Хімія 10 клас: "Каучуки. Гума.","Природні та хімічні волокна"

    Завдання хімії для 10 класу: опрацювати § 33 "Каучуки.Гума.", § 34"Природні та хімічні волокна".

Пройдіть тести з теми "Пластмаси. Волокна"   https://naurok.com.ua/test/join?gamecode=193296

Синтетичні каучуки і ґума

Каучуки – еластичні полімери рослинного або синтетичного походження, з яких виготовляють ґуму 

Характерна властивість каучуків – висока еластичність, тобто здатність після деформації відновлювати свою форму.

Природний каучук добувають із молочного соку деяких тропічних дерев. Вперше з виробами із каучука познайомився Колумб і його супутники, відвідавши острів Гаїті. Місцеві жителі Гаїті використовували для гри м’ячі, які мали дивовижні властивості – відстрибувати від твердої поверхні. Такі м’ячі виготовляли із речовини, добутої із молочного соку тропічного дерева гевеї. Цей сік називали као-чоу, тобто сльози дерева (као – «дерево», чоу – «текти»), звідси і походить термін «каучук».

Найбільше каучуку добувають з гевеї, батьківщиною якої є Бразилія. На деревах-каучуконосах роблять надрізи і збирають із них молочний сік (латекс), який складається із суміші вуглеводнів. Такий сік легко окиснюється, тому із молочного соку каучук виділяють нагріванням або коагуляцією розчином оцтової кислоти. Природний каучук є полімером ізопрену (2-метилбута-1,3-дієн). Це високомолекулярний ненасичений  вуглеводень елементарного складу (С₅Н₈)_n,  де n дорівнює в середньому 2500. Відносна молекулярна маса природного каучуку коливається в межах  15000-500000.

Природний каучук має високу клейкість, еластичність, текучість, білий колір, після коагуляції набуває жовтуватого кольору. Завдяки еластичності дуже стійкий проти зносу, легший за воду, розчиняється  у бензині. Добутий каучук мало придатний до використання, оскільки в холодну пору року він стає крихким, а в жарку – м’ягким і липким, при довгому зберіганні твердне.  Для поліпшення механічних та хімічних властивостей природного каучуку його вулканізують, перетворюючи на гуму. Вулканізація може бути гарячою або холодною. При гарячій вулканізації каучук нагрівають з сіркою, при холодній – протягом недовгого часу обробляють розчином сірки у сірковуглеці або хлористій сірці.   Атоми сірки  приєднуються в місцях подвійних зв’язків і ніби «зшивають» молекули одну з одною. Перед вулканізацією каучука використовують наповнювачі (глину, сажу, крейду, кремнезем), різні барвники і речовини, які збільшують термін використання ґуми, та прискорювачі вулканізації (меркаптани). У результаті процесу вулканізації утворюється ґума, яка значно міцніша невулканізованого каучука.   Вулканізований каучук еластичний, непроникний для води і газів, міцний на розрив, не проводить електричний струм. Якщо до каучука в процесі вулканізації добавляють більше сірки, ніж її потрібно для добування ґуми, то утворюється ебоніт – твердий нееластичний матеріал, з якого виготовляють деталі електротехнічного призначення.                                    

Каучук і гуму широко використовують у виробництві шин (60%), транспортних стрічок, прокладок, клеїв, ебонітів, гумових виробів, які використовуються у побуті, медицині, спорті.

Основні виробники каучуку – Малайзія, Індонезія, Індія, Китай.

Синтетичні каучуки

Природний каучук добувають у значній кількості, проте цього недостатньо, щоб задовільнити зростаючі потреби, тому вчені створили синтетичні каучуки. Уперше синтетичний каучук у промислових масштабах було вироблено в колишньому Радянському Союзі в 1932 р. за методом С. В. Лебедєва. Вихідною сировиною для добування синтетичного каучука за його методом був етанол, який добували із харчової сировини. Пари етилового спирту при температурі  400-500ºС пропускали над каталізатором (суміш Al₂O₃ і ZnO, у відношенні 3:1) і отримували суміш речовин з яких виділяли дивініл. Полімеризацією дивінілу отримували масу, яка за своїми властивостями нагадувала природний каучук. Етапи виробництва схематично можна зобразити так:

(С₆Н₁₀О₅)_n (крохмаль) → С₆Н₁₂О₆ (глюкоза) → С₂Н₅ОН (етанол) → СН₂=СН–СН=СН₂ (бута-1,3-дієн) → (–СН₂–СН=СН–СН₂–)_n (каучук)

Нині бута-1,3-дієн одержують дегідруванням нормального бутану, який виділяють із супутнього нафтового газу і продуктів переробки нафти.

Більшість реакцій полімеризації, за допомогою яких добувають каучуки, відбуваються за участю каталізаторів. Спрощена схема реакції добування бутадієн-стирольного каучука:
n СН₂=СН₂–СН₂=СН₂ (бутадієн) + m СН₂=СН–С₆Н₅ (стирол) → (–СН₂–СН=СН–СН₂–СН₂–СНС₆Н₅–)n

Залежно від  мономерів розрізняють такі каучуки:

Назва	Мономери	Властивості, застосування
Бутадієновий	бута-1,3-дієн	Характерна водо- і газонепроникність, менша еластичність, ніж у природного. Для виробництва кабелів, взуття, побутових виробів
Ізопреновий	2-метилбута-1,3-дієн	За еластичністю і зносостійкістю подібний до природного. Виробництво шин
Хлоропреновий	2-хлор-бута-1,3-дієн	Стійкий проти окисників і високих температур, бензинів і мастил. Виробництво деталей машин та апаратів, кабелів, трубопроводів для перекачування нафти і бензинів
Бутадієн-стирольний	бута-1,3-дієн, стирол	Газонепроникний, зносостійкий, але недостатньо жаростійкий. Стрічки для транспортерів, виробництво шин, конвеєрних доріжок, взуття, медичних і спортивних виробів, ізоляційних матеріалів
Дивініловий	бута-1,3-дієн	За еластичністю і зносостійкості кращий від природного. Виробництво шин

 Промисловість виробляє ряд інших видів каучуку, що мають як загальне так і спеціальне призначення.

Поняття про штучні й синтетичні волокна

Людина довгий час широко використовує природні волокнисті матеріали із льону, бавовни, коноплі, вовни для виготовлення одягу й різних виробів домашнього вжитку. Однак їх стало недостатньо, щоб задовільнити зростаючі потреби. Виникла потреба в отриманні волокон хімічним способом.

Волокна – довгі гнучкі нитки, які виробляють із природних або синтетичних полімерів і використовують для виготовлення пряжі та текстильних виробів

Розрізняють природні (натуральні) та хімічні волокна.

Презентації Українською мовою з ваших PowerPoint файлів.

Природні  волокна

Серед природних волокон розрізняють волокна рослинного, тваринного і мінерального походження.

Рослинними називають волокна утворені  у стеблах, листі (льону, коноплі), у насінні (бавовнику) рослин. Їхня основа – целюлоза. Рослинні волокна мають хороші механічні властивості.

Тваринними волокнами є білкові полімери (вовна, шовкові нитки – виділення тутового шовкопряда). Вовняне волокно високоеластичне, має високі теплоізоляційні властивості, шовкове – характерний блиск і міцність.

Мінеральне волокно – азбестове. Із нього виготовляють фільти, брезент, тканини для захисного одягу, шифер, спеціальні папір і картон, тепло- та ізоляційні покриття.

Хімічні волокна

Це такі, в процесі виробництва яких використовують хімічні методи.

Хімічні волокна бувають штучні і синтетичні. У промисловості добувають волокна обома способами.

Волокна, добуті хімічною переробкою природних полімерів, називають штучними (сировина – целюлоза, бавовняний пух).

Волокна добуті із синтезованих полімерів називають синтетичними (сировина: бензен, фенол, етилен, ацетилен, циклогексан).

Хімічні волокна добувають із деяких полімерів лінійної будови. Ці полімери спочатку розплавляють або розчиняють в органічних розчинниках, а потім пропускають  утворену рідину крізь дуже малі отвори. При цьому утворюються довгі й тонкі нитки. Можна добути полімер синтетичним способом, а потім укласти в ньому молекули в потрібному порядку.

Штучні волокна

Найважливішими штучними волокнами є віскозне й ацетатне. Як вихідний природний полімер для утворення штучних волокон беруть целюлозу, виділену з деревини, або бавовняний пух, який залишається на насінині після того, як з нього знімуть волокна бавовни. Спочатку із целюлози готують розчин. Для цього целюлозу розчиняють у розчинниках. У залежності від того, які розчинники використовують, добувають різні волокна: віскозні, ацетатні, мідно-аміачні, штапельні, казеїнові. Гігроскопічність штучних волокон невелика, але вони досить міцні.

Ацетатне волокно. При взаємодії целюлози з оцтовою кислотою в присутності сульфатної кислоти добувають спочатку триацетат целюлозу, яку потім розчиняють у суміші дихлоретану та етанолу. Утворений в’язкий розчин продавлюють через фільєри – металічні ковпачки з численними отворами, цівки розчину опускаються в шахту, через яку протитечією проходить нагріте повітря. У результаті цього розчинник випаровується й утворюються тонкі нитки, з яких методом прядіння виготовляють ацетатний шовк.

Ацетатне волокно досить міцне, м’яке, майже не збігається під час прання, мало мнеться, має приємний блиск, низьку теплопровідність, тому добре зберігає тепло. Недолік той, що менш гігроскопічне ніж бавовна й накопичує статичні електричні заряди. З ацетатного волокна виготовляють білизну, дитячий одяг, сукні, чоловічі сорочки. Його використовують також як ізоляційний матеріал. Першу таку тканину добув француз Шардане у 1889 році.

Віскозне волокно добувають із целюлози, яку обробляють розчином лугу й сірковуглецю. Тканина із віскозного волокна приємна на дотик, м’яка, гігроскопічна, легко й рівномірно зафарбовується, крізь неї добре проникає повітря.

Синтетичні волокна

З розвитком промисловості виникла потреба у нових волокнах, які були б механічно міцні, термостійкі, витримували б агресивні середовища. У 30-х роках XX століття були розроблені методи синтезу волокноутворюючих полімерів, а в 40-х роках виготовили перші синтетичні волокна.

До синтетичних волокон належать: поліамідні (капрон, найлон, енант), поліестерні (лавсан), поліакрилонітрильні (нітрон), поліолефінові та інші, які отримують фізико-хімічною переробкою низько та високомолекулярних синтетичних сполук – продуктів переробки нафти, природного газу, камяного вугілля та ін.

Найбільш поширеним є волокно капрон. Добувають його із капролактаму. Розплавлену смолу пропускають крізь фільєри. Цівки смоли охолоджують, їх витягують й добувають волокно.

Волокно має високу механічну міцність (не поступається сталі), хімічну стійкість, високу еластичність, стійкість до стирання, стійкість до багаторазового згинання, не вбирає вологи, тому не гниє.

Недоліком є недостатня термічна стійкість (при +250ºС  плавиться). Не стійке до дії концентрованих кислот.

Капрон використовують для виготовлення блуз, шкарпеток, шарфів, штучного хутра, килимових виробів, рибальських сіток. У техніці із капрону виготовляють кордну тканину, яка служить каркасом для авто- і авіапокришок, фільтрувальні матеріали. Із капронової смоли виготовляють стійкі до спрацювання деталі для машин та механізмів. Капронові нитки використовують як швейний матеріал в хірургії. Нитки дуже легкі. Нитка довжиною 9 км важить лише 1 г.

Волокно нітрон має високу міцність, еластичність, низьку теплопровідність, високу світлостійкість. Нітрон стійкий до кислот, але розкладається концентрованими розчинами лугів. Із волокна виготовляють тканини для костюмів, штучного хутра з пухнастим ворсом, килимові покриття.

Лавсан нагадує вовну, але є міцнішим. Вироби із нього не потребують прасування. Лавсан руйнується кислотами і лугами, але стійкий до органічних розчинників. Нитки із лавсану використовують у сумішах  із бавовною, вовною і льоном для покращення їх якості. Лавсан використовують для виготовлення трикотажу, декоративних тканин, штучного хутра, електроізоляційних матеріалів, бензино- нафтостійких шлангів, виробництві шин.

Крім названих волокон виготовляють волокна спеціального призначення: термостійкі, жаростійкі, надміцні, біологічно активні, бактерицидні, напівпровідникові, йоннообмінні та інші. Наприклад: перлон – волокно міцніше за металічний дріт, витримує 30 тисяч згинів (дріт – 20-30 згинів); хлорін – волокно високої хімічної стійкості, воно не горить, на нього не діють луги, кислоти. Волокно використовують для виготовлення матеріалів технічного застосування. Наприклад, фільтрувальних тканин і прокладок в хімічних апаратах; для виготовлення спецодягу, лікувальної білизни.

Еластан (поліуретанове волокно) високоеластичне, але чутливе  до дії світла, швидко тьмяніє, тому його добавляють до багатьох тканин для покращення їх якості.

Синтетичне волокно «Лола» не горить при температурі +1200ºС, а лише розжарюється, стійке до кислот й розчинників. Його використовують для виготовлення вогнезахисного одягу. Термостійке волокно «Армід» витримує температуру +300ºС, +400ºС, не горить, не плавиться, стійке до радіаційного й ультрафіолетового випромінення.

Біологічно активні волокна здатні захищати організм людини від дії мікроорганізмів або проявляти лікувальні властивості. Якщо в полімер ввести антибіотики, то добувають бактерицидні волокна, з яких виготовляють марлю, серветки, білизну, протези трубчастих органів. Волокна, які випромінюють радіоактивні ізотопи використовують для лікування деяких шкірних захворювань. Гемоактивні – для зупинки кровотечі. Виготовляють знеболюючі, протизапальні, термостійкі волокна, волокна які не горять та інші.

Хімічних волокон відомо більше 600 тисяч з яких 60 тисяч добувають в промислових масштабах.