ПӘннің ОҚУ-Әдістемелік материалдары

В начале курса «Высокомолекулярные соединения» необходимо показать, как основная проблема химии «Получение веществ с заданными свойствами» находит отражение в данной области химической науки. Если выделять основной вопрос, который бы определял основную проблему науки о полимерах, то он будет формулироваться следующим образом: «Как зависит от метода получения полимера его структура и свойства ?». Или в другой редакции: «Как получить полимер с заданным строением и заданными свойствами?». Основная проблема науки о полимерах почти не приводится в традиционных учебниках по полимерам, ее решение в виде понятий, законов, теорий размыто по многих разделам.

Учебный материал имеет то же самое объективное содержание, что и результаты научных исследований в данной области, поэтому способ изложения учебного материала начинается с этой уже найденной, исторически и логически исходной формы мысленного воспроизведения конкретности, с логического выведения ее частных проявлений. Раскрытие этой формы позволяет сразу в «чистом» виде прослеживать развитие изучаемого материала, его частные особенности.

Весь курс «Высокомолекулярные соединения» логически делится на две части: в первой части рассматривается зависимость физических и механических свойств полимеров от описанных факторов, во второй – соответственно химические свойства полимеров, а также химические свойства тех органических соединений, которые выступают в качестве мономеров при получении полимеров. Эти две теоретические абстракции описывают отношения между свойствами и факторами, от которых они зависят: физические и механические свойства полимеров находятся в зависимости от состава, структуры и характера внешних условий; химические свойства полимеров, а также мономеров, находятся в зависимости от состава, структуры и характера внешних условий.

В рамках курса «Высокомолекулярные соединения» студенты должны знать:

• научный объект (полимерное состояние вещества, особенности строения и свойств полимеров);

• предмет науки (методы получения полимеров с заданными строением и свойствами, благодаря которым они находят применение);

• основные теоретические обобщения науки, решающие научные задачи: установление зависимости между строением и свойствами полимеров, между свойствами и возможностями применения;

• основные теоретические понятия науки, язык науки, с помощью которого оформляется решение научных задач;

• конкретные научные сведения (свойства наиболее важных полимеров, благодаря которым они находят применение в разных областях человеческой деятельности, их строение и методы получения).

студенты должны уметь:

• 
  применять основы фундаментальных знаний для решения практических задач синтеза полимеров различными методами;
  
• 
  использовать практические навыки по применению современных экспериментальных методов для изучения структуры макромолекул, молекулярно-массовых характеристики физико-механических свойств полимеров;
  
• 
  применять теоретические знания и практические навыки для решения прикладных задач по технологии производства и переработке полимеров.
  

• Особенности строения макромолекул и надмолекулярных структур являются причинами особых свойств полимеров и позволяют рассматривать полимерное состояние как особое состояние вещества (модуль 1).

• Особенности свойств растворов полимеров (набухание и другие) обусловлены особенностями строения и свойств макромолекул, и параметры, характеризующие эти свойства, являются количественными характеристиками структуры макромолекул (молекулярная масса, гибкость, конформация, размеры) (модуль 1 – модуль 2).

• Физико-механические свойства полимеров (деформация, прочность) обусловлены структурой полимеров (модуль 1 – модуль 3).

• Структура полимеров определяется методом получения и связанными с ним параметрами: реакционной способностью мономера, зависящей от его структуры; внешних условий: природы катализатора, растворителя, температуры и других условий (модуль 1 – модуль 4).

• Химические свойства полимеров определяются структурой макромолекул и полимеров и находятся в основе методов химической модификации полимеров (модуль 1 – модуль 5).

Центральным элементом этих содержательных обобщений являются теоретические представления о составе макромолекул и структуре полимеров, поскольку в основе всех описанных обобщений находится отношение какого-либо свойства полимера с его составом и структурой. Отношение «свойство – структура» является фундаментальным теоретическим обобщением всех естественных наук: физические и химические свойства полимеров находятся в зависимости от состава макромолекул и структуры полимера. Поэтому формирование выделенных абстракций базируется на теоретических понятиях и обобщениях, описывающих структуру полимеров.

Каждая выделенная абстракция связана с несколькими научными проблемами, решаемыми в рамках науки о полимерах. Эти научные проблемы в учебном предмете принимают форму модульных учебных проблем (см. табл.).

Каждый модуль курса начинается со специально развернутого введения студентов в те ситуации, внутри которых возникает потребность в соответствующих понятиях теоретического характера. Каждый модуль имеет категориальный аппарат, который можно представить в виде структурно-логических схем (категориальных сеток). В практике учебной деятельности структурно-логические схемы преимущественно используются в объяснительно-иллюстративных целях и представляют собой информацию об объекте познания. Однако они должны использоваться как средство усвоения понятий, включая в себя не только предметное содержание понятия, но и способ его выведения, познания путем движения от общего к частному.

1. 
   Каковы особенности изучения курса «Химия ВМС» в вузах и средней школе?
   
2. 
   Чем определяется структура полимеров?
   
3. 
   Перечислите основные цели и задачи изучения химии ВМС
   

1. Шур А.М. Высокомолекулярные соединения: Учебник для ун-тов. 3-е изд., перераб. и доп. М.:Высш. шк., 1981. 656 с.

2. Андреев И.А. Физика и химия полимеров: Модуль 1. Структура полимеров: Учеб. пособие / Уд Г У. Ижевск, 2003. 185 с.

3. Андреев И.А. Физика и химия полимеров: Модуль 2. Свойства растворов полимеров: Учеб. пособие / УдГУ. Ижевск, 2004. 101 с.

4. Андреев И.А. Физика и химия полимеров: Модуль 3. Физико-механические свойства полимеров: Учеб. пособие / УдГУ. Ижевск, 2004. 127 с.

5. Андреев И.А. Физика и химия полимеров: Модуль 4. Методы получения полимеров: Учеб. пособие / УдГУ. Ижевск, 2004. 148 с.

План лекции:

1. 
   Методические особенности преподавания темы «Моносахариды»
   
2. 
   Методические особенности преподавания темы «Дисахариды»
   

Рассмотреть радикальную полимеризацию. Представить стадии полимеризации. Инициирование радикальной полимеризации. Типы инициаторов. Реакции роста, обрыва и передачи цепи. Объяснить студентам кинетику радикальной полимеризации при малых степенях превращения. Рассмотреть понятие о квазистационарном состоянии. Более подробно остановиться на молекулярной массе и молекулярно-массовом распределении полимеров, образующихся при радикальной полимеризации.

Привести способы проведения полимеризации: в массе, в растворе, в суспензии и в эмульсии.

Рассмотреть катионную полимеризацию. Охарактеризовать мономеры, способные вступать в катионную полимеризацию. Привести катализаторы и сокатализаторы полимеризации. Объяснить рост и ограничение роста цепей при катионной полимеризации, а также влияние природы растворителя.

Показать различие катионной и анионной полимеризации. Охарактеризовать мономеры, способные вступать в анионную полимеризацию. Привести катализаторы анионной полимеризации. Рассмотреть инициирование, рост и ограничение роста цепей при анионной полимеризации. Дать понятие "живым цепям".

Объяснить координационно-ионную полимеризацию в присутствии гомогенных и гетерогенных катализаторов типа Циглера-Натта. Привести принципы синтеза стереорегулярных полимеров.

Рассмотреть особенности сополимеризации. Указать реакционную способность мономеров и радикалов. Разобрать со студентами радикальную сополимеризацию. Привести уравнение состава сополимеров. Объяснить относительные реакционные способности мономеров и радикалов. Показать проблему сополимеризации при глубоких степенях превращения.

2. Рассмотреть второй способ получения полимеров - поликонденсацию. Изучить типы реакций поликонденсации. Показать основные различия полимеризационных и поликонденсационных процессов. Разобрать термодинамику поликонденсации и поликонденсационное равновесие. Изучить молекулярная массу и молекулярно-массовое распределение при поликонденсации. Показать способы проведения поликонденсации. Проведение поликонденсации в расплаве, в растворе и на границе раздела фаз.

Вопросы для самоконтроля:

1. 
   Каковы методические особенности изучения способов получения полимеров?
   
2. 
   Каковы стадии полимеризации?
   
3. 
   Как классифицируются поликонденсация?
   

1. Шур А.М. Высокомолекулярные соединения: Учебник для ун-тов. 3-е изд., перераб. и доп. М.:Высш. шк., 1981. 656 с.

2. Андреев И.А. Физика и химия полимеров: Модуль 1. Структура полимеров: Учеб. пособие / Уд Г У. Ижевск, 2003. 185 с.

3. Андреев И.А. Физика и химия полимеров: Модуль 2. Свойства растворов полимеров: Учеб. пособие / УдГУ. Ижевск, 2004. 101 с.

4. Андреев И.А. Физика и химия полимеров: Модуль 3. Физико-механические свойства полимеров: Учеб. пособие / УдГУ. Ижевск, 2004. 127 с.

5. Андреев И.А. Физика и химия полимеров: Модуль 4. Методы получения полимеров: Учеб. пособие / УдГУ. Ижевск, 2004. 148 с.

План лекции:

1.Определение безотходной и малоотходной технологий. Количественная оценка безотходности производств

2. Принципы создания малоотходной и безотходной технологии при производстве органических веществ и высокомолекулярных соединений

1. 
   разработка принципиально новых МОП и БОП;
   
2. 
   совершенствование существующих технологических процессов (оба эти направления имеют целью получение химических продуктов высокого качества, сокращение стадий процессов, использование малотоксичного исходного сырья);
   
3. 
   регенерация исходных соединений (мономеров, растворителей и т. д.);
   
4. 
   утилизация отходов
   
5. 
   очистка стоков и водооборотных систем и т. п. (для осуществления БОП и МОП должна использоваться такая техника контактирования фаз, которая обеспечивает оптимальные условия их осуществления);
   
6. 
   необходимая температурная последовательность по длине рабочей зоны;
   
7. 
   интенсивный тепло- и массообмен;
   
8. 
   максимально возможная селективность;
   
9. 
   минимальные потери энергии;
   
10. 
    внедрение непрерывных процессов и т. д.
    

• 
  предельно-допустимые выбросы (ПДВ) в атмосферу;
  
• 
  предельно-допустимые сбросы (ПДС) в водоемы.
  

Второй по значимости количественной оценкой безотходности производства является степень использования в технологических процессах сырья и материалов. Например, в химической промышленности введен коэффициент безотходности (К_Б), который характеризует полноту использования в производстве материальных и энергетических ресурсов, а также интенсивность воздействия этого производства на окружающую среду:

Гдеf - коэффициент, определяемый эмпирическим путем;

К малоотходным относятся производства, характеризующиеся ве­личиной К_м, равной не менее 0,8-0,9 (в зависимости от мощности предприятия), а к безотходным – не менее 0,90-0,98 (также в зависимости от мощности производства).

Экологическая проблема создания безотходных технологий имеет по крайней мере четыре аспекта:

1. 
   экологический
   
2. 
   ресурсный аспект,
   
3. 
   технологический и технический,
   
4. 
   экономический и организационный.
   

Принцип системности, базируется на анализе, заключающемся в том, что химическое производство рассматривается как замкнутая сис­тема, взаимодействующая с окружающей средой.

Одним из общих принципов, лежащих в основе создания безотход­ных производств, является цикличность материального потока, т. е. воз­врата части его обратно в процесс. Эго способствует интенсификации ХТП, т. к. наиболее полно используются исходные продукты и энергия, улучшаются условия ведения процессов.

Комплексное использование природных ресурсов - это удовлетво­рение потребностей общества в определенных видах природных ресур­сов, основанное на экономически и экологически оправданном исполь­зовании всех их полезных свойств, а также на максимально полной пе­реработке и всестороннем вовлечении природных ресурсов в хозяйст­венный оборот с ростом перспектив развития различных отраслей про­мышленности, природоохранных норм и требований, интересов на­стоящего и будущих поколений людей.

К важнейшему принципу, который лежит в основе БОП, необходи­мо отнести требование экологической безопасности. Обеспечение эко­логической безопасности означает необходимость:

а) охраны редких и исчезающих видов растений и животных с це­лью обеспечения биологического разнообразия. Именно сокращение максимального биологического разнообразия является основным гаран­том поддержания стабильных условий существования жизни на Земле;

б) рационального расходования природных ресурсов, в том числе комплексного использования добываемых минеральных ресурсов.

в) решения энергетической проблемы, в первую очередь на базе повышения эффективности использования энергии;

г) решения проблемы сбора, хранения, ликвидации и утилизации бытовых и производственных отходов;

д) создания энерго- и ресурсосберегающих технологий и техниче­ских средств;

е) организации охраняемых территорий - заповедников, нацио­нальных парков и т. д., которые могут являться эталоном нетронутой природы;

ж) обеспечения радиационной безопасности;

з) рекультивации земель;

и) создания и внедрения экологически чистых и щадящих природу технологий.

Принцип рациональной организации БОП

Наиболее прогрессивной формой организации промышленного производства является комбинирование нескольких производств на основе комплексного использования одного и того же сырья.

Комбинированное производство - это комплекс взаимосвязанных технологических процессов для производства одного или нескольких продуктов.

Вопросы для самоконтроля:

1. 
   Перечислите принципы создания безотходных технологий
   
2. 
   Что показывает коэффициент безотходности
   
3. 
   Перечислите основные проблемы при создании безотходных технологий
   

1. 
   Сутягин В.М., Бондалетов В.Г., Кукурина О.С. Принципы разработки малоотходных и безотходных технологий. – Томск: Изд-во Томского политех. Университета, 2009. -184с.
   
2. 
   Харлампович Г Д., Кудряшова Р.И. Безотходные технологические процессы в хи­мической промышленности. - М.: Химия, 1978.- 280 с.
   
3. 
   Громов Б.В., Зайцев В A., Ласкорин Б.Н. Безотходное промышленное производст­во. Итоги науки и техники.- М.: ВИНИТИ, 1981.-Т.9.-218с.
   
4. 
   Звягинцев Г.Г1. Промышленная экология и технология утилизации отходов. - Харьков: Высш. шк., изд-во Харьковского ун-та, 1986. - 144 с.
   

2. Высшее химическое образование в странах Запада (по выбору)

3. Анализ содержания программы «Органическая химия» для бакалавриата

4. Анализ содержания программы «химия ВМС» для бакалавриата