, аргон). Небольшие количества триэтилалюминия можно хранить в запаянных ампулах из прочного стекла. Большие количества следует хранить в герметически закрытых сосудах, в среде сухого азота, либо в виде разбавленного раствора в каком-либо углеводородном растворителе (пентан, гексан, бензин — чтобы не содержали влаги). Триэтилалюминий является токсичным веществом: при вдыхании его пары действуют на легкие, при попадании на кожу возникают болезненные ожоги. В этих производствах используется также бензин. Бензин — легковоспламеняющаяся жидкость, температура вспышки для разных сортов бензина колеблется от — 50 до 28 °C. Концентрационные пределы воспламенения смеси паров бензина с воздухом составляют 2−12% (объемных). На организм человека оказывает наркотическое действие. ПДК бензина в воздухе = 10,3 • 10 ^-3 кг/м³. Порошкообразные полиолефины образуют взрывоопасные смеси. ПДК полипропилена составляет: 0,0126 кг/м³. При транспортировании порошкообразных полиолефинов происходит образование аэрозолей и неизбежно накапливание зарядов статического электричества, что может привести к искрообразованию. Транспортирование полиолефинов по трубопроводу производят в атмосфере инертного газа. Для защиты окружающей среды все вентиляционные выбросы из производственных помещений должны подвергаться очистке на специальных установках. Сточные воды при отмывке полиэтилена низкого давления и полипропилена от остатков катализатора и продуктов его распада, а также образующиеся при регенерации промывной жидкости должны подвергаться нейтрализации и тщательной очистке на специальных очистных сооружениях.

Сходным полимером является поливинилхлорид. Если к ацетилену присоединить хлороводород, то образуется газообразное вещество винилхлорид, или хлорвинил.

Винилхлорид полимеризуется также, как и этилен. Из поливинилхлорида получают химически и механически стойкую пластмассу.

Производство и использование винилхлорида относят также к категории взрывоопасных и пожароопасных (категория А). Винилхлорид в газообразном состоянии оказывает наркотическое действие, продолжительное пребывание в помещение, в атмосфере которого содержится большое количество винилхлорида вызывает головокружение и потерю сознания. ПДК в рабочих помещениях составляет 3• 10^-5 кг/м³. При концентрации 1 • 10^-4 кг/м³ вызывает раздражение слизистых оболочек, а запах начинает ощущаться даже при 2 • 10^-4 кг/м³. Вдыхание паров при открытом испарении мономера вызывает острое отравление. Другие мономеры используемые при производстве политетрафторэтилена, политрифторхлорэтилена, поливинилфторидов также не менее токсичны.

Знакомясь с диенами, вы получили также первоначальные знания о природном каучуке и синтетических каучуках (с. 166, § 63, Химия, 9 класс). Первые сведения вы получили также о природных полимерах крахмале и целлюлозе (с. 175, § 70, Химия, 9 класс). К сложным природным полимерам иногда причисляют и белки.

Здесь нам хотелось бы остановиться на такой важной проблеме как производство и применение биоразлагаемых пластиков на основе синтетических полимеров, рассмотренных выше и природных полимеров (крахмал, целлюлоза), изученных ранее.

Итак, биоразлагаемые полимеры представляют собой смесь широко используемых синтетических полимеров и природных полимеров, таких как крахмал, целлюлоза, лигнин, хитин и т. д. Известно, что отработавшие свой срок службы изделия из пластических масс чаще всего подвергаются утилизации захоронением в почву. При этом такие полимеры как полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и т. д. могут находиться в почве не разлагаясь в течение очень длительного времени, до десятков и сотен лет. Разложение полиэтилена в течении 10 лет происходит только на 1%. При использовании же в разумных пределах природных полимеров, легко и экономически доступных для получения, биоразлагаемых композиций приводит к разложению отработавшего свой срок полимера под действием микроорганизмов почвы, влаги и света в течении от двух недель до нескольких месяцев. Биоразлагаемые композиции используют при производстве тары и упаковки, в медицине и во многих других отраслях промышленного производства [10−13]. Рассмотрим рис. 1−3, Приложение 1.