Составьте сокращенное уравнение реакции получения бутадиенового каучука

Бутадиеновый каучук: формула, способы получения, свойства и применение

Химической промышленностью в наше время производится несколько видов каучуков. Одним из самых востребованных при этом является бутадиеновый. Каучук этой разновидности имеет множество достоинств. Но конечно, есть у него и некоторые недостатки.

Немного истории

Натуральный каучук в Европу, как известно, был привезен из Америки Христофором Колумбом. Обнаружил это интересное вещество великий мореплаватель на острове Гаити. Местные индейцы делали из него плотные мячи для игр.

В первое время каучук в Европе, к сожалению, никого особо не заинтересовал. Однако позднее это вещество стало применяться довольно-таки широко. К примеру, во Франции из него делали подтяжки для штанов. В Англии с использованием каучука шили водонепроницаемые пальто.

В 1839 г. американский исследователь Чарльз Гурдер впервые сделал из этого материала резину. Хотя до этого изобретатель и пытался найти новые методы использования каучука, получилось у него это совершенно случайно. Однажды Гурдер чисто механически положил пластинку исследуемого материала на печку поверх уже находившегося там куска серы. Так впервые и получился материал с интересными свойствами, в последующем названный резиной.

Необходимость синтезирования каучука

Добывают каучук в Америке из дерева гевеи. В Европе и России эта тропическая культура, к сожалению, не растет. Природных источников получения резины в Северном полушарии попросту нет. Именно поэтому в конце XIX — начале XX века в России и Европе встала острая потребность синтеза искусственного каучука для получения резины, которая к тому времени уже была широко распространена и использовалась повсеместно.

Виды искусственного каучука

Со временем было создано множество технологий получения этого нужного материала. Видов каучука на настоящий момент существует несколько. К примеру, химической промышленностью выпускаются такие его типы, как винилпиридиновый, фторсодержащий, вспененный, кремнийорганический. Но наиболее востребованным является все же бутадиеновый. Каучук именно этой разновидности и был когда-то впервые получен искусственно (в 1932 году группой инженеров под руководством А. Лебедева).

Как делают

Гевей в нашей стране нет. Однако для получения синтетического каучука также используются природные материалы. В основном это зерно и картофель. Сбраживая эти с/х продукты, получают этиловый спирт. Последний служит исходным сырьем при производстве такого вещества, как бутадиен-1.3. Для получения каучука этот компонент подвергают полимеризации.

Исходное вещество

Представляет собой 1.3-бутадиен бесцветный газ, формула которого выглядит следующим образом: СН2=СН—СН=СН2. По-другому его называют дивинил. По сути, бутадиен-1.3 — это ненасыщенный углеводород, представитель группы диеновых. Характерной особенностью этого газа, помимо всего прочего, является очень неприятный запах.

Полимеризация бутадиена для получения собственно каучука производится на стереоскопических катализаторах. Сама реакция протекает с присоединением молекул друг с другом в 1,4 или 1,2 положении.

Физические характеристики

Для синтеза конечного продукта применяют обычно содержащий более 99% основного вещества бутадиен. Бутадиеновый каучук же отличается такими техническими характеристиками:

вязкость по Муни — 30-35;

температура вулканизации — 140-160 С;

плотность — 900-920 кг/м;

основной агент вулканизации — сера;

наполнители при вулканизации — технический углерод;

пластификаторы — минеральные масла.

Разновидности

Подразделяется бутадиеновый каучук на два основных типа:

Первую разновидность материала выпускают в виде брикетов. Получают стереорегуляторные каучуки:

с помощью катализаторов Циглера-Натта (никелевого, кобальтового и титанового типов);

В молекулах таких каучуков имеется не менее 85% мономерных групп. Нестереорегуляторные материалы делают в присутствии щелочных металлов. Чаще всего это металлический натрий. Именно такой материал (СКВ) и был получен когда-то впервые А. Лебедевым.

Бутадиеновый каучук: формула

Получать этот материал можно, таким образом, с использованием разных катализаторов. Формула бутадиенового каучука выглядит в любом случае следующим образом:

nCH 2 = СН – СН = CH 2 ® (– СН 2 – СН = СН – СН 2 – ) n, где n может принимать значения в несколько тысяч.

Способ получения нестереорегуляторного каучука СКВ

Изготавливают такой материал, как уже упоминалось, путем полимеризации бутадиена в присутствии металлического натрия. Длится эта процедура несколько часов при давлении в 0.9 МПа и температуре 50-60 С.

Улучшают свойства полученного каучука путем дополнительной обработки в вакуумсмесителе для удаления летучих веществ. Далее к материалу добавляют стеариновую кислоту и противостаритель. На заключительном этапе каучук обрабатывают на рафинировочных пальцах. Это позволяет придать материалу большую однородность и очистить его от разного рода жестких ненужных включений.

В зависимости от того, какой будет выбран зазор на рафинированных пальцах, можно получить брикетированный или вальцованный каучук. Упаковывают полученный материал в прорезиненные мешки. Иногда последние также пропитывают нитролаком.

Как маркируется СКВ

Итак, как получить бутадиеновый каучук нестереорегуляторный, мы выяснили. Теперь давайте посмотрим, как маркируется эта разновидность материала. Пластичность получаемого методом полимеризации нестереорегуляторного каучука СКВ может варьироваться в пределах 0.1-0.66. Исходя из этого, и маркируется материал. К примеру, каучук 40 будет иметь пластичность 0.36-0.4. Также маркировка материала содержит такие сведения, как:

использованный способ полимеризации;

Буквы в маркировке материала обозначают:

с — стрежневая полимеризация;

к — брикетированный материал;

Из каучука СКВ, маркированного буквой «д», получают резины с повышенными диэлектрическими свойствами. Материал, на этикетке которого присутствует «э», предназначен для изготовления баллонных и эбонитовых изделий. Буква «щ» в маркировке каучука означает то, что его можно использовать для изготовления резины, соприкасающейся с пищевыми продуктами.

Синтез стереорегуляторного материала

Изначально разновидность СКВ использовалась очень широко. Однако с изобретением технологии изготовления стереорегуляторного каучука, применение ее значительно сократилось. Дело в том, что стереорегулятрный бутадиеновый каучук отличается большей эластичностью и имеет лучшие технические характеристики.

Совершенствование процессов изготовления материала привело к получению новых его форм с улучшенными свойствами. Стереорегуляторный бутадиеновый каучук — полимер, изготавливать который можно с использованием комплексных катализаторов (СКД) или литиевых (СКДЛ).

Делают такие материалы по непрерывной схеме и с минимальными затратами ручного труда. При производстве наиболее распространенной разновидности СКД полимеризация производится в специальной батарее в присутствии комплексного катализатора при температуре 25-30 С и давлении 1 МПа. Общее время изготовления каучука этой разновидности составляет 4-8 часов.

На одном из этапов материал дополнительно обрабатывается в вакуумоиспарителе. Здесь к полимеризату добавляется антиоксидант. Далее материал проходит процедуру водной дегазации. Остатки растворителя от каучука отделяют путем обработки паром.

Поставляются на рынок стереорегуляторные бутадиеновые каучуки обычно в брикетах по 30 кг, завернутых в полиэтиленовую пленку.

Сферы использования

Таким образом, имеет очень даже хорошие бутадиеновый каучук свойства. И применение его поэтому оправдано при изготовлении самой разной эластичной продукции. Каучуки нестереорегуляторные бутадиеновые чаще всего используются при производстве:

резин пищевых, морозостойких, кислотощелочестойких;

эбонитовых и асбестовых изделий.

Стереорегуляторные материалы этого типа используют при изготовлении:

шин для автомобилей;

подошв обуви и перчаток;

транспортерных лент для элеваторов, предприятий легкой и тяжелой промышленности;

изоляторов для электрических проводов и кабелей;

резиновых изделий с высокой динамичной износостойкостью;

К безусловным преимуществам этого каучука относят его нетоксичность и отсутствие неприятного запаха. Поэтому очень часто такой материал применяют также для изготовления изделий, используемых в медицине и пищевой промышленности.

Как получают резину

Чаще всего для производства этого материала используются стереорегуляторные каучуки. Для получения резины в них добавляют обычно, как уже упоминалось, технический углерод. Изготавливается резина методом вулканизации. Бутадиеновый каучук, формула которого была представлена выше, в сравнении с некоторыми другими разновидностями, имеет ряд недостатков:

низкую когезионную прочность;

плохую адгезию к металлу.

Резиновые смеси на их основе дают сильную усадку. Поэтому в процессе производства такой материал часто смешивают с изопреновыми, стирольными и другими видами каучуков.

Список тематических статей

Бутадиеновые каучуки

Понятие и химическая природа

Также к бутадиеновым каучукам (БК) относят высокомолекулярные соединения, имеющие следующие наименования, торговые марки и аббревиатуры: акрилодивиниловые каучуки, полибутадиены, СКД, СКДЛ и прочие обозначения полимера 1,3-бутадиена. По химической природе такие каучуки являются именно полимерами, мономером которых служит бутадиен.

Самые распространенные и наиболее используемые бутадиеновые каучуки стерео-регулярного строения макромолекул, они синтезируются в растворе по каталитическому механизму с участием катализаторов Циглера-Натта, также возможно применение литий-органических катализаторов.

Знаменитый каучук СКВ, который был впервые в мире получен в 1932 году советским химиком Лебедевым производился из этилового спирта по технологии основанном на использовании металлического натрия в качестве катализатора. В современной промышленности производство по этому методу уступило место более современным и эффективным технологиям.

Средняя молекулярная масса современных бутадиеновых каучуков колеблется от 40 до 250 тысяч атомных единиц.

Получение

Бутадиеновый каучук получают путем реакции полимеризации бутадиен в растворе органического соединения, например толуола, олефинов и т.д. Бутадиен полимеризуются по непрерывной технологии в цепи следующих друг за другом связанных между собой реакторов в течение нескольких часов. Примерно 90% мономера превращается в итоге в полимер.

Рис.1. Схема синтеза

После того, как реакция синтеза обрывается, проводят дезактивации катализатора, внесение в систему антиоксидантов и промывку полученного полимерного раствора. После этого готовый каучук выделяют из реакционной смеси, отделяют от воды, сушат, нарезают в брикеты и пакуют.

Отметим, что в еще растворенный каучук можно внести масла и дисперсию техуглерода. Это бывает нужно для улучшения тех или иных технологических свойств продукта.

Свойства каучука и получаемых из него резин

Бутадиеновые каучуки растворяются в ароматических и алифатических углеводородах, их хлорпроизводных, циклогексане. Плотность БК обычно равна от 900 до 920 кг/куб. м.

Химические свойства бутадиеновых каучуков по большей части обусловлены наличием двойных связей в цепи. Они реагируют с галогенами: бромом, хлором, кроме того, с веществами, имеющими достаточно свободных галогенных атомов.

Также бутадиеновые каучуки могут быть подвергнуты гидрированию водородом, растворенным в углеводородах, при условии нахождения в среде комплексных катализаторов. Каучуки могут присоединять тиолы, реагировать по механизмам эпоксидирования, циклизации и др.

Вулканизируются бутадиеновые, как и многие другие, каучуки в основном при помощи элементарной серы, кроме нее возможно использование тетраметилтиурамдисульфида, органических перекисей и некоторых термореактивных смол. Наполняют получившуюся резину техническим углеродом, высокодисперсным оксидом кремния, мелом или каолином. Пластифицируют резины минеральными маслами в композиции с углеводородами различных типов.

Главным преимуществом вулканизатов или резин из бутадиеновых и некоторых других типов каучуков обладают именно стереорегулярные каучуки – это отличные эластические и износостойкие свойства.

Наилучшие комплексы полезных свойств получаются в случае применения композиций бутадиеновых и прочих каучуков с последующей вулканизацией смесей. Так можно добиться повышенных прочностных характеристик, сопротивления раздиру, отличных эластических характеристик и износостойкости.

Вулканизаты таких каучуков обладают хорошей газопроницаемостью. Морозостойкость таких вулканизатов зависит от их способности кристаллизоваться при понижении температуры. Существуют специальные способы улучшения показателя морозостойкости.

Применение

Вулканизаты бутадиеновых каучуков являются резинами общего назначения, из которых налажено массовое производство шин, резино-технических изделий, обувных компонентов, изоляции проводов и кабелей и т.п. Интересно использование БК при выпуске ударопрочного полистирола для дальнейшей переработки в пластмассовые изделия.

Некоторые марки бутадиенового каучука подходят для производства антифрикционных деталей, напольных покрытий, товаров для дома и т.д.

Реакции полимеризации диенов. Натуральный и синтетический каучуки. Строение, получение и применение их в промышленности

Химические свойства. Для алкадиенов характерны обычные реакции электрофильного присоединения А_E, свойственные алкенам. Особенность сопряженных диенов состоит в том, что две двойные связи в их молекулах функционируют как единое целое, поэтому реакции присоединения могут протекать в двух направлениях: а) к одной из двойных связей (1,2-присоединение) или б) в крайние положения сопряженной системы с образованием новой двойной связи в центре системы (1,4-присоединение). Так, присоединение брома к бутадиену может привести к двум продуктам:

Подбор реагентов и условий реакций позволяет направлять присоединение по любому из двух направлений.

Важнейшее свойство диенов — их способность к полимеризации, которая используется для получения синтетических каучуков. При полимеризации бутадиена-1,3, которая протекает как 1,4-присоединение, получают бутадиеновый каучук:

Использование металлоорганических катализаторов в этой ре­акции позволяет получить каучук с регулярным строением, в котором все звенья цепи имеют цис-конфигурацию. Аналогичная реакция с изопреном дает синтетический изопреновый каучук, который по строению и свойствам близок к природному каучуку:

Природный (натуральный) каучук (из гевеи) — полиизопрен (С₅Н₈)_n=1000-3000эластичен. Его молекулы свернуты в цис-положении, разворачиваются и возвращаются при снятии нагрузки, а транс-полимер — гуттаперча — неэластична.

Синтетический каучук— полимер изопрена или бутадиена (по Лебедеву, SU), уступает природному из-за меньшей стереорегулярности, стереорегулярный (с цис-СН₂-)- дивиниловый и полиизопреновый каучук близок к природному, износоустойчив.

Каучук — лишь один из изопреноидов формулы (С₅Н₈)_n, включающих биологически активные терпены, каротин, провитамины (А,Д), гормоны, стероиды и другие, в организме получаемых как и жиры, из ацетата 1а Диены определяются как углеводороды с 1- общей формулой С_nН_2n-2 2- двумя сопряженными связями 3- кратными связями 4- двумя двойными связями.2а Изопрен С₅Н₈НЕ является 1- основой множества природных соединений 2- сопряженным диеном 3- жидкостью 4- цис-изомером.3а Бутадиен-1,3 при гидрировании дает 1) бутен-1 2) бутен-2 3) бутин-2 4) смесь бутенов.

Строение каучука было доказано методом озонирования (Гарриес). Получение при озонолизе левулинового альдегида подтверждает упорядо­ченное 1,4-строение:

Строение:

Атомы углерода в молекуле бутадиена-1,3 находятся в sp 2 — гибридном состоянии, что означает расположение этих атомов в одной плоскости и наличие у каждого из них одной p — орбитали, занятой одним электроном и расположенной перпендикулярно к упомянутой плоскости.

a)	б)
Схематическое изображение строения молекул бутадиена -1,3 (а) и вид модели сверху (б). Перекрывание электронных облаков между С1–С2 и С3–С4 больше, чем между С2–С3.

p — Орбитали всех атомов углерода перекрываются друг с другом, т.е. не только между первым и вторым, третьим и четвертым атомами, но и также между вторым и третьим. Отсюда видно, что связь между вторым и третьим атомами углерода не является простой σ — связью, а обладает некоторой плотностью p — электронов, т.е. слабым характером двойной связи. В молекуле отсутствуют в классическом понимании одинарные и двойные связи, а наблюдается делокализация p — электронов, т.е. равномерное распределение p — электронной плотности по всей молекуле с образованием единого p — электронного облака. Взаимодействие двух или нескольких соседних p — связей с образованием единого p — электронного облака, в результате чего происходит передача взаимовлияния атомов в этой системе, называется эффектом сопряжения. Таким образом, молекула бутадиена -1,3 характеризуется системой сопряженных двойных связей.
Такая особенность в строении диеновых углеводородов делает их способными присоединять различные реагенты не только к соседним углеродным атомам (1,2- присоединение), но и к двум концам сопряженной системы (1,4- присоединение) с образованием двойной связи между вторым и третьим углеродными атомами. Отметим, что очень часто продукт 1,4- присоединения является основным.

Получение.Основной промышленный способ получения диенов — дегидрирование алканов. Бутадиен-1,3 (дивинил) получают из бутана:

а изопрен (2-метилбутадиен-1,3) — из 2-метилбутана:

Бутадиен-1,3 можно также получать по реакции Лебедева пу­тем одновременного дегидрирования и дегидратации этанола:

Применение. Основная область применения алкадиенов — синтез каучуков.

Получение каучуков

Одно дерево бразильской гевеи в среднем, до недавнего времени, было

способно давать лишь 2-3 кг каучука в год; годовая производительность

одного гектара гевеи до Второй Мировой войны составляла 300—400 кг технического каучука. Такие объёмы натурального каучука не удовлетворяли растущие потребности промышленности. Поэтому возникла необходимость получить синтетический каучук. Замена натурального каучука синтетическим даёт огромную экономию труда.

Первый синтетический каучук, был получен по методу С.В. Лебедева из спирта:

2CH3-CH2-OH t=425,ZnO,Al2O3→ CH2=CH-CH=CH2 + H2 + 2H2O

при полимеризации дивинила под действием металлического натрия, представлял собой полимер нерегулярного строения со смешанным типом звеньев 1,2- и 1,4-присоединения:

В присутствии органических пероксидов (радикальная полимеризация) также образуется полимер нерегулярного строения со звеньями 1,2- и 1,4- присоединения. Каучуки нерегулярного строения характеризуются невысоким качеством при эксплуатации. Избирательное 1,4-присоединение происходит при использовании металлорганических катализаторов (например, бутиллития C4H9Li, который не только инициирует полимеризацию, но и определенным образом координирует в пространстве присоединяющиеся молекулы диена):

Таким способом получен стереорегулярный 1,4-цис-полиизопрен – синтетический аналог натурального каучука. Данный процесс идет как ионная полимеризация.

Реакция получения каучуков реакцией полимеризации:

nCH2=C-CH=CH2 t,kat → (-CH2-C=CH-CH2-)n

изопрен изопреновый каучук

Реакция получения каучуков реакцией сополимеризации:

CH2=CH-CH=CH2 + CH=CH2 + CH2=CH-CH=CH2 + CH=CH2 + … t,kat →

t,kat → [-CH2-CH=CH-CH2 -CH-CH2-]n

Наиболее массовое применение каучуков — это производство резин для автомобильных, авиационных и велосипедных шин.

Из каучуков изготавливаются специальные резины огромного разнообразия уплотнений для целей тепло-, звуко-, воздухо- игидроизоляции разъёмных элементов зданий, в санитарной и вентиляционной технике, в гидравлической, пневматической и вакуумной технике.

Каучуки применяют для электроизоляции, производства медицинских приборов и средств контрацепции.

В ракетной технике синтетические каучуки используются в качестве полимерной основы при изготовлении твёрдого ракетного топлива, в котором они играют роль горючего, а в качестве наполнителя используется порошок селитры (калийной или аммиачной) или перхлората аммония, который в топливе играет роль окислителя.

6. Сопряженные диены. Химические свойства: реакции присоединения, окисления, димеризации, диеновый синтез. Полимеризация.

В сопряженных диенах p-электронные облака двойных связей перекрываются между собой и образуют единое p-электронное облако. В сопряженной системе p-электроны уже не принадлежат определенным связям, они делокализованы по всем атомам, поэтому структуру диенов можно изобразить сле­дующим образом (на примере бутадиена):

Пунктирные линии показывают область делокализации элек­тронов и обозначают промежуточный порядок связи между С-С и С = С. Цепь сопряжения может включать большое число двой­ных связей. Чем она длиннее, тем больше делокализация p-электронов и тем устойчивее

Наибольшее значение имеют диеновые углеводороды с сопряжёнными двойными связями, в их молекулах двойные связи разделены одной одинарной связью. Например, дивинил СН₂=СН–СН=СН₂, изопрен СН₂=С(СН₃)–СН=СН₂ и др.