Научная работа учащегося по химии на тему ПВХ - польза и вред (10, 11 класс)

Введение. Широко вошли к нам в быт

Разные пластмассы.

За короткий очень срок

Их признали массы.

(частушка)

В настоящее время уделяется особое внимание такому разделу экологии как «экология жилища». «Эко» - означает «дом», нашу сферу обитания. А сфера обитания – это в первую очередь наша квартира. Проблема здорового жилища сейчас очень актуальна: всем нам нужно знать экологический аспект ведения домашнего хозяйства. Экологически грязные дома – это не фантазии учёных и специалистов, а реальный факт, от которого страдают люди. Впервые, я обратил внимание на эту проблему в 7 классе на занятиях дополнительного курса «Химия вокруг нас» где выступил с сообщением – «Экология жилища». Готовя его, обратил внимание на то, что в современном дизайне квартир применяется множество полимерных материалов, в том числе и пластмасс. Одно из первых мест в ассортименте которых занимают поливинилхлоридные пластики. В некоторых странах, например в Германии, выпуск этих пластиков составляет примерно половину от общей продукции пластических масс. Как поётся в выше записанной частушке, пластмассы за относительно короткий срок прочно вошли в наш быт.

И действительно, если рассмотреть дизайн, например, современной кухни то это пластиковое окно, на полу – линолеум, в кухонном гарнитуре мягкие сидения стульев – из искусственной кожи, на столе – клеёнка. Всё это пример изделий из ПВХ. Поэтому данный полимер и заинтересовал меня.

Тема доклада – «ПВХ (поливинилхлорид) плюсы и минусы» актуальна, в связи с широкой областью применения пластмассы и экологическими проблемами её производства, использования и утилизации.

Целью работы является: изучить историю открытия вещества, строение, виды, свойства, области применения пластмассы. Выявить положительные и отрицательные стороны использования ПВХ.

Задачи:

• изучить литературу по данной теме, обобщить собранные сведения;

• подобрать коллекцию изделий из ПВХ;

• на практике изучить свойства поливинилхлорида;

• сделать вывод;

• выступить с докладом на сессии НОУ;

• в рамках недели химии подготовить и провести час общения по теме: «Незнакомые вещества в знакомых предметах», для учащихся 8-х, 9-х классов.

Истории открытия поливинилхлорида.

Синтетические материалы – пластмассы – открыты давно, но массово производить их начали относительно недавно. Они во многих отношениях превосходят давно известные материалы. Главное преимущество пластмасс, например, по сравнению с металлами заключается в том, что их свойства легче регулировать. К преимуществам пластмасс относятся также низкая плотность, высокая стойкость по отношению к атмосферной коррозии, к кислотам и щелочам. Большинство пластмасс превосходно поддаётся крашению и обладает отличными электро- и теплоизоляционными свойствами. Хотя устойчивость к высоким температурам и нередко прочность у них меньше, а тепловое расширение обычно больше, чем у металлов. Кроме того, некоторые пластмассы горючи.

В настоящее время все уже привыкли к сочетанию "ПВХ-профиль". Однако, мало кто, кроме химиков, знает, что обозначает эта странная аббревиатура - "ПВХ". Между тем, эти буквы составляют сокращенное название - поливинилхлорида.

История его открытия интересна и, если это слово применимо к химическому соединению, драматична. Его открывали и забывали, затем снова открывали. В итоге, этого довольно простого соединения оказалось четыре создателя, а признание затянулось больше чем на век.

Впервые его получил в 1835 г французский инженер и химик Анри Виктор Реньо (Victor Regnault). Он исследовал свойства ацетилена, и первый догадался пропустить его через соляную кислоту. Он же описал дальнейшую полимеризацию, но не сумел ничего сделать с белыми крупинками поливинилхлорида и прекратил исследования.

Следующее обращение к удивительному материалу произошло уже в 1878 г, но и эти опыты не получили развития. Дальше история напоминает экономический детектив: в конце ХIХ века несколько предпринимателей решили, что будущее в освещении городов - за ацетиленом (был открыт простой и дешевый способ синтеза этого горючего газа). Они запустили многотоннажное производство карбида, но технический прогресс сыграл с ними злую шутку. Были изобретены мощные генераторы электрического тока и города действительно осветились, но не ацетиленовыми горелками, а электрическими лампочками.

Предприниматели обанкротились, а огромные запасы карбида были распроданы подешевке, к радости химиков-исследователей. В 1912 г один из этих исследователей, служащий химической фирмы "Грайсхайн Электрон" Фриц Клатте (Fritz Klatte), обработал ацетилен хлороводородом и поставил получившийся раствор на полку. Через некоторое время, он обратил внимание на выпавший осадок. Поскольку в то время химия уже много знала о строении вещества, он понял, что получил полимер, производное хлорида этилена (чаще называемого винилхлоридом) и описал его. О работах Реньо он, по всей видимости, не подозревал. Фирма запатентовала вещество в Германии, но практического применения ему так и не нашла и, в 1925 г, срок патента истек.

По иронии судьбы в следующем, 1926 г, на другом континенте американский химик Уолдо Силон (Waldo Semon), работавший на компанию "Б.Ф. Гудрич" также занимался исследованиями ацетилена, тоже получил полимер и вновь описал его. Компания запатентовала поливинилхлорид уже в Америке, но, в отличие от немцев, достаточно быстро придумала способ его применения - его предложил сам Силон, порекомендовав делать из нового материала занавески для ванных комнат.

Дальнейшая судьба вещества сложилась удачно - в 1931 году концерном BASF было запущено первое многотоннажное производство, и из ПВХ стали делать буквально все - начиная от детских игрушек и кончая деталями автомобиля.

Свойства ПВХ.

Поливинилхлориды (ПВХ). Термопласты; белые до красно-коричневого цвета материалы; водостойкие, а также устойчивые к действию слабых оснований и кислот и органических растворителей. Плохая теплопроводность и электропроводность; под воздействием температуры медленно разрушаются; плотность 1,38 г/см³; прочность на растяжение 42 – 52 МПа, предел прочности на сжатие 55 – 90 МПа; трудновоспламеняющиеся; температура размягчения 75– 80 ⁰С.

Экспериментальная часть работы.

Исследование физических и химических свойств ПВХ.

Опыт 1. Внешний вид, прочность пластмассы.

Рассмотрим образцы ПВХ: Кусочки изоляционных трубок, кусочки плёнки и винипласта. Испытаем их на разрыв и ломкость. Определяем твёрдость посредством царапания ногтём.

Результат: Изделия из поливинилхлорида с пластификатором – пластиката

(плёночные материалы) – эластичны, механически прочны и могут иметь различную окраску. Изделия из поливинилхлорида без пластификатора – механически прочны, жёсткие. При царапании ногтём следа не остаётся.

Опыт 2. Определение плотности.

Взвесим образец пластмассы, не содержащий пузырей, определим его объём по вытеснению воды или путём непосредственного измерения и вычислим плотность (в г/мл), пользуясь формулой: ρ = m/V.

Результат: m = 0,5 г V = 0,37 мл ρ = 0.5/ 0,37 = 1,3 г/мл

Опыт 3. Отношение к нагреванию.

К кусочку поливинилхлорида (плёнка, трубка) подносим нагретую стеклянную палочку.

Результат: поливинилхлорид термопластичен, при нагревании размягчается.

Опыт 4. Проба на сгорание.

Возьмём тигельными щипцами образец пластмассы и поместим его ненадолго в верхнюю часть высокотемпературной зоны пламени горелки. Вынем пластмассу из пламени и посмотрим, будет ли гореть дальше. При этом обратим внимание на цвет пламени; заметим, образуется ли копоть или дым, потрескивает ли огонь, плавится ли пластмасса с образованием капель. Ошибки могут возникнуть из-за добавки пластификаторов и наполнителей.

Опыт проводится в вытяжном шкафу!

Результат: мягкий ПВХ - горит коптящим пламенем. Окраска пламени зеленоватая. Твёрдый ПВХ - горит с трудом. Запах после тушения пламени: у мягких ПВХ – сладковатый, у твёрдых ПВХ – едкий.

Опыт 5. Исследование продуктов разложения.

В маленьких пробирках нагреем измельчённые пробы пластмасс и обратим внимание на запах, цвет и реакцию на лакмусовую бумагу, образующихся продуктов разложения. (Нюхать осторожно).

Результат: При разложении пластмассы образуются белые пары, выделяется запах хлороводорода. Лакмусовая бумага стала разового цвета, что говорит о кислом характере среды.

Опыт 6. Отношение к кислотам и щелочам.

Кусочки поливинилхлорида (изоляционной трубки, плёнки, искусственной кожи и

т.д.) помещаем в пробирки с концентрированными кислотами: серной (пл. 1,84), азотной (пл. 1,4) и 10-процентным раствором щелочи. Через некоторое время сливаем кислоты и щелочь, кусочки поливинилхлорида промываем водой и рассматриваем их.

Результат: При нагревании в серной кислоте поливинилхлорид обугливается. Поливинилхлорид химически стоек, не поддается действию кислот и щелочей при комнатной температуре.

Опыт 7. Проба Бейльштейна на определение содержания хлора.

Раскалим медную проволоку в несветящейся зоне пламени горелки до исчезновения зелёного окрашивания. На конце этой проволоки внесем в пламя горелки пробу исследуемой пластмассы. Если она содержит хлор или другие галогены, то образуются летучие галогениды меди, которые окрашивают пламя в интенсивный зелёный цвет.

Результат: Были исследованы образцы изделий из ПВХ и других пластмасс – два вида искусственной кожи, линолеум, изоляционной трубки, плёнки, пластиковая бутылка и т.д. Хлор обнаружен во всех изделиях их ПВХ, пламя окрашивалось в интенсивный зелёный цвет.

Эксперимент «Выделение летучих веществ из линолеума».

В 3 колбы помещаем линолеум разных лет выпуска. Один был выпущен примерно год назад, второй 6 лет назад и третий более 10 лет назад. Колбы закрываем пробкой и не открываем в течение 3-х недель, при этом подвергаем их умеренному нагреванию, действию солнечных лучей. Одну контрольную колбу оставляем пустой (на случай если резиновая пробка даёт запах). Через 3 недели, открываем колбы.

Результат: более интенсивный запах наблюдался в колбе с новым линолеумом.

Рекомендации: при покупке линолеума интересоваться датой выпуска пластика.

Покупать линолеум изготовленный не ранее, чем пол года назад.

Применение ПВХ.

Из поливинилхлорида можно изготовляют жёсткие, мягкие и пенообразные пластики. Жёсткие пластики получают горячим, перемешиваем полимера со стабилизатором, препятствующим разложению ПВХ при повышенных температурах, смазывающим веществом и, если нужно, пигментом.

Жёсткие ПВХ - пластики отличаются высокой механической прочностью и химической стойкостью. Из них изготавливают листы для обкладки электролизных ванн, вентиляционные установки для отсасывания паров кислот различных растворителей, питьевой воды, молока, пластиковые окна.

Мягкие ПВХ - пластикаты, обладают гибкостью и эластичностью, а также хорошими диэлектрическими свойствами. Они содержат добавки – большие органические молекулы, например, сложные эфиры которые действуют подобно пластификаторам, как бы смазывая молекулы ПВХ, в результате чего те приобретают способность скользить одна по другой при сгибании изделия. Эти пластификаторы не связаны химически с полимерными цепями, поэтому их молекулы медленно мигрируют к поверхности изделия и постепенно теряются, процесс называется старением пластмассы. Они нашли широкое применение для изоляции и защиты электрических проводов и кабелей вместо резины и свинца. Пластикат успешно используется для изготовления шлангов и трубок маслопроводов, для установки приборов и машин, линолеума, искусственной кожи, кредитных карточек и т. п. Так, например, в США, в основном строительстве, ежегодно потребляется приблизительно 2,7 мил т ПВХ. Около 11,3 тыс. т ПВХ расходуется на изготовление кредитных карточек.

Экологические проблемы связанные с ПВХ.

Как бы ни был полезен тот или иной предмет он обязательно несёт в себе отрицательные качества. В современном жилище полимерные материалы из ПВХ служат причиной неприятного специфического запаха, вызывающего усталость, головную боль, учащение приступов бронхиальной астмы.

Однажды в Институт проблем экологии и эволюции Российской Академии наук пришло письмо с просьбой сказать, что надо делать, чтобы снизить выделение летучих веществ из линолеума. Тут можно предложить только одно – не покупать «новый» линолеум. Даже спустя полгода выделения из «нового» линолеума продолжаются.

Экологические проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды, влиянием на здоровье человека сопровождают ПВХ от рождения (производства) до смерти (утилизации).

Мономером т.е. веществом из которого получают полимер является винилхлорид (ВХ).

ВХ – бесцветный газ со слабым запахом, напоминающим хлороформ. Канцероген. Влияет на нервную систему – является нейротропным ядом. Ведёт к изменениям психической сферы при хроническом воздействии. Больные жалуются на общую слабость, понижение работоспособности. Они плаксивы, слабодушны, эмоционально неустойчивы, с трудом концентрируют внимание. Сон нарушен.

ВХ производится в России на пяти предприятиях: «Капролоктам» - Дзержинск, ПО «Каустик» - Стерлитомак, ПО «Химпрм» - Усолье-Сибирское, опытный завод ВНИИП Института мономеров – Тула, ПО «Химпром» - Зима. За год они выпускают около 400 тыс. тонн этого продукта.

Для нас самое главное помнить, что ВХ выделяют в окружающую среду все изделия из ПВХ. Так, при использовании ПВХ в гражданском строительстве выделение летучих компонентов (ВХ, НСl и др.) происходит при нормальной температуре (18 – 22 ⁰С). При повышении температуры выделение усиливается. Из покрытий полов на основе ПВХ спустя 5-6 месяцев после их изготовления в воздух продолжали поступать летучие компоненты, в том числе и ВХ.

ВХ способен экстрагировать в пищевые продукты. ВХ мигрирует из бутылок, изготовленных из ПВХ, в алкогольные напитки в количестве 20 мг/кг, в воду – 0,02-0,05 кг. ВХ – очень быстро выводится из организма, поэтому любая разовая доза ВХ будет выведена за несколько часов. Но если вы постоянно пьёте воду из ПВХ - бутылок, если вы постоянно употребляете в пищу продукты, упакованные в ПВХ - плёнку и т.д., то вы можете приблизиться к рабочим, которые постоянно работают с ПВХ - полимерами.

Другими опасными токсикантами являются – диоксины. Группа под названием «диоксин» - это 419 различных соединений, из них 28 чрезвычайно токсичны. Расчётная средняя смертельная доза для человека при однократном поступлении равна 70 мкг на кг массы тела, минимально действующая 0,5-1 мкг/кг.

Особую опасность представляет хроническое отравление диоксинами, так как из-за общего загрязнения планеты мы непрерывно, хотя и в малых дозах, получаем диоксины с пищей, с воздухом и с водой. Допустимая суточная доза, то есть такое количество диоксина, которое не должно действовать на человека в течение 70 лет, равно по российским нормам 10 пг/кг веса/день, а в США – 1 пг/кг веса/день.

Вряд ли возможно получить смертельную дозу диоксинов в обыденной жизни, но мы все подвержены хроническому воздействию диоксинов. Диоксины вызывают рак, т. е. являются канцерогенами. Разрушают эндокринные гормональные системы, особенно тех, которые связанны с половым развитием. Нарушают развитие иммунной системы, приводящее к возрастанию чувствительности к инфекционным заболеваниям.

Проблемы возникают и при рециклинге (вторичной переработке) и при утилизации ПВХ. Переработка ПВХ совместно с другими пластиками вызывает большие трудности. Необходимо разделять пластики по сортам. Для переработки ПВХ разрабатываются специальные и очень дорогие машины.

Заключение.

Почему сами ПВХ и его производство экологически вредны и опасны?

1. Производство ПВХ - пластмассы на всех стадиях приводит к многотоннажным выбросам в окружающую среду (в воздух, воду и в почву) высокотоксичных веществ.

2. Твёрдо установленный факт: нагревание и горение ПВХ сопровождается отщеплением HCl. Образующийся HCl служит источником хлора для образования сверхопасных и токсичных диоксинов.

3. Возможности рециклинга (вторичного) использования изделий из ПВХ крайне ограничены из-за их плохой смешиваемостью с другими пластмассами и неспособностью размягчаться без разложения.

4. Изделия из ПВХ могут быть заменены во всех сферах его применения без удорожания продукции и без ухудшения потребительских свойств. Такая замена не приведёт к увеличению выбросов опасных веществ в окружающую среду, а напротив, к резкому уменьшению загрязнения природы.

О тех странах, в которых в разной форме уже проводится вытеснение или запрещение использования ПВХ - пластмасс. Очень важен отказ автомобильных фирм от применения ПВХ - пластиков, практически все бутыли для разлива воды будут изготавливаться в Европе без ПВХ, многие крупные фирмы отказываются от использования ПВХ в конструкционных материалах при строительстве.

Почти повсеместно фирмы отказываются применять ПВХ в качестве упаковочных материалов и при розничной торговле. Эти действия фирм поддерживаются правительствами. Запреты в разных странах разные, но главное просматривается: в первую очередь убрать ПВХ от детей, устранить контакты с пищей и водой, а также изъять его из строительных конструкций в общественных зданиях.

Кроме того, по примеру Берлина и Вены, в общественных сооружениях запрещается использование электрического кабеля в ПВХ - изоляции. Иногда для принятия такого запрета необходимо внешнее вмешательство, как, например, в Англии. После пожара на вокзале Кинг Кросс в Лондоне вся реконструкция станции метро проведена без использования ПВХ - кабелей, как это, уже принято, кроме Вены и Берлина, также и в Дюссельдорфе.

Альтернативные заменители для ПВХ – см. приложение № 3.

Вывод.

Поливинилхлорид является одним из наиболее распространенных видов пластика, такая популярность объясняется его сравнительно невысокой стоимостью. В настоящее время ПВХ используют в самых всевозможных направлениях, но как бы ни был полезен тот или иной предмет он обязательно несёт в себе отрицательные качества. В современном жилище полимерные материалы из ПВХ служат причиной неприятного специфического запаха, вызывающего усталость, головную боль, учащение приступов бронхиальной астмы. Во многих странах, в разной форме уже проводится вытеснение или запрещение использования ПВХ - пластмасс. Самое главное: промышленники должны знать, что хлорные производства обречены.

Изучение свойств, получение пластмасс не возможно без методов современной химии. Как сказал более 200 лет назад М. В. Ломоносов – «Широко распространяет химия руки свои в дела человеческие… Куда ни посмотрим, куда ни оглянемся, везде обращаются пред очами нашими успехи её прилежания».

Химия – фундаментальная наука, как важнейший инструмент познания окружающего мира, развития материальной и духовной сфер жизни современного общества вносит существенный вклад в формирование научного мировоззрения человека. Химия проникает во все области народного хозяйства, искусства. Современность показывает, что химическая наука не стоит на месте. Каждый день приносит новые открытия, новые технологии, новые достижения.

Литература:

1. Гроссе Э., Вайсмантель Х. Химия для любознательных. Л. «Химия», 1985 г.

2. Зоммер И.А., Вюнш К., Цеттлер М. Химия. Справочник школьника и студента. М. «Дрофа», 1999 г.

3. Парменов К.Я., Сморгонский Л.М., Цветков Л.А. Книга для чтения по химии. Часть 2. М. «Просвещение», 1971 г.

4. Скуднова Л.Г. Экология жилища и здоровье человека.// Газета «Химия». М. Изд. Дом «Первое сентября», № 12, с. 13-15,2004 г.

5. Чертков И.Н., Эксперимент по полимерам в средней школе. М. «Просвещение», 1980 г.

6. Штремплер Г.И. Химия на досуге. М. «Просвещение», 1996 г.

7. Эткинс П. Молекулы. М. «Мир», 1991 г.

8. Энциклопедия для детей./ Под ред. Володина В.А. Том 17. Химия. М. «Аванта», 2000 г.

9. Юфит С.С. Яды вокруг нас. М. «Классикс Стиль», 2002 г.

Приложение № 2.

Обнаруженные в результате эксперимента свойства ПВХ.

Приложение № 3.

Альтернативные заменители для ПВХ.