Лекція «Хімія як основа сучасних матеріалів. Пластичні маси, синтетичні каучуки, гума, штучні і синтетичні волокна.»

Ознайомившись із матеріалом лекції, ви дізнаєтесь, як синтезують органічні сполуки різних класів, використо­вуючи природні джерела вуглеводнів, зможете навести приклади синтезів на основі вуглеводневої сировини, ви дізнаєтесь про найважливіші штучні та синтетичні хімічні волокна, їхнє застосування у сучасній техніці та побуті, будете вміти розрізняти основні типи волокон.

План лекції:

1. Синтези органічних сполук на основі вуглеводнів.

2. Поширені полімерні матеріали.

3. Застосування полімерних матеріалів

4. Природний каучук.

5. Синтетичний каучук.

6. Природні та хімічні волокна

Синтези органічних сполук на основі вуглеводнів. Природний газ складається, як вам відомо, переважно з метану та невеликої кількості інших вуглеводнів. Вони є цінною сировиною для хімічних виробництв. Нафта також є сировиною для одержання речовин різних класів.

При сильному нагріванні у печах спеціальної конструкції відбувається розклад метану на водень та ацетилен:

t

2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂

З курсу хімії 9-го класу ви знаєте, що для насичених вуглеводнів (алканів) характерні реакції заміщення та окиснення. Послідовно заміщуючи в молекулі метану атоми Гідрогену на атоми Хлору або Брому (ці реакції відбуваються під дією світла) одержують галогенопохідні, зокрема трихлорометан (хлороформ) CHCl₃ та тетрахлорометан CCl₄ , які використовуються як розчинники смол, жирів, каучуку та інших органічних речовин. Послідовно відбувається ланцюг таких реакцій:

_hν

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl

CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl

CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ + HCl

При окисненні метану за участю каталізаторів добувають метиловий спирт (метанол) СН₃ОН і формальдегід СН₂О:

_kat

2СН₄ + О₂ → 2СН₃ОН

_kat

СН₄ + О₂ → СН₂О + Н₂О

Окиснюючи бутан, отримують оцтову кислоту:

O

//

2CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ + 5O₂ → 4CH₃–C + 2H₂O

\

OH

У хімічній промисловості оцтову кислоту використовують для виробництва пластмас, барвників, лікарських речовин, штучного волокна (ацетатного шовку) тощо.

Ненасичені вуглеводні – етилен, ацетилен, їх гомологи та похідні – також є вихідною сировиною для здійснення багатьох хімічних синтезів (синтезом в органічній хімії називають процес одержання складних органічних сполук з простіших; як правило процес синтезу відбувається у кілька, чи навіть у кілька десятків стадій). З ацетилену добувають оцтову кислоту, синтетичний каучук, полівінілхлоридні пластмаси. З етилену, як ви знаєте, добувають поширений полімер – поліетилен.

Етилен, який у великих кількостях утворюється при крекінгу нафти, є вихідною сировиною для добування етилового спирту:

СН₂=СН₂ + Н₂О →СН₃–СН₂ОН

Реакція відбувається при температурі 260–300 С, тиску до 10 МПа і наявності каталізаторів. Етиловий спирт використовують для добування оцтової кислоти, барвників, синтетичного каучуку, виробництва пластмас.

Продукти, що одержують з вуглеводнів, – галогенопохідні, спирти, альдегіди, карбонові кислоти, – як бачите, служать сировиною для подальших синтезів більш складних органічних речовин.

Висновки

Вуглеводні застосовують як сировину для проведення численних синтезів органічних речовин різних класів. Синтезовані речовини (спирти, альдегіди, карбонові кислоти тощо) є основою для добування барвників, синтетичних волокон і каучуку, лікарських засобів, виробництва пластмас.

Думки великих

Нафта – не паливо. Топити можна і асигнаціями.

Д. І. Менделєєв

Запиши до словника

Хімічний синтез – сукупність реакцій одержання складних речовин із простіших.

Перевір себе

1. Які корисні копалини є природними джерелами вуглеводнів? Які органічні речовини можна отримати з них?

2. Що таке хімічний синтез? Наведи приклади.

3. Перелічи продукти, при виробництві яких використовують оцтову кислоту.

Поміркуй

1. Прокоментуй наведений вислів Д.І. Менделєєва про нафту.

2. Напиши рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити такі перетворення:

С₂Н₆ → С₂Н₅Cl → С₂Н₅ОН → С₂Н₅Cl

3.* Склади рівняння реакції процесу добування оцтової кислоти із метану, який здійснюють у кілька стадій: метан → ацетилен → ацетальдегід → оцтова кислота.

4. Назви речовини А і Б у схемі перетворень:

+HCl +H₂O, KOH

С₂Н₄ → А → Б.

Напиши рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити ці перетворення.

Полімерні матеріали. Пластмаси Слово «полімери» міцно увійшло в нашу мову поряд з такими термінами, як атомна енергія, космічні польоти, генна інженерія, комп’ютерна техніка… Всі ці слова уособлюють найважливіші досягнення наукового прогресу.

Поширені полімерні матеріали. Полімери являють собою матеріали, що складаються з високомолекулярних речовин, утворених із низькомолекулярних сполук – мономерів внаслідок реакції полімеризації. Як вам відомо із курсу хімії 9 класу, полімеризація є процесом послідовного сполучення однакових молекул вихідної речовини (мономеру) з утворенням гігантських макромолекул.

В реакції полімеризації, як ви знаєте, легко вступають етилен та його похідні. Під дією температури і високого тиску подвійні зв’язки у вихідних молекулах розриваються і ті за рахунок вивільнених валентностей сполучаються між собою, утворюючи довгі ланцюги:

... + СН₂=СН₂ + СН₂=СН₂ + СН₂=СН₂ + ...→

... + −Н₂С−СН₂− + −Н₂С−СН₂− + −Н₂С−СН₂− + ... →... −СН₂−СН₂−СН₂−СН₂−СН₂−СН₂− ...

Так утворюється поліетилен, полімер, із властивостями якого ви вже знайомі. Поліетилен належить до найпоширенішого різновиду полімерних матеріалів – пластмас. Пластмасами (пластичними масами) називають полімерні матеріали, здатні при їх термічній переробці у вироби набувати задану форму і зберігати її при експлуатації. За масштабами виробництва вони займають перше місце серед полімерних матеріалів.

Серед поширених пластмас назвемо також поліпропілен, який відзначається високою міцністю, полівінілхлорид, що характеризується значною хімічною стійкістю, термостійкістю та пластичністю, полістирол, який виявляє високі діелектричні властивості:

(–СН₂–СН–)_n (–СН₂–СН–)_n (–СН₂–СН–)_n

| | |

CH₃ Cl C₆H₅

поліпропілен полівінілхлорид полістирол

Лабораторний дослід 4. Ознайомлення зі зразками пластмас та виробів із них

Розгляньте видані вам зразки поліетиленової плівки, гранул, ізоляційного покриття для електро­проводів, частинки пробки тощо. Випробуйте зразки на дотик, пластичність, міцність та встановіть їх відношення до води. Зробіть відповідні висновки.

Якщо гранули полімерного матеріалу помістити у пробірки і долити розчини сульфатної кислоти, натрій гідроксиду та калій перманганату, то ніяких змін спостерігатись не буде. Це демонструє стійкість полімерного матеріалу в агресивних середовищах (які вуглеводні реагують подібно до нього?). Цей дослід підтверджує ваш висновок про те, що за хімічною будовою полімерні матеріали належать до насичених вуглеводнів.

Нагрійте зразок полімеру над полум’ям спиртівки. У пом’якшеному стані за допомогою скляної палички надайте матеріалу будь-якої форми. Вона буде зберігатися і після твердіння полімеру. Така властивість називається термопластичністю. Вона зворотна і при цьому не відбувається ніяких хімічних змін. (У чому полягає відмінність між відомою вам пластичністю і термопластичністю?)

Полімер плавиться при подальшому нагріванні, але процес плавлення має свої особливості, які полягають у тому, що спочатку в рідкий стан переходять його коротші макромолекули, а потім – довші: звідси широкий інтервал температур плавлення. У цьому разі відсутня певна температура плавлення, характерна для кристалічних низькомолекулярних речовин. Ці властивості поєднуються в пластмасах з високою механічною міцністю, малою густиною, високими тепло- та електроізоляційними якостями.

Підпаліть під витяжною шафою зразки полімеру і спостерігайте за його горінням. Зверніть увагу, чи утворюється кіптява, чи буде горіти зразок поза полум’ям, чи мають запах продукти горіння (висловіть припущення щодо їхнього складу). Зробіть висновки на основі хімічної будови та проведених лабораторних дослідів про властивості поліетилену та інших пластмас. З вуглеводнями якого класу їх можна порівняти?

Застосування полімерних матеріалів. Фізичні та хімічні властивості полімерів зумовлюють їх широке застосування в техніці, сільському господарстві, побуті (мал.23; 24). Це викликано тим, що пластмаси на основі різних полімерів мають властивості, завдяки яким їх використання є економічно доцільним. До них належать їх легкість, морозостійкість, хімічна стійкість, високі оптичні якості, а також можливість регулювати ці властивості у потрібному напрямку, змінюючи склад та структуру полімеру. Сюди слід додати технологічну простоту виготовлення виробів, високу продуктивність, економічну вигідність. Ці властивості переважають деякі експлуатаційні недоліки пластмас, характерні для них (низька термостійкість, невисока температура плавлення тощо).

Виробництво пластмас з необхідними експлуатаційними властивостями досягається додаванням у полімерну масу спеціальних речовин. Наприклад, щоб перетворити твердий полімер на еластичний, добавляють пластифікатори. Для підвищення термічної та хімічної стійкості використовують антиоксиданти – речовини, які запобігають окисненню; щоб запобігти наелектризованості – антистатики; для забарвлення у певний колір – пігменти. У пластмаси вводять також різні наповнювачі – пісок, крейду, волокна, арматуру тощо. Застосування полімерного матеріалу в залежності від його властивостей можна звести у таблицю .

Таблиця