Страница 173 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

Металлы и полимеры — самые необходимые для человечества материалы. Сравните их между собой: какие у них есть преимущества и недостатки.

Металлы и полимеры являются ключевыми конструкционными и функциональными материалами, однако их свойства, преимущества и недостатки кардинально различаются, что определяет их области применения. Сравнение этих двух классов материалов можно провести по основным физическим, химическим и эксплуатационным характеристикам.

Металлы

Металлы — это класс химических элементов и их сплавов, обладающих характерными свойствами, такими как высокая прочность, пластичность, электро- и теплопроводность. Их внутренняя структура представляет собой кристаллическую решетку с «электронным газом», что и обуславливает их уникальные характеристики.

Преимущества металлов:

• Высокая прочность, твердость и жесткость. Металлы способны выдерживать значительные механические нагрузки, что делает их основой для несущих конструкций, инструментов и механизмов.
• Пластичность и ковкость. Многие металлы можно деформировать без разрушения (ковать, штамповать, прокатывать), что позволяет придавать им сложные формы.
• Высокая тепло- и электропроводность. Это свойство незаменимо в электротехнике (провода), электронике и для создания теплообменного оборудования (радиаторы).
• Термостойкость. Большинство металлов имеют высокие температуры плавления и сохраняют свои прочностные характеристики в широком диапазоне температур.
• Непроницаемость и блеск. Металлы не пропускают газы и жидкости, а их характерный блеск используется в декоративных целях.

Недостатки металлов:

• Высокая плотность. Металлические изделия, как правило, тяжелые, что является критическим недостатком в авиа- и ракетостроении, а также при создании портативных устройств.
• Подверженность коррозии. Большинство металлов, особенно железо и его сплавы, химически взаимодействуют с окружающей средой (кислородом, влагой), что приводит к их постепенному разрушению (ржавлению).
• Высокая стоимость и энергоемкость производства. Процессы добычи руды, обогащения, выплавки и последующей обработки металлов требуют больших затрат энергии и средств.
• Сложность обработки. Для формования металлических изделий часто требуются высокие температуры (плавка, ковка) и сложное оборудование.

Полимеры

Полимеры (пластмассы, каучуки, волокна) — это высокомолекулярные соединения, состоящие из длинных макромолекул, образованных повторяющимися звеньями (мономерами). Их свойства чрезвычайно разнообразны и зависят от химического строения, длины и способа укладки молекулярных цепей.

Преимущества полимеров:

• Низкая плотность. Полимерные изделия очень легкие, что обеспечивает значительную экономию веса по сравнению с металлами.
• Высокая коррозионная и химическая стойкость. Полимеры не ржавеют и устойчивы к действию воды, кислот, щелочей и многих других агрессивных сред.
• Диэлектрические и теплоизоляционные свойства. Большинство полимеров являются отличными изоляторами, они не проводят электрический ток и плохо проводят тепло.
• Простота и дешевизна переработки. Изделия сложной формы из полимеров легко и быстро производятся в больших количествах методами литья, экструзии, выдувания, что делает их очень дешевыми.
• Широкий спектр свойств. Путем изменения состава и структуры можно получать полимеры с заданными характеристиками: жесткие, эластичные, прозрачные, окрашенные, вспененные и т.д.

Недостатки полимеров:

• Относительно низкая прочность и жесткость. По сравнению с металлами, полимеры менее прочны и более подвержены деформации под нагрузкой (ползучесть).
• Низкая термостойкость. Большинство полимеров размягчаются или разрушаются при относительно невысоких температурах (обычно до 100–300 °C).
• Старение. Под воздействием ультрафиолетового излучения (солнечного света), кислорода и перепадов температур полимеры могут терять эластичность, становиться хрупкими и изменять цвет.
• Горючесть. Многие полимеры легко воспламеняются и при горении могут выделять токсичные газы.
• Экологические проблемы. Большинство синтетических полимеров не разлагаются в естественных условиях сотни лет, что создает глобальную проблему загрязнения окружающей среды.

Ответ: Сравнение металлов и полимеров показывает, что это два класса материалов с во многом противоположными, но взаимодополняющими свойствами. Металлы незаменимы там, где требуются максимальная прочность, жесткость и термостойкость (например, в каркасах зданий, двигателях внутреннего сгорания, режущих инструментах). Полимеры же выигрывают за счет малого веса, химической стойкости, изоляционных свойств и низкой стоимости, что делает их идеальными для упаковки, деталей корпусов электроприборов, изоляции проводов, сантехнических труб и множества товаров народного потребления. Выбор между металлом и полимером всегда является компромиссом и диктуется конкретными условиями эксплуатации изделия, требованиями к его свойствам и экономической целесообразностью. В современной инженерии часто применяются комбинированные решения, где достоинства обоих материалов используются максимально эффективно (например, металлопластиковые трубы или композитные материалы).

1. Какие вещества называют полимерами? Приведите примеры.

Полимерами называют высокомолекулярные соединения — вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся одинаковых или разных по строению структурных звеньев, соединенных в длинные цепи химическими связями. Эти повторяющиеся звенья называют мономерными звеньями, а низкомолекулярные вещества, из которых синтезируют полимер, — мономерами. Процесс образования полимера называется реакцией полимеризации или поликонденсации.

Полимеры по происхождению делятся на природные и синтетические.

Примеры природных (натуральных) полимеров:

• Крахмал и целлюлоза: это полисахариды, мономерным звеном которых является глюкоза. Целлюлоза является структурным компонентом растений, а крахмал — запасным питательным веществом.
• Белки: биополимеры, состоящие из аминокислот, соединенных пептидными связями. Они выполняют в организме множество жизненно важных функций (строительную, каталитическую, транспортную и др.).
• Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК): полимеры, мономерными звеньями которых являются нуклеотиды. Они отвечают за хранение и передачу генетической информации.
• Натуральный каучук: полимер, получаемый из млечного сока некоторых растений (например, гевеи). Его мономер — изопрен.

Примеры синтетических полимеров:

• Полиэтилен: самый распространенный пластик, получаемый полимеризацией мономера этилена. Реакция его получения: $n(\text{CH}_2=\text{CH}_2) \rightarrow (-\text{CH}_2-\text{CH}_2-)_n$. Из него изготавливают пленки, пакеты, трубы, контейнеры.
• Полипропилен: прочный и термостойкий полимер, используемый для производства волокон, тары, деталей автомобилей и бытовой техники.
• Поливинилхлорид (ПВХ): широко применяется для изготовления оконных профилей, линолеума, натяжных потолков, изоляции проводов.
• Полиэтилентерефталат (ПЭТ): используется для производства пластиковых бутылок и синтетического волокна (лавсан).
• Капрон (нейлон): синтетическое полиамидное волокно, характеризующееся высокой прочностью и износостойкостью.

Ответ: Полимеры — это высокомолекулярные вещества, макромолекулы которых состоят из большого числа повторяющихся структурных звеньев (мономеров). Примерами природных полимеров являются крахмал, целлюлоза, белки и натуральный каучук. Примерами синтетических полимеров являются полиэтилен, полипропилен, ПВХ и капрон.

2. Что такое эластомеры? Какое свойство материала называют эластичностью?

Что такое эластомеры?

Эластомеры — это высокомолекулярные соединения (полимеры), главной отличительной чертой которых является способность к очень большим обратимым деформациям при относительно малых нагрузках. Это свойство известно как высокая эластичность или каучукоподобное состояние.

Структура эластомеров представляет собой длинные и гибкие макромолекулы, которые находятся в спутанном состоянии. Эти молекулярные цепи соединены между собой редкими поперечными химическими связями, образуя трехмерную сетку. При приложении внешней силы (например, растяжении) гибкие цепи распрямляются, что позволяет материалу значительно изменять свою форму. После снятия нагрузки поперечные связи действуют как "пружины", возвращая молекулы в их исходное спутанное состояние, благодаря чему материал восстанавливает свои первоначальные размеры и форму.

К эластомерам относятся натуральные и синтетические каучуки, из которых путем вулканизации получают резины, а также силиконы, полиуретаны и другие материалы.

Ответ:

Эластомеры — это полимерные материалы, обладающие высокой эластичностью, то есть способностью претерпевать большие деформации под нагрузкой и полностью восстанавливать свою исходную форму после её снятия.

Какое свойство материала называют эластичностью?

Эластичность (или упругость) — это фундаментальное свойство твёрдых материалов, заключающееся в их способности сопротивляться изменению формы и/или объёма под действием внешних сил и возвращаться в своё первоначальное состояние, когда действие этих сил прекращается.

Деформация, которая полностью исчезает после снятия вызвавшей её нагрузки, называется упругой или эластичной. Большинство материалов проявляют эластичность только до определённого предела, который называется пределом упругости. Если нагрузка превышает этот предел, в материале возникают остаточные (пластические) деформации, и он уже не может полностью восстановить свою первоначальную форму. Эластичность является свойством, противоположным пластичности.

Ответ:

Эластичностью называют свойство материала восстанавливать свои первоначальные размеры и форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию.

3. Приведите примеры природных волокон.

Природные (натуральные) волокна — это волокна, которые формируются в природе без вмешательства человека. Они классифицируются по своему происхождению на три основные группы: растительные, животные и минеральные.

Волокна растительного происхождения

Эти волокна получают из различных частей растений, и их основой является целлюлоза. Они, в свою очередь, делятся на несколько подгрупп.

• Семенные волокна (из семян и плодов):
  • Хлопок — волокна, покрывающие семена хлопчатника. Это одно из самых важных и широко используемых текстильных волокон в мире для производства одежды и домашнего текстиля.
  • Койр — волокно из оболочки кокосового ореха. Оно жесткое и прочное, применяется для изготовления матов, ковров, щеток и веревок.
• Лубяные волокна (из стеблей растений):
  • Лён — получают из стебля льна-долгунца. Льняные ткани отличаются высокой прочностью, гигроскопичностью и хорошей воздухопроницаемостью.
  • Джут — грубое, но прочное волокно, из которого производят мешковину, канаты, шпагат.
  • Конопля (пенька) — одно из самых прочных растительных волокон, используется для производства канатов, парусины, технических тканей.
  • Рами (китайская крапива) — волокно, известное своим блеском, прочностью и устойчивостью к гниению.
• Листовые волокна (из листьев):
  • Сизаль — грубое волокно из листьев агавы. Используется для изготовления прочных канатов, шпагата, щеток.
  • Абака (манильская пенька) — волокно из листьев текстильного банана, очень прочное и устойчивое к воздействию морской воды, поэтому идеально подходит для морских канатов.

Волокна животного происхождения

Эти волокна состоят из белков (например, кератина в шерсти и фиброина в шёлке).

• Шерсть (волосяной покров млекопитающих):
  • Овечья шерсть — самый распространенный вид шерсти, используемый для производства теплой одежды, одеял и ковров.
  • Козья шерсть — включает ценные виды, такие как кашемир (нежный пух кашмирских коз) и мохер (блестящая и упругая шерсть ангорских коз).
  • Верблюжья шерсть — легкая, мягкая и очень теплая шерсть, из которой делают одеяла и одежду.
  • Шерсть альпаки, ламы, викуньи — редкие и дорогие волокна, ценимые за их исключительную мягкость и теплоизоляционные свойства.
• Шёлк (продукт жизнедеятельности насекомых):
  • Натуральный шёлк — тончайшая нить, получаемая при размотке коконов тутового шелкопряда. Это гладкое, блестящее, легкое и прочное волокно для изготовления элитных тканей.

Волокна минерального происхождения

Это волокна, которые добывают из горных пород.

• Асбест (горный лён) — силикатный минерал с волокнистой структурой. Он обладает уникальными свойствами: огнестойкостью, прочностью, низкой тепло- и электропроводностью. Ранее его активно применяли в строительстве и промышленности, однако сейчас использование асбеста строго ограничено во многих странах из-за его канцерогенного воздействия на здоровье человека при вдыхании пыли.

Ответ: Примерами природных волокон служат:
1. Растительного происхождения: хлопок, лён, джут, конопля, сизаль, койр.
2. Животного происхождения: шерсть (овечья, козья, верблюжья), натуральный шёлк.
3. Минерального происхождения: асбест.

4. Какие пластики вы знаете?

Пласти́ки (или пластма́ссы) — это общее название для широкого спектра синтетических или полусинтетических материалов на основе высокомолекулярных соединений (полимеров). Их отличительная черта — способность принимать и сохранять заданную форму при нагревании и давлении. Существует огромное количество видов пластиков, которые можно классифицировать по различным признакам.

Наиболее распространенная классификация — по поведению при нагревании:

• Термопласты (термопластичные полимеры) — материалы, которые при нагревании размягчаются и становятся пластичными, а при охлаждении застывают, возвращаясь в исходное состояние. Этот процесс обратим, что позволяет их многократно перерабатывать.
• Реактопласты (термореактивные полимеры) — материалы, которые при первоначальном нагревании размягчаются и принимают форму, но затем вступают в необратимую химическую реакцию ("сшиваются"), отвердевая. Повторное нагревание не размягчает их, а приводит к разрушению (деструкции).
• Эластомеры — полимеры с высокой эластичностью, способные к большим обратимым деформациям (например, каучуки).

Ниже приведены примеры наиболее известных и широко используемых пластиков.

Термопласты

• Полиэтилен (ПЭ, PE): самый распространенный в мире пластик.
  • Полиэтилен высокой плотности (ПЭВП, HDPE): используется для изготовления труб, канистр, крышек для бутылок, контейнеров.
  • Полиэтилен низкой плотности (ПЭНП, LDPE): основной материал для производства пленок и пакетов.
• Полипропилен (ПП, PP): прочный, термостойкий пластик. Применяется для производства пищевых контейнеров, одноразовой посуды, деталей автомобилей (бамперов), труб для горячего водоснабжения, волокон для ковров.
• Поливинилхлорид (ПВХ, PVC): один из самых универсальных пластиков. Используется для изготовления оконных профилей, труб, линолеума, натяжных потолков, изоляции проводов и кабелей, искусственной кожи.
• Полистирол (ПС, PS): может быть прозрачным и хрупким или вспененным. Из него делают одноразовую посуду, упаковку для йогуртов, детские игрушки, а в вспененном виде (пенопласт) — теплоизоляционные материалы и упаковочную тару.
• Полиэтилентерефталат (ПЭТ, PET): наиболее известен как материал для изготовления бутылок для газированных напитков и воды. Также из него производят волокна для одежды (полиэстер) и упаковочные пленки.
• Акрилонитрилбутадиенстирол (АБС, ABS): ударопрочный и жесткий пластик. Используется для изготовления корпусов бытовой техники (телевизоров, компьютеров), деталей автомобилей, спортивного инвентаря и знаменитых кубиков конструктора LEGO.
• Поликарбонат (ПК, PC): прочный, прозрачный и термостойкий материал. Применяется для изготовления компакт-дисков, линз для очков, защитных шлемов, светопрозрачных конструкций (козырьков, навесов, теплиц).
• Полиамиды (ПА, PA): более известны под торговыми названиями "нейлон" и "капрон". Это прочные и износостойкие материалы, используемые для производства синтетических волокон (ткани, чулки, веревки), а также конструкционных деталей машин (шестерни, втулки).

Реактопласты

• Фенолформальдегидные смолы (бакелит): один из первых синтетических пластиков. Обладает высокой термостойкостью и является хорошим диэлектриком. Из него изготавливали корпуса старых телефонов и радиоприемников, электрические розетки, выключатели, ручки для посуды.
• Эпоксидные смолы: широко известны как компонент эпоксидного клея. Также используются в качестве покрытий, герметиков и как связующее вещество в композитных материалах (например, в стеклопластике и углепластике).
• Полиуретаны (ПУ, PU): существуют в самых разных формах. В виде эластичного пенопласта (поролон) используются в мягкой мебели и матрасах. В жестком виде — как теплоизоляция. Также из полиуретанов делают эластичные подошвы для обуви, лаки, краски и клеи.

Ответ:

Существует множество видов пластиков, которые классифицируются в основном на термопласты (многократно перерабатываемые) и реактопласты (необратимо отвердевающие). К наиболее известным термопластам относятся полиэтилен (пакеты, трубы), полипропилен (пищевые контейнеры), поливинилхлорид (ПВХ, оконные рамы), полистирол (одноразовая посуда, пенопласт) и полиэтилентерефталат (ПЭТ, бутылки для напитков). Среди реактопластов выделяют фенолформальдегидные смолы (бакелит), эпоксидные смолы (клей) и полиуретаны (поролон, подошвы).

5. Найдите в интернете информацию о свойствах полиэтилена, полипропилена, полиэтилентерефталата.

Полиэтилен

Полиэтилен (ПЭ) — это термопластичный полимер этилена, один из самых распространенных пластиков в мире. Его химическая формула — $(C_2H_4)_n$. Внешне представляет собой воскообразную массу белого цвета, в тонких слоях прозрачен. Существует несколько видов полиэтилена, наиболее известные из которых — полиэтилен высокой плотности (ПЭВП/HDPE) и полиэтилен низкой плотности (ПЭНП/LDPE).

Основные свойства полиэтилена:
• Физические свойства: полиэтилен является эластичным материалом с хорошей ударопрочностью. Это отличный диэлектрик. Важным свойством является его высокая морозостойкость (сохраняет свои свойства при температурах до –70 °C). Теплостойкость относительно невысока: ПЭНП размягчается при 80–90 °C, а более жесткий и прочный ПЭВП — при 120–130 °C. Обладает низкой паро- и газопроницаемостью.
• Химические свойства: полиэтилен обладает высокой химической стойкостью. Он не реагирует с щелочами, растворами солей и большинством кислот (кроме концентрированной азотной). Устойчив к воде, спиртам, маслам. При комнатной температуре нерастворим в органических растворителях. Недостатком является подверженность фотостарению (разрушение под действием ультрафиолетовых лучей).

Благодаря своим свойствам и низкой стоимости, полиэтилен широко применяется для производства упаковочных пленок и пакетов, труб, различных емкостей (канистры, контейнеры), изоляции для кабелей и детских игрушек.

Ответ: Полиэтилен — это легкий, эластичный, морозостойкий и химически инертный полимер с хорошими диэлектрическими свойствами, широко используемый для производства упаковки, труб и изоляционных материалов.

Полипропилен

Полипропилен (ПП) — это термопластичный полимер пропилена с химической формулой $(C_3H_6)_n$. Это твердый материал белого цвета, который является одним из самых легких среди всех пластиков.

Основные свойства полипропилена:
• Физические свойства: по сравнению с полиэтиленом, полипропилен более жесткий, твердый и прочный, обладает высокой стойкостью к истиранию. Уникальным свойством является его высокая стойкость к многократным изгибам, что позволяет делать из него изделия с гибкими шарнирами. Он имеет более высокую теплостойкость (температура плавления около 160–170 °C), благодаря чему изделия из него можно стерилизовать паром. Однако полипропилен уступает полиэтилену в морозостойкости (становится хрупким при температурах от –5 до –15 °C).
• Химические свойства: обладает высокой химической стойкостью к кислотам, щелочам, растворам солей и маслам. При комнатной температуре нерастворим в органических растворителях, но при повышенных температурах может в них растворяться. Более чувствителен к воздействию кислорода и ультрафиолета, чем полиэтилен, поэтому в его состав обычно вводят стабилизаторы.

Полипропилен используется в производстве пищевых контейнеров, одноразовой посуды, автомобильных деталей (бамперов, панелей приборов), труб для горячего водоснабжения, медицинских изделий (шприцы, лабораторная посуда), а также волокон для ковров и нетканых материалов.

Ответ: Полипропилен — это легкий, прочный, термостойкий полимер, устойчивый к многократным изгибам и химическим воздействиям, применяемый для изготовления упаковки, автозапчастей, труб и медицинских изделий.

Полиэтилентерефталат

Полиэтилентерефталат (ПЭТ, ПЭТФ) — сложный термопластичный полиэфир. Его химическая формула — $(C_{10}H_8O_4)_n$. В быту он широко известен как материал для пластиковых бутылок, а его волокна — как полиэстер или лавсан. Это твердый, бесцветный и прозрачный в аморфном состоянии материал.

Основные свойства полиэтилентерефталата:
• Физические свойства: ПЭТ отличается очень высокой механической прочностью, жесткостью и твердостью. Он износостоек и имеет хороший коэффициент скольжения. Обладает высокой теплостойкостью (температура плавления около 260 °C). Ключевое свойство ПЭТ — очень низкая газопроницаемость (в частности для кислорода и углекислого газа), что делает его идеальным материалом для хранения газированных напитков и пищевых продуктов.
• Химические свойства: устойчив к действию воды, слабых кислот, спиртов, масел и жиров. Однако он разрушается под действием сильных щелочей и некоторых органических растворителей (например, ацетона). ПЭТ гигроскопичен, то есть способен поглощать влагу из воздуха, поэтому перед переработкой его необходимо тщательно высушивать.

Основными областями применения ПЭТ являются производство бутылок для напитков, банок и контейнеров для пищевых продуктов, синтетических волокон для текстильной промышленности, а также пленок и конструкционных деталей в машиностроении и электротехнике.

Ответ: Полиэтилентерефталат — это очень прочный, жесткий, прозрачный полимер с превосходными барьерными свойствами (низкой газопроницаемостью), что делает его основным материалом для производства пластиковых бутылок, пищевой упаковки и синтетических волокон (полиэстера).

6. Объясните, с какой целью осуществляется раздельный сбор отходов из стекла, пластика, бумаги (см. рис. 141).

Рис. 141. Контейнер для раздельного сбора мусора

Решение

Раздельный сбор отходов из стекла, пластика и бумаги осуществляется с целью их дальнейшей вторичной переработки (рециклинга). Этот процесс имеет несколько ключевых преимуществ и целей:

1. Сохранение природных ресурсов. Переработка позволяет повторно использовать материалы, что снижает потребность в добыче нового сырья. Например:

   • Переработка бумаги спасает от вырубки леса.
   • Переработка пластика экономит нефть, которая является невозобновляемым ресурсом.
   • Переработка стекла сберегает песок, соду и известняк.

2. Экономия энергии. Производство продукции из вторичного сырья, как правило, требует значительно меньше энергетических затрат, чем производство из первичных материалов. Это, в свою очередь, сокращает выбросы парниковых газов, образующихся при производстве энергии.

3. Уменьшение загрязнения окружающей среды. Раздельный сбор помогает значительно сократить объемы мусора, отправляемого на свалки и мусоросжигательные заводы.

   • Это уменьшает площадь свалок, которые загрязняют почву и грунтовые воды, а также выделяют метан – мощный парниковый газ.
   • Снижается загрязнение воздуха и воды, связанное с добычей и переработкой первичного сырья.
   • Предотвращается попадание отходов, особенно пластика, в Мировой океан и другие природные экосистемы, где они наносят вред живым организмам.

4. Повышение качества и эффективности переработки. Когда отходы собираются раздельно, они остаются более "чистыми". Смешанные отходы загрязняют друг друга (например, остатки пищи на бумаге, осколки стекла в пластике), что усложняет, удорожает, а иногда и делает невозможной их дальнейшую переработку. Контейнер для "несортируемых отходов" предназначен для всего остального мусора, который в данный момент не подлежит переработке.

Ответ: Раздельный сбор отходов осуществляется с целью их дальнейшей вторичной переработки, что позволяет сохранять природные ресурсы, экономить энергию, уменьшать количество свалок и снижать уровень загрязнения окружающей среды.