Підручник з Хімії. 10 клас. Попель - Нова програма

33. Каучуки. Гума

Матеріал параграфа допоможе вам:

• скласти уявлення про каучуки і гуму;

• ознайомитись із технологією виробництва гуми з каучуків;

• з'ясувати властивості каучуків і гуми;

• дізнатися про способи утилізації відходів гуми.

Каучуки — полімери рослинного або синтетичного походження, з яких виготовляють гуму.

Характерна властивість каучуків — висока еластичність, тобто здатність після деформації відновлювати свою форму. Однак при нагріванні або охолодженні нижче -50 °С вони втрачають цю властивість. Каучуки водонепроникні, зносостійкі, мають хороші електроізоляційні властивості.

Розрізняють природний і синтетичні каучуки.

Природний (натуральний) каучук міститься в соку деяких рослин. Цей сік нагадує молоко (мал. 94) і є емульсією каучуку у воді.

Мал. 94. Збирання соку гевеї

Основу натурального каучуку становить поліізопрен. У макромолекулі цього полімеру групи СН2 розміщені з одного боку від подвійного зв’язку:

Натуральний каучук має білий колір; він легший за воду, розчиняється в бензині, бензені, деяких інших органічних розчинниках. Полімер повільно окиснюється киснем повітря. Щоб запобігти окисненню каучуку, щойно добутого із соку рослини, і розмноженню в ньому бактерій, його обробляють розбавленими розчинами кислот (мурашиної, оцтової) або інших речовин, промивають водою і висушують. У результаті каучук набуває жовтуватого кольору (мал. 95).

Мал. 95. На виробництві натурального каучуку

Серед усіх природних високомолекулярних сполук лише каучук виявляє високу еластичність. Така властивість каучуку зумовлена можливістю згортання його лінійних макромолекул у клубки. Якщо пластинку із каучуку розтягувати, то макромолекули випрямляються, а якщо після цього «відпустити», то вони повернуться в попередній стан, і пластинка набуде початкової довжини. Доклавши більшого зусилля, каучукову пластинку можна розірвати.

Синтетичні каучуки. Натуральний каучук добувають у значній кількості, проте цього недостатньо для задоволення зростаючих потреб. Тому вчені створили синтетичні каучуки, які успішно замінюють природний каучук і широко застосовуються в різних сферах.

Більшість каучуків походить від вуглеводнів із двома подвійними зв’язками в молекулі (с. 54). Залежно від мономера розрізняють бутадієновий каучук, ізопреновий (аналог натурального), хлоропреновий та ін. Їх добувають, здійснюючи реакції полімеризації, переважно за участю каталізаторів.

Загальна схема утворення каучуків:

де Y — H (мономером є бута-1,3-дієн, полімером — бутадієновий каучук, або полібутадієн); CH3 (мономер — ізопрен, полімер — ізопреновий каучук, або поліізопрен); Cl (мономер — хлоропрен, полімер — хлоропреновий каучук, або поліхлоропрен).

Напишіть схему реакції полімеризації бута-1,3-дієну.

Цікаво знати

Бутадієн стирольний каучук — продукт полімеризації двох сполук-мономерів.

Хімічні властивості. Маючи подвійні зв’язки в макромолекулах, натуральний і синтетичні каучуки здатні приєднувати водень, галогени, галогеноводні. При нагріванні за відсутності повітря ці полімери розкладаються з утворенням відповідних мономерів.

Каучуки слугують сировиною для виробництва гуми і гумових виробів.

Гума. Найеластичнішим матеріалом серед природних і синтетичних матеріалів є гума. Її у великих кількостях використовують для виготовлення шин (мал. 96).

Мал. 96. Продукція шинного заводу

Основу технології виробництва гуми становить процес вулканізації, що полягає в нагріванні каучуку із сіркою. Спочатку каучук змішують із наповнювачами (глиною, сажею, крейдою, кремнеземом), барвниками і речовинами, які збільшують термін використання гуми. Потім до суміші додають певну кількість сірки. У результаті взаємодії каучуку із сіркою за рахунок розриву одного зі складників подвійного зв’язку відбувається зшивання карбонових ланцюгів за допомогою «містків» -S-S- (мал. 97). При цьому частина подвійних зв’язків у макромолекулі залишається.

Мал. 97. «Зшиті» карбонові ланцюги в гумі

Якщо взяти надлишок сірки, то всі подвійні зв’язки будуть «витрачені» на зшивання карбонових ланцюгів, і утвориться твердий термореактивний матеріал — ебоніт (мал. 98). Його використовують для виготовлення електротехнічних деталей, хімічної апаратури.

Мал. 98. Ебонітовий стержень

Існують гуми різного призначення — для експлуатації при високих або низьких температурах (тепло-, морозостійкі), для тривалого контакту з бензином і нафтою (шланги на автозаправних станціях), кислотами і лугами, стійкі до рентгенівського випромінювання тощо.

Порівняння властивостей каучуків і гуми. Каучук є еластичною речовиною, а гума — еластичним матеріалом.

Каучуки і гума не розчиняються у воді. Якщо ж помістити подрібнені шматочки каучуку і гуми в органічний розчинник (бензен), то через добу каучук розчиниться з утворенням колоїдного розчину, а гума лише збільшиться в об’ємі (набрякне). Це свідчить про здатність гуми вбирати органічний розчинник.

Каучук завдяки наявності в ньому подвійних зв’язків може реагувати з галогенами. Зокрема, його колоїдний розчин у бензені знебарвлює бромну воду. При нагріванні каучуки розкладаються з утворенням ненасичених сполук.

Наявність Сульфуру в гумі можна довести, нагріваючи її в пробірці з газовивідною трубкою, зануреною в блакитний розчин купрум(ІІ) нітрату. Сірководень, що є одним із продуктів термічного розкладу гуми, спричинить утворення в розчині чорного осаду CuS.

Працюючи в хімічній лабораторії, потрібно враховувати, що гумові вироби (пробки, трубки) руйнуються нітратною і концентрованою сульфатною кислотами. Розбавлені хлоридна кислота і розчини лугів на гуму практично не діють.

Застосування каучуків і гуми. Синтетичний ізопреновий каучук за властивостями схожий на натуральний. Вироблена з нього гума вирізняється високою міцністю та еластичністю. Цей каучук використовують у виробництві шин, конвеєрних доріжок, взуття, медичних і спортивних виробів, ізоляційних матеріалів.

Хлоропреновий каучук є негорючим, термо- і світлостійким, не руйнується мастилами, не окиснюється на повітрі. З нього виготовляють гуму для устаткування, що контактує з нафтою і нафтопродуктами. Каучуки, які містять Флуор, хімічно стійкі, витримують нагрівання до 300 °С.

Основне застосування гуми — виробництво шин. Гумові вироби використовують у промисловості, техніці, медицині, побуті.

Відходи гуми і довкілля. Майже 90 % від маси гумових відходів припадає на зношені автомобільні шини, а решта — використані предмети технічного та побутового призначення, старе взуття.

Цікаво знати

У Європі утилізують менше половини шин, непридатних для використання.

Відходи гуми, як і пластмас, не руйнуються в природних умовах. На жаль, більша частина їх потрапляє в навколишнє середовище. Утилізацію гумових відходів здійснюють спалюванням (після подрібнення) і термічним розкладом у спеціальних агрегатах1. У першому випадку отримують теплову енергію (теплота згоряння гуми приблизно така сама, що й вугілля), а у другому — добувають мономери для виробництва каучуку.

1 При спалюванні гуми на повітрі утворюється багато токсичних речовин.

Гумові відходи також використовують як поглиначі при очищенні стічних вод, у виробництві ізоляційних матеріалів, будівництві, шляховому господарстві тощо.

ВИСНОВКИ

Каучуки — полімери, з яких виготовляють гуму та гумові вироби. Характерна властивість каучуків — еластичність, тобто здатність після деформації відновлювати свою форму.

Більшість каучуків є полімерами вуглеводнів із двома подвійними зв’язками в молекулах. Розрізняють натуральний і синтетичні каучуки.

Гума — продукт вулканізації каучуку. Цей еластичний матеріал широко використовують у багатьох сферах. Утилізація гумових відходів є одним із важливих екологічних завдань.

240. Охарактеризуйте властивості каучуку.

241. У чому полягає процес вулканізації?

242. Чим різняться каучук і гума, гума та ебоніт?

243. Назвіть сфери використання каучуків.

244. За матеріалами з інтернету підготуйте повідомлення:

а) про походження назви «каучук»;

б) про історію відкриття гуми;

в) про винайдення лінолеуму.

245. Назвіть кілька синтетичних каучуків і запишіть їхні хімічні формули.

246. Складіть схему реакції полімеризації з утворенням хлоропренового каучуку.

247. Обчисліть масову частку Хлору в хлоропреновому каучуку.