Сообщение натуральный и синтетический каучук резина эбонит
Обновлено: 06.07.2024
Урок посвящён знакомству с природным и синтетическими каучуками: бутадиеновым, дивиниловым, изопреновым, хлоропреновым и бутадиен-стирольным, а также с производными каучука – резиной и эбонитом. Учащиеся узнают о способах их получения, особенностях строения и областях применения.
Вулканизация – нагревание каучука с серой, приводящее к сшивке полимерных цепей друг с другом и повышению прочности материала.
Каучук – эластичный полимер, продукт полимеризации диеновых углеводородов.
Латекс – сок дерева гевея.
Резина – эластичный материал, продукт вулканизации каучука с содержанием серы ниже 30%.
Сополимеризация – совместная полимеризация двух или более мономеров.
Стереорегулярность – упорядоченность цис- и транс-форм мономерных звеньев в полимерной цепи.
Эбонит – прочный и химически стойкий материал, продукт вулканизации каучука с содержанием серы выше 30%.
Эластичность – способность возвращаться в исходную форму после растяжения или сжатия.
Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.
Дополнительная литература:
2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.
Открытые электронные ресурсы:
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ
С каучуками или их производными, такими, как резина, мы сталкиваемся ежедневно. Данные полимеры отличаются тем, что способны после механических деформаций (растяжения или сжатия) возвращаться в свою исходную форму. Это свойство называется эластичностью. Кроме того, каучук и резина водо- и газонепроницаемы и не проводят электрический ток, что позволяет изделия из них использовать для защиты от воды и как изоляторы.
Природный каучук добывают из латекса – сока дерева гевея, которое широко распространено в Бразилии и странах Азии (Китае, Малайзии, Вьетнаме). По химическому строению каучук является продуктом полимеризации изопрена. Высокая его эластичность – следствие того, что мономерные звенья в полимерной цепи имеют только цис-форму. Если цис- и транс-формы звеньев в цепи расположены упорядоченно, то такой полимер называется стереорегулярным.
Практическое применение природного каучука ограничивается его чувствительностью к высоким и низким температурам. Преодолеть этот недостаток можно, используя процесс вулканизации. При нагревании с серой двойные связи в молекуле каучука разрушаются, а атомы серы соединяют отдельные цепи между собой. Полученное таким образом вещество называется резиной. Если количество серы, добавленной при вулканизации, превышает 30%, то вместо резины образуется эбонит – прочный, стойкий к действию агрессивных веществ материал.
Каучук также можно синтезировать промышленным путем. Этот процесс называется синтезом Лебедева. Обычно с его помощью получают дивиниловый каучук. Следует отличать дивиниловый и бутадиеновый каучуки. Мономером для их получения служит одно и то же вещество (бутадиен-1,3), но дивиниловый каучук стереорегулярен (и, следовательно, эластичен), а бутадиеновый каучук – нет. Управлять стереорегулярностью получаемых полимеров можно при помощи катализаторов.
Подвергать полимеризации можно не одно вещество, а несколько. Такой процесс называется сополимеризацией (т.е. совместной полимеризацией). Например, при сополимеризации бутадиена и стирола будет получен бутадиен-стирольный каучук.
Дивиниловый и изопреновый каучуки используются для производства автомобильных шин. Менее эластичный бутадиеновый – для создания предметов быта, одежды и обуви. Из устойчивого хлоропренового каучука изготавливают кабели и трубопроводы, а из бутадиен-стирольного – ленты транспортеров.
ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ
1. Решение задачи на вычисление степени полимеризации полимера
Условие задачи: Рассчитайте степень полимеризации хлоропренового каучука с молярной массой 35400 г/моль
Шаг первый: вычислим молярную массу хлоропрена.
Шаг второй: вспомним определение степени полимеризации.
Степень полимеризации – это число мономерных звеньев в полимерной цепи.
Значит, для вычисления степени полимеризации необходимо разделить молярную массу полимера на молярную массу мономерного звена, которая равна молярной массе мономера.
n = 35400 г/моль : 88.5 г/моль = 400.
Ответ: n = 400.
2. Решение задачи с вычислением выхода продукта реакции.
Условие задачи: Рассчитайте, сколько кг бутадиена необходимо взять, чтобы при его полимеризации с выходом 90% получить 234 кг дивинилового каучука.
Запишем уравнение реакции полимеризации:
Видно, что в этой реакции участвует одно исходное вещество и нет побочных продуктов. Значит, по закону сохранения массы теоретическая масса полученного каучука должна быть равна массе исходного бутадиена.
Обозначим исходную массу бутадиена за х:
Тогда теоретическая масса полученного каучука, равная ей, тоже х:
Подставим известные из условия величины и введённую нами переменную х в формулу для расчёта выхода продукта реакции:
Каучуки – природные или синтетические продукты полимеризации некоторых диеновых углеводородов с сопряженными связями. Важнейшими физическими свойствами каучуков являются эластичность (способность восстанавливать форму) и непроницаемость для воды и газов.
Каучуки – это эластичные высокомолекулярные материалы (эластомеры), из которых методом вулканизации (нагреванием с серой) получают резину.
Особенно важное значение имеют получаемые из непредельных углеводородов полимеры, в том числе искусственные каучуки. Все каучуки делятся на натуральные и синтетические, последние в свою очередь в зависимости от вещества, используемого для синтеза, делятся на бутадиеновый, изопреновый и хлорпреновый каучуки.
Натуральный каучук или гуттаперча
Сбор каучука с растения гевея
Натуральный (природный) каучук по химическому составу представляет собой высокомолекулярный непредельный углеводород состава (С5Н8)n, где n составляет 1000—3000 единиц. При нагревании без доступа воздуха каучук распадается с образованием диенового углеводорода – 2-метилбутадиена-1,3 или изопрена.
Каучук, в котором все элементарные звенья находятся или в цис- , или в транс-конфигурации, называется стереорегулярным.
Натуральный каучук – это стереорегулярный полимер, в котором молекулы изопрена соединены друг с другом по схеме 1,4- присоединения с цис-конфигурацией полимерной цепи:
цис-полиизопрен (каучук)
В природных условиях натуральный каучук образуется не путем полимеризации изопрена, а другим, более сложным способом.
Молекулярная масса натурального каучука колеблется в пределах от 7·10 4 до 2,5·10 6 .
Транс-полимер изопрена также встречается в природе в виде гуттаперчи:
Цис-форма более эластична, т.к. легко скручивается в клубок.
Транс-форма менее эластична, т.к. макромолекулы более вытянуты.
Важнейшее физическое свойство каучука – эластичность, т.е способность обратимо растягиваться под действием даже небольшой силы. Другое важное свойство – непроницаемость для воды и газов. Основной недостаток каучука – чувствительность к высоким и низким температурам. При нагревании каучук размягчается и теряет эластичнсть, а при охлаждении становится хрупким и также теряет эластичность.
Эти недостатки можно преодолеть, если нагреть каучук вместе с серой. Этот процесс называется вулканизацией каучука.
Синтетические каучуки
Первый синтетический каучук, полученный по методу С.В. Лебедева при полимеризации дивинила под действием металлического натрия, представлял собой полимер нерегулярного строения со смешанным типом звеньев 1,2- и 1,4-присоединения:
В пятидесятые годы отечественные ученые осуществили каталитическую стереополимеризацию диеновых углеводородов и получили стереорегулярный каучук (структурные звенья и функциональные группы расположены в пространстве в определенном порядке), близкий по свойствам к натуральному каучуку.
В настоящее время в промышленности выпускают каучук, в котором содержание звеньев изопрена, соединенных в положении 1,4, достигает 99%, тогда как в натуральном каучуке они составляют 98%.
Кроме того, в промышленности получают синтетические каучуки на основе других мономеров – например, изобутилена, хлоропрена, и натуральный каучук утратил свое монопольное положение.
Вулканизация каучуков
Для улучшения качества натуральных и синтетических каучуков их превращают в резину.
Резина – это вулканизированный каучук с наполнителем (сажа). Суть процесса вулканизации состоит в том, что атомы серы присоединяются к линейным (нитевидным) молекулам каучука по месту двойных связей и как бы сшивают эти молекулы друг с другом дисульфидными мостиками, образуя трехмерный сетчатый полимер:
В результате вулканизации липкий и непрочный каучук превращается в упругую и эластичную резину. Резина прочнее каучука и более устойчива к изменению температуры.
Наполненные активной сажей каучуки в виде резин используют для изготовления автомобильных шин и других резиновых изделий.
В зависимости от количества сшивающего агента (серы) можно получать сетки с различной частотой сшивки.
Для вулканизации каучука берётся немного серы 2 – 3 % от общей массы. Если добавить к каучуку более 30 % серы, то она присоединится по линии разрыва почти всех π–связей и образуется предельно сшитый натуральный каучук – эбонит, который не обладает эластичностью и представляет собой твердый материал.
Наиболее массовое применение каучуков — это производство резин для автомобильных, авиационных и велосипедных шин.
Из каучуков изготавливаются специальные резины огромного разнообразия уплотнений для целей тепло- звуко- воздухо- гидроизоляции разъёмных элементов зданий, в санитарной и вентиляционной технике, в гидравлической, пневматической и вакуумной технике.
Каучуки применяют для электроизоляции, производства медицинских приборов и средств контрацепции.
В ракетной технике синтетические каучуки используются в качестве полимерной основы при изготовлении твёрдого ракетного топлива, в котором они играют роль горючего, а в качестве наполнителя используется порошок селитры (калийной или аммиачной) или перхлората аммония, который в топливе играет роль окислителя.
Каучук и резина – широко используемые в нашей жизни материалы. Чаще всего мы не задумываемся, что это за вещества, отличаются ли они друг от друга или имеют схожие свойства, мы просто приравниваем их. На самом деле, оба соединения являются полимерами со схожим составом, но с химической, механической точек зрения, имеющие существенные отличия. Для того, чтобы во всем разобраться, ознакомимся с основными определениям.
Каучук и резина, основные определения
Каучук – высокомолекулярное соединение, в его основе лежат диеновые углеводороды. Существует природный и синтетический каучук.
Европейцы же узнали о каучуке только после открытия Америки. И лишь спустя столетия, в1823 году его начали использовать для изготовления водонепроницаемой одежды, ткань пропитывали жидким каучуком, и она приобретала водоотталкивающие свойства.
Через несколько лет после первого опыта использования каучука, были более полно изучены его свойства и возникла идея применять, как сырье для получения резины.
Резина – высокоэластичный полимер, получаемый вулканизацией натурального или синтетического каучука.
Сравнение каучука и резины
Каучук – высокомолекулярное соединение с формулой(C5H8)n.
- Агенты, чаще всего сера, селен.
- Ускорители - оксиды магния, свинца.
- Противостарители и умягчители.
- Наполнители активные и неактивные.
- Пластификаторы.
- Все эти добавки направлены на придания тех или иных свойств новому соединению.
То есть по составу, резина, является более сложным соединением, чем каучук.
Состав определяет и свойства обоих соединений
- Стойкостью к действию кислот.
- Устойчивостью к агрессивным внешним условия.
- Стойкость к действию сильных окислителей, в том числе и озона.
- Устойчивость против высоких температур и т.п.
Основные отличия резины и каучука
Резина – только синтетический полимер. Резина применятся в достаточно широком диапазоне температур в то время, как каучук разрушается при нагревании и охлаждении. Резина – гибкий материал. Она легко деформируется и быстро возвращается в исходную форму.
Подводя итоге, нельзя сказать, что резина лучше, чем каучук, что она прочнее и эластичнее. Да, она обладает лучшими свойствами, но ими она обязана каучуку. Если бы каучук, как химическое соединение не вступило в реакцию с улучшающими его добавками не возникло бы новое соединение. То есть в заключении можно выделить два основных плюса:
Каучук – реакционоспособное соединение, получаемое из недр природы, являющееся сырьем для получения резины. Резина – высокоэластичный, устойчивый к агрессивному воздействию широко распространённый полимер.
натуральный латекс и каучук из него Что такое каучук
Кроме сложных веществ наподобие полиэтиленов, представляющих из себя высокомолекулярные полимеры, существует класс химических веществ, который образован сопряжёнными диенами.
После процесса полимеризации диенов образуются новые химические вещества, имеющие высокомолекулярную структуру, называемые каучуками.
Что касается европейцев, то о каучуке узнали впервые только в момент открытия Америки. Именно Кристофор Колумб первым узнал о его свойствах и получении. В Европе каучук долгое время не мог найти себе применение. В 1823 г в первые было предложено использование этого материала для изготовления водонепроницаемых плащей и одежды. Каучуком и органическим растворителем пропитывали ткань, таким образом, ткань приобретала водостойкие свойства. Но, конечно же, был замечен и недостаток, который заключался в том, что ткань, пропитанная каучуком, прилипала в жаркую погоду к коже, а при морозе – растрескивалась.
Отличие каучука и резины
изопрен (2-метилбутадиен-1,3 (изопрен)) бутадиен-1,3 Натуральный изопреновый каучук Синтетический бутадиеновый каучук
Через 10 лет после первого применения натурального каучука и более детального изучения его химических физических свойств было предложено вводить каучук в оксиды кальция и магния. А ещё через 5 лет после изучения свойств нагретой смеси оксидов свинца и серы с каучуком научились получать резину. Сам процесс превращения каучука в резину назвали вулканизацией.
В начале 20 века, когда появился первый автомобиль, спрос на резину значительно возрос. В то же время возрос спрос и на натуральный каучук, так как на тот момент вся резина изготавливалась из сока тропических деревьев. Например, чтобы получить тонну резины, необходимо было обработать почти 3 тонны тропических деревьев, при этом работой было занято одновременно более 5 тысяч человек, причём такую массу резины могли получить только через год.
Поэтому, резина и натуральный каучук считались достаточно дорогим материалом.
Только в конце 20х годов русским учёным Лебедевым С.В. при химической реакции - полимеризации бутадиена-1,3 на натриевом катализаторе были получены образцы первого натрий-бутадиенового синтетического каучука.
Одним из достаточно дешёвых способов получения бутадиена-1,3, является его получение из этилового спирта. Но только в 30-х годах было налажено промышленное производство каучука в России.
реакция получения бутадиена
В середине 30-х годов 20 века научились производить сополимеры, представляющие полимеризованный 1,3-бутадиен. Химическая реакция производилась в присутствии стирола или некоторых других химических веществ. Вскоре получаемые сополимеры начали с большими темпами вытеснять каучуки, которые ранее широко использовались для производства шин. Каучук бутадиен-стирольный получил широкое применение для производства шин легковых автомобилей, но для тяжёлого транспорта - грузовых автомобилей и самолётов, использовался натуральный каучук (или изопреновый синтетический).
В середине 20 века после получения нового катализатора Циглера — Натты был получен синтетический каучук , который по своим свойствам эластичности и прочности значительно выше, чем все ранее известные каучуки, - был получен полибутадиен и полиизопрен. Но как оказалось, к общему удивлению полученный синтетический каучук по своим свойствам и строению подобен натуральному каучуку! А к концу 20 века натуральный каучук был почти полностью вытеснен синтетическим.
Свойства каучука
Все хорошо знают, что при нагревании материалы способны расширяться. В физике даже имеются коэффициенты температурного расширения, для каждого взятого материала этот коэффициент свой. Расширению поддаются твёрдые тела, газы, жидкости. Но что, если температура увеличилась на несколько десятков градусов?! Для твёрдых тел изменений мы не почувствуем (хотя они есть!). Что касается высокомолекулярных соединений, например полимеров, их изменение сразу становится заметным, особенно если речь идёт об эластичных полимерах, способных хорошо тянуться. Заметным, да ещё к тому же с совсем обратным эффектом!
Ещё в начале 19 века английские учёные обнаружили, что растянутый жгут из нескольких полосок натурального каучука при нагревании уменьшался (сжимался), а вот при охлаждении - растягивался. Опыт был подтверждён в середине 19 века.
Вы сами с лёгкостью можете повторить этот опыт, подвесив на резиновую ленту грузик. Она растянется под его весом. Потом обдуйте её феном - увидите, как она сожмётся от температуры!
Почему так происходит?! К этому эффекту можно применить принцип Ле Шателье, который гласит, что если воздействовать на систему , находящуюся в равновесии, то это приведёт к изменению равновесия самой системы, а это изменение будет противодействовать внешним силовым факторам. То есть если на растянуть под действием груза жгуты каучука (система в равновесии) подействовать феном (внешнее воздействие), то система выйдет из равновесия (жгут будет сжиматься), причём сжатие - действие направлено в обратную сторону от силы тяжести груза!
При очень резком и сильном растяжении жгута он нагреется (нагрев может на ощупь быть и незаметным), после растяжения система будет стремиться принять равновесное состояние и постепенно охладится до окружающей температуры. Если жгуты каучука также резко сжать - охладится, далее будет нагреваться до равновесной температуры.
Что происходит при деформации каучука?
При проведённых исследованиях оказалось, что с точки зрения термодинамики, никакого изменения внутренней энергии при различных положениях (изгибах) этих каучуковых жгутов не происходит. А вот если растянуть - то внутренняя энергия увеличивается из-за возрастания скорости движения молекул внутри материала. Из курса физики и термодинамики известно, что изменение скорости движения молекул материала (тот же каучук) отражается на температуре самого материала.
дальнейшем, растянутые жгуты каучука будут постепенно охлаждаться, так как движущиеся молекулы будут отдавать свою энергию, например, рукам и другим молекулам, то есть произойдёт постепенное выравнивание энергии внутри материала между молекулами (энтропия будет близка к нулю).
И вот теперь, когда наш жгут каучука принял температуру окружающей среды, можно снять нагрузку. Что при этом происходит?! В момент снятия нагрузки молекулы каучука ещё имеют низкий уровень внутренней энергии (они же ей поделились при растяжении!). Каучук сжался - с точки зрения физики была совершена работы за счёт собственной энергии, то есть своя внутренняя энергия (тепловая) была затрачена на возврат в исходное положение. Естественно ожидать, что температура должна понизится, - что и происходит на самом деле!
Резина - как уже говорилось, высокоэластичный полимер. Её структура состоит из хаотично расположенных длинных углеродным цепочек. Крепление таких цепочек между собой осуществлено с помощью атомов серы. Углеродные цепочки в нормальном состоянии находятся в скрученном виде, но если резину растянуть, то углеродные цепочки будут раскручиваться.
Можно провести интересный опыт с резиновыми жгутами и колесом. Вместо велосипедных спиц в велосипедном колесе использовать резиновые жгуты. Такое колесо подвесить, чтобы оно могло свободно вращаться. В случае, если все жгуты одинаково растянуты, то втулка в центре колеса будет расположена строго по его оси. А теперь попробуем нагреть горячим воздухом какой-нибудь участок колеса. Мы увидим, что та часть жгутов, которая нагрелась - сожмётся и сместит втулку в свою сторону. При этом произойдёт смещение центра тяжести колеса и соответственно колесо развернётся. После его смещения действию горячего воздуха подвергнутся следующие жгуты, что в свою очередь приведёт к их нагреванию и снова - к повороту колеса. Таким образом, колесо может непрерывно вращаться!
Это опыт подтверждает факт того, что при нагревании каучук и резина будут сжиматься, а при охлаждении - растянутся!
Перейти на английский
Rubber and caoutchouc
Читайте также: