Урок 11. Непредельные углеводороды. Aлкадиены. Натуральный каучук
план-конспект урока по химии (10 класс) на тему

Урок 11. Непредельные углеводороды. Aлкадиены. Натуральный каучук.

Алкадиены и их свойства

Алкадиены — непредельные углеводороды с двумя двойными связями в открытой углеродной цепи.

Общая формула алкадиенов CnH2n-2.

В зависимости от взаимного расположения двойных связей различают три вида алкадиенов:

• алкадиены с кумулированным расположением двойных связей (две двойные связи у одного атома углерода):

CH2 = C = CH—CH2—CH3 пентадиен-1,2

• алкадиены с сопряженным расположением двойных связей (двойные связи в углеродной цепи разделены одной одинарной связью):

CH2 = CH—CH = CH—CH3 пентадиен-1,3

• алкадиены с изолированным расположением двойных связей (двойные связи в углеродной цепи разделены более чем одной одинарной связью):

CH2 = CH—CH2—CH = CH2 пентадиен-1,4

По химическим свойствам алкадиены (особенно с изолированными связями) во многом сходны с алкенами. Для них характерны реакции присоединения, они обесцвечивают бромную воду и раствор KMnO4.

Дополнительная информация

Подробнее о строении и свойствах алкадиенов

Три вида алкадиенов существенно отличается по строению и свойствам друг от друга. Центральный атом углерода (атом, образующий две двойные связи) в алкадиенах скумулированными двойными связями находится в состоянии sp-гибридизации. Он образует две σ-связи, лежащие на одной прямой и направленные в противоположные стороны, и две π-связи за счет негибридизованных р-орбиталей каждого атома углерода, лежащие во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Свойства алкадиенов с изолированными двойными связями практически ничем не отличаются от свойств алкенов, разве что алкадиены вступают в соответствующие реакции в две ступени. Атомы углерода, образующие двойные связи, находятся в состоянии sp2-гибридизации.

Свойства алкадиенов с сопряженными двойными связями весьма специфичны, так как сопряженные π-связи существенно влияют друг на друга.

р-Орбитали, образующие сопряженные π-связи, фактически составляют единую систему (ее называют π-системой), так как р-орбитали соседних π-связей частично перекрываются:

Длины двойных связей (1 и 3) составляют 0,137 нм (двойная связь в алкенах — 0,132 нм), а одинарной (2) — 0,146 нм (0,154 нм у алканов). Таким образом, можно считать, что кратность связей 1 и 3 несколько меньше двух, а связи 2 больше единицы. Такие связи называют сопряженными.

Иногда сопряженные диены изображают следующим образом:

Алкадиены способны присоединить водород, галогены, галогеноводороды.

Особенностью присоединения к алкадиенам с сопряженными двойными связями является способность присоединять молекулы как в положения 1 и 2 (1,2-присоединение), так и в положения 1 и 4 (1,4-присоединение):

Соотношение продуктов зависит от условий и способа проведения соответствующих реакций.

Важнейшим свойством алкадиенов с сопряженными связями является способность полимеризоваться с образованием эластичных высокомолекулярных соединений — синтетических каучуков:

С.В. Лебедев

Впервые промышленный синтез бутадиенового каучука осуществлен в 1932 г. по методу русского химика С.В. Лебедева.

Дополнительная информация

История создания синтетического каучука

История получения синтетических каучуков из алкадиенов начинается с конца XIX — начала XX вв. Именно в этот период особенно бурно растет интерес к проблеме получения синтетического каучука.

Набирает темпы производство велосипедов, автомобилей и самолетов — главных потребителей каучука.

Цены на каучук растут, т. к. единственной страной-экспортером этого продукта была Бразилия.

Чтобы ликвидировать монополию Бразилии на производство и продажу каучука, англичане вывезли и заложили огромные плантации гевеи в своих тропических колониях.

Уже в 1915 г. они стали давать каучука в 2 раза больше, чем Бразилия. Цены на каучук стали снижаться, и проблема каучука, например, для Англии, была решена.

Однако, такая крупная держава, как Россия, не имела возможности выращивать гевею и потому полностью зависела от коньюктуры на мировом рынке. Поэтому в России очень остро стояла проблема синтетического каучука, и исследователи предпринимали все усилия для ее решения.

История отечественного синтетического каучука начинается с работ молодого русского химика, ученика школы А.М. Бутлерова, И.Л. Кондакова, который осуществил первый синтез изопрена (2-метилбутадиена-1,3) и получил из него каучукоподобное вещество.

А в 1910 г. С.В. Лебедев получил первый синтетический каучук из бутадиена-1,3.

В 1926 г. Высший Совет Народного хозяйства СССР объявил конкурс на лучший способ промышленного получения синтетического каучука.

Условия конкурса были жесткими: за 2 неполных года нужно было разработать технологию получения из доступного сырья каучука, который по комплексу свойств мог бы соперничать с природным и, что особенно важно, производиться в промышленных масштабах.

Победителями этого конкурса стали ленинградские химики во главе с С.В. Лебедевым.

Они разработали способ получения из этилового спирта C2H5OH бутадиена-1,3, полимеризацией которого на металлическом Na (инициаторе полимеризации) получали бутадиеновый каучук.

Вот как можно представить оба процесса:

Впервые в мире на основе этого метода, предложенного нашими отечественными химиками во главе с С.В. Лебедевым, в нашей стране в 1932 г. было создано промышленное производство синтетического каучука в г. Ярославле.

За рубежом подобные производства появились позже: в Германии — в 1938 г., в США — в 1942 г.

Это интересно!

Cлово «каучук» заимствовано из языка индейцев Южной Америки и означает в переводе «слезы дерева».

Это интересно!

В английском языке, по предложению английского химика Джозефа Пристли, каучук называют «rubber», т. к. он хорошо стирает (rub out) записи, сделанные карандашом.

Состав, строение, свойства натурального каучука

Вы знаете, что каучук есть и в природе. Его называют природным или натуральным.

Сырой каучук получают обработкой «млечного» сока (латекса) тропических каучуконосных деревьев, например сока дерева гевея.

Латекс, содержащий до 25 — 30% каучука, собирают, делая специальные надрезы на коре деревьев.

Сбор латекса

В результате длительных и упорных исследований состав и строение натурального каучука (НК) установлены во всех деталях.

Образование полиизопрена можно представить так:

Полимер, в котором все структурные звенья находятся или в цис-, или в транс-форме, относят к стереорегулярным.

Стереорегулярное строение природного каучука (цис-полиизопрена): 

Дополнительная информация

Зависимость свойств полиизопрена от пространственного строения

Природа дает и транс-изомер полиизопрена — гуттаперчу.

Этим материалом покрывают мячи для игры в гольф.

Стереорегулярные полимеры

Стереорегулярные полимеры — полимеры, макромолекулы которых состоят из структурных звеньев с одинаковой пространственной конфигурацией или же из звеньев различной конфигурации, но чередующихся в цепи в определенном порядке.

Это интересно!

Известно много растений и кустарников (одуванчики, логаи, фикусы), которые выделяют латекс (от лат. latex — «жидкость»), представляющий эмульсию каучука в разбавленном водном растворе белков, жиров, углеводов, солей и др. — это одуванчики, логаи, фикусы.

Одуванчики

Это интересно!

В 1823 г. английский химик и изобретатель, член Лондонского королевского общества Чарлз Макинтош запатентовал свое изобретение. Он придумал непромокаемый материал, состоящий из двух слоев ткани, соединенных раствором каучука в специальном растворителе. Изобретатель наладил производство плащей из нового материала, которые получили название «макинтоши». Примерно в то же время было налажено производство галош из каучука, а в Петербурге в 1832 г. построена первая фабрика по производству обуви с каучуковым покрытием.

Это интересно!

Известно, что многие сотни лет тому назад восточные народы употребляли каучук в качестве сакиза, т. е. жвачки.

Это интересно!

Каучук в Европу привез испанский адмирал Христофор Колумб, который во время своего путешествия (1493 г.) наблюдал использование мячей из необычного материала в играх и обрядах туземцев Центральной Америки.

Вулканизация каучука. Применение вулканизированного каучука

Сырой каучук (натуральный или синтетический) имеет ограниченное применение.

Важнейшим процессом превращения каучука в технический продукт — резину— является вулканизация.

Вулканизация — процесс формования и нагревания смеси каучука с серой, наполнителями (например, сажей) и другими веществами.

В процессе вулканизации происходит взаимодействие между молекулами каучука и атомами серы по месту некоторых двойных связей (реакция присоединения). Молекулы каучука как бы «сшиваются».

Вулканизированный каучук

В результате образуются гигантские молекулы, имеющие три измерения в пространстве, полимер приобретает пространственную структуру. Благодаря ей, резина имеет бóльшую механическую прочность, термостойкость, устойчивость к растворителям и эластичность.

Резина используется в производстве шин, транспортных лент, приводных ремней, уплотнителей, амортизаторов, электроизоляционных материалов, изделий бытового, санитарно-гигиенического, медицинского, спортивного назначения.

Применение резины в народном хозяйстве:
1 — ластики, 2 — 4 — товары народного потребления (резиновые перчатки (2), плащи и сапоги (3), шланги (4)), 5 — автомобильные покрышки

Свойства вулканизированного каучука сильно зависят от количества серы:

Эбонит — один из лучших электроизоляторов. Однако его используют и в качестве декоративного материала.

Изделие из эбонита

Это интересно!

Счастливый случай помог американскому изобретателю Чарльзу Гудьиру открыть способ преобразования каучука в новый материал, более устойчивый к температурным изменениям. Однажды он уронил на горячую печь пластинку каучука, на которую был нанесен слой серы (чтобы пластинки не слипались). Каково же было его удивление, когда он обнаружил, что остывшая пластинка не только не липла, но стала упругой и эластичной. Так в 1839 г. была открыта вулканизация каучука. Независимо от Гудьира англичанин Т. Гэнкок в 1843 г. открыл аналогичный способ, который именно он и назвалвулканизацией (по имени Вулкана — древнеримского бога подземного огня), а новый продукт — резиной(от лат. resina — «смола»).

Это интересно!

В самом начале нашего века чуть ли не половину резины в США делали из гваюлы — низкого местного кустарничка семейства сложноцветных. В клетках его коры и сердцевины накапливалось около 10% каучука от общей массы. Но едва в Юго-Восточной Азии появились плантации гевеи, интерес к гваюле упал, ведь в млечном соке гевеи содержится около 25% каучука.

Интерес к гваюле снова возрос, когда выяснили, что после обработки кустарничка дихлорфенокситриэтиламином между июнем одного и апрелем следующего года содержание каучука в нем возрастает на треть, а концентрация каучуковой полимеразы (фермента, ответственного за синтез каучука) удваивается.

Сейчас американцы хотят найти ген, отвечающий за выработку каучука в теле гваюлы, срастить его с микроорганизмом, который стал бы давать каучук в ходе ферментации, и тем самым уменьшить каучуковую зависимость США.

Гваюла

Получение алкадиенов

В настоящее время производство синтетических каучуков достигло огромных масштабов, выпускается около 100 видов каучуков, отличающихся механической прочностью, сопротивляемостью к истиранию, эластичностью, устойчивостью к высоким и низким температурам и т. д.

Крупнейший потребитель каучуков
— шинная промышленность

О масштабах производства каучуков можно судить по следующим данным: на изготовление комплекса покрышек для малолитражного автомобиля нужно ~ 20 кг каучука, как правило, разных сортов и марок, а для 40-тонного самосвала ~ 2 т каучука!

Как же получают алкадиены, необходимые для производства синтетических каучуков?

Самый распространенный способ — дегидрирование алканов, получаемых из нефтяных газов и продуктов переработки нефти:

Дополнительная информация

Другие способы получения алкадиенов

Дегидратация и дегидрирование этилового спирта на смешанном катализаторе — первый промышленный способ получения бутадиена-1,3 (способ Лебедева):

Дегидрогалогенирование применяют для получения алкадиенов в лаборатории:

Существенное значение имеет расположение галогенов в молекуле дигалогенида. Так, в случае 2,3-дибромбутана или 2,2-дибромпропана образуются соответствующие алкины.

Это интересно!

В растениях содержится немало веществ, образованных из нескольких молекул изопрена (2-метилбутадиена-1,3). Они называются «терпенами», т.к. впервые их обнаружили в терпенном масле — скипидаре.

Один из самых важных терпенов — каротин, его молекулы «составлены» из 8 молекул изопрена. Большое количество сопряженных связей придает каротину красный цвет. Именно каротину обязаны оранжевым или желтым оттенком морковь, яичный желток, сливочное масло.

Окраска кожи человека тоже зависит от количества растворенного в подкожном жире каротина: чем его больше, тем она желтее. Похожие на каротин вещества придают красный цвет помидорам, вареным ракам.

К производным терпенов относятся витамины группы А. При недостатке витамина А возникает ослабление зрения, поэтому сырая морковь и морковный сок полезны для глаз.

Это интересно!

Многие жевательные резинки в своей основе содержат гуттаперчу, пластифицированную тритерпенами.