§ 44. Натуральный каучук

Определения и обозначения

Латекс — природная водная эмульсия, то есть смесь мельчайших частиц каучука с водой. Его получают из млечного сока каучуконосных растений, например бразильской гевеи. Понятие нужно, чтобы отличать исходное природное сырьё от выделенного из него твёрдого каучука.

Изопрен — непредельный углеводород состава C₅H₈, мономер натурального каучука. Его структурная формула: CH₂=C(CH₃)–CH=CH₂. Это обозначение помогает понять, из каких небольших молекул построены длинные цепи полимера.

Натуральный каучук — природный эластичный полимер, состоящий главным образом из цис-полиизопрена. Полимером называют вещество из множества повторяющихся звеньев. Такое определение связывает происхождение каучука с его молекулярным строением и свойствами.

Вулканизация — нагревание каучука с серой, при котором между полимерными цепями образуются поперечные связи. Они соединяют соседние цепи в единую пространственную сетку. Поэтому вулканизация нужна для повышения прочности, упругости и теплостойкости материала.

Как это устроено

Латекс добывают, делая надрезы на коре каучуконосных растений: млечный сок вытекает и собирается в ёмкости. В нём частицы каучука распределены в воде, поэтому латекс выглядит как жидкая природная система. Чтобы выделить каучук, из латекса удаляют воду и отделяют полимерные частицы, получая плотный эластичный материал.

Молекулы изопрена соединяются реакцией полимеризации. При этом двойные связи в молекулах раскрываются, и освободившиеся валентности связывают соседние молекулы в непрерывную цепь. В результате вместо множества маленьких молекул образуется полиизопрен с повторяющимися звеньями и большой относительной молекулярной массой.

В натуральном каучуке преобладает цис-строение звеньев полиизопрена. Такая пространственная конфигурация не выстраивает цепи в жёсткие прямые ряды: они остаются гибкими и свёрнутыми. При растяжении цепи распрямляются, а после снятия нагрузки возвращаются к более хаотичному состоянию, поэтому каучук восстанавливает форму.

Гибкие слабо связанные цепи объясняют основные свойства необработанного каучука. Он эластичен и почти не пропускает воду, потому что полимер образует плотную непрерывную массу. Однако цепи легко смещаются друг относительно друга, поэтому материал имеет невысокую прочность, может деформироваться при нагрузке и плохо сохраняет свойства при нагревании.

При вулканизации каучук нагревают с серой, и между отдельными цепями возникают серные поперечные связи. Цепи уже не могут свободно расходиться и скользить, поэтому нагрузка распределяется по пространственной сетке. Материал становится прочнее и упруже, лучше сохраняет форму и выдерживает более высокую температуру, хотя чрезмерное количество связей сделало бы его жёстким.

Состав, строение и свойства материалов на основе натурального каучука

Таблица показывает последовательность перехода от природного сырья к готовому материалу. Сначала найдите различия в составе и строении, затем свяжите их с изменением свойств и применением. Латекс и натуральный каучук не следует считать одним и тем же веществом: первый является водной дисперсией, а второй — выделенным полимером.

Разбор задач

1. Мономер натурального каучука

Условие. Нужно назвать мономер натурального каучука, указать его молекулярную и структурную формулы. Мономер — исходная небольшая молекула, из которой строится полимер. Следовательно, искать нужно не формулу всей цепи каучука, а формулу одного углеводорода.

1. Натуральный каучук является полиизопреном, значит, его мономер — изопрен.
2. Изопрен относится к диеновым углеводородам и содержит пять атомов углерода: его формула C₅H₈.
3. Структурная формула изопрена: CH₂=C(CH₃)–CH=CH₂. Наличие двух двойных связей позволяет молекулам соединяться в цепь.

Ответ: мономер натурального каучука — изопрен C₅H₈, CH₂=C(CH₃)–CH=CH₂. При полимеризации его двойные связи участвуют в образовании цепи.

2. Средняя степень полимеризации

Условие. Средняя относительная молекулярная масса образца полиизопрена равна 68 000, а относительная молекулярная масса повторяющегося звена — 68. Требуется найти среднюю степень полимеризации n. Она показывает, сколько звеньев в среднем приходится на одну макромолекулу.

1. Записываем связь между массой полимера и массой звена: M_{полимера} = n · M_звена.
2. Выражаем неизвестную величину: n = M_{полимера} / M_звена.
3. Подставляем данные: n = 68 000 / 68 = 1000. Единицы измерения сокращаются, поскольку обе величины относительные молекулярные массы.

Ответ: средняя степень полимеризации равна 1000. Это означает, что в среднем одна макромолекула содержит около тысячи повторяющихся звеньев полиизопрена.

3. Изменение свойств при вулканизации

Условие. Нужно объяснить, почему после вулканизации каучук становится прочнее и лучше сохраняет форму, а также назвать связи между цепями. Одного указания на нагревание недостаточно: нужно связать свойства с изменением строения полимера. Главную роль играет сера, добавленная при обработке.

1. До вулканизации цепи полиизопрена в основном удерживаются слабыми взаимодействиями и могут смещаться друг относительно друга.
2. При нагревании сера образует поперечные серные связи между соседними цепями.
3. Возникает пространственная сетка: цепям труднее скользить и необратимо расходиться, поэтому материал прочнее, упруже и лучше сохраняет форму.

Ответ: при вулканизации образуются поперечные серные связи между цепями полиизопрена. Они ограничивают их свободное перемещение и повышают прочность, упругость и теплостойкость каучука.

Типичные ошибки

Называть натуральный каучук изопреном. Изопрен — мономер, а каучук — полимер, состоящий из множества связанных звеньев. Проверка простая: у мономера одна небольшая молекула, у полимера — длинная цепь.

Записывать состав звена как C₅H₈ без пояснения. По составу повторяющееся звено соответствует изопрену, но при полимеризации двойные связи раскрываются и образуются новые связи между мономерами. Нужно указать не только формулу, но и способ соединения звеньев.

Считать латекс готовым каучуком. Латекс — это природное сырьё, где частицы каучука распределены в воде, а не готовый твёрдый полимерный материал. Проверьте себя вопросом: является ли описываемая система жидкой водной дисперсией?

Путать вулканизацию с сушкой или простым нагреванием. При сушке удаляется вода, а при вулканизации сера создаёт поперечные связи между цепями полимера. Если в объяснении нет серных связей и изменения пространственной структуры, оно неполное.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об алкадиенах: изопрен содержит две двойные связи, поэтому способен к полимеризации. Также важно различать мономер, повторяющееся звено и полимер, иначе легко перепутать изопрен с полиизопреном.

Полимеризация натурального каучука связывает органическую химию со строением высокомолекулярных соединений. По такой же логике рассматривают многие пластмассы и синтетические каучуки.

Вулканизация показывает, как химическое изменение структуры позволяет получать материал с заданными свойствами. Эта идея пригодится при изучении резины, синтетических каучуков и способов переработки полимеров.

Что запомнить

• Натуральный каучук получают главным образом из латекса каучуконосных растений.
• Мономер натурального каучука — изопрен C₅H₈.
• Натуральный каучук состоит преимущественно из цис-полиизопрена.
• Полиизопрен образуется при полимеризации изопрена.
• Эластичность каучука связана с гибкостью и особенностями пространственного строения его цепей.
• Вулканизация серой создаёт поперечные связи между цепями.
• Вулканизированный каучук называют резиной и используют для изготовления прочных эластичных изделий.