Лебедев и неговата гума од компири

Лебедев и неговата гума од компири Сергеј Василевич Лебедев (1874–1938) е еден од најзначајните хемичари на 20-тиот век и е познат по неговиот револуционерен придонес во развојот на синтетичкиот каучук.

Роден во Русија, тој рано покажал интерес за науките и студирал на Универзитетот во Санкт Петербург. Под менторство на познати хемичари, тој го насочил својот труд кон органската хемија, која во тоа време била во подем. По завршувањето на своите студии, Лебедев работел во академски и индустриски институции, каде што ја развивал својата експертиза во полимеризацијата и катализата. Неговата работа кулминира во 1920-тите и 1930-тите години, кога го создава првиот индустриски процес за производство на синтетички каучук, што имал огромно влијание врз индустријата.

Развој на синтетички каучук

Главниот придонес на Лебедев е развојот на процесот за производство на полибутадиен, првиот синтетички каучук. Во време кога природниот каучук бил скап и ограничен ресурс, синтетичкиот каучук станал критичен за индустријата, особено во автомобилската и воената сфера.

Лебедев го искористил бутадиенот, соединение што може да се добие од етил алкохол преку каталитичка дехидратација. Неговиот процес вклучувал две клучни фази:

Претворање на етил алкохол во бутадиен: Реакцијата се спроведувала со користење на каталитички агенси како цинкови или алуминиум оксиди. Овој метод бил револуционерен бидејќи етил алкохолот бил достапен од обновливи извори (ферментација на шеќери).

Полимеризација на бутадиенот: Со употреба на натриум како катализатор, бутадиенот се полимеризирал во еластичен материјал што ги имал својствата на природниот каучук. Оваа техника е основа за производството на синтетички гуми.

Процесот на Лебедев бил прв индустриски метод што овозможил масовно производство на синтетички каучук, и бил широко применет во Советскиот Сојуз во текот на 1930-тите години.

Оваа реакција е едностепено индустриско производство на бутадиен од етанол на температура од 400–450°C во присуство на катализатор и со процеси на дехидрација и дехидрогенација и општо е позната како процес Лебедев. Најдобар катализатор за овој процес е пријавен дека е силика гел импрегниран со тантал оксид (SiO₂-Ta₂O₅), силикамагнезиум-тантал и силика-магнезиум-хром.

Предложени се неколку механизми за синтеза на бутадиен и се најде дека најважниот доказ за вистинскиот механизам е конверзија на кротоналдехид и етанол во бутадиен. Овој процес се користи за производство на бутадиен за синтетичка гума.

1,3-бутадиен е органско соединение кое е едноставен конјугиран диен јаглеводород (диените имаат две двојни врски јаглерод-јаглерод). Полибутадиенот се формира со поврзување на многу мономери на 1,3-бутадиен за да се направи многу подолг полимерен синџир на молекула. Во однос на поврзаноста на полимерниот синџир, бутадиенот може да се полимеризира на три различни начини, наречени цис, транс и винил. Цис и транс формите настануваат со поврзување на молекулите на бутадиен од крај до крај, таканаречена 1,4-полимеризација.

Транс двојните врски формирани за време на полимеризацијата овозможуваат полимерниот синџир да остане прилично исправен, дозволувајќи им на деловите од полимерните синџири да се усогласат за да формираат микрокристални области во материјалот. Цис двојните врски предизвикуваат свиткување на полимерниот синџир, спречувајќи ги полимерните синџири да се усогласат за да формираат кристални региони, што резултира со поголеми области на аморфен полимер. Откриено е дека значителен процент на конфигурации на cis двојна врска во полимерот ќе резултира со материјал со флексибилни еластомерни (како гума) квалитети. Во полимеризацијата на слободните радикали, и цис и транс двојните врски ќе се формираат во проценти што зависат од температурата. Катализаторите влијаат на односот cis наспроти транс.

Како анегдота, се вели дека, за да ја демонстрира издржливоста на својата синтетичка гума, Лебедев направил чевли од неа и ги носел во лабораторијата и фабриките. Советските претставници биле скептични во почетокот и му предложиле на Лебедев да ги носи чевлите во сите услови, дури и при тестирање на фабрички подови со висока температура и разни нечистотии. Лебедев не само што ги носел, туку ги покажувал како пример на издржливост и хемиска иновација. Кога чевлите останале неоштетени и комфорни за носење, властите го признаеле неговиот процес за успешен и го поддржале.

Во експерименталните фази, Лебедев користел етил алкохол што го добивал од ферментација на компири – евтин и достапен извор во тоа време. Ова предизвикало подбив кај неговите колеги и индустриските лидери, кои се сомневале дека нешто толку обично како компир може да биде основа за револуционерен материјал. Некои го нарекувале неговиот труд „експеримент со зеленчук“ и се шегувале дека тој само „прави гума од вечерата“.

Во 1931 година, првата фабрика за синтетичка гума во светот била изградена врз основа на неговите идеи, а Лебедев бил заслужен за значаен чекор напред во независноста на Советскиот Сојуз од странски материјали. Ова помогнало да се обезбеди витална воена и индустриска поддршка, особено за време на Втората светска војна.

Синтетичката гума не само што ја зголемила индустриската самодоволност на Советскиот Сојуз, туку и ја трансформирала глобалната хемиска индустрија. Процесот на Лебедев поставил темели за понатамошен развој на синтетички материјали, кои денес се основа на модерните технологии. Природната гума од Јужна Америка и Азија била скапа и недостапна за многу земји, особено за Советскиот Сојуз. Синтетичката гума на Лебедев, добиена од евтини и достапни ресурси како алкохол (од компири или други растителни суровини), ја заменила природната гума во многу сектори.

Првата и најзначајна примена на синтетичката гума била во производството на автомобилски гуми. Советскиот Сојуз сакал да биде независен од увоз на природна гума, а гумите за камиони, автомобили и трактори биле од витално значење за транспортот и индустријата. Гуми за воени возила: Камиони, тенкови и авиони,кабли и опрема за електрична изолација, дел од заштитна опрема за војниците, во производството на цевки и црева за транспорт на течности и гасови во различни индустрии,обувки и облека....

Колку бил важен процесот се гледа од фактот што лебедев бил следен со години од разни шпионски агенции. Извештајот на ЦИА со наслов „S. V. Lebedev's Work on the Synthesis of Rubber“ се фокусира на истражувањата и достигнувањата на Сергеј Василевич Лебедев во областа на синтетичката гума.

Извештајот ги опишува експериментите на Лебедев со различни катализатори и услови за полимеризација на бутадиен, со цел да се добие синтетичка гума со својства слични на природната гума, процесот на синтеза, примената и предностите на синтетичката гума. Овие информации ја нагласуваат важноста на трудот на Лебедев во развојот на синтетичката гума и неговиот придонес кон индустриската самостојност на Советскиот Сојуз во средината на 20-тиот век

Придонес кон катализата

Неговата работа во полето на катализата била клучна за неговиот успех. Тој проучувал различни катализатори за да ја зголеми ефикасноста на процесите. Негови заслуги се:

• Пионерски пристап кон хетерогена катализa за трансформација на алкохоли во олефини.
• Развивање на катализатори кои биле стабилни при високи температури, што било клучно за индустриските процеси.

Процесот на Лебедев сè уште се користи како основа за модерните техники за производство на синтетички материјали. Покрај тоа, неговата работа ја инспирирала хемиската заедница да продолжи да развива нови материјали со користење на обновливи суровини.

Иако неговиот живот бил прекинат од политичките чистки во Советскиот Сојуз во 1938 година, неговото научно наследство останува живо. Со неговите придонеси, хемијата на полимерите и катализата добиле нова димензија, поставувајќи основа за современата индустриска хемија.