Загальні методичні вказівки

Натуральний каучук це високо еластична маса, добута із соку рослин - каучуконосів. У промисловості каучук добувають із соку дерева гевеї. Для добування каучуку сік, коагулірують, додають органічні кислоти, проколюють у листи та сушать. Склад добутого продукту (С₅Н₈)_n. Після обробки сирого каучуку сіркою получають еластичну гумку.

Найважливіша властивість каучуку — його еластичність, тобто здатність змінювати форму під дією зовнішньої сили,на­ и форму під дією зовнішньої сили,на­приклад, розтягатися, стискати, а потім відновлювати попе­редню форму після того, як припиниться дія сили. Важли­вою властивістю є також непро­никність для води і газів.

В Європі вироби з каучуку (калоші, непромокальний одяг)почали поширюватися з початку XIX ст. Але такі вироби були хороші і зручні тільки при помірній температурі, в жарку пору вони розм'якшувалися і ставали липкими, а на морозі робилисяжорсткими й крихкими. Усунути цей недолік удалося в середині XIX ст., коли було Відкрито спосіб вулканізації каучуку — перетворення його в гуму нагріванням із сіркою. Вияви­лося, що гума має ще кращу еластичність, у цьому з нею не може зрівнятися ніякий інший матеріал. До того ж вона міцніша за каучук і стійкіша проти зміни температури.

Після того як відкрили процес вулканізації, застосування каучуку (у вигляді гуми) почало швидко зростати. Тепер важко назвати таку галузь, де б не застосовували виробів з каучуку. Основна маса його витрачається на виготовлення покришок і камер для автомобілів, літаків, велосипедів. З каучуку виробляють також, паси, транспортерні стрічки, шланги, електроізоляцію, взуття, непромокальний одяг, предмети догляду за хворими тощо. За своїм значенням він стоїть в одному ряді із сталлю, нафтою, кам'яним вугіллям.

Склад і будова молекул натурального каучуку. Якісний ана­ліз показує, що каучук складається з двох елементів - вуглецю і водню, тобто належить до класу вуглеводнів.

Кількісний аналіз його приводить до найпростішої формули С₅Н₈. Визначення молекулярної маси показує, що вона досягає кількох сот тисяч (150 000—500 000). Отже, каучук — природний полімер. Молекулярна формула його (С₅Н₈)_n.

Щоб зрозуміти будову макромолекул цієї речовини, спробуємо розкласти її. Для цього нагріватимемо каучук у пробірці з відвід­ною трубкою. Ми помітимо, що полімер почне руйнува­тися і рідкі продукти розкладу збиратимуться в приймачі. За допомогою бромної води ми можемо виявити, що це сполуки ненасичені.

Основний продукт розкладу каучуку — вуглеводень, молеку­лярна формула якого однозначна з найпростішою формулою кау­чуку. Це відомий нам представник дієнових вуглеводнів — ізопрен

Можна вважати, що макромолекули каучуку утворені молекулами ізопрену.

Спробуємо уявити собі схематично, як міг відбуватися цей процес. Спочатку сполучаються дві молекули ізопрену:

При цьому вільні валентності середніх вуглецевих атомів спо­лучаються і утворюють подвійні зв'язки всередині молекул, які стали тепер ланками зростаючого ланцюга.

До частинки, що утворилася, приєднується наступна молекула ізопрену:

Такий процес триває й далі. Будову каучуку, що утворюється при цьому, можна виразити формулою:

Отже, макромолекули каучуку побудовані у вигляді ланцю­гів, вони мають лінійну структуру.

Нам траплялися вже полімери лінійної структури. Проте вони не проявляли такої еластичності, яку має каучук. Чим же поясню­ється ця його особлива властивість?

Молекули каучуку, хоч і мають лінійну структуру, але не витяг­нуті в лінію, а дуже вигнуті, згорнуті, навіть змикаються своїми кінцями. При розтягуванні каучуку такі молекули вирівнюються, зразок від цього стає довшим. Якщо зняти навантаження, внаслідок внутрішнього теплового руху ланок молекули повертаються до попереднього згорнутого стану, розміри каучуку зменшуються. Якщо його розтягати досить сильно, молекули не тільки випрямляться, а й змістяться одна відносно одної, зразок може порватися.

Синтетичні каучуки. У багатьох тропічних країнах вирощують на плантаціях гевею, щоб добувати з неї каучук. Проте при­родних ресурсів каучуку не досить для того, щоб повністю за­довольнити швидко зростаючий попит на нього. Виникла потреба в штучному добуванні цього матеріалу. Дуже гостро постало таке завдання перед нашою країною, оскільки гевея у нас не росте і ми змушені були ввозити каучук з-за кордону.

У результаті багаторічної напруженої роботи професорові (пізніше академіку) С. В. Лебедєву вдалося розробити синтетич­ний спосіб добування каучуку. З 1932 р. такий каучук вироб­ляється в нашій країні. Радянський Союз був першою в світі країною, яка організувала велике виробництво синтетичного кау­чуку.

У розробці синтезу каучуку С. В. Лебедєв пішов шляхом на­слідування природи. Оскільки натуральний каучук — полімер дієнового вуглеводню, він скористався також дієновим вуглевод­нем, тільки простішим і доступнішим — бутадієном СН₂=СН—СН=СН₂. Бутадієн добували для цього з етилового спирту.

Полімеризація бутадієну за методом С. В. Лебедєва проводиться в присутності каталізатора — металічного натрію. Спрощено про­цес можна зобразити так:

Тоді будову бутадієнового (напівбутадіенового) каучуку можна виразити формулою:

Бутадієновий каучук має добру водо- і газонепроникність. Проте він поступається перед натуральним каучуком еластичністю та зносостійкістю і через це останнім часом втрачає своє значення.

Тепер, промисловість випускає також ряд інших синтетичних каучуків. Одні з них характеризуються великою механічною міц­ністю, інші — високою хімічною стійкістю, треті особливо стій­кі проти дії розчинників і т. д. Кожний з них знаходить застосу­вання відповідно до своїх властивостей.

Усі синтезовані до останнього часу каучуки, переважаючи нату­ральний каучук за окремими показниками, поступалися перед ним однією властивістю — еластичністю. Проте ця властивість— найважливіша при виготовленні таких виробів з каучуку, як автомобільні та авіаційні шини, що зазнають під час руху багато­разових деформацій. Натуральний каучук — це ізопреновий кау­чук. Тому вчені вже давно поставили завдання добути синтетичний ізопреновий каучук.

Такий каучук було синтезовано. Але властивостей натурального каучуку повністю досягти не вдавалося. Причину цього встановили, коли вивчили просторову будову натурального каучуку. Вияви­лося, що він має стереорегулярну будову: метиленові групи СН₂, в ланках його макромолекул розміщені по один бік від подвійного зв'язку, тобто перебувають у цис-положенні:

цис–Форматранс-Форма

А в умовах хімічного синтезу регулярна будова не утворю­валась, і це відбивалося на властивостях полімеру.

Та все ж проблему синтезу ізопренового каучуку вдалося розв'я­зати. Було знайдено каталізатори, які забезпечували стереорегулярне укладання мономерних ланок у зростаючий полімерний ланцюг, і тепер наша промисловість випускає каучук, аналогічний за своєю будовою і властивостями до натурального. Добуто і бута­дієновий каучук стереорегулярної будови:

Щоб відрізнити від звичайного бутадієнового каучуку, який не має регулярної будови, такий каучук називають дивініловим. Виявилося, що за стійкістю проти стирання дивініловий каучук навіть перевершує натуральний. Це робить його особливо цінним для виготовлення протекторів (зовнішньої частини) шин, які зно­шуються дуже швидко.

Штучне добування каучуків стереорегулярної будови —ізопре­нового і дивінілового— одне з великих досягнень вітчизняної промисловості органічного синтезу.

Відбулися серйозні зміни і в сировинній базі виробництва синте­тичних каучуків. Бутадієн з часів С. В. Лебедєва добували з ети­лового спирту, а на виробництво спирту витрачалися зерно і кар­топля. Складним було і добування ізопрену. Інтереси економіки виробництва потребували вишукування інших, доступніших дже­рел сировини. Тепер для синтезу каучуку використовують вугле­водні, які містяться в нафтових газах і продуктах переробки нафти.

Бутадієн добувають дегідруванням бутану:

Ізопрен можна добути аналогічним способом з ізопентану (2-метилбутану):

Якщо ресурси ізопентану недостатні, його можна добути ізо­меризацією нормального пентану:

Усе це каталітичні процеси. Тепер їх широко застосовують у промисловості, щоб добувати мономери для синтезу каучуку.

Вулканізація каучуку. Натуральний і синтетичний каучук використовують переважно у вигляді гуми, бо вона набагато міц­ніша, еластичніша та має ряд інших цінних властивостей. Для добу­вання гуми каучук вулканізують.

Із суміші каучуку з сіркою, наповнювачами (найважливішим наповнювачем є сажа) та іншими речовинами формують потрібні вироби і нагрівають їх. При цьому атоми сірки вступають у хімічну взаємодію з лінійними молекулами каучуку в місцях деяких подвійних зв'язків і немовби «зшивають» собою молекули одну з одною. На прикладі бутадієнового каучуку це можна зобразити так:

Так само утворюються зв'язки і з багатьма іншими молекулами. Замість молекул лінійної структури утворюються велетенські молекули, які мають три виміри в просторі. Полімер набуває просто­рової структури.

Каучук з просторовою структурою (гума) буде, природно, міцнішим від не вулканізованого, тому що тут між лінійними мо­лекулами, крім звичайних міжмолекулярних сил, діють у ряді місць ще й сили хімічної взаємодії. Зрозуміло, що відокремити такі молекули одну від одної важче.

Утворенням хімічних зв'язків між молекулами пояснюється і відмінність у розчинності каучуку і гуми. Якщо в пробірки - з бензином вмістити кусочки каучуку і гуми, то через кілька днів можна виявити, що каучук розчиняється в бензині, а гума тільки набрякає в ньому. Висновок може бути тільки один: молекули розчинника змогли роз'єднати й перевести в розчин молекули не вулканізованого каучуку, але не змогли роз'єднати їх у гумі. Якщо до каучуку добавити сірки більше, ніж потрібно для утворення гуми, то при вулканізації виявиться, що лінійні молекули «зшиті» в дуже багатьох місцях, і матеріал втратить еластичність, стане твердим — утвориться ебоніт. До появи сучасних пластмас ебоніт вважався одним з найкращих ізоляторів.