Основа для второй жизни.

Г.Саратов, ЧОУ «Лицей-интернат естественных наук»

Научно-исследовательская работа по химии

«Основа для второй жизни»

Выполнили: Неврюев Александр Андреевич,

Власов Сергей Сергеевич.

9 класс,

Муниципальное бюджетное общеобразовательное

учреждение «Средняя общеобразовательная школа №1

р.п. Базарный Карабулак Саратовской области»

Научный руководитель: учитель химии

Володина Елена Геннадьевна.

Содержание

Гл.1. Введение…………………………………………………………………1

Глава 2. Основная часть.

«Природа мастеровито создала королевские нити, человек же, соревнуясь с природой, создал целый мир- мир пластика» ………………………………1-2

Классификация полимеров……………………………………………………2-4

Чтобы предмет стал интересен, достаточно долго на него смотреть………4-5

«Широко простирает химия руки свои в дела человеческие» ……………..5-6

«Посев научный взойдет для жатвы народной.» ……………………………6-7

«Молоко- пища, приготовленная самой природой» ………………………….7

Глава 3. Практическая часть.

«Химии ни коим образом научиться невозможно, не видав самой практики и не принимаясь за химические операции.» ……………………………………...7-9

Глава 4. Заключение………………………………………………………….9-10

Используемая литература и интернет - ресурсы……………………………...11

Глава 1. Введение.

Это случилось в 440 г. Китайская принцесса была помолвлена с принцем Хотана. И ее жених пожелал, чтобы принцесса привезла с собой семена тутового дерева и личинки шелкопряда, она спрятала семена и личинки в своей пышной прическе и вывезла их за пределы Китая.

Объект исследования: пенопласт, ПВА, молоко.

Предмет исследования: полимеры.

Актуальность темы: Мы считаем данную тему актуальной, т.к. свойства полимеров настолько уникальны, что их используют во многих отраслях современного мира, которое объясняется функциональностью этих материалов и легкостью переработки в товары промышленного назначения по сравнению с другими материалами, а также некоторые полимеры можно получить в домашних условиях и применив свою фантазию использовать в разных целях.

Цели и задачи исследования:

- Изучить историю открытия полимерных материалов.

- Рассмотреть классификацию полимеров.

- Изучить более подробно свойства полимеров.

- Изучить способ получения и попробовать получить полимеры из подручных материалов в лабораторных условиях.

- Рассмотреть применение полученных полимеров в бытовом направлении.

Гипотеза: Химические элементы, из которых состоят полимеры содержаться во многих окружающих нас объектах.

Методы исследования:

-Теоретический - обработка и анализ материала из научной литературы.

-Экспериментальный - изготовление и получение пластмасса.

-Описательный - описание свойств природных органических (биополимеров) и природных неорганических полимеров.

-Сравнительный - сравнение свойств природных органических и природных

неорганических полимеров, а также сравнение прочности пластмасс,

полученных техническим путём с пластмассой, полученной в лабораторных условиях.

- Гипотетический - формулирование гипотезы, отражающей смысл исследования.

Глава 2. Основная часть.

1. «Природа мастеровито создала королевские нити, человек же, соревнуясь с природой, создал целый мир- мир пластика»

Китай подарил миру шелк – уникальный материал, очень прочный, приятный на ощупь, поддерживающий комфортную температуру,

-1-

продукт жизнедеятельности тутового шелкопряда, который свивает вокруг себя прочный кокон. Но кто же первым, или первой, догадался расплести этот кокон и свить нить, а затем выткать ткань? Производство шелка в Китае насчитывает более 6 тысяч лет. История этой великолепной ткани овеяна легендами

Свое искусство китайские мастера хранили в глубокой тайне на протяжении более чем тысячи лет. Секрет производства шелка в древнем мире был засекречен очень строго - в истории человечества это была одна из самых охраняемых «бизнес-тайн» - первый полимер, подаривший красоту и удобство. Мы обязательно вернёмся к данному чуду природы, а сегодня речь пойдёт о самом доступном и востребованном материале- пластике.

Родоначальником современного дешевого материала стал изобретатель-металлург Александр Паркс. А исторической родиной пластика является Бирмингем. Для изготовления первой цепочки полимеров изыскатель использовал обработанную азотную кислоту и целлюлозу, которые в сочетании давали нитроцеллюлозу. В состав также входил спирт с камфорой. Изыскания металлург проводил с 1855 году и только 7 лет спустя в Лондоне на Большой Международной Выставке миру был представлен прототип современного пластика.

Первое название вновь созданного материала – паркезин и сегодня оно

практически никому не известно.

Материал получил признание у специалистов того времени, поэтому уже в

1866 году Парксом была создана первая фабрика по производству паркезина

Parkesine Company. Поскольку на старте у создателя не хватало средств для производства качественного товара, то уже в 1868 году фирма разорилась.

Правопреемником стала компания Даниэля Стилла, который производил паркезин с другим названием – ксилонит. Одновременно открылось производство целлулоид заводом Джона Весли Хайта. Именно этот предприниматель первым решил зарегистрировать товарный знак Celluloid. В

конце 19 столетия целлулоид использовался для создания самой разной продукции – от упаковки до бильярдных шаров. Немного позже материал был немного усовершенствован, после чего в 1899 году появился полиэтилен, однако признание пришло только в 1933 году.

На первых порах полиэтилен использовался только для создания телефонного кабеля, то в середине 20 века он применяется уже для создания пакетов.

1. Классификация полимеров.

1. По происхождению полимеры делят на:

Природные (биополимеры): полисахариды (крахмал, целлюлоза), белки, нуклеиновые кислоты;

Искусственные – полученные из природных полимеров путем их химических превращений (целлулоид, волокна: ацетатное, медноамиачное, вискозное).

Синтетические – полученные из мономеров: каучуки- продукты полимеризации алкадиенов и их производных., волокна-

-2-

высокомолекулярные вещества, имеющие линейное строение и

сформированные в виде нитей., пластмассы-высокомолекулярные соединения, в состав которых входят также вещества, улучшающие физические свойства полимера: стабилизаторы (повышают стойкость к свету), пластификаторы (улучшают эластичность, морозостойкость, огнестойкость), красители.

2. По составу:

Органические;

Элементорганические (поликарбораны, кремнийорганические);

Неорганические полимерные (олово, селен, теллур, аморфная сера, черный фосфор, кварц, корунд, алюмосиликаты).

1. По химическому составу:

Гомополимеры (макромолекулы содержат одинаковые структурные звенья);

Гетерополимеры (состоят из разных остатков мономеров). Такие полимеры называют также сополимеры.

4. По структуре макромолекулы:

Линейные (высокоэластичные)

В макромолекулах линейных полимеров структурные звенья последовательно соединены друг с другом в длинные цепи. Цепи изгибаются в различных направлениях или сворачиваются клубком.

Именно эта особенность строения придает эластичность полимерам. Из природных полимеров линейное строение имеют целлюлоза, амилоза (составная часть крахмала) натуральный каучук, а из синтетических – полиэтилен низкого давления, капрон, найлон и многие другие полимеры.

Разветвленные

Макромолекулы разветвленных полимеров – это длинные цепи с короткими боковыми ответвлениями. Такое строение имеют, например, полиэтилен высокого давления, амилопектин (компонент крахмала). Сетчатые (низкоэластичные)

Макромолекулы сетчатых полимеров представляют собой длинные цепи, связанные (сшитые) поперечными связями. Такая макромолекула имеет три измерения в пространстве. Высокомолекулярными соединениями с пространственной структурой являются: шерсть, фенолформальдегидные полимеры, резина.

1. По пространственному строению:

Определенное чередование элементарных звеньев разной пространственной конфигурации делит полимеры на :

стереорегулярные (или изотактические)- полимеры, в котором заместители расположены в пространстве по одну сторону от основной полимерной цепи и определяет высокие прочностные свойства

нестереорегулярные (или тактические) – полимер, в котором заместители расположены беспорядочно, это более мягкий материал, напоминающий

-3-

каучук.

1. По физическим свойствам:

Аморфные полимеры, макромолекулы расположены неупорядоченно, хаотично. Аморфные полимеры при механической деформации в зависимости от температуры могут существовать в следующих физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. При низкой температуре полимер находится в стеклообразном состоянии, в котором он ведет себя как упругое тело (не деформируется при нагрузках). При повышении температуры полимер

переходит в высокоэластичное состояние (изменяет свою форму под

действием силы, а потом возвращается в исходное состояние). Это обусловлено подвижностью звеньев и соответственно гибкостью макромолекул. Значительное повышение температуры ведет к разрушению полимера. Вещество в вязкотекучем состоянии течет как вязкая жидкость, причем деформация полимера является необратимой Аморфные полимеры – мягкие, эластичные материалы.

Кристаллические полимеры могут быть только стереорегулярной структуры макромолекул. Кристаллические полимеры содержат области, в которых отдельные участки макромолекул имеют плотную упаковку. Эти участки называют кристаллитами. Кристаллические полимеры состоят из большого числа кристаллитов, между которыми находятся участки с неупорядоченной структурой (аморфные области). Кристаллические участки делают полимер

более жестким, они снижают его способность к удлинению, поэтому полимеры имеют более высокую твердость, чем аморфные. Кристаллические полимеры характеризуются температурой плавления, а аморфные областью температуроразмягчения.

1. По отношению к нагреванию:

 Термопластичные- размягчаются при нагревании, а при охлаждении снова затвердевают. Этот процесс обратим. 

Термореактивные – при нагревании вступают в химические взаимодействия – происходит «сшивание» полимеров. Так образуются твердые неплавкие вещества с пространственной структурой. Полученные полимеры уже не могут быть переведены в пластичное состояние.

1. По способу получения:

Полимеризационные-образуются за счёт разрыва двойных связей в мономерах.

Поликонденсационные- процесс образования ВМС из низкомолекулярных соединений, содержащих две или несколько функциональных групп, сопровождающийся выделением за счёт этих групп таких веществ как вода, NH3 и т.п.). Состав элементарного полимера в этом случае отличается от состава исходного мономера. Полимеризационные полимеры имеют меньшую молекулярную массу, чем полимеризационные.

1. Чтобы предмет стал интересен, достаточно долго на него смотреть.

Видимо, мы погорячились, когда решили получить все возможные полимеры,

-4-

да ещё в лабораторных условиях, рассмотрев и изучив всю классификацию, свойства и способы получения этих загадочных веществ мы остановились на пластмассе. Почему именно на нём?

Во-первых, сырьё для производства самодельного пластика самое дешёвое и доступное.

Во-вторых, это отличный способ дать вторую жизнь данным полимерам.

В- третьих, в наших головах возникла масса идей о том, какие изделия можно

создать из получившегося материала.

4. «Широко простирает химия руки свои в дела человеческие» (М. В. Ломоносов)

Прочитав достаточно научной литературы и воспользовавшись интернетом, мы пришли к выводу, что самым доступным полимером для нас, учащихся не имеющих возможность «химичить» в нормальных лабораториях, а только пользоваться подручными средствами, при этом, не забывая о технике безопасности, является клей ПВА, пенопласт и…молоко.

Клей ПВА – универсальное средство, используемое для склеивания различных материалов. Представляет собой эмульсию поливинилацетата в воде с применением добавок. Отличается характерным слабовыраженным запахом.

Все составляющие клея ПВА абсолютно безопасные для человеческого организма, нетоксичные. В состав клеящего вещества входят следующие компоненты:

1. Поливинилацетат – 90-95%- термопластичный полимер, не имеющий вкуса, цвета, запаха. Основными характеристиками являются износоустойчивость, стойкость к атмосферному воздействию, адгезия к различным поверхностям, оптические свойства. Не растворяется в бензине, воде, минеральном масле.

2. Пластификаторы (дибутилфталат, диизобутилфталат и др.) – 1-2%. Обеспечивают стойкость к низким температурам, высокую пластичность.

3. Специальные добавки – 3-7%. Используются для получения требуемой густой консистенции клея, повышения прочности сцепления во время обработки поверхностей.

В чём мы увидели для себя преимущества поливинилацетата?

-Устойчивость к минусовым температурам;

-пожаробезопасность/взрывобезопасность;

-нетоксичный состав;

-устойчивость к повышенному уровню влаги/водонепроницаемость;

-образование тонкой прочной пленки после застывания;

-в процессе высыхания происходит минимальная усадка и заполнение просветов;

-ценовая доступность.

Но клей ПВА, как выяснилось, бывает:

-5-

1. Бытовой (обойный).

Наклеивание обоев на бумажной, виниловой, флизелиновой основе. Возможно склеивание других изделий. Устойчив к воздействию низких температур.

1. Универсальный (ПВА-МБ) Подходит для склеивания

многочисленных материалов (бумага, дерево, ткань, кожа, металл и

др.). Используется в производстве шпатлевок, бетонных смесей, грунтовочных составов. Возможна пластификация составов, изготовленных на водной основе. Выдерживает минусовую температуру до 20°С.

1. Канцелярский (ПВА-К) Используется в бытовых условиях преимущественно для склеивания бумаги, картона и других изделий. Не универсален, подвержен воздействию низких температур, воды, влаги.

2. Дисперсия ПВА.Применяется в первую очередь как основной компонент для всех клеящих составов. Может быть пластифицированным и не пластифицированным. Используется в столярном и мебельном производстве, на деревообрабатывающих заводах.

3. Супер (ПВА-М) Устойчивый к низким температурам (до 40°С) универсальный клей. Применяется для монтажа линолеума на основе войлочного материала, керамической плитки и других изделий.

Мы остановились на последнем, так как нас устроили все его

характеристики.

5. «Посев научный взойдет для жатвы народной.» (Д.И.Менделеев)

Теперь о пенопласте, что это за материал с точки зрения химии? ведь мы привыкли о нём говорить именно как о пенопласте, материале белого цвета со вспененной структурой, но оказалось, что данная материя представляет собой, полимер, в котором содержится 98% воздуха и 2% полистирола. Для его изготовления разработана технология вспенивания полистирольных гранул, после чего эти микроскопические частицы обрабатывают горячим паром. Процедуру повторяют несколько раз, в результате чего значительно уменьшаются показатели плотности и веса материала. Подготовленную массу подвергают высушиванию для удаления остаточной влаги. Процесс осуществляют на открытом воздухе в специальных сушильных ёмкостях. На этой стадии производства структура пенопласта приобретает окончательную форму. Размеры гранул находятся в пределах от 5 до 15 мм.

Высушенным гранулам пенопласта придают соответствующую форму в виде плит. Прессование проводится на специальных установках или станках, которые "упаковывают" пенопласт и придают ему компактную форму.

После прессования пенопласта его ещё раз обрабатывают горячим

паром, в результате чего образуются блоки белого цвета с заданными параметрами ширины.

Какими же свойствами обладает пенопласт?

- Теплопроводность.

-6-

- Ветрозащитные и звукоизоляционные свойства.

- Низкое водопоглощение.

- Прочность и долговечность.

- Устойчивость к биологическому и химическому воздействию.

Но в последнем пункте есть исключение: Плиты пенополистирола устойчивы к воздействию агрессивных сред- растворов солей, щелочей и кислот, морской воды, извести, гипса, цемента, битума, силиконовых и водорастворимых красок. А вот органические растворители (растворители красок, скипидар, уксусно-этиловый эфир, ацетон),

насыщенные углеводороды (спирты) и продукты нефтепереработки (керосин, бензин, солярка, мазут) нарушают ячеистую структуру, которая является основой пенопласта, и могут полностью её растворить.

1. «Молоко - пища, приготовленная самой природой» (И.П. Павлов)

Для нас стало открытием, что молоко, являясь продуктом секреции

молочной железы коровы, вкусным целебным напитком, источником белка-казеина, витаминов и микроэлементов ещё и является сложной полидисперсной системой. Но факт остаётся фактом. И, если подумать логически белок это и есть биополимер, значит и раствор, в котором он находится, обладает полимерными свойствами.

Глава 3. Практическая часть.

«Химии ни коим образом научиться невозможно, не видав самой практики и не принимаясь за химические операции.» (М.В. Ломоносов)

Итак, переходим к экспериментам, мы запланировали три химических реакции создания полимеров.

Опыт № 1: в одну ёмкость взяли раствор (1:1 с водой) клея ПВА-М, хорошо перемешали, для красочности добавили колер, в другую насыпали порошок тетрабората натрия и растворили в небольшом количестве воды до полного растворения. Затем к раствору клея прибавили тетрабората натрия до загустевания, спустя 30 секунд мы получили полимер.

Рассмотрим химизм реакции:

Поливинилацетат - эфир поливинилового спирта и уксусной кислоты. Это полимер с линейными молекулами, которые не слишком мешают, течь клею.

В условиях опыта поливинилацетат гидролизуется до поливинилового спирта и ацетата натрия.

-7-

Добавляя буру, мы создаем поперечные связи между нитями и образуем пространственную сетку. Раствор буры слабощелочной. Бура - соль слабой борной кислоты и сильного основания (гидроксида натрия). При гидролизе получается щелочная среда:

Na2B4O7 + 7H2O = 2NaOH + 4H3BO3

H3BO3 + OH- [B(OH)4]-

Приведенное уравнение условно, кроме того, гидролизу подвергается только небольшая часть растворенной буры, но в итоге в растворе все равно будет щелочь.

Именно благодаря этой щелочи поливинилацетат переходит в поливиниловый спирт, который и подвергается сшивке борной кислотой. В получившейся "резине" очень много влаги, сколько точно - это вопрос для отдельного исследования.

Дальше химия почти заканчивается, уступая место творчеству.

Собрали вязкую, тягучую массу руками, предварительно надев

перчатки заложили её в форму для фоторамки, получили художественную фигурку. Но масса очень быстро начала твердеть, в первую пробу у нас получились только мелкие элементы, напоминающие адсорбент в обуви и тут в голову, пришла идея создать множество таких мелких крупинок, придав им разные цвета, которые можно использовать в качестве украшения картин, например.

Но мы решили не останавливаться на достигнутом и попробовать смастерить термосалфетку. Представляем и её на Ваш суд.

При всём этом нужно сказать, что данные произведения искусства повторяют

-8-

все выше описанные свойства ПВА. Но замечена тенденция: чем больше площадь изделия, тем мягче его структура, видимо вязкость полимера увеличивается с увеличением его молекулярной массы.

Опыт № 2: пенопласт с ацетоном, как ранее говорилось этот растворитель органического происхождения является агрессивной средой для пенопласта, в химии именуемого как полистирол. Полистирол - это искусственно созданное вещество, состоящее из длинных цепочек молекул стирола C8H8. Суть опыта очень проста: органическая жидкость растворяет полистирол, а содержащийся в пенопласте газ высвобождается наружу.

Реакция в химии происходит так:

_{кроме кислорода продуктом реакции является 5-метилциклогексадиен-1,3}

C₈H₈ + 2 C₃H₆O = O₂ + 2 C₇H₁₀

_{Данную теорию мы применили на практике.}

_{Налив в кристаллизатор 1 мл. ацетона, мы постепенно растворили пенопласт, реакция прошла стремительно, надев перчатки, добавив колер попробовали собрать её, она также, как и предыдущий материал застывала очень быстро, но нам удалось в предварительно заготовленный штамп заложить пластик.}

_{Опыт № 3 Аккуратно нагрели молоко в кастрюле до медленного кипения. Добавили две столовые ложки уксуса и размешали его ложкой до тех пор, пока не началась сепарация молока на твердое вещество и жидкость. Охладили молоко до умеренной температуры, вылили его через сито. В сите должна была остаться «молочная пластмасса", но наша масса больше напоминала творог, данное соединение мы не смогли собрать в единый полимер, над этим мы поработаем.}

Гл. 4. Заключение

Наша гипотеза подтвердилась и применение своих изделий мы нашли только творчестве и быту, посоветовавшись с родителями, показав им эти произведения мы получили ответ на вопрос: где же ещё можно их применить, например, для оформления аппаратуры ( наличники, обрамления), в виде вспомогательных деталей (стойки, кронштейны, обоймы), ручек различного инструмента, а также для заливки отверстий в абразивных кругах. А ещё эти пластмассы удобны тем, что возможно

изготовление не материала, а собственно деталей, что значительно снижает трудоемкость процесса. Правда, приходится изготавливать модель или форму, но и это не проблема. Мы сделали форму из дерева, предварительно покрыв её

-9-

алюминиевой фольгой, также можно делать из пенопласта, покрыв тонким слоем парафина. Можно также купить полимерную глину и сделать форму из неё.

Приготовление таких пластмасс и работа с ними не просто не предоставляет сложности, но и интересна, познавательна, увлекательна, индивидуальна.

Завершаем свою работу словами Горького, которые стали пророчеством: «Химия-это область чудес, в ней скрыто счастье человечества, величайшие завоевания разума будут сделаны именно в этой области.»

-10-

Используемая литература и интернет- ресурсы:

1. И.Ю. Аверко-Антонович, Р.Т. Бикмулин. Методы исследования структуры и свойств полимеров. Уч. пособ. 2002 год.

2. Максанова Л.А., Аюрова О.Ж. Полимерные соединения и их применение. Уч. пособ. 2005 год.

3. Семчиков Ю.Д. Высокомолекулярные соединения. Учебник. 2003 год

4. Шур А.М. Высоко молекулярные соединения. 1981 год.

http://skazanie.info/legendy-o-shelke

http://www.qhhq.ru/interesnoe/izobreteniya/623483.html

http://fb.ru/article/326459/proizvodstvo-shelka-istoriya-i-sovremennost

https://studfiles.net/preview/4085439/page:2/

http://www.grandars.ru/

https://infourok.ru/

http://works.doklad.ru/

https://ru.wikihow.com/сделать-пластмассу

http://chemistry-chemists.com/N2_2015/ChemistryAndChemists_2_2015-P18-1.html

http://virtuallab.by/publ/video_opyty/video_opyty_khimija/reakcija_acetona_s_penoplastom_i_vzryvnye_shariki/41-1-0-177

http://forum.fonarevka.ru/

-11-