Természetes polimer – képlet és alkalmazás

2024 Szerző: Angel Austin | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-17 05:29

A mai építőanyagok, gyógyszerek, szövetek, háztartási cikkek, csomagolások és fogyóeszközök többsége polimer. Ez a vegyületek egész csoportja, amelyek jellegzetes megkülönböztető jellemzőkkel rendelkeznek. Nagyon sok van belőlük, de ennek ellenére a polimerek száma tovább növekszik. Végül is a szintetikus vegyészek évente egyre több új anyagot fedeznek fel. Ugyanakkor a természetes polimer volt az, amely mindenkor különösen fontos volt. Mik ezek a csodálatos molekulák? Mik a tulajdonságaik és mik a jellemzőik? Ezekre a kérdésekre válaszolunk a cikk során.

Polimerek: általános jellemzők

Kémia szempontjából a polimert hatalmas molekulatömegű molekulának tekintjük: több ezertől millió egységig. Mindazonáltal ezen a tulajdonságon túlmenően számos olyan anyag létezik, amelyek alapján az anyagok pontosan besorolhatók a természetes és szintetikus polimerek közé. Ez:

• folyamatosan ismétlődő monomer egységek, amelyek különböző kölcsönhatásokon keresztül kapcsolódnak egymáshoz;
• a polimeráz mértékének (azaz a monomerek számának) nagyon nagynak kell lenniemagas, különben a vegyületet oligomernek tekintjük;
• egy makromolekula bizonyos térbeli orientációja;
• fontos fizikai és kémiai tulajdonságok összessége, amelyek egyediek erre a csoportra.

Általánosságban elmondható, hogy egy polimer jellegű anyagot meglehetősen könnyű megkülönböztetni a többitől. Csak rá kell nézni a képletére, hogy megértsük. Tipikus példa erre a jól ismert polietilén, amelyet széles körben használnak a mindennapi életben és az iparban. Ez egy polimerizációs reakció terméke, amelybe a telítetlen szénhidrogén, etén vagy etilén lép be. A reakció általános formában a következőképpen írható:

nCH₂=CH₂→(-CH-CH-) , ahol n a molekulák polimerizációs foka, amely azt mutatja, hogy hány monomer egységet tartalmaz az összetétel.

Példaként említhetünk egy természetes polimert is, amely mindenki által jól ismert, ez a keményítő. Ezenkívül az amilopektin, a cellulóz, a csirkefehérje és sok más anyag is ebbe a vegyületcsoportba tartozik.

A makromolekulákat képező reakcióknak két típusa van:

• polimerizáció;
• polikondenzáció.

A különbség az, hogy a második esetben a kölcsönhatási termékek alacsony molekulatömegűek. A polimer szerkezete eltérő lehet, az azt alkotó atomoktól függ. Gyakran előfordulnak lineáris formák, de vannak háromdimenziós hálók is, amelyek nagyon összetettek.

Ha azokról az erőkről és kölcsönhatásokról beszélünk, amelyek a monomer egységeket összetartják, akkor több alapvetőt is azonosíthatunk:

• Van Der Waalserő;
• kémiai kötések (kovalens, ionos);
• elektrosztatikus kölcsönhatás.

Az összes polimert nem lehet egy kategóriába sorolni, mivel teljesen más a természetük, a képződés módja és más-más funkciót látnak el. Tulajdonságaik is különböznek. Ezért van egy besorolás, amely lehetővé teszi, hogy az anyagok ezen csoportjának összes képviselőjét különböző kategóriákba sorolja. Több jelen is alapulhat.

A polimerek osztályozása

Ha a molekulák minőségi összetételét vesszük alapul, akkor az összes vizsgált anyag három csoportra osztható.

1. Szerves – ezek azok, amelyek szén-, hidrogén-, kén-, oxigén-, foszfor- és nitrogénatomokat tartalmaznak. Vagyis azok az elemek, amelyek biogének. Számos példa van erre: polietilén, polivinil-klorid, polipropilén, viszkóz, nejlon, természetes polimer - fehérje, nukleinsavak és így tovább.
2. Elementalorganic – azok, amelyek valamilyen idegen szervetlen és nem biogén elemet tartalmaznak. Leggyakrabban szilícium, alumínium vagy titán. Példák ilyen makromolekulákra: szerves üveg, üvegpolimerek, kompozit anyagok.
3. Szervetlen – a lánc szilíciumatomokon, nem pedig szénen alapul. A gyökök oldalágak részei is lehetnek. Nemrég, a 20. század közepén fedezték fel őket. Használják az orvostudományban, az építőiparban, a mérnöki és más iparágakban. Példák: szilikon, cinóber.

Ha a polimereket eredet szerint választja szét, megtehetiválassza ki három csoportjukat.

1. Természetes polimerek, amelyeket az ókor óta széles körben alkalmaznak. Ezek olyan makromolekulák, amelyek létrehozására az ember nem tett erőfeszítéseket. Magának a természetnek a reakcióinak termékei. Példák: selyem, gyapjú, fehérje, nukleinsavak, keményítő, cellulóz, bőr, pamut stb.
2. Mesterséges. Ezek olyan makromolekulák, amelyeket ember hoz létre, de természetes analógokon alapulnak. Vagyis a már meglévő természetes polimer tulajdonságait egyszerűen javítják és megváltoztatják. Példák: műgumi, gumi.
3. Szintetikus – ezek olyan polimerek, amelyek létrehozásában csak egy személy vesz részt. Nincsenek természetes analógok számukra. A tudósok olyan módszereket fejlesztenek ki új anyagok szintézisére, amelyek javíthatnák a műszaki jellemzőket. Így születnek különféle szintetikus polimer vegyületek. Példák: polietilén, polipropilén, viszkóz, acetátszál stb.

Van még egy jellemző, amely a vizsgált anyagok csoportokra bontásának hátterében áll. Ezek a reakcióképesség és a termikus stabilitás. Ennek a paraméternek két kategóriája van:

• termoplasztikus;
• termosztát.

A legősibb, legfontosabb és különösen értékes még mindig egy természetes polimer. Tulajdonságai egyediek. Ezért tovább fogjuk vizsgálni a makromolekulák e sajátos kategóriáját.

Melyik anyag természetes polimer?

A kérdés megválaszolásához először nézzünk körül magunk körül. Mi vesz körül minket?Körülöttünk élő szervezetek, amelyek táplálkoznak, lélegeznek, szaporodnak, virágoznak és gyümölcsöt és magvakat hoznak. És mit jelentenek ezek molekuláris szempontból? Ezek olyan kapcsolatok, mint:

• fehérjék;
• nukleinsavak;
• poliszacharidok.

Tehát ezek a vegyületek mindegyike természetes polimer. Így kiderül, hogy körülöttünk élet csak ezeknek a molekuláknak köszönhetően létezik. Az ókor óta az emberek agyagot, építőkeverékeket és habarcsokat használtak az otthon megerősítésére és megteremtésére, gyapjúból fonalat szőnek, ruhák készítéséhez pedig pamutot, selymet, gyapjút és állatbőrt használnak. A természetes szerves polimerek végigkísérték az embert kialakulásának és fejlődésének minden szakaszában, és sok tekintetben segítették elérni a mai eredményeket.

A természet maga adott mindent, hogy az emberek életét a lehető legkényelmesebbé tegye. Idővel a gumit felfedezték, figyelemre méltó tulajdonságait tisztázták. Az ember megtanulta a keményítőt étkezési célokra, a cellulózt műszaki célokra használni. A kámfor is természetes polimer, amely szintén ősidők óta ismert. A gyanták, fehérjék, nukleinsavak mind példák a vizsgált vegyületekre.

Természetes polimerek szerkezete

Az anyagok ezen osztályának nem minden képviselője azonos szerkezetű. Így a természetes és szintetikus polimerek jelentősen eltérhetnek egymástól. Molekuláik úgy vannak orientálva, hogy energetikai szempontból a legelőnyösebb és legkényelmesebb létezni. Ugyanakkor számos természetes faj képes megduzzadni, és ennek során szerkezete megváltozik. A láncszerkezetnek több leggyakoribb változata létezik:

• lineáris;
• elágazó;
• csillag alakú;
• lakás;
• háló;
• szalag;
• fésű alakú.

A makromolekulák mesterséges és szintetikus képviselői nagyon nagy tömeggel, hatalmas számú atommal rendelkeznek. Speciálisan meghatározott tulajdonságokkal készülnek. Ezért szerkezetüket eredetileg az ember tervezte. A természetes polimerek leggyakrabban lineáris vagy hálós szerkezetűek.

Példák természetes makromolekulákra

A természetes és mesterséges polimerek nagyon közel állnak egymáshoz. Végül is az első lesz a második létrehozásának alapja. Számos példa van az ilyen átalakításokra. Íme néhány közülük.

1. A közönséges tejfehér műanyag olyan termék, amelyet cellulóz salétromsavval történő kezelésével nyernek természetes kámfor hozzáadásával. A polimerizációs reakció hatására a kapott polimer megszilárdul, és a kívánt termékké válik. A lágyító, a kámfor pedig képessé teszi, hogy melegítés hatására meglágyuljon és megváltozzon az alakja.
2. Acetát selyem, réz-ammónia szál, viszkóz mind a cellulózból nyert szálak, szálak példái. A természetes pamutból és lenből készült szövetek nem olyan tartósak, nem fényesek, könnyen gyűrődnek. De ezek mesterséges analógjai mentesek ezektől a hiányosságoktól, ami nagyon vonzóvá teszi használatukat.
3. A műkövek, építőanyagok, keverékek, bőrhelyettesítőkLásd még a természetes nyersanyagokból származó polimerekre vonatkozó példákat.

Az anyag, amely egy természetes polimer, valódi formájában is használható. Sok ilyen példa is van:

• gyanta;
• borostyán;
• keményítő;
• amilopektin;
• cellulóz;
• bunda;
• gyapjú;
• pamut;
• selyem;
• cement;
• agyag;
• lime;
• fehérjék;
• nukleinsavak és így tovább.

Nyilvánvalóan az általunk vizsgált vegyületcsoport nagyon sok, gyakorlatilag fontos és jelentős az emberek számára. Most nézzük meg közelebbről a természetes polimerek számos képviselőjét, amelyekre jelenleg nagy a kereslet.

Selyem és gyapjú

A természetes selyempolimer képlete összetett, mivel kémiai összetételét a következő összetevők fejezik ki:

• fibroin;
• szericin;
• viaszok;
• zsírok.

Maga a fő fehérje, a fibroin többféle aminosavat tartalmaz. Ha elképzeljük a polipeptidláncát, akkor valahogy így fog kinézni: (-NH-CH₂-CO-NH-CH(CH₃)- CO-NH-CH₂-CO-)_n. És ez csak egy része. Ha elképzeljük, hogy ehhez a szerkezethez van der Waals-erők segítségével egy ugyanolyan összetett szericin fehérje molekula kapcsolódik, és ezek együtt egyetlen konformációba keverednek viasszal és zsírokkal, akkor egyértelmű, hogy miért nehéz a képletet ábrázolni. természetes selyemből.

MáraMa ennek a terméknek a nagy részét Kína szállítja, mivel nyílt tereiben természetes élőhely található a fő termelő - a selyemhernyó - számára. Korábban, a legősibb időktől kezdve a természetes selymet nagyra értékelték. Csak nemes, gazdag emberek engedhettek meg maguknak ruhát belőle. Ma ennek a szövetnek számos jellemzője hagy kívánnivalót maga után. Például erősen mágnesezett és ráncos, ráadásul a napfény hatására veszít fényéből és kifakul. Ezért az arra épülő mesterséges származékokat inkább használják.

A gyapjú természetes polimer is, mivel az állatok bőrének és faggyúmirigyeinek salakanyaga. E fehérjetermék alapján kötöttáru készül, amely a selyemhez hasonlóan értékes anyag.

Keményítő

A természetes polimer keményítő a növények hulladékterméke. A fotoszintézis folyamatának eredményeként állítják elő, és felhalmozódnak a test különböző részein. Kémiai összetétele:

• amilopektin;
• amilóz;
• alfa-glükóz.

A keményítő térszerkezete nagyon elágazó, rendezetlen. A készítményben található amilopektinnek köszönhetően vízben képes megduzzadni, úgynevezett pasztává alakulni. Ezt a kolloid oldatot a gépészetben és az iparban használják. Az orvostudomány, az élelmiszeripar, a tapétaragasztók gyártása is ennek az anyagnak a felhasználási területei.

A maximális mennyiségű keményítőt tartalmazó növények között megkülönböztethetjük:

• kukorica;
• burgonya;
• rizs;
• búza;
• manóka;
• zab;
• hajdina;
• banán;
• cirok.

E biopolimer alapján kenyeret sütnek, tésztát készítenek, kisseleket, gabonapelyheket és egyéb élelmiszereket főznek.

Pulp

Kémiai szempontból ez az anyag egy polimer, amelynek összetételét a következő képlet fejezi ki: (C₆H_{5 O} 5_{) . A lánc monomer láncszeme a béta-glükóz. A cellulóztartalom fő helyei a növények sejtfalai. Ezért a fa értékes forrása ennek a vegyületnek.}

A cellulóz természetes polimer, amelynek lineáris térszerkezete van. A következő típusú termékek előállításához használják:

• pép- és papírtermékek;
• műszőrme;
• különböző típusú mesterséges szálak;
• pamut;
• műanyag;
• füstmentes por;
• filmszalagok és így tovább.

Ipari jelentősége nyilvánvalóan nagy. Ahhoz, hogy egy adott vegyületet fel lehessen használni a termelésben, először ki kell vonni a növényekből. Ez a fa hosszú távú főzésével történik speciális eszközökben. A további feldolgozás, valamint az emésztéshez használt reagensek eltérőek. Számos módja van:

• szulfit;
• nitrát;
• nátrium;
• szulfát.

A kezelés után a termék még tartalmazszennyeződéseket. Lignin és hemicellulóz alapú. Hogy megszabaduljunk tőlük, a masszát klórral vagy lúggal kezeljük.

Az emberi szervezetben nincsenek olyan biológiai katalizátorok, amelyek képesek lennének lebontani ezt az összetett biopolimert. Néhány állat (növényevő) azonban alkalmazkodott ehhez. Vannak bizonyos baktériumok a gyomrukban, amelyek ezt teszik helyettük. Cserébe a mikroorganizmusok energiát kapnak az élethez és az élőhelyhez. A szimbiózisnak ez a formája rendkívül előnyös mindkét fél számára.

Gumi

Ez egy értékes gazdasági jelentőségű természetes polimer. Először Robert Cook írta le, aki egyik utazása során fedezte fel. Ez így történt. Miután egy számára ismeretlen bennszülöttek lakta szigeten landolt, vendégszeretően fogadták. Figyelmét felkeltették a helyi gyerekek, akik egy szokatlan tárggyal játszottak. Ez a gömb alakú test felpattant a padlóról, majd a magasba pattant, majd visszatért.

Miután megkérdezte a helyi lakosságot, hogy miből készült ez a játék, Cook megtudta, hogy az egyik fa, a hevea leve ilyen módon megkeményedik. Jóval később kiderült, hogy ez a gumi biopolimer.

Ennek a vegyületnek a kémiai természete ismert – ez az izoprén, amely természetes polimerizáción ment keresztül. A gumi képlete: (С₅Н₈) . Tulajdonságai, amelyek miatt olyan nagyra értékelik, a következők:

• rugalmasság;
• kopásálló;
• elektromos szigetelés;
• vízálló.

Azonban vannak hátrányai is. Hidegben törékennyé válik, melegben pedig ragadóssá és viszkózussá válik. Ezért vált szükségessé mesterséges vagy szintetikus bázis analógjainak szintetizálása. Ma a gumit széles körben használják műszaki és ipari célokra. Az ezek alapján készült legfontosabb termékek:

• gumi;
• ebonites.

Amber

Természetes polimer, mert szerkezetében gyanta, fosszilis formája. A térszerkezet egy keretamorf polimer. Nagyon gyúlékony, gyufalánggal meggyújtható. Lumineszcens tulajdonságokkal rendelkezik. Ez egy nagyon fontos és értékes minőség, amelyet az ékszerekben használnak. A borostyán alapú ékszerek nagyon szépek és keresettek.

Ezt a biopolimert gyógyászati célokra is használják. Csiszolópapír, lakkbevonatok készítésére is használják különféle felületekre.