Luonnollinen polymeeri - koostumus ja käyttö

2024 Kirjoittaja: Angel Austin | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-17 05:25

Suurin osa tämän päivän rakennusmateriaaleista, lääkkeistä, kankaista, taloustavaroista, pakkauksista ja kulutustarvikkeista on polymeerejä. Tämä on koko joukko yhdisteitä, joilla on tunnusomaisia erottavia piirteitä. Niitä on paljon, mutta tästä huolimatta polymeerien määrä jatkaa kasvuaan. Loppujen lopuksi synteettiset kemistit löytävät vuosittain yhä enemmän uusia aineita. Samaan aikaan luonnon polymeeri oli erityisen tärkeä aina. Mitä nämä hämmästyttävät molekyylit ovat? Mitkä ovat niiden ominaisuudet ja mitkä ovat ominaisuudet? Vastaamme näihin kysymyksiin artikkelin aikana.

Polymeerit: yleiset ominaisuudet

Kemian näkökulmasta polymeeriä pidetään molekyylinä, jolla on v altava molekyylipaino: useista tuhansista miljooniin yksiköihin. Tämän ominaisuuden lisäksi on kuitenkin useita muita, joilla aineet voidaan luokitella tarkasti luonnon- ja synteettisiksi polymeereiksi. Tämä on:

• jatkuvasti toistuvia monomeeriyksiköitä, jotka ovat yhteydessä toisiinsa erilaisten vuorovaikutusten kautta;
• polymeraasiasteen (eli monomeerien lukumäärän) tulisi olla hyvinkorkea, muuten yhdistettä pidetään oligomeerinä;
• makromolekyylin tietty avaruudellinen suunta;
• joukko tärkeitä fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia, jotka ovat ainutlaatuisia tälle ryhmälle.

Yleensä polymeerinen aine on melko helppo erottaa muista. Tarvitsee vain katsoa hänen kaavaansa ymmärtääkseen sen. Tyypillinen esimerkki on tunnettu polyeteeni, jota käytetään laaj alti jokapäiväisessä elämässä ja teollisuudessa. Se on polymerointireaktion tuote, jossa tyydyttymätön hiilivety eteeni tai eteeni pääsee sisään. Reaktio yleisessä muodossa kirjoitetaan seuraavasti:

nCH₂=CH₂→(-CH-CH-) , missä n on molekyylien polymeroitumisaste, joka osoittaa, kuinka monta monomeeriyksikköä sen koostumuksessa on.

Lisäksi esimerkkinä voidaan mainita luonnollinen polymeeri, joka on kaikkien tiedossa, se on tärkkelys. Lisäksi amylopektiini, selluloosa, kanan proteiini ja monet muut aineet kuuluvat tähän yhdisteryhmään.

Makromolekyylejä muodostavia reaktioita on kahdenlaisia:

• polymerointi;
• polykondensaatio.

Erona on, että toisessa tapauksessa vuorovaikutustuotteet ovat alhaisen molekyylipainon omaavia. Polymeerin rakenne voi olla erilainen, se riippuu sen muodostavista atomeista. Lineaarisia muotoja löytyy usein, mutta on myös kolmiulotteisia verkkoja, jotka ovat hyvin monimutkaisia.

Jos puhumme voimista ja vuorovaikutuksista, jotka pitävät monomeeriyksiköitä yhdessä, voimme tunnistaa useita perustekijöitä:

• Van Der Waalsvahvuus;
• kemialliset sidokset (kovalenttiset, ioniset);
• sähköstaattinen vuorovaikutus.

Kaikkia polymeerejä ei voida yhdistää yhteen luokkaan, koska niillä on täysin erilainen luonne, muodostustapa ja eri tehtävät. Niiden ominaisuudet ovat myös erilaisia. Siksi on olemassa luokitus, jonka avulla voit jakaa kaikki tämän aineryhmän edustajat eri luokkiin. Se voi perustua useisiin merkkeihin.

Polymeerien luokitus

Jos otamme lähtökohtana molekyylien laadullisen koostumuksen, niin kaikki tarkasteltavat aineet voidaan jakaa kolmeen ryhmään.

1. Orgaaniset - nämä ovat niitä, jotka sisältävät hiili-, vety-, rikki-, happi-, fosfori- ja typpiatomeja. Eli ne alkuaineet, jotka ovat biogeenisiä. Esimerkkejä on monia: polyeteeni, polyvinyylikloridi, polypropeeni, viskoosi, nailon, luonnonpolymeeri - proteiini, nukleiinihapot ja niin edelleen.
2. Elementaaliorgaaniset - ne, jotka sisältävät joitakin vieraita epäorgaanisia ja ei-biogeenisiä alkuaineita. Useimmiten se on piitä, alumiinia tai titaania. Esimerkkejä tällaisista makromolekyyleistä: orgaaninen lasi, lasipolymeerit, komposiittimateriaalit.
3. Epäorgaaninen - ketju perustuu piiatomeihin, ei hiileen. Radikaalit voivat olla myös osa sivuhaaroja. Ne löydettiin melko hiljattain, 1900-luvun puolivälissä. Käytetään lääketieteessä, rakentamisessa, konepajateollisuudessa ja muilla aloilla. Esimerkkejä: silikoni, cinnabar.

Jos erotat polymeerit alkuperän mukaan, voitvalitse kolme heidän ryhmästään.

1. Luonnolliset polymeerit, joita on käytetty laajasti antiikista lähtien. Nämä ovat sellaisia makromolekyylejä, joiden luomiseksi henkilö ei ponnistellut. Ne ovat luonnon reaktioiden tuotteita. Esimerkkejä: silkki, villa, proteiini, nukleiinihapot, tärkkelys, selluloosa, nahka, puuvilla jne.
2. Keinotekoinen. Nämä ovat ihmisen luomia makromolekyylejä, jotka perustuvat luonnollisiin analogeihin. Toisin sanoen jo olemassa olevan luonnollisen polymeerin ominaisuuksia yksinkertaisesti parannetaan ja muutetaan. Esimerkkejä: tekokumi, kumi.
3. Synteettiset - nämä ovat polymeerejä, joiden luomiseen vain henkilö osallistuu. Niille ei ole luonnollisia analogeja. Tiedemiehet kehittävät menetelmiä sellaisten uusien materiaalien synteesiin, jotka parantaisivat teknisiä ominaisuuksia. Näin synteettisiä synteettisiä polymeeriyhdisteitä syntyy. Esimerkkejä: polyeteeni, polypropeeni, viskoosi, asetaattikuitu jne.

On vielä yksi ominaisuus, joka perustuu tarkasteltujen aineiden jakamiseen ryhmiin. Nämä ovat reaktiivisuus ja lämpöstabiilisuus. Tälle parametrille on kaksi luokkaa:

• termoplastinen;
• lämpösetti.

Vanhin, tärkein ja erityisen arvokkain on edelleen luonnonpolymeeri. Sen ominaisuudet ovat ainutlaatuiset. Siksi tarkastelemme tarkemmin tätä tiettyä makromolekyyliluokkaa.

Mikä aine on luonnollinen polymeeri?

Voidaksesi vastata tähän kysymykseen, katsokaamme ensin ympärillemme. Mikä meitä ympäröi?Ympärillämme elävät organismit, jotka ruokkivat, hengittävät, lisääntyvät, kukkivat ja tuottavat hedelmiä ja siemeniä. Ja mitä ne edustavat molekyylien näkökulmasta? Nämä ovat yhteyksiä, kuten:

• proteiinit;
• nukleiinihapot;
• polysakkaridit.

Joten, jokainen näistä yhdisteistä on luonnollinen polymeeri. Siten käy ilmi, että elämää ympärillämme on vain näiden molekyylien läsnäolon ansiosta. Muinaisista ajoista lähtien ihmiset ovat käyttäneet savea, rakennusseoksia ja laastia kodin vahvistamiseen ja luomiseen, kutoneet villasta lankaa sekä käyttäneet puuvillaa, silkkiä, villaa ja eläinnahkaa vaatteiden luomiseen. Luonnolliset orgaaniset polymeerit seurasivat ihmistä hänen muodostumisen ja kehityksensä kaikissa vaiheissa ja monin tavoin auttoivat häntä saavuttamaan tämän päivän tulokset.

Luonto itse antoi kaikkensa tehdäkseen ihmisten elämästä mahdollisimman mukavaa. Ajan myötä kumi löydettiin, sen merkittävät ominaisuudet selvitettiin. Ihminen on oppinut käyttämään tärkkelystä elintarviketarkoituksiin ja selluloosaa teknisiin tarkoituksiin. Kamferi on myös luonnollinen polymeeri, joka on myös tunnettu muinaisista ajoista lähtien. Hartsit, proteiinit, nukleiinihapot ovat kaikki esimerkkejä tarkasteltavina olevista yhdisteistä.

Luonnonpolymeerien rakenne

Kaikilla tämän aineluokan edustajilla ei ole samaa rakennetta. Siten luonnolliset ja synteettiset polymeerit voivat erota merkittävästi toisistaan. Niiden molekyylit on suunnattu siten, että energian kann alta on hyödyllisintä ja mukavinta olla olemassa. Samaan aikaan monet luonnolliset lajit voivat turvota ja niiden rakenne muuttua prosessin aikana. Ketjurakenteesta on useita yleisimpiä muunnelmia:

• lineaarinen;
• haarautunut;
• tähden muotoinen;
• tasainen;
• verkko;
• nauha;
• kampan muotoinen.

Makromolekyylien keinotekoisilla ja synteettisillä edustajilla on erittäin suuri massa, v altava määrä atomeja. Ne luodaan erityisillä ominaisuuksilla. Siksi niiden rakenteen suunnitteli alun perin ihminen. Luonnonpolymeerit ovat useimmiten joko lineaarisia tai verkkomaisia rakenteeltaan.

Esimerkkejä luonnollisista makromolekyyleistä

Luonnolliset ja keinotekoiset polymeerit ovat hyvin lähellä toisiaan. Loppujen lopuksi ensimmäisestä tulee perusta toisen luomiselle. Esimerkkejä tällaisista muutoksista on monia. Tässä on joitain niistä.

1. Tavallinen maidonvalkoinen muovi on tuote, joka saadaan käsittelemällä selluloosaa typpihapolla, johon on lisätty luonnollista kamferia. Polymerointireaktio saa tuloksena olevan polymeerin kiinteytymään ja siitä tulee haluttu tuote. Ja pehmitin - kamferi - mahdollistaa sen pehmenemisen kuumennettaessa ja muuttaa muotoaan.
2. Asetaattisilkki, kupari-ammoniakikuitu, viskoosi ovat kaikki esimerkkejä niistä langoista, kuiduista, joita saadaan selluloosasta. Luonnonpuuvillasta ja pellavasta valmistetut kankaat eivät ole niin kestäviä, eivät kiiltäviä, helposti rypistyviä. Mutta niiden keinotekoisissa analogeissa ei ole näitä puutteita, mikä tekee niiden käytöstä erittäin houkuttelevaa.
3. Keinotekoiset kivet, rakennusmateriaalit, seokset, nahan korvikkeet ovatKatso myös esimerkkejä luonnollisista raaka-aineista johdetuista polymeereistä.

Ainetta, joka on luonnollinen polymeeri, voidaan käyttää myös todellisessa muodossaan. Tällaisia esimerkkejä on myös monia:

• hartsi;
• keltainen;
• tärkkelys;
• amylopektiini;
• selluloosa;
• turkis;
• villa;
• puuvilla;
• silkki;
• sementti;
• savi;
• kalkki;
• proteiinit;
• nukleiinihapot ja niin edelleen.

Ilmeisestikin harkitsemamme yhdisteluokka on hyvin monipuolinen, käytännössä tärkeä ja tärkeä ihmisille. Tarkastellaan nyt tarkemmin useita luonnonpolymeerien edustajia, joilla on tällä hetkellä suuri kysyntä.

Silkki ja villa

Luonnollisen silkkipolymeerin kaava on monimutkainen, koska sen kemiallinen koostumus ilmaistaan seuraavilla komponenteilla:

• fibroiini;
• sericin;
• vahat;
• rasvat.

Pääproteiini itsessään, fibroiini, sisältää useita erilaisia aminohappoja. Jos kuvittelet sen polypeptidiketjun, se näyttää suunnilleen tältä: (-NH-CH₂-CO-NH-CH(CH₃)- CO-NH-CH₂-CO-)_n. Ja tämä on vain osa siitä. Jos kuvittelemme, että tähän rakenteeseen on kiinnittynyt yhtä monimutkainen serisiiniproteiinimolekyyli van der Waalsin voimien avulla ja yhdessä ne sekoittuvat yhdeksi konformaatioksi vahan ja rasvojen kanssa, niin on selvää, miksi kaavan kuvaaminen on vaikeaa. luonnonsilkkiä.

Tälle päivälleNykyään suurimman osan tästä tuotteesta toimittaa Kiina, koska sen avoimissa tiloissa on luonnollinen elinympäristö päätuottajalle - silkkiäistoukille. Aiemmin luonnonsilkkiä arvostettiin muinaisista ajoista lähtien korkealle. Vain jaloilla, rikkailla ihmisillä oli varaa vaatteisiin siitä. Nykyään monet tämän kankaan ominaisuudet jättävät paljon toivomisen varaa. Esimerkiksi se on erittäin magnetisoitunut ja ryppyinen, lisäksi se menettää kiiltonsa ja haalistuu auringonvalolle altistumisesta. Siksi siihen perustuvat keinotekoiset johdannaiset ovat enemmän käytössä.

Villa on myös luonnollinen polymeeri, koska se on eläinten ihon ja talirauhasten jätetuote. Tämän proteiinituotteen pohj alta valmistetaan neuleita, jotka silkin tavoin ovat arvokasta materiaalia.

tärkkelys

Luonnollinen polymeeritärkkelys on kasvien jätetuote. Ne tuottavat sitä fotosynteesiprosessin seurauksena ja kerääntyvät kehon eri osiin. Sen kemiallinen koostumus:

• amylopektiini;
• amyloosi;
• alfa-glukoosi.

Tärkkelyksen tilarakenne on hyvin haaroittunut, epäjärjestynyt. Koostumukseen sisältyvän amylopektiinin ansiosta se pystyy turpoamaan vedessä muuttuen niin kutsutuksi tahnaksi. Tätä kolloidista liuosta käytetään tekniikassa ja teollisuudessa. Lääketiede, elintarviketeollisuus, tapettiliimojen valmistus ovat myös tämän aineen käyttöalueita.

Maksimimäärän tärkkelystä sisältävistä kasveista voidaan erottaa:

• maissi;
• peruna;
• riisi;
• vehnä;
• kassava;
• kaura;
• tattari;
• banaanit;
• durra.

Tämän biopolymeerin pohj alta leivotaan leipää, valmistetaan pastaa, keitetään kisselejä, muroja ja muita elintarvikkeita.

Sellu

Kemiallisesti tämä aine on polymeeri, jonka koostumus ilmaistaan kaavalla (C₆H_{5 O} 5_{) . Monomeerinen lenkki ketjussa on beeta-glukoosi. Pääasialliset selluloosapitoisuudet ovat kasvien soluseinät. Siksi puu on arvokas tämän yhdisteen lähde.}

Selluloosa on luonnollinen polymeeri, jolla on lineaarinen tilarakenne. Sitä käytetään seuraavan tyyppisten tuotteiden valmistukseen:

• massa- ja paperituotteet;
• tekoturkis;
• erityyppiset tekokuidut;
• puuvilla;
• muovit;
• savuton jauhe;
• filminauhat ja niin edelleen.

Sen teollinen merkitys on tietysti suuri. Jotta tiettyä yhdistettä voidaan käyttää tuotannossa, se on ensin uutettava kasveista. Tämä tehdään puun pitkäaikaisella kypsennyksellä erityisissä laitteissa. Jatkokäsittely sekä ruuansulatukseen käytetyt reagenssit vaihtelevat. On olemassa useita tapoja:

• sulfiitti;
• nitraatti;
• natrium;
• sulfaatti.

Tämän hoidon jälkeen tuote sisältää edelleenepäpuhtaudet. Se perustuu ligniiniin ja hemiselluloosaan. Niiden poistamiseksi massa käsitellään kloorilla tai alkalilla.

Ihmiskehossa ei ole sellaisia biologisia katalyyttejä, jotka pystyisivät hajottamaan tämän monimutkaisen biopolymeerin. Jotkut eläimet (kasvinsyöjät) ovat kuitenkin sopeutuneet tähän. Heidän mahassaan on tiettyjä bakteereja, jotka tekevät sen heidän puolestaan. Vastineeksi mikro-organismit saavat energiaa elämään ja elinympäristöön. Tämä symbioosin muoto on erittäin hyödyllinen molemmille osapuolille.

Kumi

Tämä on luonnonpolymeeri, jolla on arvokasta taloudellista merkitystä. Sen kuvasi ensimmäisenä Robert Cook, joka löysi sen yhdellä matkallaan. Se tapahtui näin. Hänet otettiin vieraanvaraisesti vastaan, kun hän laskeutui hänelle tuntemattomien alkuperäiskansojen asuttamalle saarelle. Hänen huomionsa kiinnittivät paikalliset lapset, jotka leikkivät epätavallisella esineellä. Tämä pallomainen runko potkaisi lattiasta ja pomppi korkealle ja palasi sitten takaisin.

Kysyttyään paikalliselta väestöltä, mistä tämä lelu on tehty, Cook sai tietää, että yhden puun, hevean, mehu kovettuu tällä tavalla. Paljon myöhemmin selvisi, että tämä on kumibiopolymeeri.

Tämän yhdisteen kemiallinen luonne tunnetaan - se on isopreeni, joka on läpikäynyt luonnollisen polymeroinnin. Kumin kaava on (С₅Н₈) . Sen ominaisuudet, jotka tekevät siitä niin arvostetun, ovat seuraavat:

• elastisuus;
• kulutusta kestävä;
• sähköeristys;
• vedenkestävä.

On kuitenkin myös haittoja. Kylmässä siitä tulee hauras ja hauras, ja kuumuudessa tahmeaa ja viskoosi. Tästä syystä tuli välttämättömäksi syntetisoida keinotekoisen tai synteettisen emäksen analogeja. Nykyään kumia käytetään laaj alti teknisiin ja teollisiin tarkoituksiin. Tärkeimmät niihin perustuvat tuotteet:

• kumit;
• ebonites.

Amber

Se on luonnollinen polymeeri, koska rakenteeltaan se on hartsi, sen fossiilinen muoto. Tilarakenne on kehysamorfinen polymeeri. Se on erittäin syttyvää ja voidaan sytyttää tulitikkuliekillä. Sillä on luminesenssiominaisuudet. Tämä on erittäin tärkeä ja arvokas laatu, jota käytetään koruissa. Meripihkapohjaiset korut ovat erittäin kauniita ja kysyttyjä.

Lisäksi tätä biopolymeeriä käytetään myös lääketieteellisiin tarkoituksiin. Siitä valmistetaan myös hiekkapaperia, lakkapinnoitteita eri pinnoille.