Prírodný polymér - receptúra a aplikácia

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 05:40

Väčšina dnešných stavebných materiálov, liekov, látok, domácich potrieb, obalov a spotrebného materiálu sú polyméry. Ide o celú skupinu zlúčenín, ktoré majú charakteristické rozlišovacie znaky. Je ich veľa, no napriek tomu počet polymérov stále rastie. Syntetickí chemici totiž každoročne objavujú stále nové a nové látky. Zároveň to bol prírodný polymér, ktorý bol vždy mimoriadne dôležitý. Aké sú tieto úžasné molekuly? Aké sú ich vlastnosti a aké sú vlastnosti? Na tieto otázky odpovieme v priebehu článku.

Polyméry: všeobecné charakteristiky

Z hľadiska chémie sa polymér považuje za molekulu s obrovskou molekulovou hmotnosťou: od niekoľkých tisícok po milióny jednotiek. Okrem tejto vlastnosti však existuje niekoľko ďalších, podľa ktorých možno látky presne klasifikovať ako prírodné a syntetické polyméry. Toto je:

• neustále sa opakujúce monomérne jednotky, ktoré sú spojené rôznymi interakciami;
• stupeň polymerázy (t.j. počet monomérov) by mal byť veľmivysoká, inak sa zlúčenina bude považovať za oligomér;
• určitá priestorová orientácia makromolekuly;
• súbor dôležitých fyzikálnych a chemických vlastností, ktoré sú jedinečné pre túto skupinu.

Látka polymérnej povahy je vo všeobecnosti celkom ľahko rozlíšiteľná od ostatných. Stačí sa pozrieť na jeho vzorec, aby sme ho pochopili. Typickým príkladom je známy polyetylén, široko používaný v každodennom živote a priemysle. Je produktom polymerizačnej reakcie, do ktorej vstupuje nenasýtený uhľovodíkový etén alebo etylén. Reakcia vo všeobecnej forme je napísaná takto:

nCH₂=CH₂→(-CH-CH-) , kde n je stupeň polymerizácie molekúl, ktorý ukazuje, koľko monomérnych jednotiek je zahrnutých v jej zložení.

Ako príklad možno uviesť prírodný polymér, ktorý je každému dobre známy, je to škrob. Okrem toho do tejto skupiny zlúčenín patrí amylopektín, celulóza, kurací proteín a mnoho ďalších látok.

Reakcie, ktoré môžu vytvárať makromolekuly, sú dvoch typov:

• polymerizácia;
• polykondenzácia.

Rozdiel je v tom, že v druhom prípade majú interakčné produkty nízku molekulovú hmotnosť. Štruktúra polyméru môže byť rôzna, závisí od atómov, ktoré ho tvoria. Často sa vyskytujú lineárne formy, ale existujú aj trojrozmerné siete, ktoré sú veľmi zložité.

Ak hovoríme o silách a interakciách, ktoré držia monomérne jednotky pohromade, potom môžeme identifikovať niekoľko základných:

• Van Der Waalssila;
• chemické väzby (kovalentné, iónové);
• elektrostatická interakcia.

Všetky polyméry nemožno kombinovať do jednej kategórie, pretože majú úplne odlišný charakter, spôsob tvorby a plnia rôzne funkcie. Ich vlastnosti sa tiež líšia. Preto existuje klasifikácia, ktorá umožňuje rozdeliť všetkých zástupcov tejto skupiny látok do rôznych kategórií. Môže to byť založené na niekoľkých znakoch.

Klasifikácia polymérov

Ak vezmeme za základ kvalitatívne zloženie molekúl, potom všetky uvažované látky možno rozdeliť do troch skupín.

1. Organické – to sú tie, ktoré obsahujú atómy uhlíka, vodíka, síry, kyslíka, fosforu, dusíka. Teda tie prvky, ktoré sú biogénne. Existuje mnoho príkladov: polyetylén, polyvinylchlorid, polypropylén, viskóza, nylon, prírodný polymér – proteín, nukleové kyseliny atď.
2. Elementalorganické – tie, ktoré obsahujú nejaký cudzí anorganický a nebiogénny prvok. Najčastejšie ide o kremík, hliník alebo titán. Príklady takýchto makromolekúl: organické sklo, sklenené polyméry, kompozitné materiály.
3. Anorganické - reťazec je založený na atómoch kremíka, nie na uhlíku. Súčasťou bočných vetiev môžu byť aj radikály. Boli objavené pomerne nedávno, v polovici 20. storočia. Používa sa v medicíne, stavebníctve, strojárstve a iných odvetviach. Príklady: silikón, rumelka.

Ak delíte polyméry podľa pôvodu, môžetevyberte tri z ich skupín.

1. Prírodné polyméry, ktorých použitie sa vo veľkej miere využívalo už od staroveku. Sú to také makromolekuly, na vytvorenie ktorých človek nevynaložil žiadne úsilie. Sú produktom reakcií samotnej prírody. Príklady: hodváb, vlna, bielkoviny, nukleové kyseliny, škrob, celulóza, koža, bavlna atď.
2. Umelé. Ide o makromolekuly, ktoré vytvára človek, no na báze prírodných analógov. To znamená, že vlastnosti už existujúceho prírodného polyméru sa jednoducho zlepšia a zmenia. Príklady: umelá guma, guma.
3. Syntetické - to sú polyméry, na ktorých tvorbe sa podieľa iba človek. Neexistujú pre ne žiadne prirodzené analógy. Vedci vyvíjajú metódy na syntézu nových materiálov, ktoré by mali lepšie technické vlastnosti. Tak sa rodia syntetické polymérne zlúčeniny rôzneho druhu. Príklady: polyetylén, polypropylén, viskóza, acetátové vlákno atď.

Je tu ešte jedna vlastnosť, ktorá je základom rozdelenia posudzovaných látok do skupín. Sú to reaktivita a tepelná stabilita. Pre tento parameter existujú dve kategórie:

• termoplast;
• termoset.

Najstarším, najdôležitejším a obzvlášť cenným je stále prírodný polymér. Jeho vlastnosti sú jedinečné. Preto budeme ďalej uvažovať o tejto konkrétnej kategórii makromolekúl.

Ktorá látka je prírodný polymér?

Na zodpovedanie tejto otázky sa najprv pozrime okolo seba. Čo nás obklopuje?Živé organizmy okolo nás, ktoré sa živia, dýchajú, rozmnožujú, kvitnú a produkujú ovocie a semená. A čo predstavujú z molekulárneho hľadiska? Sú to spojenia ako:

• proteíny;
• nukleové kyseliny;
• polysacharidy.

Takže každá z týchto zlúčenín je prírodný polymér. Ukazuje sa teda, že život okolo nás existuje len vďaka prítomnosti týchto molekúl. Od pradávna ľudia používali hlinu, stavebné zmesi a m alty na spevnenie a vytvorenie domova, tkali priadzu z vlny a používali bavlnu, hodváb, vlnu a zvieraciu kožu na vytváranie odevov. Prírodné organické polyméry sprevádzali človeka vo všetkých štádiách jeho formovania a vývoja av mnohých smeroch mu pomohli dosiahnuť výsledky, ktoré máme dnes.

Príroda sama dala všetko preto, aby životy ľudí boli čo najpohodlnejšie. Postupom času bola objavená guma, objasnili sa jej pozoruhodné vlastnosti. Človek sa naučil používať škrob na potravinárske účely a celulózu na technické účely. Gáfor je tiež prírodný polymér, ktorý je tiež známy už od staroveku. Živice, proteíny, nukleové kyseliny sú príklady zlúčenín, o ktorých sa uvažuje.

Štruktúra prírodných polymérov

Nie všetci zástupcovia tejto triedy látok majú rovnakú štruktúru. Prírodné a syntetické polyméry sa teda môžu výrazne líšiť. Ich molekuly sú orientované tak, že z energetického hľadiska je najvýhodnejšie a najpohodlnejšie existovať. Mnohé prírodné druhy sú zároveň schopné napučiavať a ich štruktúra sa pritom mení. Existuje niekoľko najbežnejších variantov štruktúry reťazca:

• linear;
• vetvený;
• hviezdičkový;
• ploché;
• mesh;
• tape;
• v tvare hrebeňa.

Umelé a syntetické zástupcovia makromolekúl majú veľmi veľkú hmotnosť, obrovský počet atómov. Sú vytvorené so špeciálne špecifikovanými vlastnosťami. Preto ich štruktúru pôvodne plánoval človek. Prírodné polyméry majú najčastejšie lineárnu alebo sieťovú štruktúru.

Príklady prírodných makromolekúl

Prírodné a umelé polyméry majú k sebe veľmi blízko. Koniec koncov, prvé sa stávajú základom pre vytvorenie druhého. Existuje mnoho príkladov takýchto premien. Tu sú niektoré z nich.

1. Bežný mliečno-biely plast je produkt získaný úpravou celulózy kyselinou dusičnou s prídavkom prírodného gáfru. Polymerizačná reakcia spôsobí, že výsledný polymér stuhne a stane sa požadovaným produktom. A zmäkčovadlo - gáfor, umožňuje pri zahrievaní zmäknúť a zmeniť svoj tvar.
2. Acetátový hodváb, meď-amoniakálne vlákno, viskóza sú príklady týchto nití, vlákien, ktoré sa získavajú z celulózy. Látky vyrobené z prírodnej bavlny a ľanu nie sú také odolné, nie sú lesklé, ľahko sa pokrčia. Ale ich umelé analógy sú zbavené týchto nedostatkov, vďaka čomu je ich použitie veľmi atraktívne.
3. Umelé kamene, stavebné materiály, zmesi, náhrady kože súPozrite si aj príklady polymérov odvodených z prírodných surovín.

Látka, ktorá je prírodným polymérom, sa môže použiť aj v pravej forme. Existuje tiež veľa takýchto príkladov:

• rosin;
• jantárová;
• škrob;
• amylopektín;
• celulóza;
• fur;
• vlna;
• bavlna;
• hodváb;
• cement;
• clay;
• lime;
• proteíny;
• nukleové kyseliny a tak ďalej.

Je zrejmé, že trieda zlúčenín, o ktorých uvažujeme, je veľmi početná, prakticky dôležitá a významná pre ľudí. Teraz sa pozrime bližšie na niekoľkých zástupcov prírodných polymérov, po ktorých je v súčasnosti veľký dopyt.

Hodváb a vlna

Vzorec prírodného hodvábneho polyméru je zložitý, pretože jeho chemické zloženie je vyjadrené nasledujúcimi zložkami:

• fibroin;
• sericin;
• waxes;
• tuky.

Samotný hlavný proteín, fibroín, obsahuje niekoľko druhov aminokyselín. Ak si predstavíte jeho polypeptidový reťazec, bude vyzerať asi takto: (-NH-CH₂-CO-NH-CH(CH₃)- CO-NH-CH₂-CO-)_n. A toto je len časť toho. Ak si predstavíme, že k tejto štruktúre je pomocou van der Waalsových síl pripojená rovnako zložitá molekula sericínového proteínu a spolu sú zmiešané do jednej konformácie s voskom a tukmi, je jasné, prečo je ťažké znázorniť vzorec z prírodného hodvábu.

Na dnesDnes väčšinu tohto produktu dodáva Čína, pretože na jej otvorených priestranstvách je prirodzený biotop pre hlavného producenta – priadku morušovú. Predtým, počnúc od najstarších čias, bol prírodný hodváb veľmi cenený. Oblečenie z nej si mohli dovoliť len vznešení, bohatí ľudia. V súčasnosti mnohé vlastnosti tejto tkaniny zanechávajú veľa požiadaviek. Napríklad je silne magnetizovaný a zvrásnený, navyše stráca lesk a vybledne vystavením slnku. Preto sa častejšie používajú umelé deriváty, ktoré sú na ňom založené.

Vlna je tiež prírodný polymér, pretože je odpadovým produktom kože a mazových žliaz zvierat. Na základe tohto proteínového produktu sa vyrába úplet, ktorý je rovnako ako hodváb hodnotným materiálom.

škrob

Prírodný polymérny škrob je odpadový produkt rastlín. Produkujú ho ako výsledok procesu fotosyntézy a hromadia sa v rôznych častiach tela. Jeho chemické zloženie:

• amylopektín;
• amylóza;
• alfa-glukóza.

Priestorová štruktúra škrobu je veľmi rozvetvená, neusporiadaná. Vďaka amylopektínu obsiahnutému v kompozícii je schopný napučať vo vode a premeniť sa na takzvanú pastu. Tento koloidný roztok sa používa v strojárstve a priemysle. Medicína, potravinársky priemysel, výroba lepidiel na tapety sú tiež oblasti použitia tejto látky.

Medzi rastlinami obsahujúcimi maximálne množstvo škrobu môžeme rozlíšiť:

• corn;
• potato;
• ryža;
• pšenica;
• cassava;
• ovos;
• pohánka;
• bananas;
• cirok.

Na základe tohto biopolyméru sa pečie chlieb, vyrábajú cestoviny, varia kissels, cereálie a iné potravinárske produkty.

Pulp

Z hľadiska chémie je táto látka polymérom, ktorého zloženie je vyjadrené vzorcom (C₆H_{5 O} 5_{) . Monomérnym článkom v reťazci je beta-glukóza. Hlavnými miestami obsahu celulózy sú bunkové steny rastlín. Preto je drevo cenným zdrojom tejto zlúčeniny.}

Celulóza je prírodný polymér, ktorý má lineárnu priestorovú štruktúru. Používa sa na výrobu nasledujúcich typov produktov:

• výrobky z celulózy a papiera;
• umelá kožušina;
• rôzne typy umelých vlákien;
• bavlna;
• plasty;
• bezdymový prášok;
• filmové pásy a tak ďalej.

Je zrejmé, že jeho priemyselný význam je veľký. Aby sa daná zlúčenina mohla použiť pri výrobe, musí sa najskôr extrahovať z rastlín. Robí sa to dlhodobým varením dreva v špeciálnych zariadeniach. Ďalšie spracovanie, ako aj činidlá používané na trávenie, sa líšia. Existuje niekoľko spôsobov:

• sulfite;
• dusičnan;
• sodík;
• sulfát.

Po tomto ošetrení produkt stále obsahujenečistoty. Je založený na ligníne a hemicelulóze. Aby ste sa ich zbavili, hmota sa ošetrí chlórom alebo zásadami.

V ľudskom tele nie sú žiadne také biologické katalyzátory, ktoré by dokázali rozložiť tento zložitý biopolymér. Niektoré živočíchy (bylinožravce) sa tomu však prispôsobili. V žalúdku majú určité baktérie, ktoré to robia za nich. Na oplátku mikroorganizmy dostávajú energiu pre život a prostredie. Táto forma symbiózy je mimoriadne výhodná pre obe strany.

Guma

Toto je prírodný polymér s cenným ekonomickým významom. Prvýkrát ho opísal Robert Cook, ktorý ho objavil na jednej zo svojich ciest. Stalo sa to takto. Po pristátí na ostrove, ktorý obývali jemu neznámi domorodci, bol nimi pohostinne prijatý. Jeho pozornosť upútali miestne deti, ktoré sa hrali s nezvyčajným predmetom. Toto guľovité telo odkoplo od podlahy a odrazilo sa vysoko nahor, potom sa vrátilo späť.

Po tom, čo sa Cook spýtal miestneho obyvateľstva, z čoho je táto hračka vyrobená, zistil, že šťava jedného zo stromov, hevea, týmto spôsobom stvrdne. Oveľa neskôr sa zistilo, že ide o gumový biopolymér.

Chemická povaha tejto zlúčeniny je známa – ide o izoprén, ktorý prešiel prirodzenou polymerizáciou. Vzorec gumy je (С₅Н₈) . Jeho vlastnosti, vďaka ktorým je tak vysoko uznávaný, sú nasledovné:

• elasticita;
• odolný proti opotrebovaniu;
• elektrická izolácia;
• odolné voči vode.

Má to však aj nevýhody. V chlade sa stáva krehkým a krehkým a v teple sa stáva lepkavým a viskóznym. Preto bolo potrebné syntetizovať analógy umelej alebo syntetickej bázy. Dnes sa kaučuky široko používajú na technické a priemyselné účely. Najdôležitejšie produkty založené na nich:

• gumy;
• ebonity.

Amber

Je to prírodný polymér, pretože vo svojej štruktúre je to živica, jej fosílna forma. Priestorová štruktúra je rámový amorfný polymér. Je veľmi horľavý a môže sa zapáliť zápalkovým plameňom. Má luminiscenčné vlastnosti. Ide o veľmi dôležitú a cennú vlastnosť, ktorá sa používa v šperkoch. Šperky na báze jantáru sú veľmi krásne a žiadané.

Okrem toho sa tento biopolymér používa aj na lekárske účely. Používa sa tiež na výrobu brúsneho papiera, laku na rôzne povrchy.