§13. Синтетичні каучуки і ґума

Каучуки – еластичні полімери рослинного або синтетичного походження, з яких виготовляють ґуму

Характерна властивість каучуків – висока еластичність, тобто здатність після деформації відновлювати свою форму.

$Природний каучук добувають із молочного соку деяких тропічних дерев$

Природний каучук добувають із молочного соку деяких тропічних дерев. Вперше з виробами із каучука познайомився Колумб і його супутники, відвідавши острів Гаїті. Місцеві жителі Гаїті використовували для гри м’ячі, які мали дивовижні властивості – відстрибувати від твердої поверхні. Такі м’ячі виготовляли із речовини, добутої із молочного соку тропічного дерева гевеї. Цей сік називали као-чоу, тобто сльози дерева (као – «дерево», чоу – «текти»), звідси і походить термін «каучук».

Найбільше каучуку добувають з гевеї, батьківщиною якої є Бразилія. На деревах-каучуконосах роблять надрізи і збирають із них молочний сік (латекс), який складається із суміші вуглеводнів. Такий сік легко окиснюється, тому із молочного соку каучук виділяють нагріванням або коагуляцією розчином оцтової кислоти. Природний каучук є полімером ізопрену (2-метилбута-1,3-дієн). Це високомолекулярний ненасичений вуглеводень елементарного складу (С₅Н₈)_n, де n дорівнює в середньому 2500. Відносна молекулярна маса природного каучуку коливається в межах 15000-500000.

Природний каучук має високу клейкість, еластичність, текучість, білий колір, після коагуляції набуває жовтуватого кольору. Завдяки еластичності дуже стійкий проти зносу, легший за воду, розчиняється у бензині. Добутий каучук мало придатний до використання, оскільки в холодну пору року він стає крихким, а в жарку – м’ягким і липким, при довгому зберіганні твердне. Для поліпшення механічних та хімічних властивостей природного каучуку його вулканізують, перетворюючи на гуму. Вулканізація може бути гарячою або холодною. При гарячій вулканізації каучук нагрівають з сіркою, при холодній – протягом недовгого часу обробляють розчином сірки у сірковуглеці або хлористій сірці. Атоми сірки приєднуються в місцях подвійних зв’язків і ніби «зшивають» молекули одну з одною. Перед вулканізацією каучука використовують наповнювачі (глину, сажу, крейду, кремнезем), різні барвники і речовини, які збільшують термін використання ґуми, та прискорювачі вулканізації (меркаптани). У результаті процесу вулканізації утворюється ґума, яка значно міцніша невулканізованого каучука. Вулканізований каучук еластичний, непроникний для води і газів, міцний на розрив, не проводить електричний струм. Якщо до каучука в процесі вулканізації добавляють більше сірки, ніж її потрібно для добування ґуми, то утворюється ебоніт – твердий нееластичний матеріал, з якого виготовляють деталі електротехнічного призначення.

Каучук і гуму широко використовують у виробництві шин (60%), транспортних стрічок, прокладок, клеїв, ебонітів, гумових виробів, які використовуються у побуті, медицині, спорті.

Основні виробники каучуку – Малайзія, Індонезія, Індія, Китай.

Синтетичні каучуки

Природний каучук добувають у значній кількості, проте цього недостатньо, щоб задовільнити зростаючі потреби, тому вчені створили синтетичні каучуки. Уперше синтетичний каучук у промислових масштабах було вироблено в колишньому Радянському Союзі в 1932 р. за методом С. В. Лебедєва. Вихідною сировиною для добування синтетичного каучука за його методом був етанол, який добували із харчової сировини. Пари етилового спирту при температурі 400-500ºС пропускали над каталізатором (суміш Al₂O₃ і ZnO, у відношенні 3:1) і отримували суміш речовин з яких виділяли дивініл. Полімеризацією дивінілу отримували масу, яка за своїми властивостями нагадувала природний каучук. Етапи виробництва схематично можна зобразити так:

(С₆Н₁₀О₅)_n (крохмаль) → С₆Н₁₂О₆ (глюкоза) → С₂Н₅ОН (етанол) → СН₂=СН–СН=СН₂ (бута-1,3-дієн) → (–СН₂–СН=СН–СН₂–)_n (каучук)

Нині бута-1,3-дієн одержують дегідруванням нормального бутану, який виділяють із супутнього нафтового газу і продуктів переробки нафти.

Більшість реакцій полімеризації, за допомогою яких добувають каучуки, відбуваються за участю каталізаторів. Спрощена схема реакції добування бутадієн-стирольного каучука:
n СН₂=СН₂–СН₂=СН₂ (бутадієн) + m СН₂=СН–С₆Н₅ (стирол) → (–СН₂–СН=СН–СН₂–СН₂–СНС₆Н₅–)n

Залежно від мономерів розрізняють такі каучуки:

Назва	Мономери	Властивості, застосування
Бутадієновий	бута-1,3-дієн	Характерна водо- і газонепроникність, менша еластичність, ніж у природного. Для виробництва кабелів, взуття, побутових виробів
Ізопреновий	2-метилбута-1,3-дієн	За еластичністю і зносостійкістю подібний до природного. Виробництво шин
Хлоропреновий	2-хлор-бута-1,3-дієн	Стійкий проти окисників і високих температур, бензинів і мастил. Виробництво деталей машин та апаратів, кабелів, трубопроводів для перекачування нафти і бензинів
Бутадієн-стирольний	бута-1,3-дієн, стирол	Газонепроникний, зносостійкий, але недостатньо жаростійкий. Стрічки для транспортерів, виробництво шин, конвеєрних доріжок, взуття, медичних і спортивних виробів, ізоляційних матеріалів
Дивініловий	бута-1,3-дієн	За еластичністю і зносостійкості кращий від природного. Виробництво шин

Промисловість виробляє ряд інших видів каучуку, що мають як загальне так і спеціальне призначення.

Лабораторна робота 5. Ознайомлення зі зразками каучуків

Ознайомтеся з колекцією каучуків і виробів з них. За матеріалом підручника та різними інформаційними джерелами з’ясуйте склад зразків і встановіть властивості, які забезпечують використання кожного з них у тій чи іншій галузі промисловості, побуті, медицині, спорті тощо.

Результати досліджень оформіть у робочих зошитах у вигляді таблиці:

Назва	Хімічна формула	Зовнішній вигляд	Властивості	Використання

Каучуки мають високу міцність і еластичність. Найбільше синтетичних каучуків використовує машинобудівна промисловість. Із синтетичних каучуків виготовляють технічні вироби, гумове взуття та гумові вироби, прогумовані тканини, медичні товари тощо.

Завдання для самоконтролю

▲● 214. Шляхом нагрівання каучуку із сіркою отримують:
а) асфальт;
б) ізопрен;
в) ґуму;
г) мазут.

215. Каучук – це:
а) високомолекулярний ненасичений вуглеводень;
б) суміш складних полімерних молекул;
в) високомолекулярна сполука.

216. Природний каучук – це полімер:
а) поліетилену;
б) ізопрену;
в) стиролу.

217. Природний каучук міститься у соці:
а) дуба;
б) гевеї;
в) евкаліпта.

●● 218. Вихідною речовиною для синтезу каучука за методом С. В. Лєбєдєва був:
а) етилен;
б) етанол;
в) ацетилен.

219. Вулканізація – це взаємодія каучука із:
а) вугіллям;
б) сіркою;
в) піском.

220. Перший синтезований каучук:
а) дивініловий;
б) ізопренів;
в) хлоропреновий.

221. Дивініл можна добути із:
а) етанолу;
б) бутану;
в) пропану.

222. Каучук з великим вмістом сірки називають:
а) ебонітом;
б) ґумою.

●●● 223. Суть процесу вулканізації:
а) ненасичені лінійні молекули каучука з’єднуються між собою у різних місцях атомами Сульфуру;
б) сполучення молекул ізопрену між собою за рахунок подвійних зв’язків;
в) утворення високомолекулярної сполуки сітчастої будови.

224. Коефіцієнт полімеризації природного каучука складає:
а) 2500;
б) 600;
в) 5000.

225. Склад природного каучука можна виразити молекулярною формулою:
а) (С₅Н₈)_n;
б) (С₄Н₉)_n;
d) (С₁₆Н₃₀)_n.

●●●●226.Скільки бутадієну можна добути із етилового спирту, взятого:
а) масою 184 кг;
б) кількістю речовини 8 моль?
Вихід продукту 96% від теоретично можливого.

227. Скільки бутадієну можна добути при 100% виході із 220 кг бутилену, що містить 2% домішок?