XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Получение каучука из комнатных растений
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Производство каучука – важное звено в техническо-промышленном комплексе нашей страны. Это сырье применятся в абсолютно разных отраслях: в машиностроении, в медицине, в быту – во всех сферах нашей жизни. В России большая часть используемого каучука – синтетическая. Это обусловлено географическими и климатическими особенностями нашей страны, ведь на почве нашей необъятной не способны произрастать тропические растения. Означает ли это что на нашей широте совершенно невозможно производство натурального каучука?
Заинтересовавшись этим вопросом, мы решили провести исследовательскую работу, а также сделать несколько опытов, доказывающие что полученное вещество каучук.
Основная часть.
Цель исследования: изучить возможно ли производство натурального каучука в климатических условиях средней полосы России.
Гипотеза: производство натурального каучука возможно даже в условиях школьной лаборатории.
Задачи:
1) Выяснить какие растения являются каучуконосами.
2) Изучить соответствующую литературу об истории каучука и способах его получения.
3) Получить каучук экспериментальным путем.
4) Исследовать физические и химические свойства продукта.
Объект: натуральный каучук.
Предмет: получение каучука из растительного сырья и исследование его свойств.
Методы: эксперимент, наблюдение, сравнение, анализ результатов.
История открытия и использования каучука
Каучук представляет собой органическое соединение, основными компонентами которого являются углерод и водород.
Получают его из особых древесных растений, которые называют каучуконосными. Такие представители флоры произрастают в тропиках. Их органы (плоды, листья, ветви, ствол, корни) содержат латекс. Эта млечная жидкость не является соком растений, ученые-ботаники до сих пор сомневаются в специфике ее значения для жизнедеятельности растительного организма. Именно из латекса в процессе коагуляции получается сплошная упругая масса, которая и является натуральным природным каучуком. (3, стр.96)
Можно с уверенностью думать, что еще на заре человечества далекие предки людей, обитавшие в тропических лесах, не могли не обращать внимание на высокие, красивые и стройные деревья, из пораженной коры которых вытекал белый вязкий сок, загустевший на воздухе с образованием упругих комков и эластичных водонепроницаемых пленок. Это был натуральный каучук.
Первое знакомство европейцев с каучуком произошло почти пять веков назад. В 1493 году испанская королева Изабелла Кастильская снарядила вторую экспедицию на поиски «страны чудес» - Индии. Ее возглавил Христофор Колумб.
Вклад Христофора Колумба в развитие мировой цивилизации не ограничивается Великими географическими открытиями. Именно его корабль, пристав к острову Эспаньола в 1493 году, увез в Испанию первое изделие из каучука. Это был эластичный прыгучий мяч, который местные жители делали из сока гевеи – растения, встречающегося на берегах Амазонки. Увидев, как индейцы увлеченно подбрасывали диковинную вещицу, которая достигая земли, еще и отскакивала, как живая, словно совершая прыжок, испанцы не на шутку удивились. Попробовав подержать этот прыгучий шарик, они пришли к выводу, что он достаточно тяжелый, а еще обратили внимание на его липкость и характерный запах дыма.
Сок гевеи индейцы называли «каучу» — слезы млечного дерева («кау» — дерево, «учу» — течь, плакать). От этого слова образовалось современное название материала — каучук.
Образцы туземской непромокаемой грубой обуви и одежды, привозимые путешественниками из-за океана, распространялись все более и более. Однако, в Европе попытки получить изделия из латекса терпели неудачу: по пути он свертывался, а перерабатывать твердый каучук еще не умели. (5, стр.8)
Следующие два века каучук для Европы был просто любопытной заморской диковинкой. В 1731 г. правительство Франции отправило математика и географа Шарля Кондамина в географическую экспедицию по Южной Америке. В 1736 г. он отправил обратно во Францию несколько образцов каучука вместе с описанием продукции, производимой из него людьми, населяющими Амазонскую низменность. После этого резко возрос научный интерес к изучению этого вещества и его свойств.
В 1770 году британский химик Джозеф Пристли впервые нашел ему применение: он обнаружил, что каучук может стирать то, что написано графитовым карандашом.
В Англии британский химик и изобретатель Чарльз Макинтош предложил класть тонкий слой каучука между двумя слоями ткани и из этого материала шить водонепроницаемые плащи. В 1823 году в Глазго он начал мануфактурное производство водонепроницаемой одежды. Непромокаемый плащ из прорезиненной ткани до сих пор носит его имя. Но эти плащи зимой становились твердыми от холода, а летом расползались от жары.
Стараниями ученого Чарльза Гудьира стало известно, что при взаимодействии натурального каучука и серы свойства данного полимера заметно улучшаются. Вулканизированный каучук обладает повышенной прочностью, эластичностью, высокими электро-, тепло-, звукоизоляционными и водонепроницаемыми свойствами. Именно благодаря этим свойствам сферы и области применения натурального каучука весьма обширны.
Внимание капиталистов всех стран обратилось на добычу каучука. Бразилия оказалась владелицей громадных богатств. Чтобы сохранить их, правительство Бразилии издало закон, запрещающий под страхом смерти вывоз семян и молодых деревьев гевеи. Но было поздно.
По совету ботаника Дж. Гукера англичанин Генри Викгем поехал в 1876 году на берега Амазонки, где собрал 70 000 семян гевеи и контрабандно вывез их из Бразилии. Тайком доставил их в Королевский ботанический сад в Лондоне. Семена были высеяны, но взошло только 4 %. Однако, через несколько дней они достигли полуметровой высоты и были использованы для высадки на плантациях сперва в Шри-Ланке, а затем в других тропических районах Восточного полушария.
2. Применение натурального каучука в резиновой промышленности.
В чистом виде натуральный каучук практически не используется из-за его поведения в низких и повышенных температурах. А вот вулканизированный натуральный каучук чаще всего служит сырьем для производства резины и всевозможных изделий из нее. В первую очередь, именно шинная промышленность нуждается в каучуке природного происхождения. Из него производят летние и зимние шины, а также шины для велосипедов, автомобилей, тракторов, специальной техники.
Помимо шин и резины натуральный каучук используют для производства других различных изделий, таких как лакокрасочные изделия, клеи, наклейки, покрытия для пола, шланги, транспортеры, приводные ремни, амортизаторы, электроизоляционные материалы. Также натуральный каучук пригодился и в строительной сфере для модификации бетона и других строительных смесей.(2, стр 88)
Многие изделия, которые повседневно применяются в домашнем хозяйстве, изготовлены из данного вида каучука. К таким изделиям можно отнести канцелярские принадлежности, игрушки, некоторую мебель, обувь, ткань и одежду. Так как каучук не растворяется в воде, слабых кислотах и щелочах, он активно используется для изготовления перчаток. Выпускают латексные перчатки для различных целей – бытовых, строительных и медицинских.(1, стр.20)
Натуральный каучук – очень ценное вещество. Потребовалось немало времени и усилий, чтобы понять, как применить его наиболее выгодно и максимально полезно. Но эти усилия не потрачены зря, о чем говорят многочисленные сферы и области применения натурального каучука.
1.3. Синтетический каучук.
Природные ресурсы натурального каучука не удовлетворяют высоких потребностей населения в товарах из этого материала.
В начале XX века в связи с резким подорожанием натурального каучука возникла острая необходимость в разработке доступного и экономичного способа получения диенов.
В 1926 г в Советском Союзе был объявлен конкурс на лучший способ получения синтетического каучука. Сроки и условия конкурса были достаточно жесткими. Победителями оказалась группа химиков под руководством профессора Военно-медицинской академии г. Ленинграда Сергея Васильевича Лебедева.(3, стр. 116)
2 CH3CH2OH → CH2=CH−CH=CH2 + 2 H2O + H2
Сейчас гораздо более масштабным является производство синтетического каучука. С. В. Лебедев в 1910 году впервые получил синтетический каучук. Материалом для производства был бутадиен, который выделялся из этилового спирта. Позже путем осуществления реакции полимеризации с применением металлического натрия получался бутадиеновый синтетический каучук. Промышленное производство синтетического каучука.
В 1925 году С. В. Лебедев поставил для себя задачу найти промышленный способ синтеза каучука. Через два года она была успешно решена. Лабораторным способом были синтезированы первые несколько килограмм каучука. Именно Лебедев занялся изучением свойств этого каучука и разработкой рецептов получения из него необходимых потребителю изделий. И в последующие годы применение каучука было важнейшей задачей работы С. В. Лебедева. Именно по его методу на первом в мире заводе, производящем данный материал, была получена первая партия этого материала промышленного масштаба. В период с 1932 по 1990 год Советский Союз был лидером по объемам производства в этой отрасли. Применение синтетического каучука позволило расширить ассортимент резинотехнических товаров, в частности: изделий из мягкой резины, подошв для обуви, различных труб и шлангов, герметиков и клеев, красок на латексной основе и прочих. (4, стр.115)
Производство синтетического каучука – сложный технологический процесс, в основе которого лежит реакция полимеризации; в качестве катализаторов процесса традиционно используются соединения алюминия или цинка. Сегодня блочная полимеризация постепенно утрачивает свое значение, уступая место процессу полимеризации в растворе: таким способом в промышленном объеме получают основные типы СК (синтетических каучуков) и некоторые каучуки специального назначения.
Основные стадии процесса:
подготовка каталитических композиций;
полимеризация;
дезактивация катализатора с последующей отмывкой полимерной смеси от продуктов дезактивации;
выделение каучука с помощью отгонки растворителя и мономеров;
переработка возвратных продуктов (регенерация) и очистка технологической воды.
Классификация синтетических каучуков:
по мономерам, образующим структуру (изопреновые, стирольные, бутидиеновые);
по функциональным атомным группам (полисульфидные, кремнийорганические);
по наличию в составе наполнителей (наполненные или ненаполненные);
по консистенции (порошковые, жидкие, твердые);
по области применения (общего и специального назначения).
Основные классы СК – изопреновый, бутадиеновый, бутадиен-метилстирольный, бутадиен-нитрильный, силоксановый, фторкаучук и тиокол.(7)
Применение синтетического каучука
Рис.1 Изделия из каучука и резины
Шинопроизводство – самая крупная отрасль промышленности, использующая в качестве сырья синтетический каучук. Из каучуков специального назначения производятся уплотняющие детали для шумо-, звуко- и вибро- и электроизоляции; для модификации битумных смесей; в ракетной технике – как полимерная основа для твердого ракетного топлива.
Растения каучуконосы.
Для того, чтобы успешно провести эксперименты по получению каучука сперва необходимо выяснить какие растения могут послужить сырьем для этого.
Природный каучук встречается в очень многих растениях, не составляющих одного определённого ботанического семейства. В зависимости от того, в каких тканях накапливается каучук, каучуконосные растения делят на:
паренхимные — каучук в корнях и стеблях;
хлоренхимные — каучук в листьях и зелёных тканях молодых побегов;
латексные — каучук в млечном соке.
Травянистые латексные каучуконосные растения из семейства сложноцветных (кок-сагыз, крым-сагыз и другие), произрастающие в умеренной зоне, в том числе в южных республиках, содержащие каучук в небольшом количестве в корнях, промышленного значения не имеют.
Среди травянистых растений России есть всем знакомые одуванчик, полынь и молочай, которые тоже содержат млечный сок.
Промышленное значение имеют латексные деревья, которые не только накапливают каучук в большом количестве, но и легко его отдают; из них наиважнейшее — гевея бразильская (Hevea brasiliensis), дающая по разным оценкам от 90 до 96% мирового производства натурального каучука.
Сырой каучук из других растительных источников обычно засорён примесями смол, которые должны быть удалены. Такие сырые каучуки содержат гуттаперчу — продукт некоторых тропических деревьев семейства сапотовых (Sapotaceae).
В течение Второй мировой войны (1939-1945) по экономическим причинам были культивированы другие, нетропические источники каучука: гуайуль (guayule) мексиканского происхождения, а также одуванчик кок-сагыз (Taraxatum kok- saghyz), произрастающий на территории Западного Туркестана.
Каучуконосы лучше всего произрастают не далее 10° от экватора на север и юг. Поэтому эта полоса шириной 1300 километров по обе стороны от экватора известна как «каучуковый пояс». Дело в том, что для каучуконосов требуется очень тёплый и влажный климат и плодородная почва. Развитие автомобильной промышленности значительно повысило потребности в резине и, соответственно, в каучуке. Поэтому появились новые плантации гевей: молодые деревца из Южной Америки посадили в Малайзии, на Шри-Ланке и в Индонезии. Они отлично прижились и дают большой урожай.(6)
Практическая часть.
Изучив выше представленные растения, мы пришли к выводу что наиболее целесообразно будет использовать такие растения как фикус.
Методика проведения опыта.
. На одной ветке, чтобы не испортить растение, я сделала косой надрез коры до древесины. Под надрез подвесила маленькую пробирку (рис.2).
Рис.2.
Чтобы млечный сок не густел, около надреза прикрепила ватку, смоченную нашатырным спиртом. Когда набрала немного млечного сока, налила по каплям уксусную кислоту в пробирку, после чего встряхнула ее. Сразу же в пробирке образовались хлопья. Это выделился каучук. Промыла эти хлопья водой, а потом отжала. Полученный каучук подвергла следующим испытаниям:
Сначала узнала, какова его растяжимость. Для этого измерила полоску, полученного мной каучука и растянула ее на линейке. Она растянулась до полутора см (рис.3). Отпустила полоску, она сжалась до одного см.
Рис. 3.
Посмотрела, как влияет на каучук температура. Охладила полоску каучука в
холодильнике. Попробовала растянуть и измерить – он не растянулся.
Затем я определила непредельный характер каучука (Рис. 4, Рис.5). Я растворила хлопья каучука в бензине. В пробирку с растворами перманганата калия я добавила по нескольку капель приготовленного заранее раствора каучука и встряхнула. Наблюдала изменение окраски: раствор обесцветился, что указывает на наличие кратных связей в молекулах выделенного образца вещества из сока фикуса.
СН2=С (СН3) - СН = СН2 +Br2 СН2Br - С (СН3) = СН – СН2Br
15H₂C= C(CH₃)- CH=CH₂ + 16KMnO4+ 24H2SO4 20C2H5COOH + 16MnSO4 + 8K2SO4 + 24H2O
Рис. 4
5CH2=CH-CH=CH2 + 6KMnO4 + 9H2SO4 10CH3COOH + 6MnSO4 + 3K2SO4 + 4H2O
Рис. 5.
Следующим этапом моего исследования было определение растворение каучука в некоторых растворителях. Отрезала от нашего каучука три кусочка и положила один из них в воду, другой в бензин и в керосин. На следующий день посмотрела, что получилось. В воде каучук не растворился, в керосине также, а вот в бензине растворился. Получился раствор похожий на кисель. Жидкость, в которой растворился каучук, нагрела и получила резиновый клей.
Рис. 6.
Затем мы собрали прибор для разложения каучуков, разложили его (рис.7) и получили резину (рис.8).
Рис.7. Разложение каучука
Рис. 8. Получение резины
Выводы.
Проанализировав всё вышесказанное, мы можем прийти к выводу, что производство натурального каучука более экологично чем искусственный синтез этого вещества.
Проведя опыт, мы смогли убедиться в том, что получение каучука возможно и в условиях школьной лаборатории, но подобного рода способ не способен удовлетворить реальный спрос на каучук. К тому же на данный момент синтетический каучук не уступает натуральному ни по каким параметрам, а где-то даже превосходит его. В нашей стране уже был прецедент, когда импортируемый каучук из сока гевеи был заменен на каучук, который получали из кок-согыза и крым-сагыза (одуванчики). На территории нашей страны в данный момент произрастает крым-сагыз, который как можно понять из его названия произрастает в Крыму. Хотя содержание каучука в его корнях всего около 7%, тем не менее мы предполагаем, что его возможно культивировать с целью получения натурального каучука. Таким образом, изучив материал о полимерных изделиях, я выяснила, что значение натурального каучука очень велико. Каучук используется в производстве автомобильных, авиационных изделий, также в производстве изделий широкого потребления (обувь, спортивные товары, игрушки).
При исследовании свойств натурального каучука я пришла к выводу, что он имеет кратные связи в полимерной цепи. Так же я ознакомилась с растениями каучуконосами и способом получения из них натурального каучука. Продолжила развивать теоретические и практические умения.
В результате исследовательской работы:
Получила натуральный каучук из листьев фикуса;
Исследовала отношение натурального каучука к различным органическим растворителям и подтвердил, что каучук растворяется в бензине.
Доказала, что полученный каучук носит непредельный характер.
Таким образом, полученный мною каучук обладает всеми свойствами, характерными для натуральных каучуков, значит, я подтвердила гипотезу своего исследования.
Проведенная работа поможет мне в дальнейшем изучении органической химии и особенностей полимерных материалов.
Список источников:
1. Артеменко А.И. Удивительный мир органической химии. М.: Дрофа, 2005.
2. Кузьменко Н. Е., Еремин В. В., Попков В. А. «Начала химии», 2004
3. Габриелян О. С. Химия. 10 класс: Настольная книга учителя. М.: Дрофа, 2004.
4. Петров А. А., Бальян Х. В., Трощенко А. Т. Органическая химия: Учебник для вузов, 2002
5. Попов В. А., Абубакиров Р. С. Башкирский исполин. Уфа, 2000.
6.http://himija-online.ru
7.ru.wikipedia.org
8. https://kauchuk-str.ru/