Номер 1, страница 205 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Как можно установить строение молекул природного каучука?

Установление строения молекул природного каучука — это комплексный процесс, который исторически включал несколько ключевых этапов с применением химических и физических методов анализа.

1. Определение элементного состава и эмпирической формулы.

Первоначальные исследования, начатые еще в XIX веке, показали, что каучук является углеводородом. Точный элементный анализ позволил установить его простейшую (эмпирическую) формулу — $C_5H_8$. Эта формула соответствует составу диеновых углеводородов, известных как терпены.

2. Установление мономерного звена.

Чтобы понять, из каких "строительных блоков" состоит полимер, его подвергли деструкции (разрушению).

• Термическая деструкция (пиролиз): При нагревании натурального каучука без доступа воздуха (в процессе сухой перегонки) макромолекулы распадаются на более мелкие фрагменты. В 1860 году английский химик Чарльз Уильямс установил, что основным продуктом такого распада является летучая жидкость — изопрен (2-метилбутадиен-1,3) с формулой $C_5H_8$. Это стало решающим доказательством того, что природный каучук является полимером изопрена, а его общая формула может быть записана как $(C_5H_8)_n$.

3. Доказательство непредельности и способа соединения звеньев.

Было необходимо выяснить, как именно молекулы изопрена соединяются друг с другом в длинную цепь и сохранились ли в ней двойные связи.

• Качественные реакции: Природный каучук легко вступает в реакции, характерные для непредельных соединений: он обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия. Это подтверждает наличие двойных связей в его макромолекулах.
• Количественный анализ: Путем количественного гидрирования (присоединения водорода) или бромирования было установлено, что на каждое мономерное звено $C_5H_8$ в полимерной цепи приходится ровно одна двойная связь. Это означает, что полимеризация изопрена $CH_2=C(CH_3)-CH=CH_2$ происходит с разрывом одной из двух двойных связей.
• Озонолиз: Этот мощный метод химического анализа позволил окончательно установить порядок соединения звеньев. При обработке каучука озоном ($O_3$) происходит разрыв всех двойных связей в полимерной цепи. Последующий гидролиз продуктов реакции приводит к образованию исключительно левулинового альдегида ($CH_3-CO-CH_2-CH_2-CHO$) и левулиновой кислоты (которая образуется из альдегида). Получение именно этих продуктов однозначно доказывает, что мономерные звенья изопрена соединены в цепь регулярно, по типу 1,4-присоединения ("голова к хвосту"). Структура звена: $-CH_2-C(CH_3)=CH-CH_2-$.

4. Установление пространственного строения (стереохимии).

Последним шагом было определение пространственной конфигурации полимерной цепи. Звено $-CH_2-C(CH_3)=CH-CH_2-$ содержит двойную связь, относительно которой возможно два варианта расположения групп-заместителей: цис- и транс-.

• Физические методы: С помощью современных физических методов, таких как рентгеноструктурный анализ, ИК-спектроскопия и ЯМР-спектроскопия, было неопровержимо доказано, что природный каучук имеет цис-стереорегулярное строение. Это означает, что все фрагменты полимерной цепи (группы $-CH_2-$) находятся по одну сторону от плоскости двойных связей. Именно такая цис-конфигурация придает макромолекулам каучука спиралевидную, неупорядоченную форму в свободном состоянии, что является причиной его уникальной эластичности. Для сравнения, его природный изомер, гуттаперча, имеет транс-строение, что делает ее молекулы более вытянутыми и жесткими.

Таким образом, строение молекулы природного каучука было установлено как цис-1,4-полиизопрен с общей формулой $[-CH_2-C(CH_3)=CH-CH_2-]_n$.

Ответ: Строение молекул природного каучука устанавливают комплексно: 1) элементный анализ определяет эмпирическую формулу $C_5H_8$; 2) пиролиз (термическая деструкция) показывает, что мономером является изопрен; 3) химические реакции (присоединение брома, озонолиз) доказывают наличие одной двойной связи на звено и регулярное 1,4-присоединение мономеров "голова к хвосту"; 4) физические методы (рентгеноструктурный анализ, ИК- и ЯМР-спектроскопия) устанавливают цис-стереорегулярное строение полимерной цепи.