Naturalny polimer – formuła i zastosowanie

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 05:38

Większość dzisiejszych materiałów budowlanych, leków, tkanin, artykułów gospodarstwa domowego, opakowań i materiałów eksploatacyjnych to polimery. To cała grupa związków, które posiadają charakterystyczne cechy wyróżniające. Jest ich dużo, ale mimo to liczba polimerów wciąż rośnie. W końcu chemicy syntetyczni co roku odkrywają coraz więcej nowych substancji. Jednocześnie przez cały czas szczególnie ważny był polimer naturalny. Czym są te niesamowite molekuły? Jakie są ich właściwości i jakie są cechy? Na te pytania odpowiemy w trakcie artykułu.

Polimery: ogólna charakterystyka

Z punktu widzenia chemii polimer uważany jest za cząsteczkę o ogromnej masie cząsteczkowej: od kilku tysięcy do milionów jednostek. Jednak oprócz tej cechy istnieje kilka innych, dzięki którym substancje można dokładnie sklasyfikować jako polimery naturalne i syntetyczne. To jest:

• stale powtarzające się jednostki monomeryczne, które są połączone różnymi interakcjami;
• stopień polimerazy (tj. liczba monomerów) powinien być bardzowysoki, w przeciwnym razie związek będzie uważany za oligomer;
• pewna orientacja przestrzenna makrocząsteczki;
• zestaw ważnych właściwości fizycznych i chemicznych, które są unikalne dla tej grupy.

Ogólnie rzecz biorąc, substancję o charakterze polimerycznym dość łatwo odróżnić od innych. Wystarczy spojrzeć na jego formułę, aby to zrozumieć. Typowym przykładem jest dobrze znany polietylen, szeroko stosowany w życiu codziennym i przemyśle. Jest to produkt reakcji polimeryzacji, w której wchodzi nienasycony węglowodór eten lub etylen. Reakcja w postaci ogólnej jest zapisana w następujący sposób:

nCH₂=CH₂→(-CH-CH-) , gdzie n to stopień polimeryzacji cząsteczek, pokazujący ile jednostek monomerycznych zawiera się w jego składzie.

Również jako przykład można przytoczyć naturalny polimer, który jest wszystkim dobrze znany, to skrobia. Ponadto do tej grupy związków należą amylopektyna, celuloza, białko kurczaka i wiele innych substancji.

Reakcje, które mogą tworzyć makrocząsteczki, są dwojakiego rodzaju:

• polimeryzacja;
• polikondensacja.

Różnica polega na tym, że w drugim przypadku produkty interakcji mają niską masę cząsteczkową. Struktura polimeru może być różna, zależy to od tworzących go atomów. Często spotykane są formy liniowe, ale istnieją również siatki trójwymiarowe, które są bardzo złożone.

Jeśli mówimy o siłach i interakcjach, które utrzymują razem jednostki monomeru, możemy zidentyfikować kilka podstawowych:

• Van der Waalssiła;
• wiązania chemiczne (kowalencyjne, jonowe);
• interakcja elektrostatyczna.

Wszystkich polimerów nie można łączyć w jedną kategorię, ponieważ mają zupełnie inny charakter, sposób tworzenia i pełnią różne funkcje. Różnią się również ich właściwościami. Dlatego istnieje klasyfikacja, która pozwala podzielić wszystkich przedstawicieli tej grupy substancji na różne kategorie. Może opierać się na kilku znakach.

Klasyfikacja polimerów

Jeżeli za podstawę przyjmiemy skład jakościowy cząsteczek, to wszystkie rozważane substancje można podzielić na trzy grupy.

1. Organiczne - to takie, które zawierają atomy węgla, wodoru, siarki, tlenu, fosforu, azotu. To znaczy te elementy, które są biogenne. Przykładów jest wiele: polietylen, polichlorek winylu, polipropylen, wiskoza, nylon, naturalny polimer - białko, kwasy nukleinowe i tak dalej.
2. Elementalorganic - te, które zawierają jakiś obcy pierwiastek nieorganiczny i niebiogenny. Najczęściej jest to krzem, aluminium lub tytan. Przykłady takich makrocząsteczek: szkło organiczne, polimery szklane, materiały kompozytowe.
3. Nieorganiczny - łańcuch jest oparty na atomach krzemu, a nie na węglu. Rodniki mogą być również częścią gałęzi bocznych. Odkryto je całkiem niedawno, w połowie XX wieku. Stosowany w medycynie, budownictwie, inżynierii i innych gałęziach przemysłu. Przykłady: silikon, cynober.

Jeśli oddzielasz polimery według pochodzenia, możeszwybierz trzy z ich grup.

1. Naturalne polimery, których stosowanie jest szeroko stosowane od czasów starożytnych. Są to takie makrocząsteczki, do stworzenia których osoba nie podjęła żadnych wysiłków. Są produktami reakcji samej natury. Przykłady: jedwab, wełna, białko, kwasy nukleinowe, skrobia, celuloza, skóra, bawełna itp.
2. Sztuczne. Są to makrocząsteczki stworzone przez człowieka, ale oparte na naturalnych analogach. Oznacza to, że właściwości już istniejącego polimeru naturalnego są po prostu ulepszane i zmieniane. Przykłady: sztuczna guma, guma.
3. Syntetyczne - są to polimery, w tworzeniu których uczestniczy tylko człowiek. Nie ma dla nich naturalnych analogów. Naukowcy opracowują metody syntezy nowych materiałów o ulepszonych właściwościach technicznych. Tak rodzą się różnego rodzaju syntetyczne związki polimerowe. Przykłady: polietylen, polipropylen, wiskoza, włókno octanowe itp.

Jest jeszcze jedna cecha, na której opiera się podział rozważanych substancji na grupy. Są to reaktywność i stabilność termiczna. Istnieją dwie kategorie tego parametru:

• termoplastyczny;
• termoset.

Najstarszym, ważnym i szczególnie cennym jest nadal polimer naturalny. Jego właściwości są wyjątkowe. Dlatego dalej rozważymy tę konkretną kategorię makrocząsteczek.

Która substancja jest naturalnym polimerem?

Aby odpowiedzieć na to pytanie, najpierw rozejrzyjmy się dookoła. Co nas otacza?Żywe organizmy wokół nas, które odżywiają się, oddychają, rozmnażają się, kwitną i produkują owoce i nasiona. A co reprezentują z molekularnego punktu widzenia? Są to połączenia takie jak:

• białka;
• kwasy nukleinowe;
• polisacharydy.

Tak więc każdy z tych związków jest naturalnym polimerem. Okazuje się więc, że życie wokół nas istnieje tylko dzięki obecności tych cząsteczek. Od czasów starożytnych ludzie używali gliny, mieszanek budowlanych i zapraw do wzmacniania i tworzenia domu, tkali przędzę z wełny i używali bawełny, jedwabiu, wełny i skóry zwierzęcej do tworzenia ubrań. Naturalne polimery organiczne towarzyszyły człowiekowi na wszystkich etapach jego powstawania i rozwoju i pod wieloma względami pomogły mu osiągnąć wyniki, które mamy dzisiaj.

Sama natura dała wszystko, aby życie ludzi było jak najbardziej komfortowe. Z czasem odkryto gumę, wyjaśniono jej niezwykłe właściwości. Człowiek nauczył się wykorzystywać skrobię do celów spożywczych, a celulozę do celów technicznych. Kamfora to także naturalny polimer, znany również od czasów starożytnych. Żywice, białka, kwasy nukleinowe to przykłady rozważanych związków.

Struktura naturalnych polimerów

Nie wszyscy przedstawiciele tej klasy substancji mają taką samą strukturę. Tak więc polimery naturalne i syntetyczne mogą się znacznie różnić. Ich cząsteczki są zorientowane w taki sposób, że z energetycznego punktu widzenia egzystowanie jest najkorzystniejsze i najwygodniejsze. Jednocześnie wiele naturalnych gatunków może pęcznieć, a ich struktura ulega w tym procesie zmianom. Istnieje kilka najczęstszych wariantów struktury łańcucha:

• liniowy;
• rozgałęziony;
• w kształcie gwiazdy;
• płaskie;
• siatka;
• taśma;
• w kształcie grzebienia.

Sztuczni i syntetyczni przedstawiciele makrocząsteczek mają bardzo dużą masę, ogromną liczbę atomów. Tworzone są ze specjalnie określonymi właściwościami. Dlatego ich konstrukcja została pierwotnie zaplanowana przez człowieka. Polimery naturalne mają najczęściej strukturę liniową lub usieciowaną.

Przykłady naturalnych makrocząsteczek

Polimery naturalne i sztuczne są bardzo blisko siebie. W końcu pierwsze stają się podstawą do stworzenia drugiego. Przykładów takich przekształceń jest wiele. Oto niektóre z nich.

1. Zwykłe mlecznobiałe tworzywo sztuczne to produkt otrzymywany w wyniku obróbki celulozy kwasem azotowym z dodatkiem naturalnej kamfory. Reakcja polimeryzacji powoduje, że powstały polimer zestala się i staje się pożądanym produktem. A plastyfikator - kamfora sprawia, że po podgrzaniu zmiękcza i zmienia swój kształt.
2. Jedwab octanowy, włókno miedziowo-amonowe, wiskoza to przykłady tych nici, włókien otrzymywanych z celulozy. Tkaniny z naturalnej bawełny i lnu nie są tak trwałe, nie błyszczą, łatwo się gniotą. Jednak ich sztuczne odpowiedniki pozbawione są tych niedociągnięć, co czyni ich zastosowanie bardzo atrakcyjnym.
3. Sztuczne kamienie, materiały budowlane, mieszanki, substytuty skóry sąZobacz także przykłady polimerów pochodzących z surowców naturalnych.

Substancja, która jest naturalnym polimerem, może być również używana w swojej prawdziwej postaci. Jest też wiele takich przykładów:

• kalafonii;
• bursztynowy;
• skrobi;
• amylopektyna;
• celuloza;
• futro;
• wełna;
• bawełna;
• jedwab;
• cement;
• glina;
• limonka;
• białka;
• kwasy nukleinowe i tak dalej.

Oczywiście, rozważana przez nas klasa związków jest bardzo liczna, praktycznie ważna i znacząca dla ludzi. Przyjrzyjmy się teraz bliżej kilku przedstawicielom polimerów naturalnych, które są obecnie bardzo poszukiwane.

Jedwab i wełna

Formuła polimeru naturalnego jedwabiu jest złożona, ponieważ jego skład chemiczny wyrażają następujące składniki:

• fibroina;
• serycyna;
• woski;
• tłuszcze.

Samo główne białko, fibroina, zawiera kilka rodzajów aminokwasów. Jeśli wyobrazisz sobie jego łańcuch polipeptydowy, będzie on wyglądał mniej więcej tak: (-NH-CH₂-CO-NH-CH(CH₃)- CO-NH-CH₂-CO-)_n. A to tylko część. Jeśli wyobrazimy sobie, że równie złożona cząsteczka białka serycyny jest przyłączona do tej struktury za pomocą sił van der Waalsa i razem mieszają się one w jedną konformację z woskiem i tłuszczami, to jest jasne, dlaczego trudno opisać wzór naturalnego jedwabiu.

Na dzisiajDziś większość tego produktu dostarczają Chiny, ponieważ na ich otwartych przestrzeniach znajduje się naturalne siedlisko głównego producenta – jedwabnika. Wcześniej, od najdawniejszych czasów, wysoko ceniony był naturalny jedwab. Tylko szlachetni, bogaci ludzie mogli sobie z niej pozwolić na ubrania. Dziś wiele cech tej tkaniny pozostawia wiele do życzenia. Na przykład jest silnie namagnesowana i pomarszczona, dodatkowo traci blask i blaknie pod wpływem słońca. Dlatego coraz częściej stosuje się oparte na nim sztuczne pochodne.

Wełna jest również naturalnym polimerem, ponieważ jest produktem odpadowym skóry i gruczołów łojowych zwierząt. Na bazie tego produktu białkowego powstaje dzianina, która podobnie jak jedwab jest cennym materiałem.

Skrobia

Naturalna skrobia polimerowa jest produktem odpadowym roślin. Wytwarzają go w wyniku procesu fotosyntezy i gromadzą się w różnych częściach ciała. Jego skład chemiczny:

• amylopektyna;
• amyloza;
• alfa-glukoza.

Przestrzenna struktura skrobi jest bardzo rozgałęziona, nieuporządkowana. Dzięki zawartej w składzie amylopektynie jest w stanie pęcznieć w wodzie zamieniając się w tzw. pastę. Ten koloidalny roztwór jest stosowany w inżynierii i przemyśle. Medycyna, przemysł spożywczy, produkcja klejów do tapet to również obszary zastosowania tej substancji.

Wśród roślin zawierających maksymalną ilość skrobi możemy wyróżnić:

• kukurydza;
• ziemniak;
• ryż;
• pszenica;
• maniok;
• owies;
• gryka;
• banany;
• sorgo.

Na bazie tego biopolimeru piecze się chleb, robi się makaron, gotuje się kisiel, płatki zbożowe i inne produkty spożywcze.

Miazga

Z chemicznego punktu widzenia ta substancja jest polimerem, którego skład jest wyrażony wzorem (C₆H_{5 O} 5_{) . Monomeryczne ogniwo w łańcuchu to beta-glukoza. Głównymi miejscami zawartości celulozy są ściany komórkowe roślin. Dlatego drewno jest cennym źródłem tego związku.}

Celuloza to naturalny polimer o liniowej strukturze przestrzennej. Służy do wytwarzania następujących rodzajów produktów:

• produkty celulozowo-papiernicze;
• sztuczne futro;
• różne rodzaje włókien sztucznych;
• bawełna;
• tworzywa sztuczne;
• bezdymny proszek;
• paski filmowe i tak dalej.

Oczywiście jego znaczenie przemysłowe jest ogromne. Aby dany związek mógł zostać wykorzystany do produkcji, należy go najpierw wyekstrahować z roślin. Odbywa się to poprzez długotrwałe gotowanie drewna w specjalnych urządzeniach. Dalsze przetwarzanie, jak również odczynniki używane do trawienia, są różne. Istnieje kilka sposobów:

• siarczyn;
• azotan;
• sód;
• siarczan.

Po tym zabiegu produkt nadal zawierazanieczyszczenia. Opiera się na ligninie i hemicelulozie. Aby się ich pozbyć, masę traktuje się chlorem lub alkaliami.

W ludzkim ciele nie ma takich biologicznych katalizatorów, które byłyby w stanie rozłożyć ten złożony biopolimer. Jednak niektóre zwierzęta (roślinożerne) przystosowały się do tego. W żołądku mają pewne bakterie, które robią to za nich. W zamian mikroorganizmy otrzymują energię do życia i siedliska. Ta forma symbiozy jest niezwykle korzystna dla obu stron.

Guma

Jest to naturalny polimer o cennym znaczeniu gospodarczym. Po raz pierwszy opisał go Robert Cook, który odkrył go podczas jednej ze swoich podróży. Stało się tak. Po wylądowaniu na wyspie zamieszkanej przez nieznanych mu tubylców, został przez nich gościnnie przyjęty. Jego uwagę przyciągnęły miejscowe dzieci, które bawiły się niezwykłym przedmiotem. To kuliste ciało odbiło się od podłogi i podskoczyło wysoko, po czym wróciło.

Po zapytaniu miejscowej ludności o to, z czego wykonana jest ta zabawka, Cook dowiedział się, że w ten sposób twardnieje sok z jednego z drzew, hevea. Dużo później okazało się, że jest to biopolimer kauczukowy.

Chemiczna natura tego związku jest znana - to izopren uległ naturalnej polimeryzacji. Formuła gumowa to (С₅Н₈) . Jego właściwości, które sprawiają, że jest tak wysoko ceniony, to:

• elastyczność;
• odporne na zużycie;
• izolacja elektryczna;
• wodoodporne.

Jednak są też wady. Na zimno staje się kruchy i kruchy, a pod wpływem ciepła staje się lepki i lepki. Dlatego konieczne stało się zsyntetyzowanie analogów sztucznej lub syntetycznej bazy. Obecnie kauczuki są szeroko stosowane do celów technicznych i przemysłowych. Najważniejsze produkty na nich oparte:

• gumy;
• ebonity.

Bursztynowy

Jest to polimer naturalny, ponieważ w swojej strukturze jest żywicą, jej formą kopalną. Struktura przestrzenna to ramowy polimer amorficzny. Jest bardzo łatwopalny i można go zapalić płomieniem zapałki. Posiada właściwości luminescencyjne. To bardzo ważna i cenna cecha wykorzystywana w biżuterii. Biżuteria na bazie bursztynu jest bardzo piękna i poszukiwana.

Ponadto ten biopolimer jest również używany do celów medycznych. Służy również do wykonywania papierów ściernych, powłok lakierniczych na różne powierzchnie.