Файл: Буянов А.Ф. Тайны больших молекул.pdf

О б э т о й бр о ш ю р е

В ней рассказывается об удивительных свойствах синтетических материалов— пластмасс, химических во­ локон, смол, каучуков, о научном подвиге учсных-хи- мнков, проникающих в тайны строения веществ и открывающих способы получения таких материалов, ко­ торые не встречаются в природе.

Это рассказ о разнообразных изделиях, выпускае­ мых нашей промышленностью из синтетических мате­ риалов: искусственных тканях и красивых мехах, изящ­ ной мебели и непромокаемой обуви, легчайших строи­ тельных материалах и технических изделиях, обладаю­ щих необычайными свойствами.

Значению синтетических материалов в современ­ ной жизни, а также их роли в ускорении технического

инженер П. И. З а х а р ч е н к о

ХИМИЯ — СОПЕРНИЦА ПРИРОДЫ Чудесные превращения веществ

До недавнего времени человек не ощущал недостат­ ка в материалах для своей созидательной деятельности. Эти материалы — древесина, камень, металл, волокна, каучук и другие — в достаточном количестве поставляет природа из своих неиссякаемых кладовых. Однако при практическом освоении новейших научных открытий природные материалы в ряде случаев не удовлетворяли возросшим условиям. Новая техника, новые режимы работ требовали таких материалов, которые вообще не встречались в природе.

Самолетостроителям, например, необходим прозрач­ ный материал, обладающий к тому же прочностью бро­ невой стали. Им нужен также материал, который одина-

.ково хорошо выдерживал бы как сверхнизкие, так и вы­ сокие температуры. Конструкторы ракет предъявляют к материалам совсем, казалось бы, немыслимые требова­ ния. Им нужны материалы, которые были бы более 'Прочными и надежными, чем специальные сплавы. Судо­

3-

нуемых пластмассами. Производятся пластмассы из смол, изготовленных химическим путем.

Аптека природных лекарственных средств тоже по­ полнилась ныне многими синтетическими лекарствами, обладающими более эффективными лечебными свой­ ствами, чем естественные.

И палитра природы в настоящее время значительно уступает химической. Химики производят красители в таких количествах и в таком ассортименте, какие, пожа­ луй, не под силу даже самой чудеснице-природе.

Все эти достижения сделались возможными лишь по­ сле того, как химики стали проникать в тайны строения больших молекул, из которых и создаются полимерные вещества.

Что такое полимеры?

Строители в качестве основного материала обычно используют кирпичи. Они могут возводить из кирпичей бесконечное количество непохожих друг на друга соору­ жений.

То же можно сказать и о химиках. Из ограниченного числа атомов они строят огромное количество самых разнообразных веществ. Особенный интерес для нас представляют гигантские молекулы так называемых органических веществ.

Каркас этих молекул состоит в основном из атомов углерода. Такие молекулы «сшиваются» «з молекулкарлнков. Химической «иглой» .при этом служит катали­ затор. Он почти не расходуется' в процессе «сшивания», как и стальная игла на швейной машине.

Вещества, состоящие из малых молекул, способных соединяться в крупные, химики назвали мономерными или мономерами, от греческого слова «монос» — один. В отличие от них вещества, составленные из молекул-

5

гигантов, назвали полимерными или полимерами от гре­ ческого слова «полимерес»— много раз повторяющийся.

Типичным представителем мономера является моле­ кула этилена, состоящая из 6 атомов, а типичным пред­ ставителем полиме­ ра — молекула цел­ люлозы, содержа­ щая около 300 ты­

сяч атомов.

Этилен — газ, а целлюлоза •— твер­ дое вещество. С ук­ рупнением молекулы свойства ее меняют­ ся. Проследим эти изменения на веще­ ствах, получивших название «парафино­ вые углеводороды». Их простейший пред­ ставитель — болот­ ный газ — метан. Молекула его со­

стоит из 1 атома углерода и 4 атомов водорода. Сородичи метана — этан, пропан и бутан — при комнатной темпе­ ратуре и обычном давлении тоже газообразные веще­ ства. Но пентан, имеющий в молекуле 5 атомов углерода и 12 атомов водорода, уже жидкий продукт.

Парафиновые углеводороды, в молекуле которых содержится 16—20 атомов углерода и 34—42 атома во­ дорода, представляют собой вязкие жидкости. За ними уже следуют полутвердые и затем твердые вещества, также принадлежащие к семейству парафиновых углево дородов. Число атомов углерода в них может быть свы-

6

ше 300. Но это еще не полимеры. Твердое, прочное, упру­ гое или эластичное полимерное вещество образуется тогда, когда число атомов углерода в молекуле достиг­ нет по меньшей мере одной или двух тысяч.

Чем больше разновидностей атомов в молекуле мо­ номеров и чем сложнее их строение, тем больше возмож­ ностей образования из них разных полимеров. Белковые вещества, например мышечная ткань, кожа, волос и другие, представляют собой полимеры. В организме бел­ ки строятся из мономеров — аминокислот, которых в природе насчитывается около 30. Из этого, казалось бы, небольшого количества аминокислот возможно образо­ вание Ю1300 комбинаций разных белков. Чтобы предста­ вить себе грандиозность приведенной цифры, скажем, что вся наша планета насчитывает только 1050 атомов. Поэтому-то так и многолики формы жизни на земном шаре.

Как из неживого возникает живое? Это тоже одна из тайн больших молекул. Из примера с белками легко понять, сколь велики возможности у химии в области искусственного получения полимерных веществ.

В настоящее время в распоряжении химиков имеется много мономеров — это газообразные, жидкие и твердые вещества. Искусственным путем из них можно создать бесконечно много полимеров. Химикам известно несколь­ ко методов соединения мономеров в полимерные веще­ ства: -полимеризация, поли-конденсация и другие.

Не будем брать словарь, чтобы узнать значение не­ русских слов. И полимеризация -и поликонденсация — это химические процессы сращивания маленьких молекул в большие. Различаются они тем, что при полимеризации образующееся вещество имеет тот же химический состав, что и мономер, а -при поликонденсации — измененный. Полимеризацию можно представить себе.как химическое сложение маленьких молекул в большие.

7

Методом полимеризации получено много синтети­ ческих смол. К ним относятся: довольно популярное сей­ час вещество — полиэтилен; твердое, прозрачное веще­ ство— полистирол; вещество, идущее на изготовление

высококачественных органических сте­ кол, — полиакрилат и другие полимеры.

Познакомимся с одним из оригиналь­ ных методов полиме­ ризации, предложен­ ным советскими уче­ ными А. А. Берлиным и С. Н. Ушако­ вым. Он напоминает прием садоводов, прививающих на од­ но растение другое. Поэтому метод и по­ лучил название «привитая полиме­ ризация».

Принцип ее за­ ключается в том, что к природному или синтетическому по­ лимеру «прививают­

ся», то есть химически присоединяются, молекулы друго­ го полимера. Образующийся «гибрид», наследуя свой­ ства «родителей», представляет собой новое вещество.

Весьма важное для полимерных веществ свойство — ударопрочность, позволяющее применять их для изго­ товления больших габаритов труб, фитингов и других деталей аппаратуры, достигается за счет прививки к по­

8

ливинилхлориду синтетического или натурального кау­ чука.

При поликонденсации сращивание маленьких моле­ кул в большие сопровождается отщеплением .побочных продуктов — воды, аммиака, хлористого водорода и других.

Методом поликонденсации получены фенолоформальдегидная смола, а также вещества, получившие назва­ ние «капрон», «найлон», «лавсан», и другие полимеры, применяемые для получения синтетических волокон.

Особенности полимерных веществ

В некоторых полимерах химики сумели сочетать многие ценные свойства ряда природных материалов. Одни из них могут быть эластичны, как резина, и про­ зрачны, как стекло, другие, обладая прочностью стали, легки, как дерево. Многие полимеры необычайно стойки к едким химическим жидкостям и к коррозии. Из ряда полимеров могут быть созданы самолеты, «невидимые» для радиолокационных лучей, и совершенно непотоп­ ляемые суда п катера.

Из полимерных веществ производят так называемые синтетические волокна с очень ценными свойствами. В природе нет, например, таких волокон, которые бы оди­ наково хорошо противостояли действию кислот и щело­ чей, позволяли бы делать из них канаты, приближаю­ щиеся по прочности к стальным, но плавающие на воде, или были бы способны выдержать такую же нагрузку,

*какую выдерживают синтетические волокна в шинах большегрузных автомобилей и самолетов.

На базе полимерных веществ хнмихп создали синте­

0

тические каучуки, превосходящие природный в морозо­ стойкости и жаростойкости, в прочности на истирание, а также в способности не разрушаться бензином и маслами.

Изделия из полимерных материалов — ткани, трико­ таж, меха, обувь, различные предметы домашнего оби­ хода, строительные, отделочные материалы, детали машин, приборы, тончайшая аппаратура — по своим свой­ ствам, прочности, легкости, дешевизне превосходят из­ делия из всех ранее известных природных материалов.

Но, может быть, новые химические материалы дела­ ются из дорогого сырья или требуют огромных трудовых затрат на их производство? Что касается сырья, то на­ ша страна имеет его в неограниченном количестве. Это нефть, уголь, нефтяные и природные газы, продукты нефтепереработки и коксохимии, химической и целлю­ лозно-бумажной промышленности и отходы сельско­ хозяйственного производства.

Ценным химическим сырьем являются так называе­ мые попутные газы, выделяющиеся при добыче нефти. Ученые подсчитали, что при добыче одной тонны нефти вместе с ней выделяется из недр земли от 50 до 100 ку­ бометров попутного газа, который пока еще сжигают во многих нефтяных районах.

В 1958 году на наших нефтяных месторождениях из­ влечено из земных недр свыше 9 миллиардов кубометров попутных газов, которые являются исключительно цен­ ным сырьем. Из этого количества газа можно было бы выработать свыше 500 тысяч тони синтетического каучука и около 400 тысяч тонн полиэтилена, то есть примерно в 1,5 раза больше, чем произведено его в 1957 году в США, или примерно в 4 раза больше, чем про­ изводят его Англия и Западная Германия, вместе взятые.

10

За семилетку предполагается построить 23 завода, где нефтяные газы будут превращены в сырье, пригод­ ное для переработки на химических предприятиях. В 1965 году для производства химических продуктов на­ мечается использовать более 2,5 миллиона тонн жидких углеводородов, добытых из попутных газов. Если вместо этих газов пришлось бы применить пищевое сырье, то потребовалось бы израсходовать свыше 5 миллионов тонн зерна или 13 миллионов тонн картофеля.

Сырьевые ресурсы для химического синтеза в СССР

велики. В Закавказье, Татарии, Башкирии, в Куйбышев­ ской области и в Западной. Украине имеются колос­ сальные запасы нефти. В Узбекской ССР, Ставрополь­ ском крае, Саратовской области и в других районах страны имеются огромные запасы природного газа. В 1965 году по всему Советскому Союзу намечено до­ быть 150 миллиардов кубометров природного газа. Из этого количества около 4 миллиардов кубометров будет использовано в качестве сырья для ряда производств химической промышленности. Общее же потребление природного газа химической промышленностью, вклю­ чая сюда и производство газовой сажи, в 1965 году составит всего лишь 5,5 процента от добычи природ­ ного газа. Вот какие необъятные перспективы открыты перед химической индустрией в области использования газа как одного из распространенных и ценных видов сырья.

В качестве химического сырья для промышленности синтетических материалов будут использованы также продукты коксохимических производств и сырье расти­ тельного происхождения. Насколько это выгодно, мож­ но понять из следующих примеров.

Из одного кубометра древесины химики получают 160 килограммов искусственного волокна. Этого волокна

12