Corpuri formate din celuloză pură. Care sunt proprietățile chimice și fizice ale celulozei
Acasă Celuloză – una dintre cele mai comune polizaharide naturale, componenta principală și principalul material structural al pereților celulelor vegetale. Conținutul de celuloză în fibrele din semințe de bumbac este de 95-99,5%, în fibre de liben (in, iută, ramie) 60-85%, în țesutul lemnos (în funcție de tipul pomului, vârsta acestuia, condițiile de creștere) 30-55%, în frunze verzi, iarbă, plante inferioare 10-25%. Aproape într-o stare individuală, celuloza se găsește în bacteriile din gen Acetobacter . Companionii celulozei din pereții celulari ai majorității plantelor sunt și alte polizaharide structurale care diferă ca structură și sunt numite hemicelulozelor
– xilan, manan, galactan, araban etc. (vezi secțiunea „Hemiceluloze”), precum și substanțe necarbohidrate (lignină - un polimer spațial cu structură aromatică, dioxid de siliciu, substanțe rășinoase etc.). Celuloza determină rezistența mecanică a membranei celulare șițesut vegetal
în general. Distribuția și orientarea fibrelor celulozice în raport cu axa celulei vegetale folosind lemnul ca exemplu sunt prezentate în Fig. 1. Organizarea submicronică a peretelui celular este de asemenea prezentată acolo.
Peretele unei celule de lemn matur, de regulă, include un perete celular primar și secundar (Fig. 1). Acesta din urmă conține trei straturi - exterior, mijloc și interior. În învelișul primar, fibrele de celuloză naturală sunt aranjate aleatoriu și formează o structură de rețea ( textură dispersată
). Fibrele celulozice din carcasa secundară sunt orientate în general paralel între ele, ceea ce conferă materialului vegetal o rezistență ridicată la tracțiune. Gradul de polimerizare și cristalinitate al celulozei în învelișul secundar este mai mare decât în învelișul primar. În strat S 3 1 carcasă secundară (Fig. 1, În strat) direcția fibrelor celulozice este aproape perpendiculară pe axa celulei, în strat 4 2 (Fig. 1, În strat) formează un unghi ascuțit (5-30) cu axa celulei. Orientarea fibrelor în strat 3 variază foarte mult și poate diferi chiar și în traheidele adiacente. Astfel, la traheidele de molid, unghiul dintre orientarea predominantă a fibrelor celulozice și axa celulei variază între 30-60, iar în fibrele majorității lemnelor de esență tare este de 50-80. Între straturi R În strat 1 , În stratŞi În strat 2 , În strat 1 și În strat 3, se observă regiuni de tranziție (lamele) cu o microorientare diferită a fibrelor decât în straturile principale ale învelișului secundar.
Celuloza tehnică este un produs fibros semifabricat obținut prin purificarea fibrelor vegetale din componente non-celulozice. Celuloza este de obicei numită după tipul de materie primă ( lemn, bumbac), metoda de extragere din lemn ( sulfit, sulfat), precum și pentru scopul propus ( vascoza, acetat etc.).
Chitanță
1.Tehnologia producției de celuloză include urmatoarele operatii: îndepărtarea scoarței din lemn (latrat); obținerea așchiilor de lemn; gătirea așchiilor de lemn (în industrie, gătitul se realizează prin metoda sulfatului sau sulfitului); triere; albire; uscare; tăiere
Metoda sulfitului. Lemnul de molid se tratează cu o soluție apoasă de bisulfit de calciu, magneziu, sodiu sau amoniu, apoi se ridică temperatura la 105-110°C timp de 1,5-4 ore și se fierbe la această temperatură timp de 1-2 ore. Apoi, ridicați temperatura la 135-150°C și gătiți timp de 1-4 ore. În acest caz, toate componentele necelulozice ale lemnului (în principal lignina și hemicelulozele) devin solubile, iar celuloza de-lignificată rămâne.
Metoda sulfatului. Așchiile de orice tip de lemn (precum și stuf) sunt tratate cu lichid de gătit, care este o soluție apoasă de sodă caustică și sulfură de sodiu (NaOH + Na2S). În 2-3 ore, creșteți temperatura la 165-180°C și gătiți la această temperatură timp de 1-4 ore. Componentele non-celulozice, transformate într-o stare solubilă, sunt îndepărtate din amestecul de reacție, iar celuloza purificată de impurități rămâne.
2.Pulpă de bumbac obtinut din linteruri de bumbac. Tehnologia de recepție include curățarea mecanică, gătirea alcalină (în soluție apoasă de NaOH 1-4% la o temperatură de 130-170°C) și albire. Micrografiile electronice ale fibrelor de celuloză de bumbac sunt prezentate în Fig. 2.
3. Celuloza bacteriana sintetizat de bacteriile genului – una dintre cele mai comune polizaharide naturale, componenta principală și principalul material structural al pereților celulelor vegetale. Conținutul de celuloză în fibrele din semințe de bumbac este de 95-99,5%, în fibre de liben (in, iută, ramie) 60-85%, în țesutul lemnos (în funcție de tipul pomului, vârsta acestuia, condițiile de creștere) 30-55%, în frunze verzi, iarbă, plante inferioare 10-25%. Aproape într-o stare individuală, celuloza se găsește în bacteriile din gen. Celuloza bacteriană rezultată are o greutate moleculară mare și o distribuție îngustă a greutății moleculare.
Distribuția îngustă a greutății moleculare este explicată după cum urmează. Deoarece carbohidrații intră uniform în celula bacteriană, lungime medie a fibrelor celulozice formate crește proporțional cu timpul. În acest caz, nu există o creștere vizibilă a dimensiunilor transversale ale microfibrelor (microfibrile). Rata medie de creștere a fibrelor de celuloză bacteriană este de ~0,1 μm/min, ceea ce corespunde polimerizării a 10 7 -10 8 reziduuri de glucoză pe oră per celulă bacteriană. Prin urmare, în medie, în fiecare celulă bacteriană, 103 unități de glucopiranoză sunt atașate la capetele în creștere ale fibrelor de celuloză insolubile pe secundă.
Microfibrele de celuloză bacteriană cresc de la ambele capete ale fibrilei la ambele cu aceeași viteză. Lanțurile macromoleculare din interiorul microfibrilelor sunt dispuse antiparalel. Pentru alte tipuri de celuloze nu au fost obținute astfel de date. O micrografie electronică a fibrelor de celuloză bacteriană este prezentată în Fig. 3. Se poate observa că fibrele au aproximativ aceeași lungime și zonă de secțiune transversală.
În prezent, doar două surse de celuloză sunt de importanță industrială - bumbacul și celuloza de lemn. Bumbacul este celuloză aproape pură și nu necesită o prelucrare complexă pentru a deveni o materie primă pentru fibrele artificiale și materialele plastice fără fibre. După ce fibrele lungi folosite la fabricarea țesăturilor de bumbac sunt separate de sămânța de bumbac, rămân firele de păr scurte sau „scame” (puf de bumbac), lungi de 10-15 mm. Se separă scamele de sămânță, se încălzește sub presiune timp de 2-6 ore cu o soluție de hidroxid de sodiu 2,5-3%, apoi se spală, se albește cu clor, se spală din nou și se usucă. Produsul rezultat este celuloză pură 99%. Randamentul este de 80% (greutate) scame, restul fiind lignină, grăsimi, ceară, pectate și coji de semințe. Pulpa de lemn este de obicei făcută din lemn de conifere. Conține 50–60% celuloză, 25–35% lignină și 10–15% hemiceluloză și hidrocarburi necelulozice. În procesul de sulfit, așchiile de lemn sunt fierte sub presiune (aproximativ 0,5 MPa) la 140° C cu dioxid de sulf și bisulfit de calciu. În acest caz, ligninele și hidrocarburile intră în soluție, iar celuloza rămâne. După spălare și înălbire, masa purificată este turnată în hârtie liberă, similară hârtiei absorbante, și uscată. Această masă constă din 88–97% celuloză și este destul de potrivită pentru prelucrarea chimică în fibre de viscoză și celofan, precum și în derivați de celuloză - esteri și eteri.
Procesul de regenerare a celulozei dintr-o soluție prin adăugarea de acid la soluția sa apoasă concentrată de cupru-amoniu (adică care conține sulfat de cupru și hidroxid de amoniu) a fost descris de englezul J. Mercer în jurul anului 1844. Dar prima aplicare industrială a acestei metode, care a marcat începutul industriei fibrelor de cupru-amoniu, este atribuit lui E. Schweitzer (1857), iar dezvoltarea sa ulterioară este meritul lui M. Kramer și I. Schlossberger (1858). Și abia în 1892 Cross, Bevin și Beadle în Anglia au inventat un procedeu de producere a fibrei de viscoză: o soluție apoasă vâscoasă (de unde și denumirea de viscoză) de celuloză a fost obținută după tratarea celulozei mai întâi cu o soluție puternică de sodă caustică, care a dat „sodă”. celuloză”, și apoi cu disulfură de carbon (CS 2), rezultând xantat de celuloză solubil. Prin stoarcerea unui flux din această soluție „învârtită” printr-o filă cu o mică gaură rotundă într-o baie acidă, celuloza a fost regenerată sub formă de fibră de raion. Când soluția a fost stoarsă în aceeași baie printr-o matriță cu o fantă îngustă, s-a obținut o peliculă numită celofan. J. Brandenberger, care a lucrat la această tehnologie în Franța între 1908 și 1912, a fost primul care a brevetat un proces continuu de fabricare a celofanului.
Structura chimică.
În ciuda utilizării industriale pe scară largă a celulozei și a derivaților săi, formula chimică structurală acceptată în prezent a celulozei a fost propusă (de W. Haworth) abia în 1934. Cu toate acestea, din 1913 formula sa empirică C 6 H 10 O 5, determinată din date, a fost cunoscut analiza cantitativă probe bine spălate și uscate: 44,4% C, 6,2% H și 49,4% O. Datorită lucrării lui G. Staudinger și K. Freudenberg, se știa și că aceasta este o moleculă de polimer cu lanț lung, formată din cele prezentate în Fig. . 1 reziduuri glucozidice repetate. Fiecare unitate are trei grupări hidroxil - una primară (– CH 2 CH OH) și două secundare (> CH CH OH). Până în 1920, E. Fisher stabilise structura zaharurilor simple și, în același an, studiile cu raze X ale celulozei au arătat pentru prima dată un model clar de difracție a fibrelor sale. Modelul de difracție de raze X al fibrei de bumbac arată o orientare cristalină clară, dar fibra de in este și mai ordonată. Când celuloza este regenerată sub formă de fibre, cristalinitatea se pierde în mare măsură. Cât de ușor este să vezi în lumina realizărilor stiinta moderna, chimia structurală a celulozei a rămas practic nemișcată din 1860 până în 1920 pentru că în tot acest timp disciplinele științifice auxiliare necesare rezolvării problemei au rămas la început.
CELULOZA REGENERATA
Fibră de viscoză și celofan.
Atât fibra de viscoză, cât și celofanul sunt regenerate (din soluție) celuloză. Celuloza naturală purificată este tratată cu un exces de hidroxid de sodiu concentrat; După îndepărtarea excesului, cocoloașele sunt măcinate, iar masa rezultată este păstrată în condiții atent controlate. Odată cu această „îmbătrânire”, lungimea lanțurilor polimerice scade, ceea ce favorizează dizolvarea ulterioară. Apoi celuloza zdrobită este amestecată cu disulfură de carbon și xantatul rezultat este dizolvat într-o soluție de hidroxid de sodiu pentru a obține „vâscoză” - o soluție vâscoasă. Când viscoza intră într-o soluție apoasă acidă, celuloza este regenerată din aceasta. Reacțiile totale simplificate sunt:
Fibra de viscoză, obținută prin stoarcerea viscozei prin găurile mici ale unei filiere într-o soluție acidă, este utilizată pe scară largă pentru fabricarea de țesături de îmbrăcăminte, draperii și tapițerie, precum și în tehnologie. Cantități semnificative de fibră de viscoză sunt folosite pentru curele tehnice, benzi, filtre și cordon de anvelope.
Celofan.
Celofanul, obținut prin stoarcerea viscozei într-o baie acidă printr-o filă cu fantă îngustă, apoi trece prin băile de spălare, albire și plastifiare, este trecut prin tamburi de uscare și înfășurat într-un sul. Suprafața foliei de celofan este aproape întotdeauna acoperită cu nitroceluloză, rășină, un fel de ceară sau lac pentru a reduce transmiterea vaporilor de apă și pentru a oferi posibilitatea de etanșare termică, deoarece celofanul neacoperit nu are proprietatea de termoplasticitate. Pe producție modernăÎn acest scop, se folosesc acoperiri polimerice de tip clorură de poliviniliden, deoarece sunt mai puțin permeabile la umiditate și asigură o conexiune mai durabilă în timpul etanșării termice.
Celofanul este utilizat pe scară largă în principal în industria ambalajelor ca material de ambalare pentru produse uscate, produse alimentare, produse din tutun și, de asemenea, ca bază pentru banda de ambalare autoadeziva.
Burete de vascoza.
Pe lângă formarea unei fibre sau a unui film, viscoza poate fi amestecată cu materiale fibroase și fin cristaline adecvate; După tratarea cu acid și scurgerea apei, acest amestec este transformat într-un material burete de viscoză (Fig. 2), care este folosit pentru ambalare și izolație termică.
Fibră de cupru-amoniac.
Fibra de celuloză regenerată este produsă în scara industriala de asemenea, prin dizolvarea celulozei într-o soluție concentrată de cupru-amoniac (CuSO 4 în NH 4 OH) și rotirea soluției rezultate în fibră într-o baie de precipitare acidă. Această fibră se numește fibră de cupru-amoniac.
PROPRIETĂȚILE CELULUZEI
Proprietăți chimice.
După cum se arată în Fig. 1, celuloza este un carbohidrat cu înaltă polimeri format din reziduuri glucozidice C 6 H 10 O 5 conectate prin punți eterice la poziția 1,4. Cele trei grupări hidroxil din fiecare unitate de glucopiranoză pot fi esterificate cu agenți organici, cum ar fi un amestec de acizi și anhidride acide cu un catalizator adecvat, cum ar fi acidul sulfuric. Eterii pot fi formați prin acțiunea hidroxidului de sodiu concentrat care duce la formarea celulozei de sodă și reacția ulterioară cu o halogenură de alchil:
Reacția cu etilenă sau oxid de propilenă produce eteri hidroxilați:
Prezența acestor grupări hidroxil și geometria macromoleculei determină polarul puternic atracție reciprocă legături învecinate. Forțele atractive sunt atât de puternice încât solvenții obișnuiți nu sunt capabili să rupă lanțul și să dizolve celuloza. Aceste grupări hidroxil libere sunt, de asemenea, responsabile pentru o mai mare higroscopicitate a celulozei (Fig. 3). Esterificarea și eterizarea reduc higroscopicitatea și cresc solubilitatea în solvenți obișnuiți.
Sub influenta soluție apoasă acizii rup punțile de oxigen în poziția 1,4-. Ruperea completă a lanțului produce glucoză, o monozaharidă. Lungimea inițială a lanțului depinde de originea celulozei. Este maxim în stare naturalăși se reduce prin izolare, purificare și conversie în derivați ( cm. masă).
Chiar și forfecarea mecanică, de exemplu în timpul șlefuirii abrazive, duce la o scădere a lungimii lanțului. Când lungimea lanțului polimeric scade sub o anumită valoare minimă, macroscopică proprietăți fizice celuloză.
Agenții oxidanți afectează celuloza fără a provoca scindarea inelului de glucopiranoză (Fig. 4). Acțiunea ulterioară (în prezența umidității, cum ar fi în testele climatice) are ca rezultat de obicei scisarea lanțului și o creștere a numărului de grupuri terminale asemănătoare aldehidei. Deoarece grupările aldehide sunt ușor oxidate la grupări carboxil, conținutul de carboxil, care este practic absent în celuloza naturală, crește brusc în condițiile influențelor atmosferice și oxidării.
Ca toți polimerii, celuloza este distrusă sub influența factorilor atmosferici acţiune comună oxigen, umiditate, componente acide ale aerului și lumina soarelui. Important are componenta ultravioletă a luminii solare, iar mulți agenți buni de protecție UV cresc durata de viață a produselor derivate din celuloză. Componentele acide ale aerului, cum ar fi oxizii de azot și sulf (și sunt întotdeauna prezente în aerul atmosferic zonele industriale) accelerează descompunerea, adesea cu un efect mai puternic decât lumina soarelui. Astfel, în Anglia, s-a observat că probele de bumbac testate pentru expunerea la condițiile atmosferice iarna, când practic nu exista lumina puternică a soarelui, s-au degradat mai repede decât vara. Cert este că arderea unor cantități mari de cărbune și gaz în timpul iernii a dus la o creștere a concentrației de oxizi de azot și sulf în aer. Captatorii de acizi, antioxidanții și absorbanții UV reduc sensibilitatea celulozei la intemperii. Înlocuirea grupărilor hidroxil libere duce la o modificare a acestei sensibilități: azotatul de celuloză se degradează mai repede, iar acetatul și propionatul - mai lent.
Proprietăți fizice.
Lanțurile polimerice de celuloză sunt împachetate în mănunchiuri lungi, sau fibre, în care, alături de cele ordonate, cristaline, există și secțiuni amorfe mai puțin ordonate (Fig. 5). Procentul de cristalinitate măsurat depinde de tipul de celuloză, precum și de metoda de măsurare. Conform datelor cu raze X, variază de la 70% (bumbac) la 38-40% (fibră de viscoză). Analiza structurală cu raze X oferă informații nu numai despre relația cantitativă dintre materialul cristalin și amorf din polimer, ci și despre gradul de orientare a fibrei cauzat de procesele de întindere sau de creștere normale. Claritatea inelelor de difracție caracterizează gradul de cristalinitate, iar petele de difracție și claritatea lor caracterizează prezența și gradul de orientare preferată a cristalitelor. Într-o probă de acetat de celuloză reciclat produsă prin procesul de filare uscată, atât gradul de cristalinitate, cât și gradul de orientare sunt foarte mici. În proba de triacetat, gradul de cristalinitate este mai mare, dar nu există o orientare preferată. Tratament termic al triacetatului la o temperatură de 180-240°C
Celuloza (fibre) este o polizaharidă vegetală, care este cea mai comună substanță organică de pe Pământ.
1. Proprietăți fizice
Această substanță alb, insipid și inodor, insolubil în apă, având o structură fibroasă. Se dizolvă într-o soluție de amoniac de hidroxid de cupru (II) - reactiv Schweitzer.
Experiment video „Dizolvarea celulozei într-o soluție de amoniac de hidroxid de cupru (II)”
2. A fi în natură
Acest biopolimer are o rezistență mecanică mare și acționează ca material de susținere pentru plante, formând un perete celule vegetale. Celuloza se găsește în cantități mari în țesutul lemnos (40-55%), fibrele de in (60-85%) și bumbac (95-98%). Componenta principală a membranei celulelor vegetale. Se formează la plante în timpul fotosintezei.
Lemnul este format din celuloză 50%, iar bumbacul, inul și cânepa sunt celuloză aproape pură.
Chitina (un analog al celulozei) este componenta principală a exoscheletului artropodelor și altor nevertebrate, precum și în pereții celulari ai ciupercilor și bacteriilor.
3. Structura
Constă din reziduuri de β-glucoză
4. Chitanță
Obținut din lemn
5. Aplicare
Celuloza este utilizată în producția de hârtie, fibre artificiale, filme, materiale plastice, vopsele și lacuri, pulbere fără fum, explozivi, combustibil solid pentru rachete, pentru producerea de alcool hidrolitic etc.
· Productie de matase acetat - fibra artificiala, plexiglas, film neinflamabil din acetat de celuloza.
· Prepararea prafului de pușcă fără fum din triacetilceluloză (piroxilină).
· Producerea de colodion (peliculă groasă pentru medicamente) și celuloid (producția de filme, jucării) din celuloză diacetil.
· Productie de fire, funii, hartie.
Obținerea glucozei alcool etilic(pentru a obține cauciuc)
Cei mai importanți derivați de celuloză includ:
- metilceluloza(eteri metilici de celuloză) cu formula generală
N ( X= 1, 2 sau 3);
- acetat de celuloză(triacetat de celuloză) – esterul celulozei și acidului acetic
- nitroceluloza(nitrați de celuloză) – nitrați de celuloză:
N ( X= 1, 2 sau 3).
Hidroliză
(C6H10O5) n + nH20 t,H2SO4→ nC6H12O6
glucoză
Hidroliza se desfășoară în etape:
(C 6 H 10 O 5) n → (C 6 H 10 O 5) m → xC 12 H 22 O 11 → n C 6 H 12 O 6 (
Nota, m
amidon dextrinmaltozăglucoză
Experiment video „Hidroliza acidă a celulozei”
Reacții de esterificare
Celuloza este un alcool polihidroxilic, există trei grupe hidroxil pe unitate de celule a polimerului. În acest sens, celuloza se caracterizează prin reacții de esterificare (formare de esteri). Reacțiile cu acidul azotic și anhidrida acetică sunt de cea mai mare importanță practică. Celuloza nu produce o reacție de „oglindă de argint”.
1. Nitrare:
(C6H7O2(OH)3) n + 3nHNO3 H 2 AŞA4(conc.)→(C6H7O2(ONO2)3) n + 3 nH2O
piroxilină
Experiment video „Pregătirea și proprietățile nitrocelulozei”
Fibra complet esterificată este cunoscută sub numele de praf de pușcă, care, după o prelucrare corespunzătoare, se transformă în praf de pușcă fără fum. În funcție de condițiile de nitrare, se poate obține dinitrat de celuloză, care în tehnologie se numește coloxilină. De asemenea, este folosit la fabricarea prafului de pușcă și a propulsorului solid pentru rachete. În plus, celuloidul este fabricat din coloxilină.
2. Interacțiune cu acid acetic:
(C6H7O2(OH)3) n + 3nCH3COOH H2SO4( conc. .)→ (C6H7O2(OCOCH3)3) n + 3nH2O
Când celuloza reacţionează cu anhidrida acetică în prezenţa acizilor acetic şi sulfuric, se formează triacetilceluloză.
Triacetil celuloză (sau acetat de celuloză) este un produs valoros pentru fabricarea foliei ignifuge șimătase acetat. Pentru a face acest lucru, acetatul de celuloză este dizolvat într-un amestec de diclormetan și etanol, iar această soluție este forțată prin matrițe într-un curent de aer cald.
Și matrița în sine arată schematic astfel:
1 - soluție de filare,
2 - mor,
3 - fibre.
Solventul se evaporă, iar fluxurile de soluție se transformă în cele mai fine fire de mătase acetat.
Vorbind despre utilizarea celulozei, nu se poate să nu spună că o cantitate mare de celuloză este consumată pentru producerea diferitelor hârtie. Hârtie- Acesta este un strat subțire de fibre de fibre, lipit și presat pe o mașină specială de fabricat hârtie.
5. Dacă măcinați bucăți de hârtie de filtru (celuloză) umezite cu acid sulfuric concentrat într-un mortar de porțelan și diluați suspensia rezultată cu apă și, de asemenea, neutralizați acidul cu alcali și, ca și în cazul amidonului, testați soluția pentru reacție cu hidroxid de cupru (II), atunci va fi vizibil aspectul de oxid de cupru (I). Adică, hidroliza celulozei a avut loc în experiment. Procesul de hidroliză, ca și cel al amidonului, are loc în etape până când se formează glucoza.
2. În funcție de concentrația de acid azotic și de alte condiții, una, două sau toate cele trei grupe hidroxil ale fiecărei unități a moleculei de celuloză intră în reacția de esterificare, de exemplu: n + 3nHNO3 → n + 3n H2O.
Aplicarea celulozei.
Obținerea fibrei de acetat
68. Celuloza, proprietățile sale fizice
Fiind în natură. Proprietăți fizice.
1. Celuloza, sau fibra, face parte din plante, formând în ele pereții celulari.
2. De aici provine numele său (din latinescul „cellulum” - celulă).
3. Celuloza conferă plantelor rezistența și elasticitatea necesare și este, parcă, scheletul lor.
4. Fibrele de bumbac conțin până la 98% celuloză.
5. Fibrele de in și cânepă sunt, de asemenea, compuse în principal din celuloză; în lemn este de aproximativ 50%.
6. Hârtia și țesăturile din bumbac sunt produse fabricate din celuloză.
7. Exemple deosebit de pure de celuloză sunt vata obținută din bumbac purificat și hârtie de filtru (nelipită).
8. Selectat din materiale naturale Celuloza este o substanță fibroasă solidă care este insolubilă fie în apă, fie în solvenți organici obișnuiți.
Structura celulozei:
1) celuloza, ca și amidonul, este un polimer natural;
2) aceste substanțe au chiar aceleași unități structurale în compoziție - resturi de molecule de glucoză, aceeași formulă moleculară (C6H10O5)n;
3) valoarea n a celulozei este de obicei mai mare decât cea a amidonului: greutatea sa moleculară medie ajunge la câteva milioane;
4) principala diferență dintre amidon și celuloză este în structura moleculelor lor.
Găsirea celulozei în natură.
1. În fibrele naturale, macromoleculele de celuloză sunt situate într-o singură direcție: sunt orientate de-a lungul axei fibrei.
2. Numeroasele legături de hidrogen care apar între grupările hidroxil ale macromoleculelor determină rezistența ridicată a acestor fibre.
Care sunt proprietățile chimice și fizice ale celulozei
În procesul de filare a bumbacului, inului etc., aceste fibre elementare sunt țesute în fire mai lungi.
4. Acest lucru se explică prin faptul că macromoleculele din acesta, deși au o structură liniară, sunt situate mai aleatoriu și nu sunt orientate într-o singură direcție.
Construcția macromoleculelor de amidon și celuloză din diferite forme ciclice de glucoză le afectează în mod semnificativ proprietățile:
1) amidonul este un produs alimentar uman important; celuloza nu poate fi folosită în acest scop;
2) motivul este că enzimele care promovează hidroliza amidonului nu acționează asupra legăturilor dintre reziduurile de celuloză.
69. Proprietățile chimice ale celulozei și aplicarea acesteia
1. Din viața de zi cu zi se știe că celuloza arde bine.
2. Când lemnul este încălzit fără acces la aer, are loc descompunerea termică a celulozei. Aceasta produce compuși organici volatili, apă și cărbune.
3. Printre produsele organice ale descompunerii lemnului se numără alcoolul metilic, acidul acetic și acetona.
4. Macromoleculele de celuloză sunt formate din unități asemănătoare cu cele care formează amidonul este supus hidrolizei, iar produsul hidrolizei sale, ca și amidonul, va fi glucoza;
5. Dacă măcinați bucăți de hârtie de filtru (celuloză) înmuiate în acid sulfuric concentrat într-un mortar de porțelan și diluați suspensia rezultată cu apă și, de asemenea, neutralizați acidul cu alcali și, ca și în cazul amidonului, testați soluția pentru reacție cu hidroxid de cupru (II), atunci va fi vizibil aspectul de oxid de cupru (I).
69. Proprietățile chimice ale celulozei și aplicarea acesteia
Adică, hidroliza celulozei a avut loc în experiment. Procesul de hidroliză, ca și cel al amidonului, are loc în etape până când se formează glucoza.
6. În total, hidroliza celulozei poate fi exprimată prin aceeași ecuație ca și hidroliza amidonului: (C6H10O5)n + nH2O = nC6H12O6.
7. Unitățile structurale ale celulozei (C6H10O5)n conțin grupări hidroxil.
8. Datorită acestor grupări, celuloza poate produce eteri și esteri.
9. Nitrații de celuloză sunt de mare importanță.
Caracteristicile eterilor de azotat de celuloză.
1. Se obtin prin tratarea celulozei cu acid azotic in prezenta acidului sulfuric.
2. În funcție de concentrația de acid azotic și de alte condiții, în reacția de esterificare intră una, două sau toate cele trei grupe hidroxil ale fiecărei unități a moleculei de celuloză, de exemplu: n + 3nHNO3 -> n + 3n H2O.
O proprietate comună a nitraților de celuloză este inflamabilitatea lor extremă.
Trinitratul de celuloză, numit piroxilină, este o substanță foarte explozivă. Este folosit pentru a produce pulbere fără fum.
Esterii acetatului de celuloză – diacetat și triacetat de celuloză – sunt, de asemenea, foarte importanți. Diacetat și triacetat de celuloză aspect similar cu celuloza.
Aplicarea celulozei.
1. Datorita rezistentei sale mecanice, lemnul este folosit in constructii.
2. Din el sunt realizate diverse tipuri de produse de tâmplărie.
3. Sub formă de materiale fibroase (bumbac, in) se folosește la fabricarea de fire, țesături, frânghii.
4. Celuloza izolată din lemn (lipită de substanțele însoțitoare) este folosită pentru fabricarea hârtiei.
O.A. Noskova, M.S. Fedoseev
Chimia lemnului
Și polimeri sintetici
PARTEA 2
Aprobat
Consiliul editorial și editorial al Universității
ca note de curs
Editura
Universitatea Tehnică de Stat Perm
Recenzători:
Ph.D. tehnologie. stiinte D.R. Nagimov
(CJSC „Karbokam”);
Ph.D. tehnologie. științe, prof. F.H. Khakimova
(Universitatea Tehnică de Stat Perm)
Noskova, O.A.
N84 Chimia lemnului și a polimerilor sintetici: note de curs: în 2 ore / O.A. Noskova, M.S. Fedoseev. – Perm: Editura Perm. stat tehnologie. Universitatea, 2007. – Partea 2. – 53 p.
ISBN 978-5-88151-795-3
Sunt furnizate informații cu privire la structura chimică și proprietățile principalelor componente ale lemnului (celuloză, hemiceluloze, lignină și extractive). Sunt luate în considerare reacțiile chimice ale acestor componente care apar în timpul prelucrării chimice a lemnului sau în timpul modificării chimice a celulozei. De asemenea, dat Informații generale despre procesele de gătit.
Conceput pentru studenții specialității 240406 „Tehnologia prelucrării chimice a lemnului”.
UDC 630*813. + 541.6 + 547.458.8
ISBN 978-5-88151-795-3 © Instituția de Învățământ de Stat de Învățământ Profesional Superior
„Stat Perm
Universitatea Tehnică”, 2007
| Introducere……………………………………………………………………………………… | ……5 | |||
| 1. Chimia celulozei……………………………………………………….. | …….6 | |||
| 1.1. Structura chimică a celulozei…………………………………………….. | .…..6 | |||
| 1.2. Reacții chimice ale celulozei…………………………………………….. | .……8 | |||
| 1.3. Efectul soluțiilor alcaline asupra celulozei…………………………… | …..10 | |||
| 1.3.1. Celuloza alcalină……………………………………………………. | .…10 | |||
| 1.3.2. Umflarea și solubilitatea celulozei industriale în soluții alcaline………………………………………………………………… | .…11 | |||
| 1.4. Oxidarea celulozei………………………………………………………………………….. | .…13 | |||
| 1.4.1. Informații generale despre oxidarea celulozei. oxiceluloza... | .…13 | |||
| 1.4.2. Principalele direcții ale reacțiilor oxidative…………… | .…14 | |||
1.4.3. Proprietățile oxicelulozei……………………………………… Proprietățile chimice ale celulozei. |
.…15 | |||
| 1.5. Esteri de celuloză………………………………………. | .…15 | |||
| 1.5.1. Informații generale despre prepararea esterilor de celuloză. | .…15 | |||
| 1.5.2. Nitrații de celuloză ……………………………………………………………………… | .…16 | |||
| 1.5.3. Xantați de celuloză…………………………………………….. | .…17 | |||
| 1.5.4. Acetații de celuloză……………………………………………………………………… | .…19 | |||
| 1.6. Eteri de celuloză……………………………………………………………………… | .…20 | |||
| 2. Chimia hemicelulozelor…………………………………………………… | .…21 | |||
| 2.1. Concepte generale despre hemiceluloze și proprietățile lor…………………. | .…21 | |||
| .2.2. Pentozani……………………………………………………………………….. | .…22 | |||
| 2.3. Hexozanii…………………………………………………………………………………… | …..23 | |||
| 2.4. Acizii uronici……………………………………………………. | .…25 | |||
| 2.5. Substanțele pectine……………………………………………………………………… | .…25 | |||
| 2.6. Hidroliza polizaharidelor……………………………………………………….. | .…26 | |||
| 2.6.1. Concepte generale despre hidroliza polizaharidelor…………………………. | .…26 | |||
| 2.6.2. Hidroliza polizaharidelor lemnoase cu acizi minerali diluați………………………………………………………….. | …27 | |||
| 2.6.3. Hidroliza polizaharidelor lemnoase cu acizi minerali concentrați……………………………………………………. | …28 | |||
| 3. Chimia ligninei……………………………………………………………………….. | …29 | |||
| 3.1. Unități structurale ale ligninei………………………………………. | …29 | |||
| 3.2. Metode de izolare a ligninei……………………………………………………………………… | …30 | |||
| 3.3. Structura chimică a ligninei……………………………………………………… | …32 | |||
| 3.3.1. Grupuri funcționale ale ligninei………….……………..32 | ||||
| 3.3.2. Principalele tipuri de legături între unitățile structurale de lignină…………………………………………………………………………….35 | ||||
| 3.4. Legături chimice lignină cu polizaharide…………….. | ..36 | |||
| 3.5. Reacții chimice ale ligninei………………………………………….. | ….39 | |||
| 3.5.1. Caracteristici generale reactii chimice lignină……….. | ..39 | |||
| 3.5.2. Reacțiile unităților elementare…………………………………………… | ..40 | |||
| 3.5.3. Reacții macromoleculare…………………………………………….. | ..42 | |||
| 4. Substanțe extractive…………………………………………………………………… | ..47 | |||
| 4.1. Informații generale……………………………………………………………………………… | ..47 | |||
| 4.2. Clasificarea substanțelor extractive ………………………………………………………… | ..48 | |||
| 4.3. Extractive hidrofobe………………………………………. | ..48 | |||
| 4.4. Extractive hidrofile………………………………………… | ..50 | |||
| 5. Concepte generale despre procesele de gătit…………………………………. | ..51 | |||
| Bibliografie……………………………………………………………. | ..53 | |||
Introducere
Chimia lemnului este o ramură a chimiei tehnice care studiază compoziția chimică a lemnului; chimia formării, structurii și proprietăților chimice ale substanțelor care alcătuiesc țesutul lemnos mort; metode de izolare şi analiză a acestor substanţe, precum şi esenta chimica naturale si procese tehnologice prelucrarea lemnului și a componentelor sale individuale.
Prima parte a notelor prelegerii „Chimia lemnului și a polimerilor sintetici”, publicată în 2002, abordează probleme legate de anatomia lemnului, structura membranei celulare, compozitia chimica lemn, proprietăți fizice și fizico-chimice ale lemnului.
A doua parte a notelor de prelegere „Chimia lemnului și polimerilor sintetici” discută aspecte legate de structura chimică și proprietățile principalelor componente ale lemnului (celuloză, hemiceluloză, lignină).
Notele de curs oferă informații generale despre procesele de gătit, de ex. privind producția de celuloză tehnică, care este utilizată în producția de hârtie și carton. Ca urmare transformări chimice Celuloza tehnică este obținută din derivații săi - eteri și esteri, din care se produc fibre artificiale (vâscoză, acetat), filme (film, foto, filme de ambalare), materiale plastice, lacuri și adezivi. Această parte a rezumatului discută, de asemenea, pe scurt, producția și proprietățile eterilor de celuloză, care sunt utilizați pe scară largă în industrie.
Chimia celulozei
Structura chimică a celulozei
Celuloza este unul dintre cei mai importanți polimeri naturali. Aceasta este componenta principală a țesuturilor vegetale. Celuloza naturală se găsește în cantitati mariîn bumbac, in și alte plante fibroase, din care se obțin fibre celulozice textile naturale. Fibrele de bumbac sunt celuloză aproape pură (95–99%). Sursa mai importanta producție industrială Plantele lemnoase servesc ca celuloză (celuloză tehnică). În lemn de diferite specii de arbori fracție de masă celuloza este în medie de 40–50%.
Celuloza este o polizaharidă, ale cărei macromolecule sunt construite din reziduuri D-glucoza (unități β -D-anhidroglucopiranoză), legată prin legături β-glicozidice 1–4:
Celuloza este un homopolimer liniar (homopolizaharidă) aparținând polimerilor heterolanți (poliacetali). Este un polimer stereoregulat în care reziduul de celobioză servește ca unitate de repetare stereo. Formula totală a celulozei poate fi reprezentată ca (C6H10O5) n sau [C6H7O2(OH)3] n. Fiecare unitate monomeră conține trei grupări hidroxil alcool, dintre care una este primară –CH2OH și două (la C2 și C3) sunt secundare –CHOH–.
Vergile de capăt sunt diferite de restul verigilor de lanț. O legătură terminală (condiționat dreaptă - nereducătoare) are un alcool secundar liber suplimentar hidroxil (la C4). Cealaltă legătură terminală (condițional stânga - reducătoare) conține hidroxil glicozidic (hemiacetal) liber (la C1 ) și, prin urmare, poate exista în două forme tautomere - ciclică (colacetal) și deschisă (aldehidă):
Gruparea aldehidă terminală conferă celulozei capacitatea sa de reducere (reducere). De exemplu, celuloza poate reduce cuprul de la Cu2+ la Cu+:
Cantitatea de cupru recuperată ( număr de cupru) servește ca caracteristică calitativă a lungimii lanțurilor celulozice și arată gradul său de distrugere oxidativă și hidrolitică.
Celuloza naturală are un grad ridicat de polimerizare (DP): lemn - 5000-10000 și peste, bumbac - 14000-20000. Când izolată din țesuturile vegetale, celuloza este oarecum distrusă. Pasta tehnică de lemn are un DP de aproximativ 1000–2000. DP celulozei se determină în principal prin metoda vâscometrică, folosindu-se ca solvenți niște baze complexe: reactiv cupru-amoniac (OH)2, cuprietilendiamină (OH)2, cadmiometilendiamină (cadoxen) (OH)2 etc.
Celuloza izolată din plante este întotdeauna polidispersă, adică. conţine macromolecule de diferite lungimi. Gradul de polidispersitate a celulozei (eterogenitate moleculară) este determinat prin metode de fracţionare, adică. separarea unei probe de celuloză în fracții cu o anumită greutate moleculară. Proprietățile unei probe de celuloză (rezistență mecanică, solubilitate) depind de DP medie și de gradul de polidispersitate.
12345678910Următorul ⇒
Data publicării: 2015-11-01; Citește: 1100 | Încălcarea drepturilor de autor ale paginii
studopedia.org - Studopedia.Org - 2014-2018 (0,002 s)...
Structura, proprietățile, funcțiile polizaharidelor (homo și heteropolizaharide).
POLIZACHARIDE- acestea sunt substanțe cu greutate moleculară mare ( polimeri), format din cantitate mare monozaharide. Pe baza compoziției lor, ele sunt împărțite în homopolizaharide și heteropolizaharide.
Homopolizaharide– polimeri constând din monozaharide de un singur tip . De exemplu, glicogenul și amidonul sunt construite numai din molecule de α-glucoză (α-D-glucopiranoză) monomerul fibrei (celuloză) este, de asemenea, β-glucoză.
Amidon. Acest polizaharidă de rezervă plantelor. Monomerul amidonului este α-glucoza. Resturi glucoză V moleculele de amidon în secțiuni liniare sunt interconectate a-1,4-glicozidic , iar la punctele de ramificație – legături α-1,6-glicozidice .
Amidonul este un amestec de două homopolizaharide: liniare - amiloza (10-30%) și ramificată – amilopectină (70-90%).
Glicogen. Acesta este principalul polizaharidă de rezervă țesuturi umane și animale. Molecula de glicogen are de aproximativ 2 ori mai multă structură ramificată decât amilopectina de amidon. Monomer de glicogen este α-glucoza . În molecula de glicogen, reziduurile de glucoză din secțiuni liniare sunt interconectate a-1,4-glicozidic , iar la punctele de ramificație – legături α-1,6-glicozidice .
Fibră. Acesta este cel mai comun structural homopolizaharidă vegetală. ÎN liniar monomeri de molecule de fibre β-glucoza interconectate legături β-1,4-glicozidice . Fibrele nu sunt digerabile în corpul uman, dar, datorită rigidității sale, irită membrana mucoasă a tractului gastrointestinal, prin urmare îmbunătățește peristaltismul și stimulează secreția de sucuri digestive, favorizează formarea fecalelor.
Substanțe pectice- polizaharide, al căror monomer este D- acid galacturonic , ale căror reziduuri sunt legate prin legături α-1,4-glicozidice. Conținute în fructe și legume, acestea se caracterizează prin gelificare în prezența acizilor organici, care este utilizat în industria alimentară (jeleu, marmeladă).
Heteropolizaharide(mucopolizaharide, glicozaminoglicani) – polimeri constituiți din monozaharide diverse tipuri . Prin structură reprezintă
lanțuri drepte construit din reziduuri de dizaharide repetate , care includ neapărat zahăr amino (glucozamină sau galactozamină) și acizi hexuronici (glucuronic sau iduronic).
Proprietățile fizice și chimice ale celulozei
Sunt substanțe asemănătoare jeleului care îndeplinesc o serie de funcții, inclusiv: protectoare (mucus), structurale, stau la baza substantei intercelulare.
În organism, heteropolizaharidele nu se găsesc în stare liberă, ci sunt întotdeauna asociate cu proteine (glicoproteine și proteoglicani) sau lipide (glicolipide).
Pe baza structurii și proprietăților lor, ele sunt împărțite în acide și neutre.
HETEROPOLIZACHARIDE ACIDE:
Conțin hexuronic sau acid sulfuric. Reprezentanti:
Acid hialuroniceste principalul componentă structurală a substanței intercelulare capabilă să se lege apă („ciment biologic”) . Soluțiile de acid hialuronic au o vâscozitate ridicată, prin urmare, servesc ca o barieră la pătrunderea microorganismelor, participă la reglarea metabolismului apei și sunt partea principală a substanței intercelulare).
Sulfații de condroitină sunt componente structurale cartilaj, ligamente, tendoane, oase, valve cardiace.
heparină – anticoagulant (previne coagularea sângelui), are efect antiinflamator, activator al unui număr de enzime.
HETEROPOLIZACHARIDE NEUTRE: fac parte din glicoproteinele din serul sanguin, mucinele din salivă, urină etc., construite din aminozaharuri și acizi sialici. Medicii de familie neutri fac parte din plural. enzime și hormoni.
ACIZI SIALICI - o combinație de acid neuraminic cu acetic sau aminoacid - glicina, fac parte din membranele celulare și fluidele biologice. Acizii sialici sunt determinați pentru diagnosticul bolilor sistemice (reumatism, lupus eritematos sistemic).
Acasă (C6H10O5) n – un polimer natural, o polizaharidă constând din resturi de β-glucoză, moleculele au o structură liniară. Fiecare reziduu al unei molecule de glucoză conține trei grupe hidroxil, deci prezintă proprietățile unui alcool polihidroxilic.
Proprietăți fizice
Celuloza este o substanță fibroasă, insolubilă fie în apă, fie în solvenți organici obișnuiți, și este higroscopică. Are o mare rezistență mecanică și chimică.
1. Celuloza, sau fibra, face parte din plante, formând membrane celulare în ele.
2. De aici provine numele său (din latinescul „cellulum” - celulă).
3. Celuloza conferă plantelor rezistența și elasticitatea necesare și este, parcă, scheletul lor.
4. Fibrele de bumbac conțin până la 98% celuloză.
5. Fibrele de in și cânepă sunt, de asemenea, compuse în principal din celuloză; în lemn este de aproximativ 50%.
6. Hârtia și țesăturile din bumbac sunt produse fabricate din celuloză.
7. Exemple deosebit de pure de celuloză sunt vata obținută din bumbac purificat și hârtie de filtru (nelipită).
8. Celuloza, izolată din materiale naturale, este o substanță fibroasă solidă care este insolubilă fie în apă, fie în solvenți organici obișnuiți.
Proprietăți chimice
1. Celuloza este o polizaharidă care suferă hidroliză pentru a forma glucoză:
(C6H10O5) n + nH2O → nC6H12O6
2. Celuloza este un alcool polihidric care suferă reacții de esterificare pentru a forma esteri
(C 6 H 7 O 2 (OH) 3) n + 3nCH 3 COOH → 3nH 2 O + (C 6 H 7 O 2 (OCOCH 3) 3) n
triacetat de celuloză
Acetații de celuloză sunt polimeri artificiali utilizați în producția de acetat de mătase, film (film) și lacuri.
Aplicație
Utilizările celulozei sunt foarte diverse. Din ea se obțin hârtie, țesături, lacuri, filme. explozivi, mătase artificială (acetat, viscoză), materiale plastice (celuloid), glucoză și multe altele.
Găsirea celulozei în natură.
1. În fibrele naturale, macromoleculele de celuloză sunt situate într-o singură direcție: sunt orientate de-a lungul axei fibrei.
2. Numeroasele legături de hidrogen care apar între grupările hidroxil ale macromoleculelor determină rezistența ridicată a acestor fibre.
3. În procesul de filare a bumbacului, inului etc., aceste fibre elementare sunt țesute în fire mai lungi.
4. Acest lucru se explică prin faptul că macromoleculele din acesta, deși au o structură liniară, sunt situate mai aleatoriu și nu sunt orientate într-o singură direcție.
Construcția macromoleculelor de amidon și celuloză din diferite forme ciclice de glucoză le afectează în mod semnificativ proprietățile:
1) amidonul este un produs alimentar uman important; celuloza nu poate fi folosită în acest scop;
2) motivul este că enzimele care promovează hidroliza amidonului nu acționează asupra legăturilor dintre reziduurile de celuloză.