Полимеры — высокомолекулярные соединения - СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА - ПОУРОЧНЫЕ РАЗРАБОТКИ ПО ХИМИИ 11 класс - поурочные разработки - разработки уроков - авторские уроки - план-конспект урока - химия

Цели урока: закрепить знание строения, состава, свойств, способов получения, классификацию ВМС, умение составлять реакции синтеза ВМС; дать представление о составе, синтезе, свойствах важнейших органических и неорганических ВМС.

Основные понятия: полимер, мономер, структурное звено, степень полимеризации, форма макромолекул: линейная, разветвленная, пространственная, стереорегулярные полимеры, реакция полимеризации, реакция поликонденсации, термопластичность, термореактивность.

Оборудование: коллекция пластмасс и таблицы: строение белка, ДНК; спиртовка, спички, ложечка для сжигания веществ (для демонстрации опытов).

Ход урока

I. Организационный момент

Постановка учителем целей и задач урока. Главная задача урока — закрепление умений учащимися на основании теории строения соединений характеризовать соединение. Проверка домашнего задания. Выяснение особенностей строения, получения, применения, классификации соединений, которые окружают нас в повседневной жизни — это пластмассы и волокна, в основе которых — высокомолекулярные соединения.

II. Проверка знаний учащихся

Необходимо провести устный опрос ответов на вопросы № 1, 2, 3 § 9 (согласно плану-конспекту предыдущего урока).

§ 9. № 1. Общие предпосылки.

1) Накопление фактологического материала:

а) ко времени открытия Периодического закона было известно 63 элемента.

Ко времени создания ТХС А. М. Бутлеровым были известны сотни тысяч органических соединений, состоящих в основном из углерода, водорода, кислорода, реже — азота, фосфора, серы.

б) Было много работ предшественников — и по классификации неорганических веществ, и по классификации органических веществ;

в) съезд химиков в Карлсруэ, когда окончательно утвердилось атомно-молекулярное учение, были приняты первые единые определения понятий «молекула» и «атом», а также атомного веса, который мы теперь называем относительной атомной массой;

г) немаловажны личностные качества ученых: русский менталитет, патриотизм, энциклопедичность химических знаний, умение анализировать и обобщать факты.

2) Общее в направлениях их развития: от простого к сложному.

Периодический закон:

относительная атомная масса → заряд ядра → изменение внешнего энергетического уровня.

ТХС:

порядок соединения атомов → химическое строение → пространственное строение → электронное строение.

3) Прогностичность в высказываниях. Д. И. Менделеев предсказывает, описывает и указывает пути открытия еще неизвестных элементов. Создание теории предсказывания, которая на практике себя оправдала! Происходило не только открытие новых элементов, но и синтез новых химических элементов (группой ученых г. Дубна под руководством академика Флерова синтезирован 118 элемент, возможно будет иметь название «Московит»),

А. М. Бутлеров предсказывает изомерию и объясняет эго явление. Сам осуществляет многие синтезы. На данный момент идет синтез веществ с заранее заданными свойствами, а также синтез ВМС, которые бы заменили природные белки, углеводы и т. д.

§ 9. № 2. ТХС универсальна, она дала объяснение многих явлений. которые описываются, учитывая Периодический закон, Периодическую систему. ТХС как бы упредила Периодический закон, систему. Их очень многое связывает.

§ 9. № 3. Явление изомерии неорганических соединений.

Взаимное влияние атомов в молекулах неорганических соединений:

Сера имеет радиус атома больше, чем радиус атома кислорода, он слабее притягивает атом водорода, что обеспечивает кислотный характер соединения H₂S.

2) Сравнение двух соединений.

— кислота этановая, мезомерный и индукиионный эффекты обеспечивают подвижность атома и в карбоксильной группе.

- хлоруксусная кислота.

Будет сильнее кислота хлоруксусная, т. к. в ее молекуле присутствует более ЭО атом — хлор, который ослабляет δ+ углерода № 1, вследствие чего, восполняя потерю электронной плотности, он притягивает электронную плотность атома кислорода более сильно, обеспечивая большую подвижность атома водорода. Степень диссоциации хлоруксусной кислоты больше степени диссоциации уксусной.

3)

— аминокислота, аминоэтаноловая кислота.

С № 1 С.О. +3 промежуточные С.О.

С № 2 С.О. +1 окислительно-восстановительные свойства.

Свойства кислоты: подвижен атом водорода в группе

Свойства оснований: в группе у атома азота есть неподеленная пара электронов, вследствие чего она проявляет основные свойства.

Вещество реагирует как кислота с металлами, щелочами, солями. спиртами; как основание — с кислотами. Молекулы взаимодействуют друг с другом. Эти реакции важны в синтезе белка.

II. Изучение нового материала

План изложения

1. Определение ВМС.

2. Классификация ВМС:

а) по способу получения:

— природные — растительного и животного происхождения;

— химические — искусственные, синтетические;

б) по свойствам и применению:

— пластмассы, эластомеры, волокно.

3. Сравнение ВМС:

а) основные структурные понятия: мономер, требования к мономеру;

б) структурное звено;

в) степень полимеризации, средняя молекулярная масса;

г) формы макромолекул в зависимости от строения оснований цепи, стереорегуляpность.

д) кристаллическое и аморфное строение полимера.

4. Особые свойства, характерные для большинства ВМС, агрегатное состояние; t° плавления, отношение к растворителям и агрессивным средам, прочность, термопластичность, термореактивность.

5. Реакции синтеза полимеров; реакция полимеризации; реакция поликонленсации, гомо- и гетерополимеризаиии, гомо-, гетеро- и поликонденсации, сополимеризации, сополиконденсациии.

6. Некоторые сведения о неорганических полимерах.

7. План характеристики полимера:

— название;

— структурное звено;

— мономер;

— реакция синтеза;

— степень полимеризации М_r;

— форма макромолекулы;

— особые физические свойства: кристалличность; аморфность, отрицательное свойство, термопластичность, термореакиивность;

— применение;

— положительные и отрицательные качества.

Полимеры — вещества с очень большой молекулярной массой, содержащие многократно повторяющуюся группировку атомов.

По способу получения полимеры бывают:

природные — растительного происхождения (целлюлоза, крахмал), животного происхождения (белки, нуклеиновые кислоты, натуральный каучук), минеральные (минералы, горные породы, волокно асбест);

химические — химические полимеры, полученные переработкой природного полимера, называют искусственными (эфиры, целлюлозы), а химические полимеры, полученные синтезом, называют синтетическими (полиэтилен, полипропилен, капрон).

По свойствам и применению полимеры разделяют на пластмассы, эластомеры, волокна.

Какое строение имеют полимеры? Все полимеры синтезируются из мономеров.

Мономер — низкомолекулярное вещество, из которого в результате синтеза образуется ВМС.

Требования к мономеру;

1) наличие кратной связи одной или нескольких.

Пример. Н₂С=СН₂ — этилен, синтез полиэтилена.

Н₂С=СН—СН=СН - бутадиен-1,3.

Синтез каучука.

2) наличие таких функциональных групп, которые взаимодействуют между собой.

Пример. — аминокислота.

Функциональные группы —СООН и —NH₂, способны взаимодействовать друг с другом. Синтез белка, капрона.

Структурное звено — группа атомов, многократно повторяющаяся в макромолекуле ВМС. Структурное звено сходно с мономером по составу, но различно по строению.

Пример: мономер полиэтилена Н₂С=СН₂.

Структурное звено полиэтилена —СН₂—СH₂—.

Степень полимеризации — число, которое показывает количество структурных звеньев в макромолекуле (сколько мономеров соединены в макромолекуле в полимерах) обозначается n, n— величина не постоянная, как правило средняя, поэтому молекулярная масса полимера средняя М_ср.

Пример:

Геометрическая структура макромолекулы — форма макромолекулы — зависит от строения основной цепи и может быть:

а) линейной: (полиэтилен)

б) разветвленной: (крахмал);

в) пространственной (сетчатой, сшитой):

Пример: резина, макромолекулы линейные «сшиты» между собой при помощи атомов серы.

Стереорегулярные полимеры образуются в том случае, если макромолекулы ВМС построены из структуры звеньев одинаковой пространственной конфигурации или структуры звеньев с разной пространственной конфигурацией, но чередующихся в цепи с определенной периодичностью.

Нестереорегулярные полимеры образуются, если структурные звенья с разной конфигурацией чередуются произвольно.

Полимеры могут иметь кристаллическое и аморфное строение.

Под кристалличностью полимера понимается упорядоченное (параллельное) расположение макромолекул.

Аморфное строение характеризуется отсутствием упорядоченности макромолекул. Следует отметить, что одни и те же молекулы проходят через кристаллические и аморфные области полимера. У полимера важной характеристикой является степень кристалличности.

Пример: полиэтилен высокого давления — 50—65%; полиэтилен низкого давления — 75—90%.

а — участок кристаллического строения полимера;

б — участок аморфного строения полимера.

Как правило, полимеры твердые, имеющие определенную степень кристалличности и аморфности, что в дальнейшем характеризует их свойства. ВМС не имеет определенной температуры плавления.

Пример: полиэтилен высокого давления от 105—108 °С;

полиэтилен низкого давления от 120—130°С.

При более высокой температуре полимер не перегоняется, а начинает разлагаться и гореть. Полиэтилен вначале размягчается, приобретает прозрачный цвет, затем при дальнейшем повышении температуры плавится, а затем разлагается, горит голубым пламенем, появляется запах горящей свечи, горение продолжается и вне пламени (линейная структура полиэтилена). Если у полимера пространственная структура, он при нагревании сразу разлагается, не переходя в вязкотекучее состояние, и начинают гореть продукты его разложения (пластмассы на основе феноло-формальдегидной смолы).

Вопрос. Почему полимеры не подвергаются перегонке?

Ответ. Чтобы вещество расплавилось и испарилось:

необходимо преодолеть силы межмолекулярного взаимодействия (водородные связи). Вода — низкомолекулярное вещество при нагревании льда, разрушаются межмолекулярные водородные связи в кристаллах, вода становится жидкой, при дальнейшем нагревании разрушаются водородные связи в ассоциатах воды, она переходит в газообразное состояние.

У ВМС межмолекулярные силы взаимодействия значительно сильнее, т.к. в отличие от низкомолекулярных веществ они притягиваются друг к другу огромным числом звеньев.

Когда полимер нагревают, он вначале размягчается, это значит, что силы взаимодействия между некоторыми макромолекулами уже ослаблены так, что вследствие теплового движения они могут перемещаться относительно друг друга. Более крупные макромолекулы вещества взаимодействуют между собой еще сильнее, и чтобы приобрести такую подвижность они требуют дальнейшего нагревания. В этом причина того, что полимеры не имеют определенной точки плавления. Для того чтобы осуществить перегонку вещества, необходимо его нагреть до более высокой температуры. Большие макромолекулы стали бы летучи при очень сильном нагревании. Но они не выдерживают этого, химические связи между атомами начинают рваться и разложение вещества наступает раньше, чем его перегонка.

Большинство полимеров трудно растворить в органических растворителях все по той же причине. Трудно разъединить макромолекулы низкомолекулярными растворителями. В полимерах линейной структуры это еще возможно. А вот если сетчатого пространственного строения ВМС, то молекулы растворителя могут только проникнуть в полимер, что приводит к его набуханию (резина). Все это связано с огромными силами межмолекулярного взаимодействия макромолекул.

Так же объясняется и высокая механическая прочность ВМС. Все полимеры инертны в агрессивных средах — кислотах, щелочах сильнейших окислителях, а также устойчивы к воздействию окружающей среды. Полимеры имеют невысокую плотность, их отличает легкость.

Пример: полиэтилен низкого давления — 0,91—0,93 г/см³, полиэтилен высокого давления — 0,95—0,97 г/см³.

Для правильного обращения с полимерами необходимо знать отношение к нагреванию их макромолекул. Различают термопластичные и термореактивные полимеры.

Термопластичные полимеры при нагревании размягчаются и в этом состоянии легко изменяют форму. При охлаждении они снова затвердевают, сохраняя приданную форму. При следующем нагревании они снова размягчаются и им можно придать новую форму. Макромолекулы не претерпевают изменений при нагревании.

Пример: полиэтилен, полипропилен, капрон и т. д.

Термореактивные полимеры при нагревании становятся пластичными, но затем утрачивают пластичность, становятся неплавкими, нерастворимыми, т. к. происходит взаимодействие линейных макромолекул с образованием пространственной структуры полимера. Повторно переработать такое изделие уже невозможно.

Пример: полимеры на основе феноло-формальдегидной смолы.

Рассмотрим некоторые реакции синтеза полимеров.

Реакция полимеризации — процесс соединения множества молекул мономеров в крупные молекулы — макромолекулы, т. е. образование высокомолекулярного соединения. В реакции полимеризации участвуют мономеры с кратными связями, различают гомополимеризацию, А + А + А — участвуют мономеры одного вещества — и гетерополимеризацию А—В—А—В — участвуют мономеры разных веществ.

Пример: реакция гомополимеризации, синтез полиэтилена:

Пример: реакция гетерополимеризации (сополимеризации), синтез бутадиен-стирольного каучука:

Реакция поликонденсации — химический процесс соединения исходных молекул мономеров в макромолекуле, идущий с образованием побочного низкомолекулярного вещества (чаще воды).

Мономеры для реакции поликонденсации должны иметь функциональные группы, взаимодействующие между собой. Различают реакцию гомополиконденсации — синтез крахмала, капрона.

Пример: синтез крахмала.

Пример: синтез капрона из е-аминокапроновой кислоты.

Структурное звено капрона:

Реакция гетерополиконденсации, сополиконденсации.

Синтез фенолоформальдегидной смолы, волокна лавсан.

Пример: синтез фенолоформальдегидной смолы:

Пример: синтез волокна лавсан:

Структурное звено:

Примером неорганического полимера может быть пластическая сера S_n; структурное звено — атом серы, главная цель макромолекулы — неорганическая:

Следует сделать вывод, что понятие полимер — универсальное.

Полимеры бывают не только органические, но и неорганические. Углерод образует соединения: алмаз, графит, карбин, фуллерен, кремний кристаллический. Все эти полимеры имеют атомную структуру. Но есть и сложные вещества с атомной структурой — полимеры: оксид кремния (SiO₂) и его разновидности: кварц, кремнезем, горный хрусталь. Алюмосиликаты — два полимера вместе.

Следует отметить, что кремний — второй по распространенности элемент в природе (после кислорода) — 27,6 % от массы земной коры. Его соединения: силикаты, алюмосиликаты — составляют 75 % литосферы. К ним относятся около 500 минералов, в том числе породообразующие: полевые шпаты, слюды, пироксены (силикаты): песок, глина, асбест, тальк, изумруд, топаз.

К образованию неорганических полимеров наиболее склонны этилены III, IV групп главных подгрупп II, III периода В, Al, Si.

Неорганические полимеры могут иметь макромолекулы в виде гомо- и гетероцепей. Сами макромолекулы линейные, разветвленные, сетчатые.

Пример: алмаз, бор, фосфор горный, карбин (—С≡С—)_n, поликумулен (=С=С=С=)_n, пластическая сера, полимерное олово — гомоцепные.

Более устойчивые — гетероцепные полимеры, оксид бора содержит фрагменты (кремнезем), (оксид алюминия); карборунд SiC, поликремниевая кислота (H₂SiO₃)_n.

Известно множество элементоорганических полимеров. В основе таких полимеров кремний, фосфор, сера включены в основную или боковые цепи.

Далее учитель подводит итог изложения нового материала.

III. Домашнее задание

§ 10 (до пластмасс), с. 87—93. № 1 —5. Повторить белки, нуклеиновые кислоты (10 класс).

IV. Закрепление

Учащимся предлагается план характеристики полимера:

1. Название полимера.

2. Мономер, структурное звено. Степень полимеризации М_ср, степень кристалличности (по справочной литературе).

3. Форма макромолекулы.

4. Реакция синтеза.

5. Особенности физических свойств, положительные и отрицательные качества.

6. Применение.

Учащимся предлагаются следующие полимеры для характеристики (в виде сообщения на оценку), полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиметилметалкрилат (органическое стекло), фенолоформальдегидная смола, капрон, лавсан, ацетат, каучук.