§ 41. Синтетические каучуки

Определения и обозначения

Синтетический каучук — эластичный полимер, полученный химическим синтезом из низкомолекулярных веществ. Натуральный каучук образуется в растениях и выделяется из природного сырья, а синтетический производят из специально подобранных мономеров. Это различие важно: синтез позволяет получать материал в нужном количестве и задавать ему требуемые свойства.

Бутадиеновый каучук — полимер бутадиена-1,3, мономера с формулой CH₂=CH–CH=CH₂. При образовании цепи в ней остаются гибкие звенья с двойными связями, способные менять расположение при растяжении. Такая подвижность цепей помогает материалу растягиваться и возвращаться к исходной форме.

Изопреновый каучук — полимер изопрена, или 2-метилбутадиена-1,3. Его звенья похожи на звенья натурального каучука, поэтому сходны и многие свойства этих материалов. Сравнение строения помогает понять, почему оба полимера эластичны.

Вулканизация — обработка каучука серой, при которой между полимерными цепями образуются поперечные связи. Цепи уже не скользят друг относительно друга так свободно, поэтому материал становится прочнее и упруже. После вулканизации получают резину, свойства которой подходят для изготовления изделий.

Как это устроено

Потребность в каучуке росла вместе с производством шин, кабелей и уплотнителей, а природные источники были ограничены. Получать весь необходимый материал только из растений было трудно: объём сырья зависел от природных условий и возможностей его заготовки. Поэтому стали искать способы синтезировать полимер из доступных веществ. Химический синтез позволил расширить производство и создавать каучуки с заданными характеристиками.

При полимеризации бутадиена-1,3 раскрываются двойные связи мономеров и формируется длинная цепь. В одном из вариантов присоединения звено имеет вид –CH₂–CH=CH–CH₂–, а двойная связь сохраняется внутри цепи. Она не означает, что материал твёрдый: макромолекулы длинные и гибкие, а их участки могут менять положение. При растяжении цепи распрямляются, а после снятия нагрузки стремятся свернуться обратно, поэтому каучук восстанавливает форму.

Изопреновый каучук образуется из изопрена, в молекуле которого есть углеродный скелет, сходный с фрагментом натурального каучука. Натуральный каучук преимущественно представляет собой цис-1,4-полиизопрен, поэтому близкое строение цепей объясняет сходство их эластичности. Сходство не означает, что природный и синтетический материалы обязательно одинаковы по чистоте или свойствам: на них влияют состав и способ получения. Однако общий тип повторяющихся звеньев помогает понять, почему они ведут себя похоже.

Чтобы изменить свойства материала, бутадиен полимеризуют вместе с другим мономером — проводят сополимеризацию. Например, стирол добавляет сополимеру иные структурные звенья, а акрилонитрил придаёт ему повышенную устойчивость к маслам. Поэтому подбор состава позволяет получить материал для конкретных условий эксплуатации. При выборе учитывают не только эластичность, но и контакт с жидкостями, износ и требуемую прочность.

Вулканизация серой создаёт связи между соседними макромолекулами и как бы закрепляет их взаимное расположение. Без таких связей цепи могут сильнее смещаться относительно друг друга, а изделие хуже сохраняет форму при нагрузке. После сшивания материал становится прочнее и упруже, но сохраняет способность к эластичной деформации. Полученный вулканизацией каучук называют резиной; подбор условий обработки позволяет менять её свойства.

Синтетические каучуки: получение, свойства и применение

Таблица показывает, что мономерный состав связан с особенностями и использованием материала. Это не исчерпывающий перечень свойств: конкретные характеристики зависят также от состава смеси и обработки. Сопоставляйте строки по нужному условию эксплуатации, например по устойчивости к маслам.

Разбор задач

Полимеризация бутадиена

Задача. Запишите уравнение полимеризации бутадиена-1,3 в общем виде, указав повторяющееся звено. Нужно показать, как множество молекул мономера объединяются в одну макромолекулу. Для этого указывают число n молекул и структуру звена в квадратных скобках.

1. Записываем формулу мономера: CH₂=CH–CH=CH₂. В ней две двойные связи, но при 1,4-присоединении раскрываются связи, участвующие в соединении мономеров.
2. Обозначаем повторяющееся звено цепи: –CH₂–CH=CH–CH₂–. Двойная связь остаётся внутри звена, а не исчезает полностью.
3. Собираем уравнение: n CH₂=CH–CH=CH₂ → [–CH₂–CH=CH–CH₂–]ₙ. Индекс n показывает, что звено повторяется много раз.

Ответ: n CH₂=CH–CH=CH₂ → [–CH₂–CH=CH–CH₂–]ₙ. Мономер — отдельная молекула бутадиена, а повторяющееся звено — фрагмент уже образованной полимерной цепи. Их нельзя называть одним и тем же.

Масса мономера с учётом выхода

Задача. При полимеризации бутадиена-1,3 получили 10,8 кг полимера; выход реакции равен 90%. Найдите массу израсходованного мономера. При полимеризации без выделения побочных продуктов масса образовавшегося полимера равна массе прореагировавшего мономера. Однако реальный выход меньше теоретического, поэтому 10,8 кг составляют только 90% возможной массы.

1. Обозначим через m теоретическую массу полимера, которая соответствует всей массе израсходованного мономера. По условию 0,90m = 10,8 кг.
2. Находим m: 10,8 ÷ 0,90 = 12 кг. Это масса мономера, вступившего в реакцию, если побочные продукты не образуются.

Ответ: 12 кг бутадиена-1,3. Проверка: 90% от 12 кг составляет 10,8 кг полученного полимера. Делить на 0,90 нужно потому, что заданная масса продукта меньше теоретической.

Выбор сополимера

Задача. Сравните бутадиен-стирольный и бутадиен-нитрильный каучуки и выберите материал для изделий, соприкасающихся с маслами. В первом сополимере звенья образованы бутадиеном и стиролом, во втором — бутадиеном и акрилонитрилом. Нужно связать состав не просто с названием, а с требуемым условием работы изделия.

1. Уточняем состав: бутадиен-стирольный каучук содержит звенья стирола, а бутадиен-нитрильный — звенья акрилонитрила. Это разные сополимеры, поэтому их свойства не совпадают.
2. Сопоставляем требование: при контакте с маслами важна устойчивость к их действию. Бутадиен-нитрильный каучук обладает такой устойчивостью лучше, чем бутадиен-стирольный.
3. Выбираем материал по главному условию задачи, не предполагая, что один вид лучше во всех отношениях. Для деталей, контактирующих с маслами, подходит бутадиен-нитрильный каучук.

Ответ: для маслостойких изделий целесообразно выбрать бутадиен-нитрильный каучук. Бутадиен-стирольный часто используют там, где важна износостойкость, например в шинах. Окончательный выбор материала зависит и от других условий эксплуатации.

Типичные ошибки

Ошибка — считать каучук отдельной молекулой фиксированного состава. Так думают, потому что на схеме часто изображают одно повторяющееся звено, но полимер состоит из длинных макромолекул с большим числом звеньев. Проверяйте себя: если в записи есть n, перед вами обозначение цепи, а не одной небольшой молекулы. Число звеньев в реальном полимере может быть большим и неодинаковым.

Ошибка — записывать полимеризацию так, будто двойные связи мономеров совсем не меняются. При соединении молекул часть связей перестраивается, иначе углеродные атомы не образовали бы общую цепь. Эту ошибку допускают, когда просто приписывают n к формуле исходного вещества. Проверка: сравните формулы мономера и повторяющегося звена и проследите, как атомы вошли в цепь.

Ошибка — называть каучук и резину одним материалом. Каучук является полимерной основой, а резину получают из него вулканизацией, поэтому это не взаимозаменяемые понятия. Путаница возникает, потому что оба материала эластичны и применяются для похожих изделий. Проверяйте формулировку: если упоминаются серные поперечные связи, речь идёт о вулканизированном материале.

Ошибка — считать, что все синтетические каучуки обладают одинаковыми свойствами. Само слово «синтетический» говорит о способе получения, а не о конкретной устойчивости или прочности. Разные мономеры и их соотношение меняют строение сополимера, поэтому для масел выбирают не то же самое, что для другой среды. Чтобы проверить себя, связывайте название каучука с его составом и условием применения.

Связь с другими темами

Для понимания каучуков нужны знания о строении алкадиенов, прежде всего бутадиена-1,3 и изопрена. Важно уметь записывать их структурные формулы и находить двойные связи. Тема опирается также на понятия мономера, полимера, полимеризации и повторяющегося звена: без них трудно объяснить образование цепей. Эти знания пригодятся при изучении полимерных материалов, химических производств и при выборе материала для технического изделия.

Что запомнить

• Синтетические каучуки получают из низкомолекулярных органических веществ.
• Основой ряда каучуков служат бутадиен-1,3 и изопрен.
• Полимеризация диенов приводит к образованию длинных макромолекулярных цепей.
• Сополимеризация позволяет менять состав и свойства каучука.
• Свойства синтетического каучука зависят от строения его цепей и состава.
• При вулканизации цепи каучука сшиваются; продукт обработки называют резиной.