Хімія. Рівень стандарту. 10 клас. Савчин

§ 27. СИНТЕТИЧНІ КАУЧУКИ. ГУМА

Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• пояснювати склад каучуків і гуми; галузі застосування каучуків і гуми;
• характеризувати значення реакції полімеризації у створенні нових матеріалів; склад каучуків загального та спеціального призначення;
• порівнювати властивості натурального й синтетичного каучуків; гуми й каучуків.

Cинтетичні каучуки. Виробництво синтетичного каучуку розпочалося після з'ясування будови природного (натурального) каучуку, який добували з молочного соку дерева гевеї, що росте в Бразилії.

Розкладом природного каучуку встановлено, що це полімер, до складу якого входить дієновий вуглеводень — ізопрен (2-метилбута-1,3-дієн). Хімічна формула ізопрену С₅Н₈. Назва цього вуглеводню походить від назви насиченого з уточненням, що в положеннях 1, 3 наявні подвійні зв'язки.

Вам уже відомо, що ненасичені вуглеводні здатні вступати в реакції полімеризації. Тож, узявши за мономер ізопрен, полімеризацією добуто синтетичний ізопреновий каучук.

Ізопрен (2-метилбута-1,3-дієн) — газ (н. у.), що легко зріджується.

Простежимо, як відбувається полімеризація ізопрену. Схема реакції:

Гума. Використання природного каучуку набуло поширення завдяки його еластичності, ізоляційним властивостям, водо- й газонепроникності, зносостійкості. Однак із підвищенням температури він стає м'яким і липким, а в разі зниження — крихким і нееластичним.

Щоб поліпшити фізичні властивості каучуку й зробити його більш придатним до використання, каучук вулканізували (нагріли із сіркою), унаслідок чого він став стійким до зміни температури.

Суть вулканізації полягає в «зшиванні» макромолекул каучуку містками з атомів Сульфуру (рис. 73, а) за місцем розриву подвійних зв'язків (рис. 73, б).

Рис. 73. Утворення сульфідних містків між молекулами каучуку (а) і схематичне зображення макромолекул гуми (б)

Нині вченими створено велику кількість каучукоподібних полімерів, які за своїми властивостями перевершили натуральний каучук. Вони є основним компонентом гуми, якості якої залежать від пластифікаторів, вулканізаторів, наповнювачів, барвників тощо.

Із гуми виготовляють покришки й камери для коліс літаків, автомобілів і велосипедів, її застосовують для електроізоляції, виробництва промислових товарів, зокрема втулок до виробів і медичних приладів, а також труб, взуття (рис. 74).

Рис. 74. Вироби з гуми

Якщо масова частка Сульфуру в складі каучуку становить 25-40 %, то утворюється ебоніт — тверда речовина темно-бурого або чорного кольору, нееластична, має високу стійкість до дії кислот і лугів, електроізолятор.

Крім ізопренового каучуку, до каучуків загального призначення належить бутадієновий. Його синтезують з бута-1,3-дієну (бутадієну) реакцією полімеризації за участю каталізатора металічного натрію.

Уперше такий каучук було синтезовано в колишньому Радянському Союзі за методом, розробленим ученим-хіміком С. Лебедєвим.

Лебедєв Сергій Васильович (1874-1934) — основоположник промислового способу виробництва синтетичного каучуку. Академік (1932) АН СРСР. Досліджував процеси полімеризації, ізомеризації та гідрогенізації ненасичених вуглеводнів. Довів, що для промислового добування полімеру необхідно застосовувати каталізатори. У 1909 р. отримав перший зразок каучуку — полімеру з бутадієну. У лютому 1931 р. синтезовано перші 200 кг синтетичного каучуку з етанолу. Розробив метод виготовлення із синтетичного каучуку гумових виробів.

Реакція полімеризації бутадієну відбувається за такою схемою:

nСН₂=СН-СН=СН₂ → (-CH₂-CH=CH-CH₂-)_n.

Сировиною для добування бутадієну є етанол.

Якщо в складі 2-метилбута-1,3-дієну радикал метил замінити на атом Хлору, утворюється 2-хлоробута-1,3-дієн. Полімеризацією отриманої речовини добувають хлоропреновий каучук. Рівняння реакції:

Хлоропреновий каучук — каучук спеціального призначення. Це еластична світло-жовта маса, що добре клеїться до тканин і металів. Стійкий до дії світла та високих температур, бензинів і мастил, не горить. На нього не діють сильні окисники, має високу міцність.

Схему класифікації каучуків за призначенням зображено на рис. 75.

Рис. 75. Схема класифікації каучуків

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Синтетичні каучуки — полімерні матеріали, утворені дієновими вуглеводнями або їхніми похідними.

• За основу добування синтетичних каучуків узято реакцію полімеризації.

• Каучуки класифікують на каучуки загального (бутадієновий та ізопреновий) і спеціального (хлоропреновий) призначення.

• Каучуки є основним компонентом у виробництві гуми та ебоніту. Щоб отримати ці матеріали, каучук вулканізують. Суть процесу вулканізації полягає в «зшиванні» молекул каучуку містками з атомів Сульфуру за місцем розриву подвійних зв'язків.

• Гума та ебоніт набули широкого застосування в різних галузях суспільного виробництва, медицині, побуті тощо.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

• 1. Поясніть, як учені встановили будову природного каучуку.
• 2. Назвіть речовини, з яких добувають синтетичні каучуки.
• 3. Складіть рівняння полімеризації бута-1,3-дієну та назвіть утворену речовину.
• 4. Позначте формулу сполуки, з якої можна добути синтетичний каучук.

А СН₃-СН₂-СН₃

Б СН₃-СН=СН-СН₃

В СН₂=С(СН₃)-СН=СН₂

Г СН₃-СН(СН₃)-СН=СН₂

• 5. Ступінь полімеризації хлоропренового каучуку становить 500. Обчисліть його відносну молекулярну масу.
• 6. Бута-1,3-дієн, який використовують для синтезу бутадієнового каучуку, добувають одночасним дегідруванням і дегідратацією етанолу за схемою 2СН₃-СН₂-ОН → СН₂=СН-СН=СН₂ + 2Н₂О + Н₂↑. Обчисліть, яка маса бутадієну утвориться, якщо в реакцію вступив спирт масою 368 кг.
• 7. Етанол об'ємом 800 л з його масовою часткою 96 % і густиною 0,8 г/мл піддали одночасно дегідруванню та дегідратації, унаслідок чого отримали бута-1,3-дієн. Обчисліть масу бутадієнового каучуку, який можна добути полімеризацією бута-1,3-дієну.

ЦІКАВО ЗНАТИ

• Ебоніт використовують не тільки в техніці, а й у медицині як лікувальний засіб для полегшення стану людини із серцево-судинними захворюваннями, гіпертонією, радикулітом, поліартритом, ревматизмом та іншими хворобами. Для цього знадобиться ебонітовий кружечок діаметром 120 мм і завтовшки 10 мм, який прикріплюють до ручки з дерева або того ж ебоніту, — і пристрій для масажу готовий. Під час тертя ебоніту об шкіру виникають біоструми, які ефективно впливають на зони патології (За матеріалами сайта http://www.zid.com.ua/ukr_creativework/ebonitolikuvannya-dostupne-j-efektyvne).