ИСКУССТВЕННЫЙ КАУЧУК

ЧТО ТАКОЕ КАУЧУК?

ТТюди долгое время пользовались каучуком, не зная, из чего он состоит. Однако необычные свойства каучука и его высокая практическая ценность заставляли учёных всё глубже и глубже изучать этот продукт.

Из чего состоит каучук? Какова его химическая при­рода? Можно было предполагать, что каучук имеет слож­ный состав и строение, но какие именно?

В тридцатых годах XIX века было установлено, что каучук состоит из углеводородов, то-есть из таких

Химических веществ, которые образуются путём соедине­ния углерода и водорода. Однако долгое время было не­ясно, какие именно углеводороды входят в состав кау­чука; ведь соединений углерода с водородом известно множество.

Чтобы ответить на этот вопрос, учёные решили вос­пользоваться сухой перегонкой каучука, то-есть нагревом его без доступа воздуха. При сухой перегонке горючие твёрдые вещества разлагаются на составные части. Может быть, сухая перегонка каучука и расскажет, из чего состоит каучук?

Натуральный каучук подвергали постепенному нагре­ванию в стеклянной реторте (рис. 4). При температу­ре 120 градусов каучук размягчался. При 250 градусах он начинал разлагаться — в реторте появлялись белые пары. При дальнейшем повышении температуры каучук

Превращался в густое масло бурого цвета. Концом сухой перегонки считалось прекращение выделения паров из ре­торты. После перегонки на дне реторты оставался чёрный твёрдый кусочек.

Выделявшиеся из реторты белые пары, проходя через холодильник (см. рис. 4), сгущались в жидкость. Эта жидкость являлась смесью различных углеводородов, по­лученных при перегонке. Разделение их велось с помощью так называемой фракционной перегонки. Жидкость медленно нагревалась, и её составные части постепенно, одна за другой, улетучивались. Вначале испарялись части, или фракции, имеющие самую низкую температуру кипения, затем фракции, кипящие при более высокой температуре. Отдельные фракции собирались (после сгу­щения в холодильнике) в чистые сосуды. После этого определялся их состав.

Было выяснено, что в зависимости от условий сухой перегонки каучук даёт фракции различного состава. Но какой бы образец каучука ни был взят, каковы бы ни были условия перегонки, постоянно обнаруживалась фракция, кипящая при 33—34 градусах. Эту ф! ракцию составлял углеводород изопрен.

Химическая формула, то-есть краткое обозначение молекулы изопрена — С5Н8. Эта формула указывает, что молекула изопрена состоит из 5 атомов углерода (Сб) и 8 атомов водорода (Н8).

Вскоре учёные заинтересовались тем, что изопрен, бесцветная горючая жидкость, способен загустевать при стоянии на воздухе. Правда, получавшийся при этом продукт не имел никакой технической ценности и вообще не был похож на каучук. Тем не менее была высказана догадка, что именно изопрен и является тем углеводоро­дом, из которого в природных условиях, под влиянием каких-то сложных воздействий, получается натуральный каучук. Эта мысль была высказана ещё в семидеся­тых годах XIX столетия. Многие учёные того времени стали считать изопрен родоначальником натурального каучука.

Теперь перед учёными встала другая задача: нельзя ли синтезировать каучук, то-есть получить это сложное вещество искусственным путём из простых моле­кул изопрена?

Нельзя ли заменить медленно протекающий природ­ный синтез каучука в гевее более быстрым химическим синтезом?

Эта задача была - решена в конце прошлого века. На­гревая с крепкой соляной кислотой изопрен, выделенный при сухой перегонке каучука, учёные получили продукт, сходный с натуральным каучуком. При сухой перегонке новый продукт дал снова изопрен. Этот опыт, с одной стороны, окончательно подтвердил, что каучук состоит из изопрена, а с другой — показал, что каучук можно полу­чить химическим путём.

Это было замечательное открытие. Конечно, получать каучук из изопрена, который в свою очередь получен из каучука, не имело никакого практического смысла. Но открытие имело большое научное, теоретическое значение: оно указало направление, по которому в дальнейшем должна была итти исследовательская мысль при созда­нии искусственного каучука.

Учёные стали рассматривать натуральный каучук как продукт соединения множества молекул изопрена, иначе говоря, как полимер изопрена (по-гречески поли — много, а м е р о с — часть).

В химии трудно обойтись без формул. При помощи их можно очень кратко, наглядно и точно изобразить хими­ческий процесс. Образование каучука из изопрена, п о - лимеризацию изопрена, можно написать так:

Я Сбн8—>(С5Н8)П'

Изопрен каучук

Эта запись показывает, что из большого числа (п) молекул изопрена при полимеризации образуется одна большая сложная молекула каучука.

Количество молекул изопрена, участвующих в образо­вании одной молекулы каучука, может превышать 3000. В мире молекул молекулы каучука являются гигантами. Молекула каучука приблизительно в 100 000—200 000 раз тяжелее молекулы водорода. Тем не менее молекулы кау­чука нельзя увидеть в микроскоп, их невозможно и взве­сить даже на самых чувствительных химических весах.

Каким же образом соединены между собою молекулы изопрена в полимере-каучуке, как построена молекула каучука?

Химики нашли ответ и на этот возрос.

Когда необходимо показать, как соединены отдельные атомы в молекуле, прибегают к так называемым струк­турным формулам или формулам строения.

Структурная формула молекулы изопрена С5Н8 вы­глядит так;

СН3

I

СН2г=С-СН^СН2.

Эта формула показывает, что изопрен имеет две так называемые двойные связи. Двойная связь обозна­чается двумя чёрточками.

Что же означают эти двойные связи в молекуле?

Каждый атом углерода способен присоединять к себе четыре атома водорода (говорят: «углерод четырёх­валентен»). Если все четыре связи каждого атома углерода заняты другими атомами, то химическое соеди­нение называется насыщенным. Простейшим приме­ром такого соединения может служить газ метан СН4:

Н

I

Н-С — н.

I

Н

Но есть и другого рода соединения, в которых связи двух соседних атомов углерода насыщены не полностью. В этом случае между атомами углерода образуются двой­ные связи. Примером и может служить ненасыщен­ный углеводород изопрен.

Ненасыщенные соединения легко вступают в реакции с другими веществами, так как одна из связей в каждой двойной связи непрочна; она легко разрывается, и по месту разрыва идёт присоединение других атомов. Благо­даря наличию двойных связей молекулы изопрена и сое­диняются друг с другом в длинные цепочки-молекулы каучука.

Вопрос о том, как присоединяются друг к другу мо­лекулы изопрена при полимеризации, занимает исследо­вателей и до сих пор. Упрощённо можно представить себе этот процесс следующим образом.

У двух молекул изопрена происходит разрыв непроч­ных двойных связей, с образованием промежуточных валентностей (показанных пунктиром):

СН3

I

Сн2 - С — СН — СН2

Средние связи в каждой молекуле замыкаются между собой, образуя двойные связи, а две крайние связи идут на присоединение обеих молекул:

СНз СНз

I I

- СН2 — С = СН - СН2 - СН2 - С = СН — сн2 —

В результате получается более сложная молекула — димер, состоящая из двух преобразованных молекул изопрена. Эта «двойная» молекула имеет на концах не­насыщенные связи и может присоединять следующие молекулы изопрена. Так постепенно из отдельных звеньев происходит образование длинных цепочек — молекул на­турального изопренового каучука.