Исторический экскурс по теме "Натуральный и синтетический каучук"

Цель урока: ознакомление учащихся со строением, свойствами и применением каучука, создание условий для развития умений самостоятельно приобретать знания, используя различные источники информации, формирование опыта творческой деятельности, воспитание интереса к истории химии, чувства патриотизма, гордости за российских учёных, развитие умений учащихся проводить эксперименты исследовательского характера, анализировать результаты, формировать выводы и обобщения.

Ход урока

Для работы в классе, учащиеся разбиваются на группы, каждая из которых получает конкретное задание по теме урока.

Эта история началась со времён Великих географических открытий. Когда Колумб вернулся в Испанию, он привёз из Нового Света множество диковин. Одной из них был эластичный мяч из “древесной смолы”, который отличался удивительной прыгучестью. Индейцы делали такие мячи из белого сока растения гевея, растущего на берегах Амазонки. Этот сок темнел и затвердевал на воздухе. Мячи считались священными и использовались в религиозных обрядах. У племён майя и ацтеков существовала религиозная игра – командная игра с их использованием, напоминающая баскетбол. Победившей команде оказывались высшие почести – её членам отрезали головы и приносили в жертву божеству. Впоследствии испанцы полюбили играть вывезенными из Южной Америки мячами. Модифицированная ими индейская игра послужила прообразом современного футбола. Сок гевеи индейцы называли “каучу” – слёзы млечного дерева (“кау” – дерево, “учу” – течь, плакать). От этого слова образовалось современное название материала – каучук. Кроме эластичных мячей, индейцы делали из каучука непроницаемые ткани, обувь, сосуды для воды, ярко раскрашенные шарики – детские игрушки.

Оборудование: пробирки, скальпель, предметное стекло, спиртовка, спички, тигельные щипцы, стеклянная палочка, 5% раствор аммиака, разбавленный раствор перманганата калия, 5% уксусная кислота, этанол, кристаллы сульфата кальция, дистиллированная вода, бромная вода, бензин, толуол, листья фикуса.

Ход эксперимента: Комнатное растение – фикус, его сок содержит до 17,5% полиизопрена.

Опыт №1. Соберите листья фикуса. Сделайте надрез на листе фикуса и соберите млечный сок ваткой, смоченной раствором аммиака, в пробирку. В пробирку добавьте также раствор уксусной кислоты и хорошо встряхните. Наблюдайте выделение хлопьев, которые и представляют собой натуральный каучук. На предметное стекло нанесите млечный сок из листьев фикуса и прогрейте. Образуется плёнка натурального каучука.

Опыт №2. Сок из листьев фикуса соберите в пробирку, добавьте немного дистиллированной воды и 0,5 г кристаллического сульфата кальция (или сульфата аммония). После размешивания смеси и добавления к ней этанола на поверхности раствора образуются хлопья каучука. Для сбора каучука используйте стеклянную палочку, с помощью которой перенесите хлопья в пробирку с небольшими количествами разных растворителей: бензин, толуол. Что наблюдаете?

Опыт №3. Один из растворов каучука разделите на две части и поочерёдно добавьте к одной из них бромную воду или раствор перманганата калия. Обесцвечивание окрашенных растворов указывает на наличие кратных связей в молекулах выделенного образца из сока фикуса. Другую часть раствора каучука осторожно выпарьте на часовом стекле. После удаления растворителя на стекле останется плёнка каучука, которую для демонстрации эластичности можно слегка растягивать. Сравните с плёнкой, полученной в опыте №1.

Обобщите свои наблюдения о свойствах выделенного из сока фикуса вещества. К какому классу соединений его можно отнести? По результатам эксперимента подготовьте презентацию (Приложение 1).

В Европе забыли про южноамериканскую диковинку до XVIII века, когда члены французской экспедиции в Южной Америке обнаружили дерево, выделяющее удивительную, затвердевающую на воздухе смолу, которой дали название “резина” (по латыни – смола). В 1738 году французский исследователь Ш. Кондамин представил в Парижской Академии наук образцы каучука, изделия из него и описание способов добычи в странах Южной Америки. С тех пор начались поиски возможных способов применения этого вещества. А после 1823 года, когда шотландец Ч. Макинтош придумал прокладывать тонкий слой резины между двумя кусками ткани, начался настоящий “резиновый бум”. Непромокаемые плащи из этой ткани, которые стали называть в честь их создателя “макинтошами”, получили широкое распространение. Примерно в то же время в Америке стало модным в дождливую погоду поверх башмаков носить неуклюжую индейскую резиновую обувь – галоши.

Оборудование: пробирки с пробками, образцы каучука и резины, бензин, керосин, толуол.

Ход эксперимента: В пробирки налейте по 3–4 мл бензина, керосина, толуола. Поместите в пробирки кусочки резины, каучука. Закройте пробирки и пронаблюдайте за ними до конца урока. Сравните поведение в органических растворителях каучука и резины. Почему резина не растворяется в тех же условиях, что и каучук? (Результаты исследований: каучук растворяется в органических растворителях, образуя вязкую жидкость (резиновый клей), а кусочки резины слегка набухли, но не изменили своей формы).

Огромную, хотя и недолгую популярность в Европе и Северной Америке резиновые изделия получили после того, как англичанин Чаффи изобрёл прорезиненную ткань. Он растворял сырую резину в скипидаре, добавлял сажу и с помощью специально сконструированной машины наносил тонкий слой смеси на ткань. Из такого материала делали не только одежду, обувь и головные уборы, но и крыши домов и фургонов. Однако у изделий из прорезиненной ткани был большой недостаток. Дело в том, что эластичность каучука проявляется лишь в небольшом интервале температур, поэтому в холодную погоду резиновые изделия твердели и могли растрескаться, а летом размягчались, превращаясь в липкую, издающую зловоние массу. Энтузиазм по поводу нового материала быстро иссяк. А когда однажды в Северной Америке выдалось жаркое лето, наступил кризис резиновой промышленности – вся продукция превратилась в мерзко пахнущий кисель. Фирмы по производству резины разорились.

Оборудование: водяная баня (Т=100⁰С), тигельные щипцы или пинцет, тонкие полоски каучука и резины.

Ход эксперимента: В кипящую воду поместите на 5 минут тонкую полоску натурального каучука и такого же размера полоску резины. Вынув тигельными щипцами полоску каучука, быстро растяните её. То же проделайте с полоской резины. Каучук сильно растягивается в результате размягчения, теряя при этом эластичность, а у резины не наблюдается изменения. Каучук термопластичен, резина нет. Резина характеризуется большей термической стойкостью по сравнению с каучуком. Чем можно объяснить различное отношение каучука и резины к нагреванию?

И все бы забыли про макинтоши и галоши, если бы не американец Чарльз Нельсон Гудьир, который искренне верил, что из каучука можно создать хороший материал. Он посвятил этой идее несколько лет и потратил все свои сбережения. Современники смеялись над ним: “Если вы увидите человека в резиновом пальто, резиновых ботинках, резиновом цилиндре и с резиновым кошельком, а в кошельке ни единого цента, то можете не сомневаться – это Гудьир”. Однако Ч. Гудьир упорно смешивал каучук со всем подряд: с солью, перцем, песком, маслом и даже с супом и, в конце концов, добился успеха. В 1839 году он обнаружил, что если добавить в каучук немного серы и погреть, то прочность, твёрдость, эластичность, тепло– и морозоустойчивость его улучшаться. В настоящее время именно новый материал, изобретённый Ч. Гудьиром, принято называть резиной, а открытый им процесс – вулканизацией каучука. С этого времени начинается бурный рост производства каучука.

Оборудование: пробирки, пробиркодержатель, нагревательные приборы, каучук, порошок серы, стеклянная палочка, стакан с водой.

Ход эксперимента: Поместить в пробирку небольшой кусочек каучука, добавить немного порошкообразной серы, полученную смесь нагреть до расплавления серы, перемешать стеклянной палочкой, затем остудить. Полученный материал окажется более твёрдым и прочным, чем исходное сырьё. В ходе реакции произошла вулканизация каучука и получилась резина. Проверить полученный образец резины на эластичность, действие высокой и низкой температур. Сделать вывод, о физических свойствах резины. (Резина обладает лучшими механическими свойствами, чем каучук, и большей стойкостью к изменению температур).

Неудивительно, что Бразилия как зеницу ока берегла источник своего богатства. Вывоз семян гевеи был запрещён под страхом смертной казни. Однако в 1876 году британский шпион Генри Уикхем в трюмах английского судна “Амазонас” тайно вывез 70000 семян гевеи. В британских колониях Юго-Восточной Азии были заложены первые плантации каучуконосов. На мировом рынке появился натуральный английский каучук, более дешёвый, чем бразильский.

А мир завоёвывали разнообразные изделия из резины. Удивительно, но изобретение резиновых шин вместо металлических поначалу не было встречено с энтузиазмом, хотя экипажи с металлическими шинами были не слишком комфортными – за страшный шум и тряску в Англии их называли “истребителями воробьёв”. Новые тихие экипажи на цельнолитых массивных резиновых шинах в Америке были запрещены. Они считались опасными, так как не предупреждали прохожих о приближении экипажа. В России также тихие конные экипажи на резиновом ходу вызывали недовольство – они обдавали грязью не успевших поторопиться пешеходов.

Оборудование: пробирки, натуральный каучук, очищенный от непредельных углеводородов бензин, раствор перманганата калия, бромная или йодная вода. (Примечание: не менее чем за сутки растворите кусочки каучука в одном из органических растворителей – бензине).

Ход эксперимента: В пробирку с раствором перманганата калия и бромной (йодной) водой добавьте по нескольку капель приготовленного заранее раствора каучука и встряхните. Наблюдайте изменение окраски. Почему раствор каучука изменяет окраску растворов бромной воды или перманганата калия?

С изобретением конвейерного метода сборки автомобилей потребность в резине стала настолько велика, что настоятельно возникла проблема ограниченности производства природного сырья. Надо было искать другие источники каучука. В конце XIX – первой половине XX веков во многих странах проводились обширные исследования строения каучука, его физических и химических свойств, явления эластичности, процесса вулканизации. Г. Штаудингер доказал, что каучук является высокомолекулярным соединением, то есть состоит из обычных, хотя и гигантских молекул, атомы в которых связаны ковалентными связями. На основании своих исследований каучука и резины учёный выдвинул теорию цепного строения макромолекул, предположил существование разветвлённых макромолекул и трёхмерной полимерной сетки.

В натуральном каучуке содержится 91–95% углеводорода полиизопрена (С₅Н₈)n. Молекула натурального каучука может содержать 20–40 тысяч элементарных звеньев, его молекулярная масса составляет 1400000–2600000, он нерастворим в воде, зато хорошо растворяется в большинстве органических растворителей.

Найдите молекулярную формулу вещества, при сжигании 2 г которого образовалось 2,12 г воды и 6,48 г углекислого газа. Относительная плотность паров этого вещества по водороду равна 34. Составьте структурную формулу данного вещества и все его возможные изомеры.

Полиизопрен натурального каучука является стереорегулярным полимером: почти все (98-100%) звенья изопрена в макромолекуле присоединены друг к другу в цис-1,4-положении. Природный геометрический изомер каучука – гуттаперча, представляет собой транс-1,4-полиизопрен. Различия в пространственном расположении заместителей у каучука и гуттаперчи приводят к тому, что и форма макромолекул этих веществ тоже различна. Молекулы каучука закручены в клубки. Если ленту из каучука растянуть, деформировать, то молекулярные клубки будут выпрямлять в направлении, в котором приложена деформация, и лента будет удлиняться. Однако молекулам каучука энергетически выгоднее находиться в первоначальном состоянии, поэтому, если натяжение прекратить, молекулы опять свернуться в клубки, и размеры ленты станут прежними. Молекулы гуттаперчи не закручены в клубки так, как у каучука. Они вытянуты даже в отсутствии нагрузок. Поэтому гуттаперча обладает намного меньшей эластичностью.

Что же происходит с каучуком при вулканизации? Когда каучук нагревают с серой, макромолекулы каучука “сшиваются” друг с другом серными мостиками. Из отдельных макромолекул каучука образуется единая трёхмерная пространственная сетка. Изделие из такого материала – резины – прочнее, чем из каучука, и оно сохраняет свою эластичность в более широком интервале температур.

Оборудование: пробирки, пробирка с боковым тубусом, газоотводные трубки с пробками, натуральный каучук, разбавленный раствор перманганата калия.

Ход эксперимента: кусочки натурального каучука поместите в пробирку с газоотводной трубкой. При нагревании каучука образуются непредельные соединения, среди которых встречается изопрен. Жидкие продукты реакции конденсируются в пробирке № 1, а газообразные собираются в пробирке № 2. Разложение сопровождается образованием веществ, имеющих резкий запах! Обесцвечивание раствора перманганата калия в пробирке № 2 указывает на непредельный характер продуктов разложения каучука. Исследуйте отношение конденсата к раствору перманганата калия. Составьте уравнение реакции взаимодействия изопрена с бромом.

Рис. 1. Схема прибора.

Интересно, что во многих странах в начале XX века проводились исследования местных видов растений на признак каучукообразования. В Советском Союзе систематический поиск растений-каучуконосов предпринимался в 30-х годах, общий список таких растений составил 903 вида. Наиболее эффективные каучуконосы, в частности Тянь-Шанский одуванчик кок-сагыз, выращивали на полях России, Украины, Казахстана, работали заводы по выделению каучука, который по качеству считался не уступающим каучуку из гевеи. В конце 50-х годов с увеличением производства синтетического каучука возделывание одуванчика-каучуконоса было прекращено.

Впервые каучукоподобное вещество получил в 1879 году французский химик Г. Бушарда, обработав изопрен соляной кислотой. Русский химик И. Кондаков (г. Юрьев) синтезировал эластичный полимер из диметилбутадиена в 1901 году. Первые промышленные партии синтетического каучука – диметилкаучука – были выпущены на основе разработок Кондакова в 1916 году в Германии. Было получено около 3000 т синтетического каучука, из которого изготовляли аккумуляторные коробки для подводных лодок. Однако широкого распространения диметилкаучук не получил, и его производство было прекращено.

Подготовить презентацию о С. В. Лебедеве. (Приложение 2.)

Русский учёный С. В. Лебедев посвятил проблеме полимеризации диенов значительную часть своей научной деятельности. Он впервые получил синтетический бутадиеновый каучук в 1910 году. А магистерская работа Лебедева, посвящённая исследованию кинетики полимеризации дивинила (бутадиена –1,3) и его производных, в 1914 году была награждена премией Российской Академии наук. К процессу полимеризации бутадиена С. В. Лебедев вернулся в 1936 году, когда правительство СССР объявило конкурс на лучшую разработку промышленного производства синтетического каучука. Лебедевым и его сотрудниками был успешно разработан недорогой и эффективный метод. В качестве катализатора было предложено использовать металлический натрий, и полимер, полученный по данному методу, носит название натрий-бутадиеновый каучук. Настоящей находкой был одностадийный способ получения бутадиена из этилового спирта на смешанном цинкалюминиевом катализаторе. Использование этанола, из растительного сырья, в качестве исходного продукта значительно удешевляло производство в условиях аграрного в то время Советского Союза. Благодаря работам С. В. Лебедева промышленное широкомасштабное производство синтетического каучука впервые в мире начато в Советском Союзе в 1932 году. Первый в мире завод по производству дивинилового каучука был пущен в г. Ярославле, вскоре такие заводы начали работать в Воронеже, Казани и Ефремове. Значение этого события сложно переоценить: возможность оснастить отечественную технику шинами собственного производства сыграла важную роль в победе над фашистской Германией в условиях полной экономической изоляции от внешнего мира. Германия была второй страной, запустившей производство синтетического каучука, но случилось это только в 1936 году.

С 1932 и вплоть до 1990 года СССР по объёмам производства синтетического каучука занимал первое место в мире. И сегодня Россия сохраняет позиции экспортёра мирового значения. На внутреннем рынке остаётся примерно половина продукции. Основными потребителями синтетического каучука являются шинные заводы, а около 40% каучука идёт на производство разнообразных резинотехнических изделий (более 50000 наименований), среди которых технические и хирургические изделия из мягкой резины, подошвы для обуви, ленточные транспортёры, разнообразные трубы и шланги всех видов, электроизоляции, клеи, герметики, краски на латексной основе и многое другое. С появлением технологии производства синтетических каучуков резиновая промышленность перестала быть всецело зависимой от производства природного каучука. Однако синтетический каучук не вытеснил природный, объём производства каучука по-прежнему возрастает, а доля натурального каучука в общем объёме производства составляет 30%. Ведущими мировыми производителями натурального каучука в настоящее время являются страны Юго-Восточной Азии – Таиланд, Индонезия, Малайзия, Южный Вьетнам, Китай. Благодаря уникальным свойствам натурального каучука он незаменим при производстве крупногабаритных шин, способных выдерживать нагрузки до 75 тонн. Лучшие фирмы-производители изготавливают покрышки для шин легковых автомобилей из смеси натурального и синтетического каучука. Поэтому до сих пор главной областью применения натурального каучука остаётся шинная промышленность (70%). Кроме того, натуральный каучук находит применение для изготовления конвейерных лент высокой мощности, антикоррозионных покрытий котлов и труб, клея, тонкостенных высокопрочных мелких изделий, в медицине и так далее.

В конце урока, заслушиваем отчёты о работе каждой из групп, и формулируем выводы по уроку. В ходе урока, учащиеся выяснили, что роль натурального и синтетического каучука в нашей жизни велика. Каучук используется в производстве автомобильных, авиационных изделий, а также в производстве изделий широкого потребления (обуви, спортивных товаров, игрушек). При исследовании химических свойств натурального каучука выяснилось, что он имеет кратные связи в полимерной цепи, установлено, что каучук имеет цис-форму и представляет собой

2-метилбутадиен-1,3 (изопрен). Вулканизированный каучук называют резиной. Также учащиеся познакомились с растениями каучуконосами и способами получения из них натурального каучука и продолжили развивать свои теоретические и практические умения и навыки.

К статье прилагаются презентации (приложение 1, 2, 3).

Список литературы:

1. Журнал “Потенциал. Химия. Биология. Медицина” Москва изд. ООО “Азбука-2000” 2011, статья Е. А. Менделеева “История про каучук” стр. 9–14.
2. О. С. Габриелян, Л. П. Ватлина “Химический эксперимент в школе”, Москва “Дрофа” 2005.
3. А. И. Артеменко “Удивительный мир органической химии”, Москва “Дрофа” 2008.