§ 45. Синтетические каучуки

Определения и обозначения

Синтетический каучук — эластичный полимер, получаемый химическим синтезом из низкомолекулярных веществ и применяемый для изготовления резины. Иными словами, его длинные молекулы создают материал, который может растягиваться и затем возвращаться к исходной форме. Это общее название группы материалов, свойства которых можно подбирать для разных изделий.

Бутадиеновый каучук — полимер бутадиена-1,3, образующийся при полимеризации мономера с сохранением двойных связей в цепи. Повторяющееся звено его макромолекулы записывают как [–CH₂–CH=CH–CH₂–]ₙ. По этой записи видно, как исходные молекулы соединяются в длинную цепь.

Изопреновый каучук — синтетический полимер изопрена, по строению и свойствам близкий к натуральному каучуку. В его звене присутствует метильная группа –CH₃, которой нет в звене полибутадиена. Сравнение этих звеньев помогает связать различие в исходных мономерах со свойствами материалов.

Хлоропреновый каучук — полимер хлоропрена, отличающийся повышенной стойкостью к маслам, нагреванию и атмосферным воздействиям. Его особенность связана с наличием атома хлора в составе мономера. Название помогает сразу узнать материал, рассчитанный на работу в более жёстких условиях.

Как это устроено

Бутадиен-1,3, изопрен и хлоропрен содержат по две двойные связи и поэтому относятся к диеновым углеводородам или их производным. Во время полимеризации эти связи участвуют в соединении молекул: образуются новые связи между мономерами, и возникает длинная цепь. При этом в звене обычно остаётся одна двойная связь, поэтому полимер не становится полностью насыщенным. Такое строение характерно для каучуков и позволяет цепям сохранять подвижность, необходимую для эластичности.

Исходный мономер определяет, какие атомы и группы окажутся в повторяющихся звеньях полимера. Например, изопрен несёт метильную группу, а хлоропрен — атом хлора; эти особенности меняют взаимодействие цепей с окружающей средой и влияют на их свойства. Поэтому каучуки на основе разных мономеров отличаются эластичностью, прочностью и устойчивостью к нагреванию, маслам и погодным воздействиям. Зная состав мономера, можно выбирать полимер для конкретного изделия, хотя точные характеристики зависят также от способа получения и обработки.

Для бутадиен-1,3 уравнение полимеризации записывают так: n CH₂=CH–CH=CH₂ → [–CH₂–CH=CH–CH₂–]ₙ. При образовании звена молекулы соединяются, раскрывая по одной из своих двойных связей, а другая часть ненасыщенности сохраняется в цепи. Поэтому в повторяющемся звене нельзя оставлять обе исходные двойные связи: его строение нужно получить из схемы превращения мономера. Индекс n показывает, что звено многократно повторяется в макромолекуле.

Натуральный каучук получают из природного сырья, тогда как синтетический производят химической реакцией из заданных мономеров. Синтез помогает получать материал с более однородным составом и в определённых пределах управлять его свойствами, меняя мономер или условия производства. Натуральный каучук тоже представляет собой полимер и близок по строению к изопреновому. Различия между ними связаны прежде всего с происхождением и способом получения, а не с тем, что только один из них является полимером.

Необработанный каучук может быть липким, слишком мягким или недостаточно прочным для изделий, которые испытывают нагрузку. При вулканизации между макромолекулами возникают поперечные связи, часто с участием серы, и отдельные цепи объединяются в пространственную сетку. Такая сетка ограничивает чрезмерное перемещение цепей, но позволяет материалу упруго деформироваться. В результате каучук превращается в резину, более прочную и устойчивую при использовании.

Сравнение основных каучуков

Сравнивайте материалы по исходному мономеру, а затем связывайте его состав с особенностями повторяющегося звена. Последний столбец показывает, для чего выбирают каждый вид каучука; это примеры применения, а не исчерпывающий список. Натуральный каучук включён для сопоставления происхождения и свойств.

Разбор задач

1. Полимеризация бутадиена-1,3

Условие. Составьте уравнение полимеризации бутадиена-1,3 и назовите образующийся полимер. Нужно показать не просто соединение молекул, но и то, какая часть двойных связей остаётся в повторяющемся звене.

1. Запишем формулу мономера: CH₂=CH–CH=CH₂. Это диен с двумя двойными связями, поэтому при полимеризации мономеры могут соединяться в цепь.

2. Покажем повторяющееся звено, в котором раскрыта одна из связей и сохранена другая: –CH₂–CH=CH–CH₂–. Скобки и индекс n обозначают многократное повторение этого звена.

3. Объединим мономер и продукт в уравнение: n CH₂=CH–CH=CH₂ → [–CH₂–CH=CH–CH₂–]ₙ. Поскольку продукт получен из бутадиена-1,3, он называется бутадиеновым каучуком, или полибутадиеном.

Ответ: n CH₂=CH–CH=CH₂ → [–CH₂–CH=CH–CH₂–]ₙ; образуется бутадиеновый каучук (полибутадиен).

2. Определение мономера по звену

Условие. Повторяющееся звено содержит боковую метильную группу; определите мономер и запишите схему реакции. Здесь важно восстановить исходный диен, учитывая, что одна двойная связь раскрылась при образовании цепи.

1. Сравним возможные мономеры: у бутадиена боковой группы нет, а у изопрена есть группа –CH₃. Значит, метильная группа в звене указывает на изопреновый каучук.

2. Соответствующее звено имеет вид –CH₂–C(CH₃)=CH–CH₂–. Его повторение в макромолекуле можно записать как [–CH₂–C(CH₃)=CH–CH₂–]ₙ.

3. Запишем мономер изопрен: CH₂=C(CH₃)–CH=CH₂. При полимеризации он даёт указанное звено, поэтому схема реакции такова: n CH₂=C(CH₃)–CH=CH₂ → [–CH₂–C(CH₃)=CH–CH₂–]ₙ.

Ответ: мономер — изопрен; образуется изопреновый каучук.

3. Масса каучука с учётом выхода

Условие. Найдите массу бутадиенового каучука из заданной массы бутадиена-1,3 при указанном выходе реакции. Числовые значения в условии не приведены, поэтому решение запишем через m₀ — массу мономера, а η — выход в процентах. При присоединительной полимеризации побочные продукты не выделяются, поэтому теоретическая масса полимера равна массе прореагировавшего мономера.

1. Запишем уравнение: n C₄H₆ → (C₄H₆)ₙ. Из него следует, что звено и мономер имеют одинаковый состав, а значит, их молярные массы равны: M(C₄H₆) = 4 · 12 + 6 · 1 = 54 г/моль.

2. Если весь бутадиен вступил в реакцию, теоретически образуется mтеор. = m₀ каучука. Молярную массу можно использовать и через количество вещества: n = m₀ / 54, а масса звеньев равна n · 54 = m₀.

3. Практический выход учитываем умножением на долю выхода: mпракт. = mтеор. · η / 100% = m₀ · η / 100%. Подставьте в эту формулу массу из условия и процент выхода, записанный числом.

Ответ: mпракт. = m₀ · η / 100%; для численного результата нужны заданные масса бутадиена и выход реакции.

Типичные ошибки

Считать, что каучук получают поликонденсацией, — ошибка: при поликонденсации обычно выделяются небольшие молекулы, а бутадиен, изопрен и хлоропрен соединяются присоединительной полимеризацией. Путают эти процессы, потому что оба приводят к образованию полимера. Проверьте уравнение: если мономеры присоединяются без выделения побочного продукта, это полимеризация присоединения.

Ещё одна ошибка — переносить в повторяющееся звено обе двойные связи исходного диена. Так рассуждают, когда просто копируют формулу мономера, не прослеживая превращение связей. Проверьте звено по уравнению: одна связь участвует в соединении мономеров, а другая обычно сохраняется внутри цепи.

Каучук и резина — не одно и то же: каучук служит исходным полимером, а резина получается после вулканизации. Их отождествляют, потому что оба материала эластичны и используются в похожих изделиях. Чтобы не ошибиться, выясните, указаны ли в задаче необработанный полимер или уже сшитый продукт вулканизации.

Нельзя считать, что все синтетические каучуки обладают одинаковыми свойствами: их мономеры и строение цепей различаются. Путаница возникает из-за общего назначения этих материалов — производства резины. Сверьте состав повторяющегося звена и ищите заместители; например, атом хлора связан с повышенной стойкостью хлоропренового каучука.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении и названиях алкадиенов, особенно бутадиена-1,3, изопрена и хлоропрена, а также о полимеризации. Она продолжает изучение высокомолекулярных соединений и связывает строение молекул с получением пластмасс, волокон и резины. Эти знания помогают понять вулканизацию, состав резины и переработку полимеров. Они также пригодятся при выборе материалов для шин, уплотнителей, кабельной изоляции и медицинских изделий.

Что запомнить

• Синтетические каучуки получают полимеризацией непредельных углеводородов, главным образом диенов.
• Основные мономеры для получения каучуков — бутадиен-1,3, изопрен и хлоропрен.
• При полимеризации диена двойные связи частично раскрываются, но ненасыщенность цепи обычно сохраняется.
• Свойства каучука зависят от состава мономера и строения макромолекул.
• Изопреновый каучук близок к натуральному по строению и свойствам.
• Хлоропреновый каучук отличается повышенной стойкостью к маслам, нагреванию и атмосферным воздействиям.
• Вулканизация сшивает макромолекулы и превращает каучук в более прочную и упругую резину.