Страница 35 - гдз по химии 10 класс учебник Габриелян, Остроумов

6. Проблема плащевой ткани, пропитанной натуральным каучуком, заключалась в его физических свойствах. Натуральный каучук является полимером (полиизопреном), длинные молекулы которого не связаны между собой. Это приводит к тому, что при повышении температуры (на солнце) связи между молекулами ослабевают, они начинают скользить друг относительно друга, и материал размягчается и становится липким. При понижении температуры (на морозе) гибкость молекулярных цепей снижается, и материал теряет эластичность, становясь твёрдым и хрупким.

Открытие американца Чарлза Гудьира, сделанное в 1839 году, заключалось в изобретении процесса вулканизации. Он случайно обнаружил, что если каучук смешать с серой и нагреть, то он приобретает совершенно новые свойства.

Суть процесса вулканизации состоит в том, что атомы серы образуют химические связи, так называемые «дисульфидные мостики» ($-S-S-$), которые «сшивают» длинные линейные молекулы каучука в единую трёхмерную пространственную сетку. Эта сетчатая структура и придаёт новому материалу — резине — уникальные качества:

• Высокая эластичность в широком диапазоне температур.
• Прочность и устойчивость к истиранию.
• Термостойкость (резина не размягчается при нагревании).
• Морозостойкость (резина не становится хрупкой на холоде).

Таким образом, открытие Гудьира позволило превратить непрактичный натуральный каучук в прочную, эластичную и устойчивую к перепадам температур резину, что и устранило недостатки плащевого материала.

Ответ: Открытие Чарлза Гудьира заключалось в процессе вулканизации — нагревании каучука с серой. В результате этого процесса молекулы каучука «сшиваются» между собой, образуя прочный и эластичный материал (резину), который не размягчается на солнце и не становится хрупким на морозе.

Превращение каучука в резину: история одного открытия

История превращения натурального каучука в прочную и эластичную резину — это история настойчивости, случайности и научного прорыва, которая изменила мир. В центре этой истории стоит американский изобретатель Чарльз Гудьир (Charles Goodyear), чье открытие стало одним из ключевых для Промышленной революции.

Проблема натурального каучука

Натуральный каучук, получаемый из млечного сока дерева гевеи, был известен европейцам с XVI века, но его практическое применение было сильно ограничено. Главным недостатком материала являлась его крайняя чувствительность к температуре: в жаркую погоду он становился липким и мягким, теряя форму, а на холоде — твердел и становился хрупким, как стекло. Эти свойства делали изделия из сырого каучука, такие как непромокаемая обувь или одежда, практически бесполезными в реальных условиях. Многие изобретатели XIX века безуспешно пытались «вылечить» каучук, чтобы сделать его стабильным.

Настойчивость и случайное открытие Чарльза Гудьира

Чарльз Гудьир был одним из тех, кто был буквально одержим идеей сделать каучук полезным материалом. Он потратил годы жизни и все свои сбережения на бесконечные эксперименты, смешивая каучук с различными веществами: солью, перцем, магнезией, оксидом свинца и даже азотной кислотой. Его опыты часто заканчивались провалом, он несколько раз оказывался в долговой тюрьме из-за финансовых трудностей, но не прекращал своих поисков.

Решающий прорыв произошел в 1839 году и вошел в историю как классический пример случайного открытия. Согласно самой распространенной версии, Гудьир случайно уронил на раскаленную печь образец каучука, смешанного с серой. Вместо того чтобы полностью расплавиться, как обычно происходило с каучуком, смесь обуглилась, как кожа. Однако по краям, где нагрев был не таким сильным, образовалась эластичная, прочная и сухая кромка. Гудьир понял, что именно сочетание серы и высокой температуры придало каучуку новые, удивительные свойства. Этот процесс он позже назвал вулканизацией в честь Вулкана, древнеримского бога огня и кузнечного дела.

Химическая суть вулканизации

С научной точки зрения, натуральный каучук представляет собой полимер, состоящий из очень длинных, гибких и не связанных друг с другом цепочек молекул изопрена (формула мономера — $C_5H_8$). Эти цепи могут свободно скользить одна относительно другой, что и объясняет пластичность и липкость сырого каучука.

В процессе вулканизации при нагревании каучука с серой ($S$) атомы серы вступают в химическую реакцию с полимерными цепями. Они образуют прочные поперечные связи («мостики») между этими цепями, сшивая их в единую трехмерную сетчатую структуру. Эта структура не позволяет молекулам свободно смещаться, что делает материал прочным и упругим. При этом сохраняется гибкость, так как участки цепей между «мостиками» могут растягиваться и сжиматься. В результате получается резина — материал, который обладает высокой эластичностью, прочностью, износостойкостью и устойчивостью к температурным колебаниям.

Значение открытия

В 1844 году Чарльз Гудьир получил патент США на свой метод. Открытие вулканизации произвело настоящую революцию в промышленности. Резина стала незаменимым материалом для производства тысяч изделий: от автомобильных и велосипедных шин, которые сделали возможным современный транспорт, до приводных ремней, шлангов, уплотнителей, обувных подошв и медицинских перчаток. Без этого открытия невозможно представить развитие транспорта, машиностроения и многих других сфер современной жизни.

Несмотря на гениальность и важность своего изобретения, Чарльз Гудьир не смог извлечь из него коммерческую выгоду из-за многочисленных судебных тяжб по поводу патентов. Он умер в бедности в 1860 году. Однако его имя было увековечено в названии компании Goodyear Tire & Rubber Company, основанной в 1898 году, которая стала одним из крупнейших производителей шин и резиновых изделий в мире.

Ответ: История превращения каучука в резину — это история открытия процесса вулканизации, сделанного американским изобретателем Чарльзом Гудьиром в 1839 году. Путем случайного нагревания смеси каучука и серы он обнаружил, что этот процесс придает материалу прочность, эластичность и устойчивость к перепадам температур, решая главные недостатки натурального каучука. Химически вулканизация заключается в образовании поперечных серных «мостиков» между длинными полимерными цепями каучука, что создает прочную трехмерную сетку. Это открытие имело огромное значение для промышленности, сделав возможным массовое производство шин, ремней, шлангов и множества других изделий, без которых немыслим современный мир.

Углеводороды, молекулы которых содержат тройную связь, относятся к классу алкинов. Их строение и свойства определяются наличием этой кратной связи.

Особенности строения

Алкины — это ациклические углеводороды, содержащие в молекуле одну тройную связь $C \equiv C$ и имеющие общую формулу $C_n H_{2n-2}$ (где $n \ge 2$).

1. Гибридизация и геометрия. Атомы углерода, образующие тройную связь, находятся в состоянии $sp$-гибридизации. Каждый такой атом имеет две гибридные $sp$-орбитали, которые расположены линейно под углом $180^\circ$ друг к другу, и две негибридные $p$-орбитали, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Это приводит к тому, что фрагмент молекулы, включающий тройную связь ($–C \equiv C–$), имеет строго линейное строение. Например, молекула простейшего алкина — ацетилена ($H–C \equiv C–H$) — является полностью линейной.

2. Характер связи. Тройная связь состоит из одной прочной $\sigma$-связи (сигма-связи), образованной перекрыванием гибридных $sp$-орбиталей вдоль оси, соединяющей ядра атомов, и двух менее прочных, но более реакционноспособных $\pi$-связей (пи-связей). $\pi$-связи образуются за счет бокового перекрывания негибридных $p$-орбиталей в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

3. Длина и энергия связи. Тройная связь $C \equiv C$ является самой короткой (около $0,120$ нм) и самой прочной по сравнению с двойной $C=C$ (около $0,134$ нм) и одинарной $C-C$ (около $0,154$ нм) связями.

Ответ: Главными особенностями строения алкинов являются наличие тройной связи ($C \equiv C$), $sp$-гибридизация углеродных атомов при этой связи и линейная геометрия соответствующего фрагмента молекулы.

Свойства

Свойства алкинов обусловлены, в первую очередь, наличием в их молекулах высокореакционной тройной связи, а также, в случае терминальных алкинов (с тройной связью на конце цепи), подвижностью атома водорода при этой связи.

1. Физические свойства. При нормальных условиях первые представители гомологического ряда (ацетилен, пропин, бутин-1) — газы; средние — жидкости; высшие — твердые вещества. Алкины практически нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях. Их температуры кипения и плавления закономерно возрастают с увеличением молекулярной массы.

2. Химические свойства. Для алкинов наиболее характерны реакции присоединения, которые протекают по месту разрыва менее прочных $\pi$-связей.

• Реакции присоединения. Могут протекать в одну или две стадии.
  • Гидрирование (присоединение водорода): до алкенов при использовании катализатора Линдлара ($Pd/PbCO_3$) или до алканов при использовании $Ni$, $Pt$, $Pd$.
    $CH \equiv CH + H_2 \xrightarrow{Pd/PbCO_3} CH_2=CH_2$ (этен)
    $CH \equiv CH + 2H_2 \xrightarrow{Ni, t, p} CH_3–CH_3$ (этан)
  • Галогенирование (присоединение галогенов): алкины обесцвечивают бромную воду. Реакция идет постадийно.
    $CH_3–C \equiv CH + Br_2 \rightarrow CH_3–CBr=CHBr$ (1,2-дибромпропен)
    $CH_3–CBr=CHBr + Br_2 \rightarrow CH_3–CBr_2–CHBr_2$ (1,1,2,2-тетрабромпропан)
  • Гидрогалогенирование (присоединение галогеноводородов): протекает по правилу Марковникова.
    $CH_3–C \equiv CH + HBr \rightarrow CH_3–CBr=CH_2$ (2-бромпропен)
  • Гидратация (реакция Кучерова): присоединение воды в присутствии солей ртути($II$) с образованием карбонильных соединений. Из ацетилена образуется ацетальдегид, из его гомологов — кетоны.
    $CH \equiv CH + H_2O \xrightarrow{HgSO_4, H_2SO_4} [CH_2=CH–OH] \rightarrow CH_3–CHO$ (ацетальдегид)
• Реакции окисления. Алкины легко окисляются. Они обесцвечивают раствор перманганата калия (качественная реакция на кратную связь). При горении на воздухе образуют углекислый газ и воду.
  $2C_2H_2 + 5O_2 \rightarrow 4CO_2 + 2H_2O$
• Реакции замещения (кислотные свойства). Атомы водорода при тройной связи (у терминальных алкинов) обладают подвижностью и могут замещаться на атомы металлов с образованием солей — ацетиленидов. Реакции с аммиачными растворами оксида серебра или хлорида меди(I) являются качественными для обнаружения терминальных алкинов.
  $CH \equiv CH + 2[Ag(NH_3)_2]OH \rightarrow Ag–C \equiv C–Ag \downarrow + 4NH_3 + 2H_2O$ (белый осадок)
• Реакции полимеризации.
  • Димеризация ацетилена: $2CH \equiv CH \xrightarrow{CuCl, NH_4Cl} CH_2=CH–C \equiv CH$ (винилацетилен)
  • Тримеризация ацетилена (реакция Зелинского): $3CH \equiv CH \xrightarrow{C_{акт.}, 600^\circ C} C_6H_6$ (бензол)

Ответ: Основные свойства алкинов — это способность вступать в реакции присоединения по тройной связи (гидрирование, галогенирование), окисляться, полимеризоваться, а для терминальных алкинов — проявлять кислотные свойства, образуя ацетилениды.