Хімія. Рівень стандарту. 10 клас. Ярошенко

§ 30. Каучуки, гума

Інформаційна довідка

• До вуглеводнів належать також алкадієни — дієнові вуглеводні.

Алкадієни — ненасичені вуглеводні ациклічної будови, молекули яких містять два подвійних зв'язки. Мають загальну формулу СnН2n-2.

• Алкадієни здатні вступати в реакції полімеризації. Найбільше у промисловості використовують дієни, у яких подвійні зв'язки розміщені через один одинарний.

• У складанні назв дієнових вуглеводнів дотримуються таких загальних правил: головний ланцюг молекули повинен містити обидва подвійні зв'язки. Нумерацію атомів Карбону в ланцюзі здійснюють так, щоб подвійні зв'язки одержали найменші локанти. Назву алкадієну утворюють від назви відповідного алкану, у якій суфікс -ан замінюють на -дієн, а перед ним записують локанти подвійних зв'язків. Якщо є замісники, то їх називають першими, назві передують їхні локанти.

Наприклад:

• Бута-1,3-дієн та 2-метилбута-1,3-дієн є сировиною для виробництва полімерів із загальною назвою каучуки.

НАТУРАЛЬНИЙ АБО ПРИРОДНИЙ КАУЧУК. Корінні жителі Південної Америки вже у XVII ст. уміли виділяти природний каучук з молочного соку (латексу) тропічної рослини гевеї, просочували ним тканини, взуття, після чого ті не пропускали воду, виготовляли м'ячі.

Натуральний (природний) каучук — це високомолекулярна ненасичена сполука з відносною молекулярною масою 15 000-500 000, мономером якої є дієновий вуглеводень 2-метилбута-1,3-дієн С5Н8. Тривіальна назва цієї сполуки — ізопрен. Фрагмент його макромолекули (кольором виділено структурну ланку) такий:

Реакцію полімеризації ізопрену відображає така схема:

Як бачимо, кожна структурна ланка каучуку містить один подвійний зв'язок.

На відміну від пластмас, каучуки — ненасичені високомолекулярні сполуки. Їхні макромолекули мають лінійну структуру, хоча й закручені в клубок. Це робить каучук еластичним.

Еластичність, або пружність, — властивість твердого тіла повертати свої попередні форму й розміри після деформації.

Щоразу під впливом фізичних навантажень макромолекули каучуку розкручуються, а після припинення дії сили повертаються у попередній стан. Каучук не розчиняється у таких поширених розчинниках, як вода, спирт, ацетон, однак у деяких інших розчинниках, наприклад скипидарі, він розчиняється з утворенням в'язкої маси, яку використовують як клей.

До 1823 р. для європейців каучук був заморською дивиною, доки в Англії не започаткували виробництво плащів від дощу, тканину для яких обробляли натуральним каучуком. Такі плащі були придатні до використання за прохолодної дощової погоди, проте у спеку вони ставали липкими, а в холод втрачали пластичність.

Широке використання натуральному каучуку забезпечило винайдення способу поліпшення його властивостей, що дістав назву вулканізація.

ВУЛКАНІЗАЦІЯ КАУЧУКУ. ГУМА. Вулканізація — процес «зшивання» полімерних ланцюгів каучуку сіркою або іншими, зазвичай сульфуровмісними, сполуками (вулканізаторами), який робить матеріал міцнішим та еластичнішим. Поліпшення властивостей каучуку шляхом його вулканізації пояснюється тим, що лінійний полімер набуває тривимірної структури. Атоми Сульфуру вступають у реакцію з макромолекулами каучуку за місцем розриву подвійних зв'язків і «зшивають» їх сульфідними місточками (мал. 51).

Мал. 51. Схема будови гуми

Зі схеми бачимо, що після скріплення атомами Сульфуру лінійні молекули каучуку перетворюються на сітчастий полімерний матеріал — гуму.

З'ясуємо, навіщо потрібно вулканізувати каучук. Невулканізований каучук, як усі ненасичені речовини, виявляє значну хімічну активність. Так, під впливом атмосферного кисню він втрачає еластичність, стає крихким. Вулканізований каучук має більшу механічну міцність і твердість, еластичність, стійкий до дії розчинників. Жодний із природних матеріалів не має такої еластичності, як гума. Гумову пластинку можна тисячі разів згинати й розгинати, гумовий шланг скручувати й розкручувати, і вони не деформуються. Гума стійка до стирання. Так, шини автомобіля втрачають близько 80-100 г гуми після того, як подолають відстань у 1000 км. А деякі сорти гуми стираються менше, ніж сталь.

Вулканізацію проводять здебільшого за помірного нагрівання, заповнюючи спеціальні форми сумішшю каучуку, сірки, наповнювача (здебільшого сажі), інколи барвників та інших добавок. Одночасно з вулканізацією формується і сам виріб. Як ви знаєте, шини автомобілів, мотоциклів, скутерів, велосипедів мають чорний колір. Це колір наповнювача — сажі.

Вулканізація поліпшує фізичні характеристики каучуку, робить його придатним для тривалого використання. Додавання в каучук наповнювачів збільшує його міцність і зменшує зношуваність.

До речі, м'яка гумка, якою ви користуєтеся для стирання надписів, виготовлена з каучуку, що містить 3-4 % Сульфуру. Гума автомобільних шин містить 5-6 % Сульфуру. А якщо до каучуку додати сірку з розрахунку понад 30 % від його маси, то вулканізація завершиться утворенням твердого, нееластичного й неелектропровідного матеріалу — ебоніту. Його застосовують як ізолятор в електротехніці.

СИНТЕТИЧНІ КАУЧУКИ. Спершу природної сировини вистачало, аби задовольняти потреби у натуральному каучуку різних виробництв. Та з роками попит на каучук зростав, збільшувався перелік виробів з нього. У зв'язку зі стрімким розвитком промислового застосування натурального каучуку, і передусім в автомобіле- та літакобудуванні, натурального каучуку забракло. Бо для добування 1 тонни натурального каучуку потрібно впродовж 5 років збирати сік з 270 дерев гевеї, засівати десятки гектарів полів трав'янистими каучуконосами, наприклад кок-сагизом. До того ж рослини-каучуконоси ростуть не всюди, а лише в умовах жаркого й вологого клімату. Тому постала гостра необхідність розробити способи заміни натурального каучуку синтетичним.

Десятки років знакова спільнота різних країн прагнула знайти заміну натуральному каучуку синтетичною речовиною-відповідником з доступними способами її виробництва. Першому розв'язати цю проблему вдалося колективу вчених на чолі з академіком С. В. Лебедєвим.

Біографічна довідка

Сергій Лебедєв (1874-1934) — видатний учений-хімік ХХ ст. Увійшов в історію хімії як основоположник розроблення промислового способу добування синтетичного каучуку. Народився в Польщі, навчався у Варшавській гімназії, на відмінно закінчив Петербурзький університет. Його основні наукові праці присвячені полімеризації, ізомеризації, гідруванню ненасичених сполук. Цими дослідженнями він розвивав основні положення теорії хімічної будови речовин. У 1925 р. з групою вчених С. В. Лебедєв розпочав роботу над пошуком замінників природного каучуку й досяг успіху. У 1930 р. було розпочато будівництво першого у світі заводу з виробництва синтетичного каучуку із бута-1,3-дієну (дивінілу), який одержували з етанолу. Дослідницька лабораторія, створена одночасно з будівництвом заводу, існує дотепер як Науково-дослідний інститут синтетичного каучуку імені С. В. Лебедєва.

Синтетичний каучук у промислових масштабах за розробленою С. В. Лебедєвим технологією було вироблено в колишньому Радянському Союзі у 1932 р. Полімеризацію бута-1,3-дієну здійснювали в присутності каталізатора — металічного натрію, за температури 40-60 °С і тиску 6-8 атм. Спершу сировиною служили харчові продукти (зерно), етапи виробництва передає схема:

Зараз бута-1,3-дієн одержують із нехарчової сировини.

Синтетичний каучук є тим матеріалом, з якого виробляють велику кількість гуми, що йде на виготовлення шин і багатьох інших виробів. З року в рік зростає потреба в цьому матеріалі й відповідно збільшуються обсяги його виробництва.

Добутий С. В. Лебедєвим синтетичний замінник натурального каучуку мав схожі з ним хімічні й фізичні властивості, але поступався йому за основною властивістю — еластичністю. Дослідженнями було з'ясовано причину — він не мав регулярної будови.

Регулярний полімер — це полімер, який складається зі стереорегулярних макромолекул, у яких структурні ланки однакової просторової будови повторюються з певною періодичністю.

Застосовуючи каталізатори, що регулюють стереобудову каучуку, нині виготовляють дивініловий, ізопреновий та інші синтетичні каучуки, що мають регулярну будову й не поступаються властивостями натуральному каучуку. А якщо в якості мономерів використати алкадієни, у молекулах яких атом Гідрогену заміщений на інший атом чи групу атомів, то можна одержати різні каучуки спеціального призначення — флуоропренові, хлоропренові тощо. Зокрема, хлоропреновий каучук — негорючий, світло- й термостійкий. Це робить його незамінним матеріалом у літакобудуванні.

Перелік гумових виробів на основі синтетичного каучуку налічує близько 50 000 назв. Найбільше синтетичних каучуків використовує машинобудівна промисловість. Із синтетичних каучуків виготовляють технічні вироби, гумове взуття, прогумовані тканини, побутові гумові вироби, медичні товари тощо. Каучуки та гума мають високі діелектричні властивості, тому їх застосовують в електротехніці для ізоляції дротів й оболонок кабелів, виготовлення захисних рукавичок і килимків. Рідкі каучуки є компонентами клеїв, антикорозійних матеріалів, зв'язувальною речовиною, що використовується для виготовлення твердого ракетного палива. На малюнку 52 зображено різні вироби із синтетичних каучуків і гуми.

Мал. 52. Вироби із синтетичних каучуків і гуми

Каучук і гума є основними матеріалами шинної та гумово-азбестової промисловості. Найпотужніші підприємства розташовані у Дніпрі, Білій Церкві, Запоріжжі, Києві, Лисичанську, Одесі, Сумах, Харкові. Наповнювач гуми — сажу — виробляють у Дашаві, Стаханові, Кременчуці.

Сторінка ерудита

Ще одним способом одержання каучуків є кополімеризація, або співполімеризація.

Кополімеризація — полімеризація суміші двох чи більше мономерів, залишки кожного з яких входять до полімерного ланцюга.

Прикладом кополімеризації є утворення бутадієн-стиренового каучуку. Назва свідчить, що його добувають з двох мономерів — бутадієну (бута-1,3-дієну) і стирену. Схематично реакцію можна записати таким чином:

Бутадієн-стиреновий каучук легко піддається вулканізації, добре змішується з наповнювачами й іншими каучуками. Як каучук загального призначення він широко використовується для виготовлення протекторів та інших деталей автомобільних і велосипедних шин, гумового взуття, у радіотехнічній промисловості. На сьогодні серед усіх каучуків він займає перше місце за обсягами виробництва.

Стисло про основне

• Каучуки — високомолекулярні сполуки природного й синтетичного походження.

• Структурні ланки каучуків містять подвійний зв'язок, тому вони виявляють хімічні властивості ненасичених сполук.

• Щоб поліпшити фізичні властивості каучуків, їх піддають вулканізації — взаємодії з сіркою за нагрівання.

• Завдяки досягненням хімічної науки нині виробляють різні синтетичні каучуки, які не поступаються властивостями натуральному і навіть перевищують їх.

Знаємо, розуміємо

  • 1. Яка відмінність у складі молекул природного каучуку й уперше одержаного за методом Лебедєва синтетичного?
  • 2. Опишіть відомі вам властивості каучуків.
  • 3. З якою метою вулканізують каучук, який наповнювач найчастіше використовують?
  • 4. Назвіть галузі застосування гуми.
  • 5. На прикладі створення синтетичного каучуку розкрийте взаємозв'язок хімічної науки з практикою.

Застосовуємо

1. Укажіть мономер натурального каучуку.

  • А 2,3-диметилбута-1,3-дієн
  • Б стирен
  • В 2-метилбута-1,3-дієн
  • Г бута-1,2-дієн

2. Ізопреновий каучук добувають реакцією...

  • А ізомеризації
  • Б полімеризації
  • В дегідратації
  • Г поліконденсації

3. Укажіть властивість каучуку, що забезпечує йому застосування як ущільнювача пластикових вікон.

  • А теплопровідність
  • Б електропровідність
  • В еластичність
  • Г світлопровідність

4. Укажіть назву речовини, яку використовують для вулканізації каучуку.

  • А сірка
  • Б кисень
  • В азот
  • Г фосфор

5. Спрогнозуйте, що очікує гумове виробництво у третьому тисячолітті.