Урок по органической химии "Натуральный каучук" (10 класс)
план-конспект урока по химии (10 класс) на тему

         Данный урок является средством активизации познавательной (рефлексивной) деятельности старшеклассников и способствует актуализации межпредметных связей в системе наук «химия – биология – география – история».

Цели: 

1. Образовательная – изучить природное происхождение, химическое строение, свойства и практическое значение натурального каучука.
2. Воспитательная – познакомиться с историей открытия и применения каучука человеком, с ролью знаменитых людей прошлого в распространении этого вещества.
3. Развивающая – совершенствовать умения работать с учебной, научно-популярной, справочной литературой, выступать с сообщениями по предложенной теме, объективно оценивать результаты учебной деятельности одноклассников.

          На уроке используется мультимедийная презентация «Натуральный каучук» (см. приложение 1).

Оборудование: 1) персональный компьютер,

                            2) мультимедийный проектор Acer XD 1150,

                            3) демонстрационный экран,

                            4) коллекция «Каучук и продукты его переработки».

Вопросы для самостоятельной подготовки учащихся к семинару:

1. Расскажите об истории открытия натурального каучука и знакомства европейцев с его свойствами.
2. Дайте биологическую характеристику растения гевея бразильская, являющегося главным источником натурального каучука.
3. Сравните химическое строение и физические свойства каучука и гуттаперчи.
4. Расскажите о начале промышленного использования каучука.
5. Расскажите об изобретении способа вулканизации каучука и о химической реакции, лежащей в основе получения резины.

Ход урока:

         В начале урока учитель отмечает, что на предыдущих занятиях учащиеся изучили гомологический ряд диеновых углеводородов (алкадиенов): строение, номенклатуру, способы получения, физические и химические свойства, области применения. Далее осуществляется текущий контроль знаний – в течение 10 минут учащиеся выполняют тест «Алкадиены» (см. приложение 2). Учитель проецирует на экран слайд с ответами (слайд № 2), учащиеся осуществляют взаимопроверку и выставляют друг другу оценки.

          Затем учитель ещё раз обращает внимание учащихся на тот факт, что практическое значение диеновых углеводородов заключается в получении путём их полимеризации синтетических каучуков, из которых, в свою очередь, производят резину. Наряду с каучуками синтетического происхождения существует и натуральный (природный) каучук, обладающий ценными свойствами.

         Далее учитель сообщает учащимся цели занятия и предлагает высказаться по вопросам, вынесенным для обсуждения.

Примерные ответы на вопросы:

1. Человек познакомился с каучуком очень давно. В силезских бурых углях найдено смолистое вещество, очень похожее на каучук. Это доказывает, что в каменноугольный период в Средней Европе росли деревья, содержащие в себе каучуконосные каналы. В тропических странах и сейчас растут деревья, дающие каучук. Следовательно, в этих странах человек давно должен был встретиться с ним. Однако древний мир, о котором сохранилось много памятников, не оставил нам никаких сведений о каучуке. Даже Египет, сосед тропической Африки, по-видимому, каучука не знал. В тропических же странах Америки, например, в Мексике, сохранились раскопки, в которых были найдены резиновые мячи. Данный факт доказывает, что древние индейцы знали о существовании каучука, хотя они, по сути дела, широко и не использовали этот уникальный природный материал. Лишь майя научились делать из каучука резиновые мячи эллипсоидальной формы и впервые в истории изобрели игру, напоминающую футбол. Так как каучук очень плотный, то мяч получался весьма тяжёлым. Таким мячом можно было нанести серьёзные увечья, поэтому майя отбивали его не ступнёй, а бедром. Пружинящий мяч, несмотря на все неудобства, полюбился основателям великой мезоамериканской цивилизации, однако они придавали игре гораздо больший смысл, чем современные болельщики. Этот мяч служил для ритуальных целей. Скорее всего, особое свойство каучуковых мячей отскакивать от твёрдых поверхностей послужило поводом считать этот материал чудесным. Для майя игра в каучуковый мяч была священна, поскольку полёт мяча ассоциировался с годичным движением солнца по небосводу. Наконец, само слово «каучук» было придумано индейцами. Оно означает в переводе «слёзы дерева» или «плачущее дерево», потому что сочащийся из повреждённого ствола дерева-каучуконоса сок напоминал индейцам слёзы. А вот современным фермерам тропических стран этот сок напоминает коровье молоко, отчего во многих регионах его называют «резиновое молоко» (слайд № 3). Именно за игрой в мяч застали жителей острова Гаити спутники известного путешественника Христофора Колумба. Интересен тот факт, что эта игра сохранилась у них до настоящего времени. Европейцы, конечно, тоже были поражены необычными свойствами мяча и стали расспрашивать, откуда берётся такое странное вещество. Полученные сведения записаны в трудах испанских историков начала XVII века, и из них мы узнали, что вещество, из которого делают мячи, получается из сока особого дерева. По-видимому, испанцев удовлетворяли эти сведения, и они не простирали далее своего любопытства. Образцы каучука были привезены Колумбом  в Европу и хранились в музеях как редкость. В первой четверти XVIII века Французская академия наук снарядила в Южную Америку экспедицию для измерения длины меридиана. В состав экспедиции вошёл энергичный учёный Ла-Кондамин, который решил воспользоваться пребыванием в новых странах, чтобы подробно изучить их достопримечательности. Заинтересовавшись каучуком, он разузнал о его добыче и применении в Бразилии. Его записки очень поучительны в этом отношении. Они вышли в 1735 году, и из них мы узнаём следующее (слайд № 4). Дерево, из которого добывался каучук, носит название Heve. При его подсечке вытекает белый млечный сок, высыхающий на воздухе и темнеющий при этом (слайд № 5). Им пропитывали ткани для придания им водонепроницаемости, изготовляли факелы из засохшей смолы, а также получали особые бутылочки в виде спринцовок. Эти спринцовки, или, как их называют по-португальски, «серинги», выделывались так: глиняную форму в виде груши обмазывали соком дерева гевеи и затем коптили в тёплом дыму костра. Когда один слой обсыхал, повторяли обмазку снова и покрывали первоначальную спринцовку новым слоем каучука до тех пор, пока не достигалась желаемая толщина стенок. По окончании формирования спринцовки внутреннюю глину разминали в воде и удаляли, после чего получался полый эластичный сосуд, из которого можно было выбрасывать воду на большую высоту…
2. Гевея бразильская (Hevea brasiliensis), или каучуковое дерево, - типичный представитель южноамериканских тропических лесов (слайды № 6 и № 7). Родиной этого растения является Латинская Америка – берега реки Амазонки. Семейство: молочайные. Внешние признаки: высокое дерево – до 30-40 м; ствол в верхней части раздвоен; листья тройчатосложные; цветки мелкие, однополые, однодомные, собраны в сложные метельчатые соцветия; плод коробочковидный, распадается на 3 односемянные доли; семена крупные, покрыты плотной оболочкой – коричневой с белым налётом. Если надрезать кору дерева, из неё начинает выделяться белый млечный сок, который называется латексом. Через некоторое время сок затвердевает и образует твёрдое пластичное вещество, широко используемое при производстве резиновых изделий, - натуральный каучук. Время цветения: июнь – июль. Распространённость: гевея бразильская и другие виды произрастают в диком состоянии в Южной Америке; область культивирования гевеи – тропическая Азия, преимущественно остров Шри-Ланка, полуостров Малакка и Малайский архипелаг, а также некоторые африканские страны. В Южной Америке каучуковое дерево выращивают, начиная с периода колонизации индейских земель. Первые плантации каучуковых деревьев были засажены европейцами. Работали на этих плантациях в основном индейцы. В настоящее время на каучуковых плантациях преимущественно разводится именно гевея бразильская. В мировом промышленном производстве натурального каучука доля сырья, полученного от гевеи бразильской, составляет 90 %. Интересен тот факт, что и в нашей средней полосе есть растение, являющееся каучуконосом, но, конечно, оно даёт настолько мало млечного сока, что его невозможно использовать в производстве натурального каучука. Это растение известно всем нам с детства – одуванчик (слайд № 8).

3. Если поместить образец натурального каучука в пробирку, закрыть её пробкой с газоотводной трубкой, конец которой опущен в другую пробирку, и длительное время нагревать, то будет происходить процесс разложения каучука (деполимеризации). Жидкие продукты разложения собираются в пустой пробирке. Если прилить к ним бромную воду, она обесцвечивается, что доказывает непредельный характер полученных соединений. Экспериментально доказано, что в основном это изопрен, или 2-метилбутадиен-1,3 СН2 = С (СН3)– СН = СН2. Следовательно, макромолекулы натурального каучука состоят из множества повторяющихся остатков молекул изопрена. Характерно, что в макромолекуле натурального каучука группы – СН2 – находятся по одну сторону двойных связей (цис-форма) и что мономерные изопреновые звенья регулярно повторяются. Такое пространственное строение молекул полимеров называется стереорегулярным. Оказалось, что именно такое строение молекул придаёт натуральному каучуку эластичность – способность растягиваться и сжиматься под действием внешней силы, а затем восстанавливать прежнюю форму, а также стойкость к износу. Эти свойства необходимы для производства высококачественных автомобильных и авиационных шин. Ценным свойством каучука является также водо- и газонепроницаемость. Кроме того, он является хорошим электроизолятором. Каучук практически не растворяется в воде, мало растворяется в этиловом спирте, а в сероуглероде, хлороформе и бензине он сначала набухает, а затем растворяется. При повышенной температуре каучук становится мягким и липким, а на холоде – твёрдым и хрупким. При длительном хранении натуральный каучук твердеет. Наряду с цис-полиизопреном, в природе встречается и полимер стереонерегулярного строения – транс-полиизопрен, называемый гуттаперчей. Из-за неупорядоченного пространственного строения гуттаперча обладает значительно меньшей эластичностью, стойкостью к износу и водо- и газонепроницаемостью по сравнению с каучуком (слайд № 9).

Строение элементарных звеньев:

         натурального каучука                                         гуттаперчи

-СН2                         СН2 -                         - СН2                        Н

               С = С                                                              С = С

 СН3                      Н                                     СН3                       СН2 -

4. В Англии с введением газового освещения в городах на газовых заводах начало скапливаться довольно много жидких побочных продуктов сухой перегонки каменного угля. Эти продукты под названием сольвент-нафты могли растворять каучук, поэтому один из фабрикантов по фамилии Макинтош закупил всю сольвент-нафту с газовых заводов города Глазго с целью использовать её для изготовления непромокаемой одежды. Растворяя в ней каучук, он покрывал такими растворами ткани. По его имени непромокаемые пальто с того времени называются макинтошами. Однако вскоре обнаружилось, что при положительном качестве изготовленная таким образом одежда страдает существенными недостатками: при холодной температуре ткань становилась жёсткой и ломкой, а при нагревании, наоборот, делалась липкой и неудобной. Кроме того, масла, жиры, нефть, скипидар и другие жидкости легко её портили. Все эти недостатки не удивляют нас теперь, так как мы знаем, что сырой, не вулканизированный каучук обладает ими в полной мере. Помимо изготовления тканей, резиновая промышленность выпускала и другие изделия. Описание Ла-Кондамином способа получения бутылок  и обуви при помощи соответствующих глиняных и деревянных форм побудило использовать каучуковый млечный сок в промышленном масштабе. Началось это так. В 1823 году некий Томас Уэльс из Бостона привёз как курьёз несколько пар бразильских галош. Они, однако, не получили одобрения. При нагревании они растягивались чуть ли не до колен и вообще служили поводом для насмешек и карикатур. Уэльс не пал духом: он послал в Бразилию хорошие колодки, и уже с 1824 года новые галоши начинают понемногу находить сбыт. В промежуток между 1836 и 1850 годами таких галош было вывезено из Бразилии в Нью-Йорк около 1,5 млн. пар, а в Европу около 1 млн. пар. Понятно, что такие галоши не имели ничего общего с современной резиновой обувью. Способ получения их заключался в следующем: деревянную колодку по форме сапога погружали в млечный сок, вынимали и обсушивали копчением в горячем дыму костра. Операция эта повторялась до тех пор, пока не получался достаточно толстый слой, примерно около 1,5 мм. Под конец резцом наносили рисунок на наружную поверхность, и галоша была готова. Так как и в этом случае галоша не вулканизировалась, то она тоже обладала всеми свойствами и вместе с тем недостатками сырого каучука. Она была недостаточно эластична, чувствительна к переменам температуры, при нагревании становилась липкой и мягкой и растворялась во многих жидкостях. Бутылочки, изготовлявшиеся в Бразилии аналогичным способом, в Европе послужили материалом для других изделий. Их разрезали на пластинки определённого формата, а затем из них выделывали по мере надобности прокладки, трубки и тому подобные неприхотливые изделия. Вскоре выяснили, что, для того чтобы эти пластинки не липли, их нужно посыпать минеральными порошками, серой или тальком.
5. Количество каучука, потреблявшегося в виде пластин, оставалось очень небольшим. Имеющиеся статистические сведения указывают, что в 1827 году мировое потребление каучука равнялось всего лишь 3 т. В 1839 году Чарльз Гудьир, торговавший в Америке пластинами, уронил одну из них на горячую плиту. Сначала он не заметил этого, но когда увидел пластину лежащей на горячей плите, то очень испугался, так как ему было известно, что при нагревании каучук становится липким, плавится и уже не возвращается в первоначальное состояние. Гудьир быстро схватил пластинку с плиты и начал мять её, чтобы убедиться, насколько она пострадала от нагревания. Он очень удивился, когда увидел, что пластина не размягчилась и не испортилась, а, наоборот, стала очень эластичной и упругой и потеряла способность растворяться в обычных для себя растворителях. Зная, что пластинка содержала, помимо каучука, примесь серы и глета, Гудьир понял, чем вызвано изменение, произошедшее в каучуке, и насколько оно важно; позже он взял патент на техническое использование этого явления. Такое превращение каучука называется вулканизацией. Она заключается в том, что каучук смешивают с порошкообразной серой и другими примесями, доводят до тестообразного состояния и нагревают сформированную массу. После вулканизации каучук становится значительно прочнее, избавляясь от различных недостатков сырого каучука, препятствовавших его применению. Полученный при этом материал называется резиной. С химической точки зрения, при вулканизации происходит сшивание полимерных цепей каучука за счёт сульфидных мостиков, что препятствует потере устойчивости каучука при действии различных внешних факторов (слайд № 10):

                                                                                tо

               – СН2 – С (СН3) = СН – СН2 –  +    2n S ---------•

                                                                          (S)n

                                ---------•  – СН2 – С(СН3) – СН – СН2 –

                                                            (S)n

                   Изобретение Гудьира положило начало бурному развитию резиновой

           промышленности (слайды № 11 и № 12).

         После того, как будут сделаны все сообщения по вопросам семинара, учитель предлагает учащимся, слушавшим эти сообщения, дать оценку работе своих одноклассников и при необходимости дополнить или уточнить какие-либо моменты. Затем выставляются оценки по итогам семинара.

         В качестве закрепления и обобщения изученного материала учащимся предлагается разгадать кроссворд «Натуральный каучук» (см. приложение 3).

Домашнее задание: учебник О.С. Габриеляна «Химия – 10 класс» - стр. 114 – 116, задача № 6 (стр. 116).

Литература:

1. Большая энциклопедия природы. Т. 7. Жизнь растений. Деревья и кустарники. М.: ООО «Мир книги», 2003. С. 86 – 87.
2. Буцкус П.Ф. Книга для чтения по органической химии: Пособие для учащихся. М.: Просвещение, 1985. С. 116 – 119.
3. Габриелян О.С., Маскаев Ф.Н., Пономарёв С.Ю., Теренин В.И. Химия. 10 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2003. С. 114 – 116.
4. Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия: Органическая химия: Учебник для 10 кл. общеобразовательных учреждений. М.: Просвещение, 1998. С. 42 – 44.