Природные и искусственные органические полимеры. Природные полимеры

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт природных ресурсов

Направление подготовки (специальность) Химическая технология

Кафедра химической технологии топлива и химической кибернетики

Реферат

Название реферата:

“ Природные полимеры, полимеры вокруг нас “

по дисциплине «Введение в инженерную деятельность»

Выполнили студенты гр. 2Д42 Никонова Ньургуйаана

Прокопчук Кристина

Даянова Регина

Реферат принят:

Мойзес О. Е.

(Подпись)

2014г.

(дата проверки отчета)

Томск 2014 г.

1.Введение ……………………………………………………………………………………………..2

2.Понятие полимера и классификация ………………………………………………….3

3.Целлюлоза ……………………………………………………………………………………………3

4.Крахмал…………………………………………………………………………………………………5

5.Глютин…………………………………………………………………………………………………..6

6.Казеин……………………………………………………………………………………………………6

7.Каучук…………………………………………………………………………………………………….7

8.Резина……………………………………………………………………………………………………7

9.Синтетические полимеры…………………………………………………………………...9

10.Свойства и важнейшие характеристики ……………………………………………10

11. Химические реакции………………………………………………………………………….11

12.Получение……………………………………………………………………………………………12

13.Полимеры в сельком хозяйстве…………………………………………………………..12

14.Полимеры в промышленности…………………………………………………………….14

Введение

Термин “полимерия” был введен в науку И.Берцелиусом в 1833 для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Такое содержание термина не соответствовало современным представлениям о полимерах. “Истинные” синтетические полимеры к тому времени еще не были известны.

Ряд полимеров был, по-видимому, получен еще в первой половине 19 века. Однако химики тогда обычно пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к “осмолению” продуктов основной химической реакции, т.е., собственно, к образованию полимеров (до сих пор полимеры часто называют “смолами”). Первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол),

Химия полимеров возникла только в связи с созданием А.М.Бутлеровым теории химического строения. А.М.Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. Дальнейшее свое развитие наука о полимерах получила главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука, в которых участвовали крупнейшие учёные многих стран (Г.Бушарда, У.Тилден, немецкий учёный К Гарриес, И.Л.Кондаков, С.В.Лебедев и другие). В 30-х годов было доказано существование свободнорадикального и ионного механизмов полимеризации. Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У.Карозерса.

С начала 20-х годов 20 века развиваются также теоретические представления о строении полимеров Вначале предполагалось, что такие биополимеры, как целлюлоза, крахмал, каучук, белки, а также некоторые синтетические полимеры, сходные с ними по свойствам (например, полиизопрен), состоят из малых молекул, обладающих необычной способностью ассоциировать в растворе в комплексы коллоидной природы благодаря нековалентным связям (теория “малых блоков”). Автором принципиально нового представления о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы, был Г.Штаудингер. Победа идей этого учёного заставила рассматривать полимеры как качественно новый объект исследования химии и физики.

Понятие полимера и классификация

Полимеры - химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы, входящие в состав макромолекул, соединены друг с другом силами главных и (или) координационных валентностей.

Классификация.

По происхождению полимеры делятся на:

природные (биополимеры), например белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные

синтетические, например полиэтилен, полипропилен, феноло-формальдегидные смолы.

К природным полимерам, применяемым в полиграфии, относятся: полисахариды (целлюлоза крахмал, камеди), 6елки, глютин, казеин, альбумин), полидиены (каучук).

Целлюлоза

Целлюлоза, или клетчатка (от латинского слова «целлула» - клетка), широко распространена в природе. Целлюлоза - это прочное волокнистое вещество органического происхождения, из которого состоит опорная ткань всех растений (растительных клеток).

Физические свойства целлюлозы

Целлюлозные волокна отличаются белизной, гибкостью, прочностью, упруго-эластичностью, т.е. способностью обратимо деформироваться без разрушения даже при больших механических напряжениях, нерастворимостью в воде и органических растворителях, неплавкостью.

Целлюлоза выдерживает нагрев до 150° без разрушения; при более высокой температуре наблюдается деполимеризация целлюлозы и связанная с этим потеря прочности, а при 270° и выше начинается термическое разложение с выделением продуктов распада: уксусной кислоты, метилового спирта, кетонов, в остатке - деготь и уголь.

Строение целлюлозного волокна.

Каждое растительное волокно, например хлопковое, льняное, древесное и др. это одна клетка, оболочка которой состоит в основном из целлюлозы. Внутри волокна имеется канал - капилляр, доступный для проникновения воздуха и влаги. Технические волокна целлюлозы имеют длину в среднем 2,5-3 мм (ель, сосна, береза, тополь) и 20-25 мм (лен, хлопок, пенька) при диаметре 25 мкм.

Целлюлозного растительного волокна имеет фибриллярное строение. Фибриллы - это нитевидные, элементарные рол окна - пачки молекул целлюлозы, прочно соединенных между собой водородными связями, длиной 50-мкм и диаметром 0,1-0,4 мкм. Вероятнее всего, что целлюлоза образует упорядоченную систему нитей - фибрилл, расположенных более плотно вокруг внутреннего канала (капилляра) волокна и более свободно в наружных его слоях. В промежутках между фибриллами находятся мицеллюлозы и лигнин, причем содержание их увеличивается от внутренних слоев клеточной стоики к наружным. Межклеточные пространства целлю­лозы заполнены преимущественно лигнином.

Главный источник получения целлюлозы - древесина... Древесиной называется внутренняя часть деревьев, лежащая под корой и составляющая основную растительную ткань, из которой образуется ствол дерева.

Живая клетка растущего дерева имеет оболочку (стенки) из целлюлозы, внутреннюю полость, заполненную протоплазмой, и ядро. Живая клетка способна долиться и образовывать из года в год в растущем дереве новые образования древесины в слое камбия, под корой.

Живые клетки с течением времени подвергаются одеревенению, приводящему в конечном счете к их полному омертвлению, или одревеснению. Одревеснение клетки происходит главным образом в результате появления в ней лигнина. Древесина на 90-95% состоит, из таких отмерших клеток - волокон, лишенных протоплазмы и ядра, но способных к делению, с внутренней полостью, заполненной воздухом и водой.

Химические строение и свойства целлюлозы. Целлюлоза - это природный полимер полисахарид, принадлежащий к классу углеводов. Гигантская молекула (макромолекула) целлюлозы построена из многократно повторяющихся структурных звеньев - остатков β-глюкозы (О6Н10О5)п. Число п, или коэффициент полимеризации, показывает, сколько раз структурное звено-остаток β -глюкозы - повторяется в макромолекуле целлюлозы, а следовательно, характеризует длину молекулярной цепи (длину молекулы) и предопределяет ее молекулярный вес.

Коэффициент полимеризаций у целлюлозы различного происхождения различен. Так, у древесной целлюлозы он равен 3000, у хлопковой - 12 000, у льняной 36 000 (приблизительно). Этим и объясняется большой прочность хлопкового и льняного волокон по сравнении с волокнами древесной целлюлозы.

Щелочная целлюлоза получается действием на целлюлозу раствора едкого натра. При этом атомы водорода спиртовых гидроксилов частично или полностью заменяются атомами натрия. Щелочная целлюлоза, не теряя своего волокнистого строения, отличается повышенной химической активностью, что и используется при получении простых эфиров целлюлозы, например карбоксиметилцеллюлозы.

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) - это простой эфир целлюлозы и гликолевой кислоты. Промышленный способ изготовления карбоксиметилцеллюлозы основан на взаимодействии щелочной целлюлозы с монохлоруксусной кислотой.

Гемицеллюлозы - это нечто среднее между целлюлозой и крахмалом. Они также являются полисахаридами. Молекулы гемицеллюлоз построены из остатков моносахаридов: маннозы (гексозы) и ксилозы (пентозы). Гемицеллюлозы не имеют волокнистого строения. Они служат резервным питательным веществом для растений и предохраняют их от инфекций. Гемицеллюлозы набухают в воде и сравнительно легко гидролизуются даже очень разбавленными кислотами, растворяются в 18,5%-ной щелочи. Гемицеллюлозы не являются вредными примесями цел­люлозы, идущей для изготовления бумаги. Наоборот, древесная целлюлоза с большим содержанием гемицеллюлоз легко поддается размолу, а приготовленная из неё бумага имеет повышенную прочность (особенно поверхности), так как гемицеллюлозы являются очень хорошей естественной проклейкой.

Лигнин - вещество химически неустойчивое: под влиянием света, влаги, кислорода, воздуха и тепла лигнин разрушается, вследствие чего растительные волокна теряют прочность и темнеют. Лигнин, в отличие от целлюлозы, растворяется в разбавленных кислотах и щелочах. На этом свойстве лигнина основаны способы производства целлюлозы из древесины, соломы, тростника и других растительных тканей. Строение лигнина очень сложно и еще недостаточно изучено; известно, что лигнин - природный полимер, структурным звеном которого является остаток очень реакционно-способного ароматического спирта - β -оксикониферилового.

Крахмал

Крахмал в виде микроскопических зерен образуется в зеленых частях растении из углекислоты воздуха и влаги под влиянием света и уносится вместе с соками растения в клубни и зерна, где и отлагается как запасное питательное вещество.

Физические свойства крахмала. Крахмальные зерна разных растений имеют различную форму и величину. Крахмал не растворяется в холодной воде, спирте и эфире. В горячей воде зерна крахмала набухают, увеличиваясь в объеме в сотни раз, затем теряют форму и образуют вязкий и клейкий раствор. Температура растворения крахмала в воде называется температурою клейстеризации. Для картофельного крахмала она равна 60°, для маисового (кукурузного) 70°, пшеничного и рисового - 80°.

Крахмал очень гигроскопичен, он притягивает влагу з окружающего воздуха содержит обычно 10-20% влаги. Плотность крахмала 1,620-1,650 г/см3. С раствором йода крахмальный клейстер дает интенсивно синее окрашивание, исчезающей при кипячении и вновь появляющееся при охлаждении (качественная реакция на крахмал). Химические свойства крахмала. Крахмал, так же как и целлюлоза, является природным полимером - полиcaxapидом, принадлежащим к классу углеводов и отвечающим молекулярной формуле (С6К10О5)п. Но структурным звеном молекулярной цепи крахмала будет остаток α-глюкозы, а целлюлозы - β-глюкозы. Поэтому в крахмале каждые два остатка α-глюкозы образуют остаток дисахарида мальтоза, а в целлюлозе - каждые два остатка β-глюкозы образуют остаток дисахарида целлюлозы. Мальтоза изомер целлюлозы.

Крахмал содержит две фракции полисахаридов: амилозу и амилопектин. Амилоза имеет линейное строение молекул, закрученных в клубочки. Ее коэффициент полимеризации достигает 1000. Амилозой богат картофельный крахмал.

Глютин

Костный клей, мездровый клей и желатин состоят в основном из белкового вещества - глютин а.

Костный клей в виде твердых, хрупких плиток или клеевого студня - галерты вырабатывается из костей, рогов и копыт животных.

Мездровый клей, внешне очень похожий на костный, вырабатывается из мездры, которую счищают со шкур животных.

Желатин по химическому составу очень близок к костному и мездровому клею, но гораздо выше их по качеству, в частности по чистоте. Для получения желатина отбирают лучшие сорта свежих кожевенных отходов: мездру, обрезки телячьих шкур и кости крупного рогатого скота.

В костях мездре, рогах и копытах животных содержится белковое вещество - коллаген (от греческих слов «колла» - клей и «генос»- род, происхождение), не растворимое в воде. Коллаген, однако, под действием длительного нагревания в воде превращается в другой вид белка глютин, растворимый в горячей воде и обладающий клеящими свойствами.

Белковые вещества, или белки, состоят из остатков аминокислот, соединенных между собой амидными группами -NH - СО - в длинные полипептидные молекулярные цепи. Концевыми группами этих цепей (молекул) будут, с одной стороны, амино-, а с другой - карбоксильная группы.

Казеин

Казеин - это белковое вещество, содержащееся в молоке. Коровье молоко содержит 3,2%, козье - 3,8%, овечье - 4,5% казеина в растворенном состоянии. Если к молоку прибавить кислоты или дать молоку скиснуть, казеин свертывается и образует осадок, который можно отфильтровать от сыворотки, высушить и измельчить. Сворачивание казеина происходит также при добавлении к молоку сычужного фермента, т. е. сока, выделяемого одним из отделов желудка жвачных животных. Поэтому и зависимости от способа изготовления различают два вида казеина: кислотный и сычужный. В чистом виде казеин - белый творожистый осадок. И воде казеин не растворяется, а только набухает. Однако казеин хорошо растворяется в щелочных растворах. Для растворения на каждые 100 весовых частей казеина берут одну из следующих щелочных добавок. Для изготовления переплетного клея применяют только кислотный казеин, так как он лучше растворяется и дает более клейкие растворы, чем сычужный казеин. Последний идет главным образом на производство белковой пластической массы - галалит.

Высушенный казеин очень гигроскопичен и поглощает влагу из воздуха. Поэтому казеин надо хранить в сухом, хорошо вентилируемом помещении.

Каучук

Каучук добывается из латекса - сока некоторых тропических деревьев, главным образом гевеи бразильской, произрастающей в Южной Америке, Индии, Африке, Цейлоне.

Латекс - это колоидная система, золь из глобул каучука и воды. При добавлении к латексу кислот или при нагревании устойчивость золя нарушается, и каучук выпадает в виде осадка, который высушивают, вальцуют, нарезают листами. В таком виде каучук попадает на резиновые заводы.

Каучук эластичен и прочен, но он затвердевает на морозе, расплавляется при нагревании, а также впитывает воду и растворяется в бензине и некоторых других органических растворителях. Поэтому каучук долгое время не находил практического применения. Каучук начали применять для изготовления резины только в 40-х гг. XIX в., после того, как Чарльз Гудъир нашел, что в результате нагревания с серой каучук становится резиной. Процесс взаимодействия каучука с серой при 125-150° называется вулканизацией. (При вулканизации атомы серы присоединяются к молекулам каучука по месту двойных связей, «сшивая» молекулярные цепи каучука в непрерывную трехмерную сетчатую систему)

Резина

Резиной называется каучук, смешанный с серой, ускорителями процесса вулканизации, усилите­лями, наполнителями, мягчителями, противостарителями, красочными пигментами и подвергнутый процессу вул­канизации.

Ускорители вулканизации, например каптакс, тиурам и др., значительно сокращают время вулканизации и одновременно улучшают механические свойства резины.

Усилители, например сажа, и наполнители, например мелд увеличивают механическую прочность резины в несколько раз и одновременно позволяют сэкономить некоторое количество каучука, снизить стоимость резины.

Мягчители, например минеральные масла, облегчают переработку резиновой смеси и уменьшают твердость готовых резиновых изделий.

Противостарители, например эджерайт, препятствуют преждевременному отвердеванию резины; потере эластичности и упругости.

Красящие вещества придают резине тот или иной цвет. Функции красящих веществ выполняют сажа, красная окись железа (редоксайд), двуокись титана, окись цинка и др. Примерные составы резиновых смесей даются в главе пятой «Эластомеры».

Все составные части резиновой массы смешивают на вальцах или в резиносмесителе. После этого резиновой массе придается форма листов каландрированием или «сырых» заготовок будущих резиновых изделий.

Для закрепления формы изделий, и придания им надлежащих свойств они должны быть подвергнуты процессу вулканизации при 120-150° во время прессования заготовок с давлением 15-25 кг/см или при нормальном давлении после формования деталей из заготовок.

Атомы или атомные группы могут располагаться в макромолекуле в виде: открытой цепи или вытянутой в линию последовательности циклов (линейные полимеры, например каучук натуральный); цепи с разветвлением (разветвленные полимеры, например амилопектин), трехмерной сетки (сшитые полимеры, например отверждённые эпоксидные смолы). Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами (например поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза).

Макромолекулы одного и того же химического состава могут быть построены из звеньев различной пространственной конфигурации. Если макромолекулы состоят из одинаковых стереоизомеров или из различных стереоизомеров, чередующихся в цепи в определенной периодичности, полимеры называются стереорегулярными.

Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блоксополимерами. К внутренним (неконцевым) звеньям макромолекулы одного химического строения могут быть присоединены одна или несколько цепей другого строения. Такие сополимеры называются привитыми.

Полимеры, в которых каждый или некоторые стереоизомеры звена образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах одной макромолекулы, называются стереоблоксополимерами.

В зависимости от состава основной (главной) цепи полимеры, делят на: гетероцепные, в основной цепи которых содержатся атомы различных элементов, чаще всего углерода, азота, кремния, фосфора

гомоцепные,основные цепи которых построены из одинаковых атомов.

Из гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепные полимеры, главные цепи которых состоят только из атомов углерода,например полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторзтилен. Примеры гетероцепных полимеров - полиэфиры (полиэтилентерефталат, поликарбонаты), полиамиды, мочевино-формальдегидные смолы, белки, некоторые кремнийорганические полимеры. Полимеры, макромолекулы которых наряду с углеводородными группами содержат атомы неорганогенных элементов, называются элементоорганическими. Отдельную группу полимеров образуют неорганические полимеры, например пластическая сера, полифосфонитрилхлорид.

Синтетические полимеры

Полиэтилен получается полимеризацией этилена двумя способами: при высоком или при низком давлении. Этилен из-за строго симметричного строения молекулы полимеризуется с трудом. Полиэтилен полупрозрачный бесцветный очень прочный термопластичный полимер с хорошими диэлектрическими и антикоррозионными свойствами. Высокая прочность полиэтилена объясняется его кристаллическим строением. Полиэтилен применяется для изготовления пленочных материалов, облицовки электропроводов, изготовления труб, сосудов бытового и промышленного назначения. Полиэтиленовые пленки пропускают ультрафиолетовые лучи, что очень ценно в случае применения их как защитных покрытий в сельском хозяйстве взамен стекла. Низкомолекулярный полиэтилен - воскообразный продукт - применяется как добавка к печатным краскам.

Печатание на полиэтилене весьма затруднительно, так как он имеет чрезвычайно ровную сомкнутую поверхность, не проницаемую для красок и растворителей, и плохие адгезионные свойства по отношению к печатным краскам. Поэтому поверхность полиэтилена, перед печатью активируют различными способами: ионизируют электрическим силовым полем, окисляют перманганатом и другими сильными окислителями, подвергают кратковременному действию пламени. После этого полиэтилен запечатывают любым способом. Предпочтение, однако, отдают способу глубокой печати, этмографии или эластографии.

Полихлорвинил (- СН2 - СНС1-) - термопластичный твердый роговидный полимер. Начинает размягчаться при 92-94° и плавится при 170°. Становится упруго-эластичным и гибким при добавлении пластификаторов например 30-35% дибутилфталата. Полихлорвинил с введенными в него пластификаторами и пигментами называется винипластом. Он выпускается в виде пластин и пленок, применяется для изготовления плоских, и ротационных (цилиндрических) стереотипов, дубликатов клише, книжных переплетов и текстовинитовых декельных покрышек.

Текстовинит полиграфический представляет собой хлопчатобумажную ткань с нанесенным на нее упруго-эластичным слоем из полихлорвинила, пигментов, наполнителей и пластификатора - дибутилфталата. Применяется в качестве декелей (упруго-эластичных прокладок) печатных машин. Вырабатывается толщиной 0,65 мм (при допуске ±0,05 мм).

Покрытие должно быть гладким, ровным, эластичным, не липким и немарким, устойчивым к действию воды, керосина, бензина, машинного масла и не должно иметь неприятного запаха.

Поливинилиденхлорид - это поли­мер винилиденхлорида применяется редко из-за плохой растворимости и нестабильности. Однако большое практическое значение имеет сополимер винилиденхлорида и хлорвинила.

I Сополимер хлорвинила и винилиденхлорида выпускается под маркой латекс СВХ. Применяется для пропитке бумаги и изготовления переплетных материалов - заменителей ледерина и коленкора.

Полистирол - твердый прозрачный бесцветный термопластический полимер, размягчающийся при 80° и плавящийся при 170°. В виде сополимера с акрилонитрилом применяется для отливки типографских шрифтов. Сополимер выпускается под маркой СНАК-15, содержит 85% стирола и 15% акрилонитрила, отличается высокой прочностью и устойчивостью к действию органических растворителей и смывающих веществ

Свойства и важнейшие характеристики.

Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств: способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные волокна и пленки, способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям; способность в высокоэластичном состоянии набухать перед растворением; высокая вязкость растворов. Этот комплекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гибкостью макромолекул. При переходе от линейных цепей к разветвленным, редким трехмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комплекс свойств становится всё менее выраженным. Сильно сшитые полимеры нерастворимы, неплавки и неспособны к высокоэластичным деформациям.

Полимеры могут существовать в кристаллическом и аморфном состояниях. Необходимое условие кристаллизации - регулярность достаточно длинных участков макромолекулы. В кристаллических полимерах возможно возникновение разнообразных надмолекулярных структур (фибрилл, сферолитов, монокристаллов, тип которых во многом определяет свойства полимерного материала. Надмолекулярные структуры в незакристаллизованных (аморфных) полимерах менее выражены, чем в кристаллических.

Незакристаллизованные полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. Полимеры с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластичное состояние называются эластомерами, с высокой - пластиками. В зависимости от химического состава, строения и взаимного расположения макромолекул свойства полимеры могут меняться в очень широких пределах. Так, 1,4.-цисполибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20 °С - эластичный материал, который при температуре -60 °С переходит в стеклообразное состояние; полиметилметакрилат, построенный из более жестких цепей, при температуре около 20 °С - твердый стеклообразный продукт, переходящий в высокоэластичное состояние лишь при 100 °С. Целлюлоза - полимер с очень жесткими цепями, соединенными межмолекулярными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластичном состоянии до температуры ее разложения. Большиеразличия в свойствах полимеров могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики. Так, стереорегулярный полистирол - кристаллическое вещество с температурой плавления около 235 °С, а нестереорегулярный вообще не способен кристаллизоваться и размягчается при температуре около 80 °С.

Химические реакции

Полимеры могут вступать в следующие основные типы реакций :

образование химических связей между макромолекулами (так называемое сшивание), например при вулканизации каучуков, дублении кожи;

распад макромолекул на отдельные, более короткие фрагменты, реакции боковых функциональных групп полимеров с низкомолекулярными веществами, не затрагивающие основную цепь (так называемые полимераналогичные превращения);

внутримолекулярные реакции, протекающие между функциональными группами одной макромолекулы, например внутримолекулярная циклизация. Сшивание часто протекает одновременно с деструкцией. Примером полимераналогичных превращений может служить омыление поливтилацетата, приводящее к образованию поливинилового спирта.

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт природных ресурсов

Направление подготовки (специальность) Химическая технология

Кафедра химической технологии топлива и химической кибернетики

Реферат

Название реферата:

“ Природные полимеры, полимеры вокруг нас “

по дисциплине «Введение в инженерную деятельность»

Выполнили студенты гр. 2Д42 Никонова Ньургуйаана

Прокопчук Кристина

Даянова Регина

Реферат принят:

Мойзес О. Е.

(Подпись)

2014г.

(дата проверки отчета)

Томск 2014 г.

1.Введение ……………………………………………………………………………………………..2

2.Понятие полимера и классификация ………………………………………………….3

3.Целлюлоза ……………………………………………………………………………………………3

4.Крахмал…………………………………………………………………………………………………5

5.Глютин…………………………………………………………………………………………………..6

6.Казеин……………………………………………………………………………………………………6

7.Каучук…………………………………………………………………………………………………….7

8.Резина……………………………………………………………………………………………………7

9.Синтетические полимеры…………………………………………………………………...9

10.Свойства и важнейшие характеристики ……………………………………………10

11. Химические реакции………………………………………………………………………….11

12.Получение……………………………………………………………………………………………12

13.Полимеры в сельком хозяйстве………………………………………………………..12

14.Полимеры в промышленности………………………………………………………….14

15. Использованная литература………………………………………………………………19

Введение

Термин “полимерия” был введен в науку И.Берцелиусом в 1833 для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Такое содержание термина не соответствовало современным представлениям о полимерах. “Истинные” синтетические полимеры к тому времени еще не были известны.

Ряд полимеров был, по-видимому, получен еще в первой половине 19 века. Однако химики тогда обычно пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к “осмолению” продуктов основной химической реакции, т.е., собственно, к образованию полимеров (до сих пор полимеры часто называют “смолами”). Первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол),

Химия полимеров возникла только в связи с созданием А.М.Бутлеровым теории химического строения. А.М.Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. Дальнейшее свое развитие наука о полимерах получила главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука, в которых участвовали крупнейшие учёные многих стран (Г.Бушарда, У.Тилден, немецкий учёный К Гарриес, И.Л.Кондаков, С.В.Лебедев и другие). В 30-х годов было доказано существование свободнорадикального и ионного механизмов полимеризации. Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У.Карозерса.

С начала 20-х годов 20 века развиваются также теоретические представления о строении полимеров Вначале предполагалось, что такие биополимеры, как целлюлоза, крахмал, каучук, белки, а также некоторые синтетические полимеры, сходные с ними по свойствам (например, полиизопрен), состоят из малых молекул, обладающих необычной способностью ассоциировать в растворе в комплексы коллоидной природы благодаря нековалентным связям (теория “малых блоков”). Автором принципиально нового представления о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы, был Г.Штаудингер. Победа идей этого учёного заставила рассматривать полимеры как качественно новый объект исследования химии и физики.

Понятие полимера и классификация

Полимеры - химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы, входящие в состав макромолекул, соединены друг с другом силами главных и (или) координационных валентностей.

Классификация.

По происхождению полимеры делятся на:

природные (биополимеры), например белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные

синтетические, например полиэтилен, полипропилен, феноло-формальдегидные смолы.

К природным полимерам, применяемым в полиграфии, относятся: полисахариды (целлюлоза крахмал, камеди), 6елки, глютин, казеин, альбумин), полидиены (каучук).

Целлюлоза

Целлюлоза, или клетчатка (от латинского слова «целлула» - клетка), широко распространена в природе. Целлюлоза - это прочное волокнистое вещество органического происхождения, из которого состоит опорная ткань всех растений (растительных клеток).

Физические свойства целлюлозы

Целлюлозные волокна отличаются белизной, гибкостью, прочностью, упруго-эластичностью, т.е. способностью обратимо деформироваться без разрушения даже при больших механических напряжениях, нерастворимостью в воде и органических растворителях, неплавкостью.

Целлюлоза выдерживает нагрев до 150° без разрушения; при более высокой температуре наблюдается деполимеризация целлюлозы и связанная с этим потеря прочности, а при 270° и выше начинается термическое разложение с выделением продуктов распада: уксусной кислоты, метилового спирта, кетонов, в остатке - деготь и уголь.

Строение целлюлозного волокна.

Каждое растительное волокно, например хлопковое, льняное, древесное и др. это одна клетка, оболочка которой состоит в основном из целлюлозы. Внутри волокна имеется канал - капилляр, доступный для проникновения воздуха и влаги. Технические волокна целлюлозы имеют длину в среднем 2,5-3 мм (ель, сосна, береза, тополь) и 20-25 мм (лен, хлопок, пенька) при диаметре 25 мкм.

Целлюлозного растительного волокна имеет фибриллярное строение. Фибриллы - это нитевидные, элементарные рол окна - пачки молекул целлюлозы, прочно соединенных между собой водородными связями, длиной 50-мкм и диаметром 0,1-0,4 мкм. Вероятнее всего, что целлюлоза образует упорядоченную систему нитей - фибрилл, расположенных более плотно вокруг внутреннего канала (капилляра) волокна и более свободно в наружных его слоях. В промежутках между фибриллами находятся мицеллюлозы и лигнин, причем содержание их увеличивается от внутренних слоев клеточной стоики к наружным. Межклеточные пространства целлю­лозы заполнены преимущественно лигнином.

Главный источник получения целлюлозы - древесина... Древесиной называется внутренняя часть деревьев, лежащая под корой и составляющая основную растительную ткань, из которой образуется ствол дерева.

Живая клетка растущего дерева имеет оболочку (стенки) из целлюлозы, внутреннюю полость, заполненную протоплазмой, и ядро. Живая клетка способна долиться и образовывать из года в год в растущем дереве новые образования древесины в слое камбия, под корой.

Живые клетки с течением времени подвергаются одеревенению, приводящему в конечном счете к их полному омертвлению, или одревеснению. Одревеснение клетки происходит главным образом в результате появления в ней лигнина. Древесина на 90-95% состоит, из таких отмерших клеток - волокон, лишенных протоплазмы и ядра, но способных к делению, с внутренней полостью, заполненной воздухом и водой.

Химические строение и свойства целлюлозы. Целлюлоза - это природный полимер полисахарид, принадлежащий к классу углеводов. Гигантская молекула (макромолекула) целлюлозы построена из многократно повторяющихся структурных звеньев - остатков β-глюкозы (О6Н10О5)п. Число п, или коэффициент полимеризации, показывает, сколько раз структурное звено-остаток β -глюкозы - повторяется в макромолекуле целлюлозы, а следовательно, характеризует длину молекулярной цепи (длину молекулы) и предопределяет ее молекулярный вес.

Коэффициент полимеризаций у целлюлозы различного происхождения различен. Так, у древесной целлюлозы он равен 3000, у хлопковой - 12 000, у льняной 36 000 (приблизительно). Этим и объясняется большой прочность хлопкового и льняного волокон по сравнении с волокнами древесной целлюлозы.

Щелочная целлюлоза получается действием на целлюлозу раствора едкого натра. При этом атомы водорода спиртовых гидроксилов частично или полностью заменяются атомами натрия. Щелочная целлюлоза, не теряя своего волокнистого строения, отличается повышенной химической активностью, что и используется при получении простых эфиров целлюлозы, например карбоксиметилцеллюлозы.

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) - это простой эфир целлюлозы и гликолевой кислоты. Промышленный способ изготовления карбоксиметилцеллюлозы основан на взаимодействии щелочной целлюлозы с монохлоруксусной кислотой.

Гемицеллюлозы - это нечто среднее между целлюлозой и крахмалом. Они также являются полисахаридами. Молекулы гемицеллюлоз построены из остатков моносахаридов: маннозы (гексозы) и ксилозы (пентозы). Гемицеллюлозы не имеют волокнистого строения. Они служат резервным питательным веществом для растений и предохраняют их от инфекций. Гемицеллюлозы набухают в воде и сравнительно легко гидролизуются даже очень разбавленными кислотами, растворяются в 18,5%-ной щелочи. Гемицеллюлозы не являются вредными примесями цел­люлозы, идущей для изготовления бумаги. Наоборот, древесная целлюлоза с большим содержанием гемицеллюлоз легко поддается размолу, а приготовленная из неё бумага имеет повышенную прочность (особенно поверхности), так как гемицеллюлозы являются очень хорошей естественной проклейкой.

Лигнин - вещество химически неустойчивое: под влиянием света, влаги, кислорода, воздуха и тепла лигнин разрушается, вследствие чего растительные волокна теряют прочность и темнеют. Лигнин, в отличие от целлюлозы, растворяется в разбавленных кислотах и щелочах. На этом свойстве лигнина основаны способы производства целлюлозы из древесины, соломы, тростника и других растительных тканей. Строение лигнина очень сложно и еще недостаточно изучено; известно, что лигнин - природный полимер, структурным звеном которого является остаток очень реакционно-способного ароматического спирта - β -оксикониферилового.

Крахмал

Крахмал в виде микроскопических зерен образуется в зеленых частях растении из углекислоты воздуха и влаги под влиянием света и уносится вместе с соками растения в клубни и зерна, где и отлагается как запасное питательное вещество.

Физические свойства крахмала. Крахмальные зерна разных растений имеют различную форму и величину. Крахмал не растворяется в холодной воде, спирте и эфире. В горячей воде зерна крахмала набухают, увеличиваясь в объеме в сотни раз, затем теряют форму и образуют вязкий и клейкий раствор. Температура растворения крахмала в воде называется температурою клейстеризации. Для картофельного крахмала она равна 60°, для маисового (кукурузного) 70°, пшеничного и рисового - 80°.

Крахмал очень гигроскопичен, он притягивает влагу з окружающего воздуха содержит обычно 10-20% влаги. Плотность крахмала 1,620-1,650 г/см3. С раствором йода крахмальный клейстер дает интенсивно синее окрашивание, исчезающей при кипячении и вновь появляющееся при охлаждении (качественная реакция на крахмал). Химические свойства крахмала. Крахмал, так же как и целлюлоза, является природным полимером - полиcaxapидом, принадлежащим к классу углеводов и отвечающим молекулярной формуле (С6К10О5)п. Но структурным звеном молекулярной цепи крахмала будет остаток α-глюкозы, а целлюлозы - β-глюкозы. Поэтому в крахмале каждые два остатка α-глюкозы образуют остаток дисахарида мальтоза, а в целлюлозе - каждые два остатка β-глюкозы образуют остаток дисахарида целлюлозы. Мальтоза изомер целлюлозы.

Крахмал содержит две фракции полисахаридов: амилозу и амилопектин. Амилоза имеет линейное строение молекул, закрученных в клубочки. Ее коэффициент полимеризации достигает 1000. Амилозой богат картофельный крахмал.

Глютин

Костный клей, мездровый клей и желатин состоят в основном из белкового вещества - глютин а.

Костный клей в виде твердых, хрупких плиток или клеевого студня - галерты вырабатывается из костей, рогов и копыт животных.

Мездровый клей, внешне очень похожий на костный, вырабатывается из мездры, которую счищают со шкур животных.

Желатин по химическому составу очень близок к костному и мездровому клею, но гораздо выше их по качеству, в частности по чистоте. Для получения желатина отбирают лучшие сорта свежих кожевенных отходов: мездру, обрезки телячьих шкур и кости крупного рогатого скота.

В костях мездре, рогах и копытах животных содержится белковое вещество - коллаген (от греческих слов «колла» - клей и «генос»- род, происхождение), не растворимое в воде. Коллаген, однако, под действием длительного нагревания в воде превращается в другой вид белка глютин, растворимый в горячей воде и обладающий клеящими свойствами.

Белковые вещества, или белки, состоят из остатков аминокислот, соединенных между собой амидными группами -NH - СО - в длинные полипептидные молекулярные цепи. Концевыми группами этих цепей (молекул) будут, с одной стороны, амино-, а с другой - карбоксильная группы.

Казеин

Казеин - это белковое вещество, содержащееся в молоке. Коровье молоко содержит 3,2%, козье - 3,8%, овечье - 4,5% казеина в растворенном состоянии. Если к молоку прибавить кислоты или дать молоку скиснуть, казеин свертывается и образует осадок, который можно отфильтровать от сыворотки, высушить и измельчить. Сворачивание казеина происходит также при добавлении к молоку сычужного фермента, т. е. сока, выделяемого одним из отделов желудка жвачных животных. Поэтому и зависимости от способа изготовления различают два вида казеина: кислотный и сычужный. В чистом виде казеин - белый творожистый осадок. И воде казеин не растворяется, а только набухает. Однако казеин хорошо растворяется в щелочных растворах. Для растворения на каждые 100 весовых частей казеина берут одну из следующих щелочных добавок. Для изготовления переплетного клея применяют только кислотный казеин, так как он лучше растворяется и дает более клейкие растворы, чем сычужный казеин. Последний идет главным образом на производство белковой пластической массы - галалит.

Высушенный казеин очень гигроскопичен и поглощает влагу из воздуха. Поэтому казеин надо хранить в сухом, хорошо вентилируемом помещении.

Каучук

Каучук добывается из латекса - сока некоторых тропических деревьев, главным образом гевеи бразильской, произрастающей в Южной Америке, Индии, Африке, Цейлоне.

Латекс - это колоидная система, золь из глобул каучука и воды. При добавлении к латексу кислот или при нагревании устойчивость золя нарушается, и каучук выпадает в виде осадка, который высушивают, вальцуют, нарезают листами. В таком виде каучук попадает на резиновые заводы.

Каучук эластичен и прочен, но он затвердевает на морозе, расплавляется при нагревании, а также впитывает воду и растворяется в бензине и некоторых других органических растворителях. Поэтому каучук долгое время не находил практического применения. Каучук начали применять для изготовления резины только в 40-х гг. XIX в., после того, как Чарльз Гудъир нашел, что в результате нагревания с серой каучук становится резиной. Процесс взаимодействия каучука с серой при 125-150° называется вулканизацией. (При вулканизации атомы серы присоединяются к молекулам каучука по месту двойных связей, «сшивая» молекулярные цепи каучука в непрерывную трехмерную сетчатую систему)

Резина

Резиной называется каучук, смешанный с серой, ускорителями процесса вулканизации, усилите­лями, наполнителями, мягчителями, противостарителями, красочными пигментами и подвергнутый процессу вул­канизации.

Ускорители вулканизации, например каптакс, тиурам и др., значительно сокращают время вулканизации и одновременно улучшают механические свойства резины.

Усилители, например сажа, и наполнители, например мелд увеличивают механическую прочность резины в несколько раз и одновременно позволяют сэкономить некоторое количество каучука, снизить стоимость резины.

Мягчители, например минеральные масла, облегчают переработку резиновой смеси и уменьшают твердость готовых резиновых изделий.

Противостарители, например эджерайт, препятствуют преждевременному отвердеванию резины; потере эластичности и упругости.

Красящие вещества придают резине тот или иной цвет. Функции красящих веществ выполняют сажа, красная окись железа (редоксайд), двуокись титана, окись цинка и др. Примерные составы резиновых смесей даются в главе пятой «Эластомеры».

Все составные части резиновой массы смешивают на вальцах или в резиносмесителе. После этого резиновой массе придается форма листов каландрированием или «сырых» заготовок будущих резиновых изделий.

Для закрепления формы изделий, и придания им надлежащих свойств они должны быть подвергнуты процессу вулканизации при 120-150° во время прессования заготовок с давлением 15-25 кг/см или при нормальном давлении после формования деталей из заготовок.

Атомы или атомные группы могут располагаться в макромолекуле в виде: открытой цепи или вытянутой в линию последовательности циклов (линейные полимеры, например каучук натуральный); цепи с разветвлением (разветвленные полимеры, например амилопектин), трехмерной сетки (сшитые полимеры, например отверждённые эпоксидные смолы). Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами (например поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза).

Макромолекулы одного и того же химического состава могут быть построены из звеньев различной пространственной конфигурации. Если макромолекулы состоят из одинаковых стереоизомеров или из различных стереоизомеров, чередующихся в цепи в определенной периодичности, полимеры называются стереорегулярными.

Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блоксополимерами. К внутренним (неконцевым) звеньям макромолекулы одного химического строения могут быть присоединены одна или несколько цепей другого строения. Такие сополимеры называются привитыми.

Полимеры, в которых каждый или некоторые стереоизомеры звена образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах одной макромолекулы, называются стереоблоксополимерами.

В зависимости от состава основной (главной) цепи полимеры, делят на: гетероцепные, в основной цепи которых содержатся атомы различных элементов, чаще всего углерода, азота, кремния, фосфора

гомоцепные,основные цепи которых построены из одинаковых атомов.

Из гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепные полимеры, главные цепи которых состоят только из атомов углерода,например полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторзтилен. Примеры гетероцепных полимеров - полиэфиры (полиэтилентерефталат, поликарбонаты), полиамиды, мочевино-формальдегидные смолы, белки, некоторые кремнийорганические полимеры. Полимеры, макромолекулы которых наряду с углеводородными группами содержат атомы неорганогенных элементов, называются элементоорганическими. Отдельную группу полимеров образуют неорганические полимеры, например пластическая сера, полифосфонитрилхлорид.

Синтетические полимеры

Полиэтилен получается полимеризацией этилена двумя способами: при высоком или при низком давлении. Этилен из-за строго симметричного строения молекулы полимеризуется с трудом. Полиэтилен полупрозрачный бесцветный очень прочный термопластичный полимер с хорошими диэлектрическими и антикоррозионными свойствами. Высокая прочность полиэтилена объясняется его кристаллическим строением. Полиэтилен применяется для изготовления пленочных материалов, облицовки электропроводов, изготовления труб, сосудов бытового и промышленного назначения. Полиэтиленовые пленки пропускают ультрафиолетовые лучи, что очень ценно в случае применения их как защитных покрытий в сельском хозяйстве взамен стекла. Низкомолекулярный полиэтилен - воскообразный продукт - применяется как добавка к печатным краскам.

Печатание на полиэтилене весьма затруднительно, так как он имеет чрезвычайно ровную сомкнутую поверхность, не проницаемую для красок и растворителей, и плохие адгезионные свойства по отношению к печатным краскам. Поэтому поверхность полиэтилена, перед печатью активируют различными способами: ионизируют электрическим силовым полем, окисляют перманганатом и другими сильными окислителями, подвергают кратковременному действию пламени. После этого полиэтилен запечатывают любым способом. Предпочтение, однако, отдают способу глубокой печати, этмографии или эластографии.

Полихлорвинил (- СН2 - СНС1-) - термопластичный твердый роговидный полимер. Начинает размягчаться при 92-94° и плавится при 170°. Становится упруго-эластичным и гибким при добавлении пластификаторов например 30-35% дибутилфталата. Полихлорвинил с введенными в него пластификаторами и пигментами называется винипластом. Он выпускается в виде пластин и пленок, применяется для изготовления плоских, и ротационных (цилиндрических) стереотипов, дубликатов клише, книжных переплетов и текстовинитовых декельных покрышек.

Текстовинит полиграфический представляет собой хлопчатобумажную ткань с нанесенным на нее упруго-эластичным слоем из полихлорвинила, пигментов, наполнителей и пластификатора - дибутилфталата. Применяется в качестве декелей (упруго-эластичных прокладок) печатных машин. Вырабатывается толщиной 0,65 мм (при допуске ±0,05 мм).

Покрытие должно быть гладким, ровным, эластичным, не липким и немарким, устойчивым к действию воды, керосина, бензина, машинного масла и не должно иметь неприятного запаха.

Поливинилиденхлорид - это поли­мер винилиденхлорида применяется редко из-за плохой растворимости и нестабильности. Однако большое практическое значение имеет сополимер винилиденхлорида и хлорвинила.

I Сополимер хлорвинила и винилиденхлорида выпускается под маркой латекс СВХ. Применяется для пропитке бумаги и изготовления переплетных материалов - заменителей ледерина и коленкора.

Полистирол - твердый прозрачный бесцветный термопластический полимер, размягчающийся при 80° и плавящийся при 170°. В виде сополимера с акрилонитрилом применяется для отливки типографских шрифтов. Сополимер выпускается под маркой СНАК-15, содержит 85% стирола и 15% акрилонитрила, отличается высокой прочностью и устойчивостью к действию органических растворителей и смывающих веществ

Свойства и важнейшие характеристики.

Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств: способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные волокна и пленки, способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям; способность в высокоэластичном состоянии набухать перед растворением; высокая вязкость растворов. Этот комплекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гибкостью макромолекул. При переходе от линейных цепей к разветвленным, редким трехмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комплекс свойств становится всё менее выраженным. Сильно сшитые полимеры нерастворимы, неплавки и неспособны к высокоэластичным деформациям.

Полимеры могут существовать в кристаллическом и аморфном состояниях. Необходимое условие кристаллизации - регулярность достаточно длинных участков макромолекулы. В кристаллических полимерах возможно возникновение разнообразных надмолекулярных структур (фибрилл, сферолитов, монокристаллов, тип которых во многом определяет свойства полимерного материала. Надмолекулярные структуры в незакристаллизованных (аморфных) полимерах менее выражены, чем в кристаллических.

Незакристаллизованные полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. Полимеры с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластичное состояние называются эластомерами, с высокой - пластиками. В зависимости от химического состава, строения и взаимного расположения макромолекул свойства полимеры могут меняться в очень широких пределах. Так, 1,4.-цисполибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20 °С - эластичный материал, который при температуре -60 °С переходит в стеклообразное состояние; полиметилметакрилат, построенный из более жестких цепей, при температуре около 20 °С - твердый стеклообразный продукт, переходящий в высокоэластичное состояние лишь при 100 °С. Целлюлоза - полимер с очень жесткими цепями, соединенными межмолекулярными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластичном состоянии до температуры ее разложения. Большиеразличия в свойствах полимеров могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики. Так, стереорегулярный полистирол - кристаллическое вещество с температурой плавления около 235 °С, а нестереорегулярный вообще не способен кристаллизоваться и размягчается при температуре около 80 °С.

Химические реакции

Полимеры могут вступать в следующие основные типы реакций :

образование химических связей между макромолекулами (так называемое сшивание), например при вулканизации каучуков, дублении кожи;

распад макромолекул на отдельные, более короткие фрагменты, реакции боковых функциональных групп полимеров с низкомолекулярными веществами, не затрагивающие основную цепь (так называемые полимераналогичные превращения);

внутримолекулярные реакции, протекающие между функциональными группами одной макромолекулы, например внутримолекулярная циклизация. Сшивание часто протекает одновременно с деструкцией. Примером полимераналогичных превращений может служить омыление поливтилацетата, приводящее к образованию поливинилового спирта.

Особую, очень важную, группу химических природных веществ составляют высокомолекулярные соединения (полимеры) . Их можно разделить на две большие группы:

Природные органические полимеры - биополимеры

Природные неорганические полимеры

В начале рассмотрим вещества, относящиеся к биополимерам.

Масса молекул биополимеров достигает нескольких десятков тысяч и роль этих соединений огромна. Полимерные вещества являются основой Жизни на Земле.

Таблица 1

Органические природные полимеры – биополимеры – обеспечивают процессы жизнедеятельности всех животных и растительных организмов. Интересно, что из множества возможных вариантов Природа "выбрала" всего 4 типа полимеров:

Рисунок 1

Полисахариды

Полисахариды – это природные высокомолекулярные углеводы, макромолекулы которых состоят из остатков моносахаридов.

Полисахариды составляют основную массу органической материи в биосфере Земли. В живой природе они выполняют важные биологические функции, выступая в качестве:

структурных компонентов клеток и тканей,

энергетического резерва,

защитных веществ.

Полисахариды образуются из низкомолекулярных соединений общей формулы С n Н 2 n О n называемых сахарами или углеводами. Для сахаров характерно наличие альдегидной или кетонной групп, в соответствии с этим первые называются альдозами, вторые – кетозами. Среди сахаров с n = 6, называемых гексозами, имеется 16 изомерных альдогексоз и 16 кетогексоз. Однако только четыре из них (α-галактоза, d -манноза, d -глюкоза, d -фруктоза) встречаются в живой клетке. Биологическая роль сахаров определяется тем, что они являются источником энергии, необходимой организму, которая выделяется при их окислении, и исходным материалом для синтеза макромолекул.

В последнем случае большое значение имеет способность сахаров образовывать циклические структуры, что иллюстрируется ниже на примере глюкозы и фруктозы:

Рис. 2

В водном растворе глюкоза содержит 99,976 % циклического изомера. У кетогексоз циклические изомеры пятичленные. Циклические молекулы моносахаридов могут связываться между собой с образованием так называемых гликозидных связей путем конденсации гидроксильных групп.

Наиболее распространены полисахариды, повторяющиеся звенья которых являются остатками α-D-глюкопиранозы или ее производных.

Основные представители полисахаридов - крахмал и целлюлоза - построены из остатков одного моносахарида - глюкозы . Крахмал и целлюлоза имеют одинаковую молекулярную формулу:

(C6h10o5)n,

но совершенно различные свойства . Это обьясняется особенностями их пространственного строения.

Крахмал состоит из остатков α-глюкозы, а целлюлоза - из β-глюкозы, которые являются пространственными изомерами и отличаются лишь положением одной гидроксильной группы (выделена цветом):

Рисунок 3

С учетом пространственного строения шестичленного цикла формулы этих изомеров имеют вид:

Рисунок 4

К важнейшим полисахаридам относится также гликоген (C 6 H 10 O 5) n , образующийся в организмах человека и животных в результате биохимических превращений из растительных углеводов. Как и крахмал, гликоген состоит из остатков α-глюкозы и выполняет подобные функции (поэтому часто называется животным крахмалом).

Из химических свойств полисахаридов наибольшее значение имеют реакции гидролиза и образование производных за счёт реакций макромолекул по ОН-группам.

Гидролиз полисахаридов происходит в разбавленных растворах минеральных кислот (или под действием ферментов). При этом в макромолекулах разрываются связи, соединяющие моносахаридные звенья - гликозидные связи (аналогично гидролизу дисахаридов ). Полный гидролиз полисахаридов приводит к образованию моносахаридов (целюллоза, крахмал и гликоген гидролизуются до глюкозы):

(C 6 H 10 O 5) n + n H 2 O (H +) n C 6 H 12 O 6

При неполном гидролизе образуются олигосахариды, в том числе и дисахариды. Способность полисахаридов к гидролизу увеличивается в ряду:

целлюлоза < крахмал < гликоген

Из целлюлозы (отходов деревообрабатывающей промышленности) в результате кислотного гидролиза и последующего сбраживания образующейся глюкозы получают этанол (называемый "гидролизным спиртом").

Среди производных полисахаридов наибольшее практическое значение имеют простые и сложные эфиры целлюлозы. Их образование происходит в реакциях макромолекул целлюлозы по спиртовым ОН-группам (в каждом моносахаридном звене 3 группы ОН):

К важнейшим производным целлюлозы относятся: - метилцеллюлоза (простые метиловые эфиры целлюлозы) общей формулы

N (х = 1, 2 или 3);

- ацетилцеллюлоза (триацетат целлюлозы) - сложный эфир целлюлозы и уксусной кислоты

- нитроцеллюлоза (нитраты целлюлозы) - сложные азотнокислые эфиры целлюлозы:

N (х = 1, 2 или 3).

Эти полимерные материалы используются в производстве искусственных волокон, пластмасс, пленок, лакокрасочных материалов, бездымного пороха, взрывчатки, твердых ракетных топлив и др.

Cтраница 1

Природные полимеры мы не рассматриваем, так как, учитывая колоссальный объем исследований в данной области, это совершенно невозможно сделать в пределах данной монографии.  

Природные полимеры распространены достаточно широко, это, например, белки и целлюлоза. Полимеры представляют собой соединения с длинными молекулами, построенными как последовательность повторяющихся идентичных химических единиц, связанных в цепи ковалентными связями. Возможно, основные сведения о способах синтеза полимеров химики приобрели, пытаясь получить синтетический аналог натурального каучука. Сегодня химики создали так много полимеров столь разнообразного целевого назначения, что уже трудно представить себе современное общество лишенным возможности пользоваться полимерными материалами. Ярким свидетельством важности полимеров является 100-кратный рост их производства в США за последние 40 лет. В объемных показателях их производится больше, чем стали, выпуск которой за тот же период увеличился лишь вдвое. Совершенно ясно, какие экономические выводы следуют из этого сравнения.  

Природные полимеры недостаточно эффективны.  

Природные полимеры были известны давно, но только в конце XIX века появились первые синтетические полимеры, такие, как целлулоид и бакелит. Бурное развитие науки о полимерах и промышленности полимерных материалов началось в XX веке и продолжается в настоящее время.  

Природные полимеры известны с давних времен. На протяжении многих тысяч лет они обеспечивают человека пищей, одеждой, теплом, крышей.  

Природные полимеры и их водорастворимые производные стали известны и нашли применение в технике гораздо раньше, чем их синтетические аналоги. Коллоидные свойства природных полимеров также изучены гораздо подробнее. Однако подробная оценка этих работ не входит в задачу данной книги.  

Природные полимеры образуют многочисленную группу вещестз растительного и животного происхождения, например натуральный каучук, хлопок, шелк, шерсть и др. Они не могут удовлетворить все современные бытовые и производственные потребности. Поэтому огромное большинство различных по свойствам полимерных материалов получают синтезом из низкомолекулярных. Они называются синтетическими полимерами.  

Природные полимеры образуют многочисленную группу веществ растительного и животного происхождения, например натуральный каучук, хлопок, шелк, шерсть и др. Они не могут удовлетворять все современные бытовые и производственные потребности. Поэтому огромное большинство различных по свойствам полимерных материалов получают синтезом из низкомолекулярных. Они называются синтетическими полимерами.  

Природные полимеры полиоксифлаван-3 4-диолов, несмотря на широкое распространение, исследованы мало. При полимеризации лейкоантоцианиджнов, по Мнению Фрейденберга - образуется СС-связь с отщеплением молекулы воды за счет гид-роксила G4 одной молекулы и атома водорода другой молекулы в Се - или Сз-положешга.  

Природных полимеров, пригодных для получения химически: волокон, очень немного. Промышленное же значение и них имеет только целлюлоза.  

Некоторые природные полимеры по простоте строения и по полимолекулярности цепей похожи на синтетические.  

Многие природные полимеры в высокой степени упорядочены. Молекулы, богатые функциональными группами и водородными связями, особенно важны в установлении внешней и внутренней упорядоченности цепей полимера. В настоящее время установлено, что полисахариды и белки часто имеют спиральную форму цепей, поэтому многие водородные связи осуществляются между несоседними единицами одной цепи.  

Многие природные полимеры (например, целлюлоза или белки) лри наличии воды образуют стабильные агрегаты в форме волокон или ячеистых структур по аналогии с процессом возникновения обратимых водородных связей.