Страница 207 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Поясните, кем и когда впервые в мире был разработан метод производства синтетического каучука. Составьте уравнения.

1. Метод промышленного производства синтетического каучука впервые в мире был разработан советским химиком-органиком Сергеем Васильевичем Лебедевым и его научной группой. В 1926 году правительство СССР объявило международный конкурс на разработку промышленного способа получения синтетического каучука из отечественного сырья. К 1 января 1928 года С. В. Лебедев представил 2 кг синтетического дивинилового каучука, полученного по его методу, и полное описание технологии. Его способ, основанный на использовании пищевого сырья (этилового спирта, получаемого из картофеля), был признан лучшим.

Промышленное производство по методу Лебедева было запущено в Советском Союзе 7 июля 1932 года на заводе «СК-1» в Ярославле, что стало первым в мире крупномасштабным промышленным производством синтетического каучука.

Суть метода Лебедева заключалась в получении мономера, бутадиена-1,3 (дивинила), из этилового спирта с последующей его полимеризацией.

Уравнения реакций:

1. Получение бутадиена-1,3 из этилового спирта (этанола) в одну стадию путем каталитической дегидратации и дегидрирования. Процесс протекает при нагревании (температура около $400-425$ °C) с использованием смешанного оксидного катализатора, например, оксида цинка и оксида алюминия ($ZnO/Al_2O_3$):

$2C_2H_5OH \xrightarrow{t^\circ, \text{kat}} CH_2=CH-CH=CH_2 + 2H_2O + H_2$

2. Полимеризация бутадиена-1,3 в полибутадиен (синтетический каучук). Лебедев использовал в качестве катализатора полимеризации металлический натрий, поэтому полученный каучук получил название бутадиен-натриевый (СКБ):

$nCH_2=CH-CH=CH_2 \xrightarrow{Na} (-CH_2-CH=CH-CH_2-)_n$

Ответ: Метод промышленного производства синтетического каучука был разработан советским химиком С. В. Лебедевым в 1926–1928 гг. Первое в мире промышленное производство было запущено в СССР в 1932 г. Метод основан на получении бутадиена-1,3 из этилового спирта ($2C_2H_5OH \rightarrow CH_2=CH-CH=CH_2 + 2H_2O + H_2$) и его последующей полимеризации в каучук на натриевом катализаторе ($nCH_2=CH-CH=CH_2 \rightarrow (-CH_2-CH=CH-CH_2-)_n$).

2. Для получения бутадиенового и дивинилового каучуков используют один и тот же мономер (см. табл. 16). Поясните, почему эти каучуки различаются по своим свойствам.

Решение

Несмотря на то, что для получения бутадиенового и дивинилового каучуков используется один и тот же мономер — бутадиен-1,3 (его тривиальное название — дивинил, химическая формула $CH_2=CH-CH-CH_2$), их свойства различаются из-за разного пространственного строения (микроструктуры) макромолекул полимера. Свойства полимера определяются не только тем, из каких мономеров он состоит, но и тем, как эти мономерные звенья соединены друг с другом в цепи.

Полимеризация бутадиена-1,3 может протекать по-разному, что приводит к образованию звеньев с различной структурой:

1. Присоединение в положениях 1,4. В этом случае в основной цепи полимера образуется двойная связь. Структура звена: $-[CH_2-CH=CH-CH_2]-$. Относительно этой двойной связи возможна цис- и транс-изомерия.
   • Цис-1,4-полибутадиен имеет изогнутую, упорядоченную структуру цепи, что обеспечивает высокую эластичность. Это основной компонент современных высококачественных бутадиеновых каучуков.
   • Транс-1,4-полибутадиен имеет более выпрямленную, кристаллическую структуру и по свойствам ближе к пластикам, чем к эластомерам.
2. Присоединение в положениях 1,2. В этом случае образуется боковая винильная группа ($-CH=CH_2$), а структура звена выглядит так: $-[CH_2-CH(CH=CH_2)]-$.

Тип образующейся структуры зависит от условий полимеризации, в первую очередь от используемого катализатора.

• Дивиниловый каучук (историческое название — СКБ, синтетический каучук бутадиеновый) получали по методу С. В. Лебедева, используя в качестве катализатора металлический натрий. Этот процесс не является стереоспецифичным и приводит к образованию нестереорегулярного полимера, в котором мономерные звенья соединены хаотично: примерно 60% звеньев имеют 1,2-структуру, а остальные являются смесью цис- и транс-1,4-звеньев. Такая неупорядоченная структура является причиной более низких физико-механических свойств (прочности, эластичности) по сравнению с натуральным каучуком.
• Современные бутадиеновые каучуки производят с использованием стереоспецифических катализаторов (например, Циглера-Натты). Эти катализаторы позволяют получать стереорегулярные полимеры с преобладающим содержанием одного типа звеньев, чаще всего цис-1,4-звеньев (более 95%). Такая упорядоченная структура макромолекул обеспечивает каучуку высокие эксплуатационные свойства: отличную эластичность, износостойкость и морозостойкость.

Таким образом, различие в свойствах каучуков, полученных из одного и того же мономера, обусловлено различием в их микроструктуре (стереорегулярности), которая, в свою очередь, определяется методом синтеза.

Ответ: Бутадиеновый и дивиниловый каучуки, получаемые из одного мономера (бутадиена-1,3), различаются по своим свойствам из-за разного пространственного строения (микроструктуры) их полимерных цепей. Дивиниловый каучук (исторический СКБ) имеет нестереорегулярное строение со смешанным типом присоединения звеньев, что ухудшает его свойства. Современные бутадиеновые каучуки являются стереорегулярными (чаще всего цис-1,4-полибутадиен), что обеспечивает им высокую эластичность и прочность. Разное строение полимеров является следствием использования различных катализаторов и условий полимеризации.

3. Используя таблицу 16, составьте уравнение образования хлоропренового каучука из 2-хлорбутадиена-1,3.

Решение

Хлоропреновый каучук, также известный как полихлоропрен или неопрен, — это синтетический каучук, который получают в результате реакции полимеризации его мономера, 2-хлорбутадиена-1,3 (хлоропрена).

Структурная формула мономера, 2-хлорбутадиена-1,3, выглядит следующим образом:

$CH_2=C(Cl)-CH=CH_2$

Это соединение относится к сопряженным диенам, так как в его молекуле две двойные связи разделены одной одинарной. Полимеризация таких соединений происходит преимущественно по механизму 1,4-присоединения. При этом разрываются двойные связи между первым и вторым, а также третьим и четвертым атомами углерода. Освободившиеся валентности у крайних (1-го и 4-го) атомов углерода используются для соединения с другими молекулами мономера, а у средних (2-го и 3-го) атомов углерода — для образования новой двойной связи.

Таким образом, $n$ молекул 2-хлорбутадиена-1,3 соединяются в длинную полимерную цепь, образуя полихлоропрен.

Общее уравнение реакции полимеризации можно записать так:

$n \cdot \underbrace{CH_2=C(Cl)-CH=CH_2}_{\text{2-хлорбутадиен-1,3}} \xrightarrow{\text{t, p, кат.}} \underbrace{-[CH_2-C(Cl)=CH-CH_2]-_n}_{\text{Хлоропреновый каучук}}$

В этом уравнении $n$ представляет собой степень полимеризации — число мономерных звеньев в макромолекуле полимера.

Ответ: $n \cdot CH_2=C(Cl)-CH=CH_2 \rightarrow -[CH_2-C(Cl)=CH-CH_2]-_n$

4. Охарактеризуйте известные вам синтетические каучуки и поясните, для каких технических целей их применяют.

Синтетические каучуки — это синтетические полимеры, которые, подобно натуральному каучуку, обладают эластичностью, то есть способностью к большим обратимым деформациям при комнатной температуре. Их получают путем полимеризации или сополимеризации мономеров, таких как бутадиен, изопрен, стирол, хлоропрен и другие. Ниже охарактеризованы некоторые из наиболее распространенных синтетических каучуков и их применение.

Это самый массовый каучук общего назначения. Его получают совместной полимеризацией (сополимеризацией) бутадиена-1,3 и стирола. Процесс может быть эмульсионным или растворным.

Реакция сополимеризации (схематично):
$n \text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}=\text{CH}_2 + m \text{C}_6\text{H}_5-\text{CH}=\text{CH}_2 \rightarrow [-(-\text{CH}_2-\text{CH}=\text{CH}-\text{CH}_2-)_k-(-\text{CH}(\text{C}_6\text{H}_5)-\text{CH}_2-)_l-]_p$

Свойства:
- Высокая износостойкость.
- Хорошая эластичность (но ниже, чем у натурального каучука).
- Невысокая морозостойкость и теплостойкость по сравнению с некоторыми другими видами каучуков.
- Низкая стойкость к действию масел и бензина.

Применение:
Благодаря высокой износостойкости и низкой стоимости, бутадиен-стирольные каучуки широко используются в производстве:
- Автомобильных шин (особенно протекторов).
- Резинотехнических изделий (РТИ): конвейерных лент, приводных ремней, шлангов.
- Обувных подошв.
- Изоляции для кабелей.
- Напольных покрытий.

Ответ: Бутадиен-стирольные каучуки применяют в основном для производства автомобильных шин, различных резинотехнических изделий, обуви и изоляционных материалов благодаря их высокой износостойкости.

Изопреновый каучук является синтетическим аналогом натурального каучука. Его получают полимеризацией изопрена (2-метилбутадиена-1,3). Структура макромолекулы стереорегулярного изопренового каучука (цис-1,4-полиизопрен) практически идентична структуре натурального каучука.

Реакция полимеризации:
$n \text{CH}_2=\text{C}(\text{CH}_3)-\text{CH}=\text{CH}_2 \rightarrow [-\text{CH}_2-\text{C}(\text{CH}_3)=\text{CH}-\text{CH}_2-]_n$

Свойства:
- Высокая эластичность и прочность.
- Хорошие динамические свойства.
- Низкий гистерезис (малые потери энергии при деформации).
- Недостаточная стойкость к озону, свету и высоким температурам.

Применение:
По свойствам СКИ близок к натуральному каучуку, поэтому его используют там, где требуется высокая эластичность и прочность:
- Производство шин, особенно для легковых автомобилей, а также крупногабаритных шин.
- Медицинские изделия (перчатки, катетеры).
- Спортивный инвентарь.
- Конвейерные ленты.
- Прокладки и уплотнители.

Ответ: Изопреновый каучук, как аналог натурального, используется для производства шин, медицинских изделий и других продуктов, требующих высокой эластичности и прочности.

Это каучук специального назначения, получаемый полимеризацией хлоропрена (2-хлорбутадиена-1,3).

Реакция полимеризации:
$n \text{CH}_2=\text{C}(\text{Cl})-\text{CH}=\text{CH}_2 \rightarrow [-\text{CH}_2-\text{C}(\text{Cl})=\text{CH}-\text{CH}_2-]_n$

Свойства:
Наличие атомов хлора в молекуле придает этому каучуку особые свойства:
- Высокая стойкость к маслам, бензину и другим растворителям.
- Хорошая озоно- и атмосферостойкость.
- Повышенная теплостойкость.
- Негорючесть (или пониженная горючесть).
- Хорошая адгезия (клейкость) к металлам и тканям.

Применение:
Благодаря комплексу уникальных свойств, хлоропреновый каучук используется для изготовления изделий, работающих в агрессивных средах:
- Масло- и бензостойкие шланги, уплотнители, прокладки, ремни.
- Защитные покрытия, оболочки кабелей.
- Клеи (например, "Клей 88").
- Водолазные костюмы (неопрен).
- Изделия, стойкие к морской воде.

Ответ: Хлоропреновый каучук применяется для производства маслобензостойких изделий, защитных покрытий, клеев и водолазных костюмов благодаря его химической стойкости, негорючести и атмосферостойкости.

Каучук специального назначения, продукт сополимеризации бутадиена-1,3 и акрилонитрила. Содержание акрилонитрила может варьироваться, что влияет на свойства.

Реакция сополимеризации (схематично):
$n \text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}=\text{CH}_2 + m \text{CH}_2=\text{CH}(\text{CN}) \rightarrow [-(-\text{CH}_2-\text{CH}=\text{CH}-\text{CH}_2-)_k-(-\text{CH}(\text{CN})-\text{CH}_2-)_l-]_p$

Свойства:
- Исключительно высокая стойкость к нефтяным маслам, бензинам и многим другим растворителям. Стойкость растет с увеличением содержания акрилонитрила.
- Хорошая износостойкость и теплостойкость.
- Ограниченная морозостойкость (ухудшается с ростом содержания акрилонитрила).
- Низкая эластичность по сравнению с каучуками общего назначения.

Применение:
Основная область применения — изготовление изделий, контактирующих с нефтепродуктами:
- Уплотнительные кольца (сальники, манжеты), прокладки для гидравлических и пневматических систем.
- Шланги для перекачки топлива и масел.
- Мембраны бензонасосов.
- Защитные перчатки, стойкие к растворителям.
- Валы для печатных машин.

Ответ: Бутадиен-нитрильный каучук используется для производства изделий, требующих высокой стойкости к маслам и топливу, таких как сальники, манжеты, шланги и прокладки.