На каких свойствах каучука было основано его применение
Учитель: Отгадайте загадку: «Что
открыл для европейцев Христофор Колумб?»
Дети: Америку.
Учитель: Верно, но ответ не
полный.
Подсказка: учитель достает мяч.
Дети: Мяч.
Учитель: Колумб увидел туземцев,
игравших плотным мячом. Хотя это казалось невероятным, но, ударяясь о землю,
мяч довольно высоко подскакивал в воздух. На сегодняшнем уроке мы поведем речь
о веществе, из которого был изготовлен мяч, и название которого на языке
индейцев тупи-гуарани звучит «као чоу», что означает «слезы дерева». Мы
называем это вещество «каучук».
Запись темы урока на доске и в рабочих
листах.
I. Применение каучука и резины
Учитель: Каучук имеет в жизни
человека огромное значение. Чаще всего его используют не в чистом виде, а в
виде резины.
Перечислите изделия из каучука и резины и укажите области их применения. Не
забудьте при этом сделать соответствующие записи в рабочем листе.
Аукцион «Изделия из резины»
Определяются области, в которых применяются резиновые изделия, на доске
заполняется схема. Побеждает тот ребенок, который назовет больше областей
применения:
— техника (шины для автотранспорта, самолетов, велосипедов, резиновые
детали, изоляция проводов);
— производство промышленных товаров (обувь, искусственная кожа,
прорезиненная одежда, лодки, игрушки, канцтовары);
— строительная промышленность (сантехника, релин — резиновый линолеум);
— медицинская промышленность (грелки, искусственные органы);
— пищевая промышленность (жевательная резинка).
Учитель: На каких свойствах
каучука и резины основано их применение?
Дети высказывают предположения и
заполняют схему в рабочих листах (см. вложенный файл).
Свойства резины
— эластичность (прыгающий мяч);
— газонепроницаемость (противогаз);
— водонепроницаемость (гидрокостюм);
— диэлектрик (провода и резиновые коврики).
Учитель: Жизнь современного
человека без каучука и резины представить нельзя. Кстати, не так давно
резиновая обувь была признаком достатка. Такое состояние дел связано с тем, что
промышленное производство каучука было начато только в 1932 году. Однако первое
знакомство европейцев с каучуком произошло пять веков назад. Почему эти два
события разделяет временная пропасть?
Работа по группам. Мозговой штурм —
предположения (1 минута).
Учитель: Проверим ваши гипотезы,
ответ на этот вопрос может дать история.
II. История каучука
Учитель: Прочитайте текст
«История каучука» (см. Тексты для
осмысления во вложенном файле), найдите в нем смысловые части и определите
содержание этапов освоения каучука человеком.
Дети заполняют рабочие листы.
Учитель: Прочитайте текст
«Вулканизация каучука» (см. Тексты для
осмысления), заполните схему и сформулируйте определение понятия
«вулканизация».
Дети заполняют рабочие листы.
Учитель: ХХ век. В мире началась
паника. Она была вызвана обнаружившимся катастрофическим несоответствием между
запасами дикорастущих каучуконосов и потребностью промышленности в новом
материале. Леса Бразилии не могли покрыть нужды в соке гевеи. Ведь каждое
дерево способно «выплакать» не более 160 граммов «слез» в сутки. А нужны
миллионы тонн! Как же быть?
III. Состав и строение
Учитель: Исследования показали,
что натуральный каучук имеет большую молекулярную массу — 150 000 — 500 000.
Как называются вещества, имеющие, как правило, очень большую молекулярную
массу?
Дети: Полимеры.
Учитель: Итак, перед человечеством
встала проблема поиска источников каучука. Поиск путей пополнения запасов
каучука велся в двух направлениях. Одна группа ученых начала планомерное
обследование растений, содержащих каучук, другая принялась разрабатывать
способы получения искусственным путем.
IV. Источники каучука
1. Натуральный каучук
Учитель: Укажите на
географической карте места произрастания растений-каучуконосов. В какой
географической области чаще всего они встречаются? Оцените природные запасы
растений-каучуконосов в России.
Дети заполняют рабочие листы.
Учитель: В нашей стране не было
известно природных источников для получения натурального каучука, а из других
стран каучук к нам не завозился. Сталин сказал: «У нас имеется в стране все,
кроме каучука. Но через год-два и у нас будет свой каучук». Могли ли не сбыться
слова «великого вождя»?
2. Синтетический каучук
Учитель: В начале 1926 г. был
объявлен конкурс на лучший способ получения синтетического каучука. На призыв
правительства отозвался Сергей Васильевич Лебедев, который в Ленинграде
организовал группу исследователей из семи человек. В разработке синтеза каучука
Сергей Лебедев пошел по пути подражания природе. Поскольку натуральный каучук —
полимер диенового углеводорода, то Лебедев воспользовался также диеновым
углеводородом, только более простым и доступным — бутадиеном-1,3. Сырьем для
получения бутадиена служит этиловый спирт.
Нам с вами предстоит составить уравнение реакции получения бутадиена-1,3,
которая основана на дегидрировании и дегидратации спирта.
Дети заполняют рабочие листы.
Учитель: 31 декабря 1927 года, за
день до того как истек срок конкурса, из Ленинграда в Москву прибыла посылка. В
ней находился синтетический каучук и подробное описание заводского способа его
изготовления. Жюри признало лебедевский способ наиболее приемлемым.
Когда изобретателя Томаса Эдисона спросили: «Известно ли вам, что в России
получен синтетический каучук?», то он ответил: «Нелепая и невозможная затея.
Ерунда! Вряд ли возможно получение синтетического каучука вообще, особенно в
России, где исходные материалы обходятся дорого». А в это время в России
началось строительство первых заводов по производству синтетического каучука в
Ленинграде и Воронеже.
С открытием синтетического каучука в который раз была утверждена власть
человека над веществом.
Алексей Волков, учитель химии,
заместитель директора гимназии №12, лауреат Всероссийского конкурса «Учитель
года России-2007», Липецк
Во вложенных файлах – тексты для
осмысления, рабочий лист.
В составе млечного сока некоторых растений содержится латекс. Именно на основе этой белой жидкости и создается каучук. Данный материал обладает эластичностью, он не проницаем для воды и не проводит электрический ток. Сегодня производится не только натуральный каучук, но и его разнообразные синтетические аналоги. Все они сырье для изготовления изоляционных материалов, обуви и одежды, шин.
Фото: pixabay.com
Каучук: история открытия
Если бы мы могли спросить, что такое каучук, у индейцев, то они бы ответили, что это слезы деревьев. Именно так дословно переводится данный термин с древнего языка тупи-гуарани. До открытия Америки европейцы о таком чудесном материале ничего не слышали. В Новом Свете они впервые увидели мячи, обувь и прочие изделия из эластичного и прочного материала.
Всё дело в том, что уникальное каучуковое дерево — источник каучука — произрастает только на экваторе, в небольшом поясе в 1500 км шириной. В так называемой гевее бразильской содержится много латекса, и она легко отдает его человеку.
Фото: pixabay.com
В наших широтах похожим млечным соком обладают одуванчики, молочай и полынь. Однако ни его количество, ни качество не позволяют производить из него каучуки. Вот почему только древним народам американского континента этот материал оказался отлично знаком, а история открытия каучука связана с эпохой географических открытий.
Вскоре предприимчивые европейцы научились выращивать гевею в промышленных масштабах и распространили уникальное сырье по всему миру. Более того, в 1839 году на основе каучука была синтезирована резина. Ученый Чарльз Гудьир попробовал нагревать его с серой и получил еще более прочный и удобный материал. Процесс назвали вулканизацией, а резиновые изделия быстро покорили планету.
Каучук: свойства
Какими качествами наделен природный каучук? Этот полимер абсолютно уникален и меняет свои свойства в зависимости от температуры окружающей среды. Он может быть и высокоэластичным, и текучим, и даже стеклообразным.
Фото: pixabay.com
В диапазоне от 20 до 30 °С для материала характерны:
- белая окраска или отсутствие цвета;
- аморфная рыхлая структура;
- способность растворяться только в бензине, бензоле, эфире;
- нерастворимость в воде и спиртах.
Среди важных свойств каучука следует отметить:
- упругость и эластичность. Каучуковое изделие можно растянуть на 1000%, и даже после этого оно быстро возвращается в исходное состояние. Данное качество теряется только при очень длительном хранении;
- мягкость при комнатной температуре и проявление пластичности при нагревании. Если подобрать правильные условия работы с материалом, то форму, полученную при его тепловой обработке, удастся сохранить;
- непроницаемость для электричества, тепла, газов и воды. Это свойство делает применение каучука очень удобным во всех сферах. Изготовленные из него изделия обладают длительным сроком хранения и мало подвержены воздействиям окружающей среды.
Фото: pixabay.com
Вот почему ни один из известных ранее материалов не смог сравниться с каучуком и тем более конкурировать с ним.
Читайте также: Зимняя резина: сложности выбора
Каучук: виды и применение
Два основных вида данного материала — это природный и синтетический каучук. Последний в свою очередь сегодня представлен широким разнообразием подвидов. Всё дело в том, что не так-то просто выращивать специальные деревья и добывать их млечный сок. На это также требуется много времени. Поэтому с момента знакомства с каучуком ученые начали искать способы производства его искусственных заменителей.
Первой молекулой, на основе которой ученым удалось создать синтетический аналог каучука, стал 1,3-бутадиен. Полученный дивиниловый каучук по свойствам оказался очень похож на натуральный. Резина, полученная после его вулканизации, также была прочной, пластичной и эластичной. Из нее начали изготавливать обувь, шины, ленты для конвейеров и медицинские изделия.
Фото: pixabay.com
По аналогичному принципу ученые разработали также бутадиен-стирольный, бутадиен-нитрильный, винилпиридиновый и изопреновый каучук. Свойства каждого нового полимера несколько отличались и позволяли расширить области их применения.
Далее ассортимент каучуков расширился за счет введения в структуру молекул новых фрагментов, а именно появился:
- кремнийорганический каучук. Из него изготавливают трубки для переливания крови, искусственные сердечные клапаны, а также кабель и провода;
- полиуретановый каучук. Необходим для получения износостойкой резины;
- фторсодержащий каучук. В отличие от природного аналога не разрушается даже при температуре выше 200 °C;
- хлоропреновый каучук. Устойчив к действию окислителей и большинства растворителей.
Также сегодня известны неорганический, вспененный каучук и многие другие виды.
Фото: pixabay.com
Что касается применения, то синтетические каучуки, наряду с натуральными, широко используются в производстве резины. Последняя важна в изготовлении обуви и одежды, искусственной кожи, медицинских изделий, военных деталей, шин для автомобилей, изоляционных материалов и многого другого. К примеру, сегодня модным украшением стал каучуковый браслет.
Природа приготовила для человека много загадок. Их понимание всегда выводило цивилизацию на новый уровень. Так произошло и с каучуком. Ученым удалось не только исследовать уникальный материал, но и создать его искусственные аналоги, а вместе с тем — индустрию резиновых изделий.
Читайте также: Шины: признаки, что вам пора купить новые
Повторите
тему «Понятие о диеновых углеводородах. Природный каучук»
История
открытия и применения каучука
Эластомеры (натуральные или
синтетические каучуки) – природные или синтетические высокомолекулярные
вещества, отличающиеся от других высокомолекулярных соединений своей
эластичностью.
Молекулы эластомеров представляют собой
скрученные в клубки цепи углеродных атомов. При растяжении цепи вытягиваются, а
при снятии внешней нагрузки – скручиваются. Этим объясняется эластичность
каучуков.
Таблица. Важнейшие виды синтетических каучуков
Название | Исходный мономер | Формула каучука | Свойства, применение |
Бутадиеновый | CH2=CH-CH=CH2 бутадиен-1,3 |
нерегулярное | Водо- |
Дивиниловый | CH2=CH-CH=CH2 бутадиен-1,3 | регулярное | По |
Изопреновый | CH2=C(CH3)-CH=CH2 2-метилбутадиен-1,3 | регулярное строение | По |
Хлоропреновый | CH2=C(Cl)-CH=CH2 2-хлорбутадиен-1,3 | Устойчив | |
Бутадиен-стирольный | CH2=CH-CH=CH2 бутадиен-1,3 и C6H5- CH=CH2 стирол | Характерна |
Получение каучуков
Одно
дерево бразильской гевеи
в среднем, до
недавнего времени, было
способно давать лишь 2-3
кг каучука в год; годовая
производительность
одного
гектара гевеи до
Второй Мировой войны составляла
300—400 кг технического каучука. Такие объёмы натурального
каучука не удовлетворяли растущие потребности
промышленности. Поэтому возникла
необходимость получить синтетический каучук. Замена натурального каучука
синтетическим даёт огромную экономию труда.
Первый синтетический каучук, был получен по методу С.В. Лебедева из спирта:
2CH3-CH2-OH t=425,ZnO,Al2O3→ CH2=CH-CH=CH2 + H2
+ 2H2O
при полимеризации дивинила под действием
металлического натрия, представлял собой полимер нерегулярного строения со
смешанным типом звеньев 1,2- и 1,4-присоединения:
В присутствии органических пероксидов
(радикальная полимеризация) также образуется полимер нерегулярного строения со
звеньями 1,2- и 1,4- присоединения. Каучуки нерегулярного строения
характеризуются невысоким качеством при эксплуатации. Избирательное
1,4-присоединение происходит при использовании металлорганических катализаторов
(например, бутиллития C4H9Li, который не только
инициирует полимеризацию, но и определенным образом координирует в пространстве
присоединяющиеся молекулы диена):
Таким способом получен стереорегулярный
1,4-цис-полиизопрен – синтетический аналог натурального каучука. Данный
процесс идет как ионная полимеризация.
Реакция получения каучуков реакцией
полимеризации:
Реакция получения каучуков реакцией
сополимеризации:
Для практического использования каучуки
превращают в резину.
Резина – это
вулканизованный каучук с наполнителем (сажа). Суть процесса вулканизации
заключается в том, что нагревание смеси каучука и серы приводит к образованию
трехмерной сетчатой структуры из линейных макромолекул каучука, придавая ему
повышенную прочность. Атомы серы присоединяются по двойным связям макромолекул
и образуют между ними сшивающие дисульфидные мостики:
Сетчатый полимер более прочен и
проявляет повышенную упругость – высокоэластичность (способность к высоким
обратимым деформациям).
В зависимости от количества сшивающего
агента (серы) можно получать сетки с различной частотой сшивки. Предельно
сшитый натуральный каучук – эбонит
(более 30% S) – не обладает
эластичностью и представляет собой твердый материал.
Огромное значение в развитии многих видов промышленности внесли каучуки. Эти полимеры имеют весьма необычную историю открытия. Например, натуральный каучук был открыт жителями Древней Южной Америки. Известно, что южноамериканские инки первыми поняли, что из сока дерева Гевея можно изготавливать обувь, ткани и разные емкости. После открытия Америки, моряки привезли в Европу натуральный каучук, но еще долго никто не мог понять, как именно из него изготавливать что-либо. Только когда в 19 веке был открыт процесс вулканизации, начался активный процесс массового производства изделий из натурального каучука.
Необычные свойства натурального каучука
Натуральный каучук – это углеводород, который содержится в соке Гевеи (его также называют латексом) и некоторых других растениях — каучуконосах. Натуральный каучук в чистом виде в холод трескается, а в жару растекается и, к тому же, имеет неприятный запах. Именно поэтому до открытия вулканизации изделия из каучука не имели большого успеха.
Стараниями ученого Чарльза Гудьира стало известно, что при взаимодействии натурального каучука и серы свойства данного полимера заметно улучшаются. Вулканизированный каучук обладает повышенной прочностью, эластичностью, высокими электро-, тепло-, звукоизоляционными и водонепроницаемыми свойствами. Именно благодаря этим свойствам сферы и области применения натурального каучука весьма обширны.
Стоит отметить, что существует и другой вид каучука – синтетический, интересную информацию о нем Вы можете прочитать в нашей статье «Сферы и области применения синтетического каучука».
Применение натурального каучука в резиновой промышленности
В чистом виде натуральный каучук практически не используется из-за его поведения в низких и повышенных температурах. А вот вулканизированный натуральный каучук чаще всего служит сырьем для производства резины и всевозможных изделий из нее. В первую очередь, именно шинная промышленность нуждается в каучуке природного происхождения. Из него производят летние и зимние шины, а также шины для велосипедов, автомобилей, тракторов, специальной техники.
Стоит понимать, что для производства резины и шин, в том числе, используется не только каучук, но и различные наполнители, пластификаторы, противостарители, катализаторы и другие вещества. Это необходимо для ускорения или упрощения процесса производства или же для придания дополнительных свойств изделиям. Например, противостарители нужны для замедления старения резины и тем самым увеличения срока эксплуатации изделий из нее, а катализаторы вводят для того, чтобы ускорить процесс вулканизации.
Применение натурального каучука в других отраслях
Помимо шин и резины натуральный каучук используют для производства других различных изделий, таких как лакокрасочные изделия, клеи, наклейки, покрытия для пола, шланги, транспортеры, приводные ремни, амортизаторы, электроизоляционные материалы. Также натуральный каучук пригодился и в строительной сфере для модификации бетона и других строительных смесей.
Многие изделия, которые повседневно применяются в домашнем хозяйстве, изготовлены из данного вида каучука. К таким изделиям можно отнести канцелярские принадлежности, игрушки, некоторую мебель, контрацептивы, обувь, ткань и одежду. Так как каучук не растворяется в воде, слабых кислотах и щелочах, он активно используется для изготовления перчаток. Выпускают латексные перчатки для различных целей – бытовых, строительных и медицинских.
Натуральный каучук – очень ценное вещество. Потребовалось немало времени и усилий, чтобы понять, как применить его наиболее выгодно и максимально полезно. Но эти усилия не потрачены зря, о чем говорят многочисленные сферы и области применения натурального каучука.