Naturlig polymer - formel och tillämpning

2024 Författare: Angel Austin | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 05:42

De flesta av dagens byggmaterial, mediciner, tyger, hushållsartiklar, förpackningar och förbrukningsvaror är polymerer. Detta är en hel grupp föreningar som har karakteristiska utmärkande egenskaper. Det finns många av dem, men trots detta fortsätter antalet polymerer att växa. När allt kommer omkring upptäcker syntetiska kemister årligen fler och fler nya ämnen. Samtidigt var det den naturliga polymeren som alltid var av särskild betydelse. Vilka är dessa fantastiska molekyler? Vilka är deras egenskaper och vilka är egenskaperna? Vi kommer att svara på dessa frågor under artikelns gång.

Polymerer: allmänna egenskaper

Ur kemisynpunkt anses en polymer vara en molekyl med en enorm molekylvikt: från flera tusen till miljoner enheter. Men utöver denna egenskap finns det flera fler genom vilka ämnen kan klassificeras exakt som naturliga och syntetiska polymerer. Det här är:

• ständigt upprepande monomera enheter som är sammankopplade genom olika interaktioner;
• graden av polymeras (dvs. antalet monomerer) bör vara myckethög, annars kommer föreningen att betraktas som en oligomer;
• viss rumslig orientering av en makromolekyl;
• en uppsättning viktiga fysikaliska och kemiska egenskaper som är unika för denna grupp.

I allmänhet är ett ämne av polymer natur ganska lätt att skilja från andra. Man behöver bara titta på hans formel för att förstå den. Ett typiskt exempel är den välkända polyetenen, som används flitigt i vardagen och industrin. Det är produkten av en polymerisationsreaktion där det omättade kolvätet eten eller eten kommer in. Reaktionen i allmän form skrivs så här:

nCH₂=CH₂→(-CH-CH-) , där n är graden av polymerisation av molekyler, vilket visar hur många monomera enheter som ingår i dess sammansättning.

Också, som ett exempel, kan man nämna en naturlig polymer, som är välkänd för alla, det är stärkelse. Dessutom tillhör amylopektin, cellulosa, kycklingprotein och många andra ämnen denna grupp av föreningar.

Reaktioner som kan bilda makromolekyler är av två typer:

• polymerisation;
• polykondensation.

Skillnaden är att i det andra fallet har interaktionsprodukterna låg molekylvikt. Strukturen på polymeren kan vara olika, det beror på atomerna som bildar den. Linjära former finns ofta, men det finns också tredimensionella maskor, som är mycket komplexa.

Om vi talar om krafterna och interaktionerna som håller samman monomerenheter, då kan vi identifiera flera grundläggande:

• Van Der Waalsstyrka;
• kemiska bindningar (kovalenta, joniska);
• elektrostatisk interaktion.

Alla polymerer kan inte kombineras till en kategori, eftersom de har en helt annan karaktär, formningsmetod och har olika funktioner. Deras egenskaper skiljer sig också åt. Därför finns det en klassificering som gör att du kan dela in alla representanter för denna grupp av ämnen i olika kategorier. Det kan baseras på flera tecken.

Klassificering av polymerer

Om vi tar den kvalitativa sammansättningen av molekylerna som utgångspunkt, kan alla ämnen i fråga delas in i tre grupper.

1. Ekologiskt – det här är de som innehåller atomer av kol, väte, svavel, syre, fosfor, kväve. Det vill säga de grundämnen som är biogena. Det finns många exempel: polyeten, polyvinylklorid, polypropen, viskos, nylon, naturlig polymer - protein, nukleinsyror och så vidare.
2. Elementalorganic - de som innehåller något främmande oorganiskt och icke-biogent element. Oftast är det kisel, aluminium eller titan. Exempel på sådana makromolekyler: organiskt glas, glaspolymerer, kompositmaterial.
3. Oorganisk - kedjan är baserad på kiselatomer, inte kol. Radikaler kan också vara en del av sidogrenar. De upptäcktes ganska nyligen, i mitten av 1900-talet. Används inom medicin, konstruktion, verkstadsindustri och andra industrier. Exempel: silikon, cinnober.

Om du separerar polymerer efter ursprung kan duvälj tre av deras grupper.

1. Naturliga polymerer, vars användning har använts i stor utsträckning sedan antiken. Dessa är sådana makromolekyler, för skapandet av vilka en person inte gjorde några ansträngningar. De är produkter av naturens reaktioner. Exempel: siden, ull, protein, nukleinsyror, stärkelse, cellulosa, läder, bomull, etc.
2. Konstgjord. Dessa är makromolekyler som skapas av människan, men baserade på naturliga analoger. Det vill säga att egenskaperna hos en redan existerande naturlig polymer helt enkelt förbättras och förändras. Exempel: konstgjort gummi, gummi.
3. Syntetiska - dessa är polymerer i skapandet av vilka endast en person deltar. Det finns inga naturliga analoger för dem. Forskare utvecklar metoder för syntes av nya material som skulle ha förbättrat tekniska egenskaper. Så föds syntetiska polymerföreningar av olika slag. Exempel: polyeten, polypropen, viskos, acetatfiber, etc.

Det finns ytterligare en funktion som ligger till grund för uppdelningen av de aktuella ämnena i grupper. Dessa är reaktivitet och termisk stabilitet. Det finns två kategorier för denna parameter:

• termoplast;
• termoset.

Den äldsta, viktigaste och särskilt värdefulla är fortfarande en naturlig polymer. Dess egenskaper är unika. Därför kommer vi att överväga denna speciella kategori av makromolekyler.

Vilket ämne är en naturlig polymer?

För att svara på den här frågan, låt oss först se oss omkring. Vad omger oss?Levande organismer omkring oss som matar, andas, reproducerar, blommar och producerar frukter och frön. Och vad representerar de ur molekylär synvinkel? Det här är anslutningar som:

• proteins;
• nukleinsyror;
• polysackarider.

Så, var och en av dessa föreningar är en naturlig polymer. Således visar det sig att livet omkring oss endast existerar på grund av närvaron av dessa molekyler. Sedan urminnes tider har man använt lera, byggnadsblandningar och murbruk för att stärka och skapa ett hem, vävt garn av ull och använt bomull, siden, ull och djurhud för att skapa kläder. Naturliga organiska polymerer följde människan i alla stadier av hennes bildning och utveckling och hjälpte henne på många sätt att uppnå de resultat som vi har idag.

Naturen själv gav allt för att göra människors liv så bekväma som möjligt. Med tiden upptäcktes gummi, dess anmärkningsvärda egenskaper klargjordes. Människan har lärt sig att använda stärkelse för livsmedelsändamål och cellulosa för tekniska ändamål. Kamfer är också en naturlig polymer, som också har varit känd sedan urminnes tider. Hartser, proteiner, nukleinsyror är alla exempel på föreningar som övervägs.

Struktur av naturliga polymerer

Alla representanter för denna klass av ämnen har inte samma struktur. Således kan naturliga och syntetiska polymerer skilja sig avsevärt. Deras molekyler är orienterade på ett sådant sätt att det är mest fördelaktigt och bekvämt att existera ur energisynpunkt. Samtidigt kan många naturliga arter svälla och deras struktur förändras i processen. Det finns flera vanligaste varianter av kedjestrukturen:

• linjär;
• branched;
• stjärnformad;
• platt;
• mesh;
• tape;
• kamformad.

Konstgjorda och syntetiska representanter för makromolekyler har en mycket stor massa, ett stort antal atomer. De skapas med speciellt specificerade egenskaper. Därför var deras struktur ursprungligen planerad av människan. Naturliga polymerer är oftast antingen linjära eller retikulerade i strukturen.

Exempel på naturliga makromolekyler

Naturliga och konstgjorda polymerer ligger väldigt nära varandra. När allt kommer omkring blir den första grunden för skapandet av den andra. Det finns många exempel på sådana transformationer. Här är några av dem.

1. Vanlig mjölkvit plast är en produkt som erhålls genom att behandla cellulosa med salpetersyra med tillsats av naturlig kamfer. Polymerisationsreaktionen gör att den resulterande polymeren stelnar och blir den önskade produkten. Och mjukgöraren - kamfer, gör att den kan mjukna när den värms upp och ändra form.
2. Acetatsilke, koppar-ammoniakfiber, viskos är alla exempel på dessa trådar, fibrer som erhålls från cellulosa. Tyger gjorda av naturlig bomull och linne är inte så hållbara, inte glänsande, lätt skrynkliga. Men de konstgjorda analogerna av dem saknar dessa brister, vilket gör användningen mycket attraktiv.
3. Konstgjorda stenar, byggmaterial, blandningar, läderersättningar ärSe även exempel på polymerer som härrör från naturliga råvaror.

Ämnet, som är en naturlig polymer, kan också användas i sin verkliga form. Det finns också många sådana exempel:

• kolofonium;
• amber;
• stärkelse;
• amylopektin;
• cellulosa;
• päls;
• ull;
• bomull;
• silk;
• cement;
• lera;
• lime;
• proteins;
• nukleinsyror och så vidare.

Självklart är den klass av föreningar vi överväger väldigt många, praktiskt taget viktiga och betydelsefulla för människor. Låt oss nu titta närmare på flera representanter för naturliga polymerer, som är mycket efterfrågade för närvarande.

Silke och ull

Formeln för naturlig silkespolymer är komplex, eftersom dess kemiska sammansättning uttrycks av följande komponenter:

• fibroin;
• sericin;
• vaxer;
• fats.

Själva huvudproteinet, fibroin, innehåller flera typer av aminosyror. Om du föreställer dig dess polypeptidkedja kommer den att se ut ungefär så här: (-NH-CH₂-CO-NH-CH(CH₃)- CO-NH-CH₂-CO-)_n. Och detta är bara en del av det. Om vi föreställer oss att en lika komplex sericinproteinmolekyl är fäst vid denna struktur med hjälp av van der Waals krafter, och tillsammans blandas de till en enda konformation med vax och fetter, så är det tydligt varför det är svårt att skildra formeln av naturligt siden.

För idagIdag levereras det mesta av denna produkt av Kina, eftersom det i dess öppna ytor finns en naturlig livsmiljö för huvudproducenten - silkesmasken. Tidigare, från de äldsta tiderna, värderades naturligt siden högt. Endast ädla, rika människor hade råd med kläder från den. Idag lämnar många egenskaper hos detta tyg mycket övrigt att önska. Till exempel är den starkt magnetiserad och skrynklig, dessutom tappar den sin lyster och bleknar av exponering för solen. Därför är artificiella derivat baserade på det mer i användning.

Ull är också en naturlig polymer, eftersom det är en avfallsprodukt från huden och talgkörtlarna på djur. Baserat på denna proteinprodukt tillverkas stickat, som liksom siden är ett värdefullt material.

Stärkelse

Naturlig polymerstärkelse är en restprodukt från växter. De producerar det som ett resultat av fotosyntesprocessen och ackumuleras i olika delar av kroppen. Dess kemiska sammansättning:

• amylopektin;
• amylose;
• alfa-glukos.

Stärkelsens rumsliga struktur är mycket grenad, oordnad. Tack vare amylopektinet som ingår i kompositionen kan det svälla i vatten och förvandlas till en så kallad pasta. Denna kolloidala lösning används inom teknik och industri. Medicin, livsmedelsindustrin, tillverkning av tapetklister är också användningsområden för detta ämne.

Bland växter som innehåller den maximala mängden stärkelse kan vi urskilja:

• majs;
• potatis;
• ris;
• wheat;
• cassava;
• havre;
• bovete;
• bananer;
• sorghum.

Baserat på denna biopolymer, bakas bröd, tillverkas pasta, tillagas kiss, flingor och andra livsmedelsprodukter.

Pulp

Från kemisynpunkt är detta ämne en polymer, vars sammansättning uttrycks av formeln (C₆H_{5 O} 5_{) . Den monomera länken i kedjan är beta-glukos. De huvudsakliga platserna för cellulosainnehåll är växternas cellväggar. Det är därför trä är en värdefull källa till denna förening.}

Cellulosa är en naturlig polymer som har en linjär rumslig struktur. Den används för att tillverka följande typer av produkter:

• massa- och pappersprodukter;
• fuskpäls;
• olika typer av konstgjorda fibrer;
• bomull;
• plaster;
• rökfritt pulver;
• filmremsor och så vidare.

Självklart är dess industriella betydelse stor. För att en given förening ska kunna användas i produktionen måste den först utvinnas från växter. Detta görs genom långtidskokning av ved i speciella anordningar. Ytterligare bearbetning, liksom de reagens som används för rötning, varierar. Det finns flera sätt:

• sulfit;
• nitrat;
• natrium;
• sulfat.

Efter denna behandling innehåller produkten fortfarandeföroreningar. Den är baserad på lignin och hemicellulosa. För att bli av med dem behandlas massan med klor eller alkali.

I människokroppen finns det inga sådana biologiska katalysatorer som skulle kunna bryta ner denna komplexa biopolymer. Vissa djur (växtätare) har dock anpassat sig till detta. De har vissa bakterier i magen som gör det åt dem. I gengäld får mikroorganismer energi för liv och livsmiljö. Denna form av symbios är extremt fördelaktig för båda parter.

Gummi

Detta är en naturlig polymer av värdefull ekonomisk betydelse. Den beskrevs först av Robert Cook, som upptäckte den på en av sina resor. Det hände så här. Efter att ha landat på en ö bebodd av infödda okända för honom, togs han gästvänligt emot av dem. Hans uppmärksamhet lockades av lokala barn som lekte med ett ovanligt föremål. Den här sfäriska kroppen sparkade av golvet och studsade högt upp och kom sedan tillbaka.

Efter att ha frågat lokalbefolkningen om vad den här leksaken var gjord av fick Cook veta att saften från ett av träden, hevea, stelnar på detta sätt. Långt senare fick man reda på att detta är gummibiopolymeren.

Den här föreningens kemiska natur är känd - det är isopren som har genomgått naturlig polymerisation. Gummiformeln är (С₅Н₈) . Dess egenskaper som gör den så högt ansedd är följande:

• elasticity;
• slitstark;
• elektrisk isolering;
• vattentät.

Det finns dock också nackdelar. I kylan blir den skör och skör, och i värmen blir den klibbig och trögflytande. Det är därför det blev nödvändigt att syntetisera analoger av en konstgjord eller syntetisk bas. Idag används gummi i stor utsträckning för tekniska och industriella ändamål. De viktigaste produkterna baserade på dem:

• gummi;
• ebonites.

Amber

Det är en naturlig polymer, eftersom det i sin struktur är ett harts, dess fossila form. Den rumsliga strukturen är en amorf rampolymer. Den är mycket brandfarlig och kan antändas med en tändstickslåga. Den har luminescensegenskaper. Detta är en mycket viktig och värdefull kvalitet som används i smycken. Smycken baserade på bärnsten är väldigt vackra och efterfrågade.

Dessutom används denna biopolymer även för medicinska ändamål. Den används också för att göra sandpapper, lackbeläggningar för olika ytor.