Naturlig polymer - formel og anvendelse

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 05:21

De fleste af nutidens byggematerialer, medicin, stoffer, husholdningsartikler, emballage og forbrugsstoffer er polymerer. Dette er en hel gruppe af forbindelser, der har karakteristiske kendetegn. Der er mange af dem, men på trods af dette fortsætter antallet af polymerer med at vokse. Syntetiske kemikere opdager jo årligt flere og flere nye stoffer. Samtidig var det den naturlige polymer, der til enhver tid var af særlig betydning. Hvad er disse fantastiske molekyler? Hvad er deres egenskaber, og hvad er funktionerne? Vi vil besvare disse spørgsmål i løbet af artiklen.

Polymerer: generelle karakteristika

Fra et kemisynspunkt anses en polymer for at være et molekyle med en enorm molekylvægt: fra flere tusinde til millioner af enheder. Men ud over denne egenskab er der flere flere, som stoffer kan klassificeres præcist som naturlige og syntetiske polymerer. Dette er:

• konstant gentagne monomere enheder, der er forbundet gennem forskellige interaktioner;
• graden af polymerase (dvs. antallet af monomerer) bør være megethøj, ellers vil forbindelsen blive betragtet som en oligomer;
• visst rumlig orientering af et makromolekyle;
• et sæt vigtige fysiske og kemiske egenskaber, der er unikke for denne gruppe.

Generelt er et stof af polymer karakter ret let at skelne fra andre. Man skal kun se på hans formel for at forstå den. Et typisk eksempel er den velkendte polyethylen, der er meget brugt i hverdagen og industrien. Det er produktet af en polymerisationsreaktion, hvor den umættede carbonhydrid ethen eller ethylen kommer ind. Reaktionen i generel form er skrevet som følger:

nCH₂=CH₂→(-CH-CH-) , hvor n er graden af polymerisation af molekyler, der viser hvor mange monomere enheder der er inkluderet i dets sammensætning.

Også som et eksempel kan man nævne en naturlig polymer, som er velkendt af alle, det er stivelse. Derudover hører amylopektin, cellulose, kyllingeprotein og mange andre stoffer til denne gruppe af forbindelser.

Reaktioner, der kan danne makromolekyler, er af to typer:

• polymerisation;
• polykondensering.

Forskellen er, at i det andet tilfælde har interaktionsprodukterne lav molekylvægt. Strukturen af polymeren kan være anderledes, det afhænger af de atomer, der danner den. Lineære former findes ofte, men der er også tredimensionelle masker, som er meget komplekse.

Hvis vi taler om de kræfter og interaktioner, der holder monomerenheder sammen, så kan vi identificere flere grundlæggende:

• Van Der Waalsstyrke;
• kemiske bindinger (kovalente, ioniske);
• elektrostatisk interaktion.

Alle polymerer kan ikke kombineres i én kategori, da de har en helt anden karakter, dannelsesmetode og udfører forskellige funktioner. Deres egenskaber er også forskellige. Derfor er der en klassificering, der giver dig mulighed for at opdele alle repræsentanter for denne gruppe af stoffer i forskellige kategorier. Det kan være baseret på flere tegn.

Klassificering af polymerer

Hvis vi tager udgangspunkt i den kvalitative sammensætning af molekylerne, så kan alle de stoffer, der overvejes, opdeles i tre grupper.

1. Organisk - disse er dem, der omfatter atomer af kulstof, brint, svovl, oxygen, fosfor, nitrogen. Det vil sige de elementer, der er biogene. Der er mange eksempler: polyethylen, polyvinylchlorid, polypropylen, viskose, nylon, naturlig polymer - protein, nukleinsyrer og så videre.
2. Elementalorganic - dem, der indeholder et uvedkommende uorganisk og ikke-biogent element. Oftest er det silicium, aluminium eller titanium. Eksempler på sådanne makromolekyler: organisk glas, glaspolymerer, kompositmaterialer.
3. Uorganisk - kæden er baseret på siliciumatomer, ikke kulstof. Radikaler kan også være en del af sidegrene. De blev opdaget for ganske nylig, i midten af det 20. århundrede. Anvendes i medicin, byggeri, teknik og andre industrier. Eksempler: silikone, cinnober.

Hvis du adskiller polymerer efter oprindelse, kan duvælg tre af deres grupper.

1. Naturlige polymerer, hvis brug har været udbredt siden antikken. Disse er sådanne makromolekyler, til hvis skabelse en person ikke gjorde nogen indsats. De er produkter af naturens reaktioner. Eksempler: silke, uld, protein, nukleinsyrer, stivelse, cellulose, læder, bomuld osv.
2. Kunstig. Disse er makromolekyler, der er skabt af mennesket, men baseret på naturlige analoger. Det vil sige, at egenskaberne af en allerede eksisterende naturlig polymer simpelthen forbedres og ændres. Eksempler: kunstigt gummi, gummi.
3. Syntetisk - disse er polymerer, som kun en person deltager i. Der er ingen naturlige analoger til dem. Forskere udvikler metoder til syntese af nye materialer, der ville have forbedret tekniske egenskaber. Sådan fødes syntetiske polymerforbindelser af forskellig art. Eksempler: polyethylen, polypropylen, viskose, acetatfiber osv.

Der er endnu en funktion, der ligger til grund for opdelingen af de betragtede stoffer i grupper. Disse er reaktivitet og termisk stabilitet. Der er to kategorier for denne parameter:

• termoplast;
• termoset.

Den ældste, vigtigste og særligt værdifulde er stadig en naturlig polymer. Dens egenskaber er unikke. Derfor vil vi yderligere overveje denne særlige kategori af makromolekyler.

Hvilket stof er en naturlig polymer?

For at besvare dette spørgsmål, lad os først se os omkring. Hvad omgiver os?Levende organismer omkring os, der fodrer, ånder, formerer sig, blomstrer og producerer frugter og frø. Og hvad repræsenterer de fra et molekylært synspunkt? Disse er forbindelser som:

• proteiner;
• nukleinsyrer;
• polysaccharider.

Så hver af disse forbindelser er en naturlig polymer. Det viser sig således, at livet omkring os kun eksisterer på grund af tilstedeværelsen af disse molekyler. Siden oldtiden har folk brugt ler, byggeblandinger og mørtler til at styrke og skabe et hjem, vævet garn af uld og brugt bomuld, silke, uld og dyrehud til at skabe tøj. Naturlige organiske polymerer fulgte mennesket på alle stadier af dets dannelse og udvikling og hjalp det på mange måder med at opnå de resultater, vi har i dag.

Naturen selv gav alt for at gøre folks liv så behageligt som muligt. Over tid blev gummi opdaget, dets bemærkelsesværdige egenskaber blev afklaret. Mennesket har lært at bruge stivelse til fødevareformål og cellulose til tekniske formål. Kamfer er også en naturlig polymer, som også har været kendt siden oldtiden. Harpikser, proteiner, nukleinsyrer er alle eksempler på forbindelser under overvejelse.

Struktur af naturlige polymerer

Ikke alle repræsentanter for denne klasse af stoffer har samme struktur. Naturlige og syntetiske polymerer kan således afvige betydeligt. Deres molekyler er orienteret på en sådan måde, at det er mest fordelagtigt og bekvemt at eksistere ud fra et energisynspunkt. Samtidig er mange naturlige arter i stand til at svulme op, og deres struktur ændrer sig i processen. Der er flere mest almindelige varianter af kædestrukturen:

• lineær;
• forgrenet;
• stjerneformet;
• flad;
• mesh;
• bånd;
• kamformet.

Kunstige og syntetiske repræsentanter for makromolekyler har en meget stor masse, et stort antal atomer. De er skabt med specielt specificerede egenskaber. Derfor blev deres struktur oprindeligt planlagt af mennesker. Naturlige polymerer er oftest enten lineære eller retikulerede i struktur.

Eksempler på naturlige makromolekyler

Naturlige og kunstige polymerer er meget tæt på hinanden. Den første bliver trods alt grundlaget for skabelsen af den anden. Der er mange eksempler på sådanne transformationer. Her er nogle af dem.

1. Almindelig mælkehvid plast er et produkt opnået ved at behandle cellulose med salpetersyre med tilsætning af naturlig kamfer. Polymerisationsreaktionen får den resulterende polymer til at størkne og blive det ønskede produkt. Og blødgøringsmidlet - kamfer, gør det i stand til at blive blødt, når det opvarmes og ændre sin form.
2. Acetatsilke, kobber-ammoniakfiber, viskose er alle eksempler på de tråde, fibre, der er fremstillet af cellulose. Stoffer lavet af naturligt bomuld og hør er ikke så holdbare, ikke skinnende, let krøllede. Men de kunstige analoger af dem er blottet for disse mangler, hvilket gør brugen meget attraktiv.
3. Kunstige sten, byggematerialer, blandinger, lædererstatninger erSe også eksempler på polymerer afledt af naturlige råmaterialer.

Stoffet, som er en naturlig polymer, kan også bruges i sin egentlige form. Der er også mange sådanne eksempler:

• kolofonium;
• rav;
• stivelse;
• amylopectin;
• cellulose;
• pels;
• uld;
• bomuld;
• silke;
• cement;
• ler;
• lime;
• proteiner;
• nukleinsyrer og så videre.

Selvfølgelig er den klasse af forbindelser, vi overvejer, meget talrig, praktisk vigtig og betydningsfuld for mennesker. Lad os nu se nærmere på flere repræsentanter for naturlige polymerer, som er meget efterspurgte på nuværende tidspunkt.

Silke og uld

Formlen for naturlig silkepolymer er kompleks, fordi dens kemiske sammensætning udtrykkes af følgende komponenter:

• fibroin;
• sericin;
• voks;
• fats.

Selve hovedproteinet, fibroin, indeholder flere typer aminosyrer. Hvis du forestiller dig dens polypeptidkæde, vil den se nogenlunde sådan ud: (-NH-CH₂-CO-NH-CH(CH₃)- CO-NH-CH₂-CO-)_n. Og dette er kun en del af det. Hvis vi forestiller os, at et lige så komplekst sericinproteinmolekyle er knyttet til denne struktur ved hjælp af van der Waals-kræfter, og de sammen blandes til en enkelt konformation med voks og fedtstoffer, så er det klart, hvorfor det er svært at afbilde formlen af naturlig silke.

For i dagI dag er det meste af dette produkt leveret af Kina, fordi der i dets åbne rum er et naturligt levested for hovedproducenten - silkeormen. Tidligere, fra de ældste tider, blev naturlig silke højt værdsat. Kun ædle, rige mennesker havde råd til tøj fra det. I dag lader mange egenskaber ved dette stof meget tilbage at ønske. For eksempel er det stærkt magnetiseret og rynket, derudover mister det sin glans og falmer ved udsættelse for solen. Derfor er kunstige derivater baseret på det mere i brug.

Uld er også en naturlig polymer, da det er et affaldsprodukt fra dyrs hud og talgkirtler. Ud fra dette proteinprodukt fremstilles strik, der ligesom silke er et værdifuldt materiale.

Stivelse

Naturlig polymerstivelse er et affaldsprodukt fra planter. De producerer det som et resultat af fotosynteseprocessen og akkumuleres i forskellige dele af kroppen. Dens kemiske sammensætning:

• amylopectin;
• amylose;
• alpha-glucose.

Stivelsens rumlige struktur er meget forgrenet, uordnet. Takket være amylopectinet, der er inkluderet i sammensætningen, er det i stand til at svulme i vand og bliver til en såkaldt pasta. Denne kolloide løsning bruges i teknik og industri. Medicin, fødevareindustrien, fremstilling af tapetklæbemidler er også anvendelsesområder for dette stof.

Blandt planter, der indeholder den maksimale mængde stivelse, kan vi skelne:

• corn;
• kartoffel;
• ris;
• wheat;
• cassava;
• havre;
• boghvede;
• bananer;
• sorghum.

Baseret på denne biopolymer, bages brød, laves pasta, koges kysser, korn og andre fødevarer.

Pulp

Fra et kemisynspunkt er dette stof en polymer, hvis sammensætning er udtrykt ved formlen (C₆H_{5 O} 5_{) . Det monomere led i kæden er beta-glucose. De vigtigste steder med celluloseindhold er planters cellevægge. Derfor er træ en værdifuld kilde til denne forbindelse.}

Cellulose er en naturlig polymer, der har en lineær rumlig struktur. Det bruges til at fremstille følgende typer produkter:

• masse- og papirprodukter;
• imiteret pels;
• forskellige typer kunstige fibre;
• bomuld;
• plastik;
• røgfrit pulver;
• filmstrimler og så videre.

Dets industrielle betydning er naturligvis stor. For at en given forbindelse kan bruges i produktionen, skal den først udvindes fra planter. Dette gøres ved langtidskogning af træ i specielle apparater. Yderligere forarbejdning, såvel som de reagenser, der anvendes til fordøjelse, varierer. Der er flere måder:

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

Efter denne behandling indeholder produktet stadigurenheder. Den er baseret på lignin og hemicellulose. For at slippe af med dem behandles massen med klor eller alkali.

I den menneskelige krop er der ingen sådanne biologiske katalysatorer, der ville være i stand til at nedbryde denne komplekse biopolymer. Nogle dyr (planteædere) har dog tilpasset sig dette. De har visse bakterier i maven, der gør det for dem. Til gengæld får mikroorganismer energi til liv og levesteder. Denne form for symbiose er yderst gavnlig for begge parter.

Gummi

Dette er en naturlig polymer af værdifuld økonomisk betydning. Det blev først beskrevet af Robert Cook, som opdagede det på en af sine rejser. Det skete sådan her. Efter at have landet på en ø beboet af indfødte ukendte for ham, blev han gæstfrit modtaget af dem. Hans opmærksomhed blev tiltrukket af lokale børn, der legede med en usædvanlig genstand. Denne kugleformede krop sparkede fra gulvet og hoppede højt op og vendte derefter tilbage.

Efter at have spurgt den lokale befolkning om, hvad dette legetøj var lavet af, fandt Cook ud af, at saften fra et af træerne, heveaen, hærder på denne måde. Meget senere blev det fundet ud af, at dette er gummibiopolymeren.

Den kemiske natur af denne forbindelse er kendt - det er isopren, der har gennemgået naturlig polymerisering. Gummiformlen er (С₅Н₈) . Dens egenskaber, der gør den så højt respekteret, er som følger:

• elasticity;
• slidstærkt;
• elektrisk isolering;
• vandtæt.

Der er dog også ulemper. I kulden bliver den skør og skør, og i varmen bliver den klistret og tyktflydende. Derfor blev det nødvendigt at syntetisere analoger af en kunstig eller syntetisk base. I dag er gummier meget brugt til tekniske og industrielle formål. De vigtigste produkter baseret på dem:

• gummi;
• ebonitter.

Amber

Det er en naturlig polymer, fordi den i sin struktur er en harpiks, dens fossile form. Den rumlige struktur er en rammeamorf polymer. Den er meget brandfarlig og kan antændes med en tændstikflamme. Det har luminescensegenskaber. Dette er en meget vigtig og værdifuld kvalitet, der bruges i smykker. Smykker baseret på rav er meget smukke og efterspurgte.

Denne biopolymer bruges desuden også til medicinske formål. Det bruges også til at lave sandpapir, lakbelægninger til forskellige overflader.