Мягкая часть растений и животных в основном содержит целлюлозу. Именно целлюлоза придает растениям гибкость. Целлюлоза (клетчатка) – растительный полисахарид, являющийся самым распространенным органическим веществом на Земле
Практически все зеленые растения вырабатывают целлюлозу для своих потребностей. В ее состав входят те же элементы, что и в сахар, а именно: углерод, водород и кислород. Эти элементы присутствуют в воздухе и воде. Сахар образуется в листьях и, растворяясь в соке, распространяется по всему растению. Основная часть сахара идет на содействие росту растений и на восстановительные работы, остальной сахар превращается в целлюлозу. Растение использует ее для создания оболочки новых клеток.
Растворение целлюлозы в реактиве Швейцера
Что такое целлюлоза?
Целлюлоза - один из тех естественных продуктов, которые практически невозможно получить искусственно. Но мы используем ее в различных областях. Человек получает целлюлозу из растений даже после их отмирания и полного отсутствия в них влаги. Например, дикий хлопок - эта одна из самых чистых форм натуральной целлюлозы, которую человек использует при изготовлении одежды.
Целлюлоза входит в состав растений, применяемых человеком в качестве продуктов питания - салата, сельдерея, а также отрубей. Организм человека не в состоянии переварить целлюлозу, однако она полезна как «грубые корма» в его диете. В желудке некоторых животных, например овец, верблюдов, имеются бактерии, которые позволяют этим животным переваривать целлюлозу.
Осаждение целлюлозы кислотой
Целлюлоза — ценное сырье
Целлюлоза является ценным сырьем, из которого человек получает различные изделия. Хлопок, на 99,8 % состоящий из целлюлозы, представляет собой замечательный пример того, что человек может произвести из целлюлозного волокна. Если хлопок обработать смесью азотной и серной кислоты, мы получим пироксилин, являющийся взрывчатым веществом.
После различной химической обработки целлюлозы из нее можно получить и другие изделия. Среди них: основа для фотопленки, добавки для лаков, волокна вискозы для производства тканей, целлофан и другие пластические материалы. Целлюлоза также применяется при изготовлении бумаги.
Для чего нужна целлюлоза?
Целлюлоза – это главный материал для строительства, который используется в растительном мире . Она образует клеточные стенки высших растений, например таких, как деревья. Она делает растение гибким. Целлюлоза вырабатывается растениями для их потребностей. Ее состав идентичен составу сахара – целлюлоза состоит из углерода, кислорода и водорода. Все эти элементы есть также в воде и воздухе. Еще со школы всем известно, что под действием солнца на листьях образуется сахар. Это явление называется фотосинтезом. Сахар растворяется в соке растения и распространяется во все его части. В основном сахар используется растением для его роста и восстановления в случае каких-то неполадок, но есть некая доля сахара, которая превращается в целлюлозу.Целлюлоза – натуральный продукт, и его можно получить только естественным способом , искусственно он не синтезируется. Самая чистая форма целлюлозы – это волоски семян хлопчатника. Сейчас целлюлозу получают только из двух видов природного сырья – из хлопка и из древесной массы. Хлопок не нуждается в сложном процессе обработки для того, чтобы изготовить из него впоследствии искусственные волокна и неволокнистый пластик. Процесс получения целлюлозы из хлопка представляет собой следующий процесс: от хлопкового семени сначала отделяются длинные волокна, которые, собственно, и используются для того, чтобы изготовить хлопчатобумажные ткани. После этого остается «линт» или хлопковый пух, который представляет собой короткие волоски длиной не более 15 мм. Линт, будучи отделенным от хлопкового семени, нагревают под давлением от двух до шести часов. При этом еще используется 3%-й раствор гидроксида натрия. После этого полученный материал промывают и отбеливают с помощью хлора, потом снова промывают и высушивают. В итоге получается целлюлоза, чистота которой 99%. Это наиболее чистая целлюлоза.
Из древесной массы получается целлюлоза более «грязная» - в ней не более 97% чистой целлюлозы. Древесная масса изготавливается из хвойных деревьев. Древесную щепу варят под давлением, добавляя диоксид серы и бисульфит кальция. Лигнины и углеводороды, из которых древесная масса состоит примерно наполовину, при этом выделяются в раствор. В итоге, после того, как полученный материал промыли, отбелили и очистили, получается что-то похожее на рыхлую бумагу. Этот материал содержит в себе от 80 до 97% целлюлозы. Полученная таким образом целлюлоза может быть использована для того, чтобы получить из нее вискозное волокно и целлофан. Кроме этого, из нее получаются также сложные и простые эфиры.
Человек использует целлюлозу в разных отраслях промышленности.. Например, из хлопка шьют одежду, а ведь хлопок состоит на 99,8% из натуральной целлюлозы. А для того, чтобы получить взрывчатое вещество пироксилин, нужно всего лишь провести химическую реакцию – нанести на хлопок азотную и серную кислоту.
Целлюлозу человек использует и для питания. Она входит в состав многих съедобных растений – салат, сельдерей. Отруби содержат большое количество необходимой организму человека целлюлозы. Несмотря на то, что целлюлоза не может быть переработана человеческой пищеварительной системой, она представляет что-то вроде «грубых кормов». Кроме этого, после обработки из целлюлозы можно получить и такие изделия, как основу для фотопленки, добавку для лаков, различные пластические материалы..
Ставшие привычными для нас обыденные предметы, которые повсеместно встречаются в нашей повседневной жизни, невозможно было бы представить без использования продуктов органической химии. Задолго до Ансельма Пайя, в результате которых он смог обнаружит и описать в 1838 году полисахарид, получивший "целлюлоза" (производная французского cellulose и латинского cellula, что означает «клетка, клетушка»), свойство этого вещества активно использовалось в производстве самых незаменимых вещей.
Расширение знаний о целлюлозе привело к появлению самых разнообразных вещей, изготовленных на её основе. Бумага различных сортов, картон, детали из пластмассы и из искусственных вискозных, медно-аммиачных), полимерные плёнки, эмали и лаки, моющие средства, пищевые добавки (E460) и даже бездымный порох являются продуктами производства и переработки целлюлозы.
В чистом виде целлюлоза представляет собой белое твердое вещество с довольно привлекательными свойствами, проявляет высокую устойчивость к различным химическим и физическим воздействиям.
Природа избрала целлюлозу (клетчатку) своим главным строительным материалом. В растительном мире она составляет основу для деревьев и прочих высших растений. В самом чистом виде в природе целлюлоза находится в волосках семян хлопчатника.
Уникальные свойства этого вещества определяются его оригинальным строением. Формула целлюлозы имеет общую запись (C6 H10 O5)n из чего мы видим ярко выраженное полимерное строение. Повторяющийся огромное количество раз остаток β-глюкозы, имеющий более развернутый вид как -[С6 Н7 О2 (OH)3]-, соединяется в длинную линейную молекулу.
Молекулярная формула целлюлозы определяет её уникальные химические свойства противостоять воздействию агрессивных сред. Также целлюлоза обладает высокой стойкостью к нагреванию, даже при 200 градусах по Цельсию вещество сохраняет свою структуру и не разрушается. Самовоспламенение происходит при температуре в 420°С.
Не менее привлекательна целлюлоза своими физическими свойствами. целлюлозы в виде длинных нитей, содержащих от 300 до 10 000 глюкозных остатков, не имеющих боковых ответвлений, во многом определяет высокую устойчивость этого вещества. Формула глюкозы показывает, как множество предают целлюлозным волокнам не только большую механическую прочность, но и высокую эластичность. Результатом аналитической обработки множества химических опытов и исследований стало создание модели макромолекулы целлюлозы. Она представляет собой жесткую спираль с шагом в 2-3 элементарных звена, которая стабилизирована за счёт внутримолекулярных водородных связей.
Не формула целлюлозы, а степень её полимеризации является основной характеристикой для многих веществ. Так в необработанном хлопке число глюкозидных остатков достигает 2500-3000, в очищенном хлопке - от 900 до 1000, очищенная древесная масса обладает показателем 800-1000, в регенеративной целлюлозе их количество сокращается до 200-400, а в промышленном ацетате целлюлозы он составляет от 150 до 270 «звеньев» в молекуле.
Продуктом для получения целлюлозы служит главным образом это древесина. Основной технологический процесс производства предполагает варку щепы с различными химическими реагентами с последующей очисткой, сушкой и резкой готового продукта.
Последующая обработка целлюлозы дает возможность получать множество материалов с заданными физическими и химическими свойствами, позволяющими производить самые различные продукты, без которых жизнь современного человека трудно представить. Уникальная формула целлюлозы, скорректированная химической и физической обработкой, стала основой для получения материалов, не имеющих аналогов в природе, что позволило их широко применять в химической промышленности, медицине и других отраслях человеческой деятельности.
Целлюлоза (клетчатка) – растительный полисахарид, являющийся самым распространенным органическим веществом на Земле.
1. Физические свойства
Это вещество белого цвета, без вкуса и запаха, нерастворимое в воде, имеющее волокнистое строение. Растворяется в аммиачном растворе гидроксида меди (II ) – реактиве Швейцера.
Видео-опыт «Растворение целлюлозы в аммиачном растворе гидроксида меди (II)»
2. Нахождение в природе
Этот биополимер обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений, образуя стенку растительных клеток. В большом количестве целлюлоза содержится в тканях древесины (40-55%), в волокнах льна (60-85%) и хлопка (95-98%). Основная составная часть оболочки растительных клеток. Образуется в растениях в процессе фотосинтеза.
Древесина состоит на 50% из целлюлозы, а хлопок и лён, конопля практически чистая целлюлоза.
Хитин (аналог целлюлозы) – основной компонент наружного скелета членистоногих и других беспозвоночных, а также в составе клеточных стенок грибов и бактерий.
3. Строение
Состоит из остатков β - глюкозы
4. Получение
Получают из древесины
5. Применение
Целлюлоза используется в производстве бумаги, искусственных волокон, пленок, пластмасс, лакокрасочных материалов, бездымного пороха, взрывчатки, твердого ракетного топлива, для получения гидролизного спирта и др.
· Получение ацетатного шёлка – искусственное волокно, оргстекла, негорючей плёнки из ацетилцеллюлозы.
· Получение бездымного пороха из триацетилцеллюлозы (пироксилин).
· Получение коллодия (плотная плёнка для медицины) и целлулоида (изготовление киноленты, игрушек) из диацетилцеллюлозы.
· Изготовление нитей, канатов, бумаги.
· Получение глюкозы, этилового спирта (для получения каучука)
К важнейшим
производным целлюлозы относятся:
- метилцеллюлоза
(простые метиловые эфиры целлюлозы) общей формулы
N (х = 1, 2 или 3);
- ацетилцеллюлоза (триацетат целлюлозы) – сложный эфир целлюлозы и уксусной кислоты
- нитроцеллюлоза (нитраты целлюлозы) – сложные азотнокислые эфиры целлюлозы:
N (х = 1, 2 или 3).
6. Химические свойства
Гидролиз
(C 6 H 10 O 5) n + nH 2 O t,H2SO4 → nC 6 H 12 O 6
глюкоза
Гидролиз протекает ступенчато:
(C 6 H 10 O 5) n → (C 6 H 10 O 5) m
→ xC 12 H 22 O 11 →n C 6 H 12 O 6 (
Примечание
, m
крахмал декстринымальтозаглюкоза
Видео-опыт «Кислотный гидролиз целлюлозы»
Реакции этерификации
Целлюлоза – многоатомный спирт, на элементную ячейку полимера приходятся три гидроксильных группы. В связи с этим, для целлюлозы характерны реакции этерификации (образование сложных эфиров). Наибольшее практическое значение имеют реакции с азотной кислотой и уксусным ангидридом. Целлюлоза не дает реакции "серебряного зеркала".
1. Нитрование:
(C 6 H 7 O 2 (OH ) 3) n + 3 nHNO 3 H 2 SO 4(конц.)→ (C 6 H 7 O 2 (ONO 2 ) 3) n + 3 nH 2 O
пироксилин
Видео-опыт «Получение и свойстванитроцеллюлозы»
Полностью этерифицированная клетчатка известна под названием пироксилин, который после соответствующей обработки превращается в бездымный порох. В зависимости от условий нитрования можно получить динитрат целлюлозы, который в технике называется коллоксилином. Он так же используется при изготовлении пороха и твердых ракетных топлив. Кроме того, на основе коллоксилина изготавливают целлулоид.
2. Взаимодействие с уксусной кислотой:
(C 6 H 7 O 2 (OH) 3) n + 3nCH 3 COOH H2SO4( конц .)→ (C 6 H 7 O 2 (OCOCH 3) 3) n + 3nH 2 O
При взаимодействии целлюлозы с уксусным ангидридом в присутствии уксусной и серной кислот образуется триацетилцеллюлоза.
Триацетилцеллюлоза (или ацетилцеллюлоза) является ценным продуктом для изготовления негорючей кинопленки и ацетатного шелка . Для этого ацетилцеллюлозу растворяют в смеси дихлорметана и этанола и этот раствор продавливают через фильеры в поток теплого воздуха.
А сама фильера схематично выглядит так:
1 - прядильный
раствор,
2 - фильера,
3 - волокна.
Растворитель испаряется и струйки раствора превращаются в тончайшие нити ацетатного шелка.
Говоря о применении целлюлозы, нельзя не
сказать о том, что большое количество целлюлозы расходуется для изготовления
различной бумаги. Бумага
– это тонкий
слой волокон клетчатки, проклеенный и спрессованный на специальной
бумагоделательной машине.
В настоящее время промышленное значение имеют лишь два источника целлюлозы – хлопок и древесная масса. Хлопок представляет собой почти чистую целлюлозу и не требует сложной обработки, чтобы стать исходным материалом для изготовления искусственного волокна и неволокнистых пластиков. После того как от хлопкового семени отделены длинные волокна, используемые для изготовления хлопчатобумажных тканей, остаются короткие волоски, или «линт» (хлопковый пух), длиной 10–15 мм. Линт отделяют от семени, в течение 2–6 ч нагревают под давлением с 2,5–3%-м раствором гидроксида натрия, затем промывают, отбеливают хлором, снова промывают и сушат. Полученный продукт представляет собой целлюлозу чистоты 99%. Выход равен 80% (масс.) линта, а остальное приходится на лигнин, жиры, воски, пектаты и шелуху семян. Древесную массу делают обычно из древесины деревьев хвойных пород. Она содержит 50–60% целлюлозы, 25–35% лигнина и 10–15% гемицеллюлоз и нецеллюлозных углеводородов. В сульфитном процессе древесную щепу варят под давлением (около 0,5 МПа) при 140° C с диоксидом серы и бисульфитом кальция. При этом лигнины и углеводороды переходят в раствор и остается целлюлоза. После промывки и отбеливания очищенная масса отливается в рыхлую бумагу, похожую на промокательную, и сушится. Такая масса на 88–97% состоит из целлюлозы и вполне пригодна для химической переработки в вискозное волокно и целлофан, а также в производные целлюлозы – сложные и простые эфиры.
Процесс регенерации целлюлозы из раствора при добавлении кислоты в ее концентрированный медноаммиачный (т.е. содержащий сульфат меди и гидроксид аммония) водный раствор был описан англичанином Дж.Мерсером около 1844. Но первое промышленное применение этого метода, положившее начало промышленности медно-аммиачного волокна, приписывается Е.Швейцеру (1857), а дальнейшее его развитие – заслуга М.Крамера и И.Шлоссбергера (1858). И только в 1892 Кросс, Бевин и Бидл в Англии изобрели процесс получения вискозного волокна: вязкий (откуда название вискоза) водный раствор целлюлозы получался после обработки целлюлозы сначала крепким раствором едкого натра, что давало «натронную целлюлозу», а затем – дисульфидом углерода (CS 2), в результате чего получался растворимый ксантогенат целлюлозы. При выдавливании струйки этого «прядильного» раствора через фильеру с малым круглым отверстием в кислотную ванну целлюлоза регенерировалась в форме вискозного волокна. При выдавливании раствора в такую же ванну через фильеру с узкой щелью получалась пленка, названная целлофаном. Ж.Бранденбергер, занимавшийся во Франции этой технологией с 1908 по 1912, первым запатентовал непрерывный процесс изготовления целлофана.
Химическая структура.
Несмотря на широкое промышленное применение целлюлозы и ее производных, принятая в настоящее время химическая структурная формула целлюлозы была предложена (У.Хоуорсом) лишь в 1934. Правда, с 1913 была известна ее эмпирическая формула C 6 H 10 O 5 , определенная по данным количественного анализа хорошо промытых и высушенных образцов: 44,4% C, 6,2% H и 49,4% O. Благодаря работам Г.Штаудингера и К.Фройденберга было известно также, что это длинноцепная полимерная молекула, состоящая из показанных на рис. 1 повторяющихся глюкозидных остатков. Каждое звено имеет три гидроксильные группы – одну первичную (– CH 2 Ч OH) и две вторичные (> CH Ч OH). К 1920 Э.Фишер установил структуру простых сахаров, и в том же самом году рентгенографические исследования целлюлозы впервые показали четкую дифракционную картину ее волокон. Рентгенограмма волокна хлопка указывает на четко выраженную кристаллическую ориентацию, но волокно льна еще более упорядочено. При регенерации целлюлозы в форме волокна кристалличность в значительной мере теряется. Как нетрудно видеть в свете достижений современной науки, структурная химия целлюлозы практически стояла на месте с 1860 по 1920 по той причине, что все это время оставались в зачаточном состоянии вспомогательные научные дисциплины, необходимые для решения проблемы.
РЕГЕНЕРИРОВАННАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА
Вискозное волокно и целлофан.
И вискозное волокно, и целлофан – это регенерированная (из раствора) целлюлоза. Очищенная природная целлюлоза обрабатывается избытком концентрированного гидроксида натрия; после удаления избытка ее комки растирают и полученную массу выдерживают в тщательно контролируемых условиях. При таком «старении» уменьшается длина полимерных цепей, что способствует последующему растворению. Затем измельченную целлюлозу смешивают с дисульфидом углерода и образовавшийся ксантогенат растворяют в растворе едкого натра для получения «вискозы» – вязкого раствора. Когда вискоза попадает в водный раствор кислоты, из нее регенерируется целлюлоза. Упрощенные суммарные реакции таковы:
Вискозное волокно, получаемое выдавливанием вискозы через малые отверстия фильеры в раствор кислоты, широко применяется для изготовления одежды, драпировочных и обивочных тканей, а также в технике. Значительные количества вискозного волокна идут на технические ремни, ленты, фильтры и шинный корд.
Целлофан.
Целлофан, получаемый выдавливанием вискозы в кислую ванну через фильеру с узкой щелью, проходит затем через ванны промывки, отбеливания и пластификации, пропускается через сушильные барабаны и сматывается в рулон. Поверхность целлофановой пленки почти всегда покрывают нитроцеллюлозой, смолой, каким-либо воском или лаком, чтобы уменьшить пропускание паров воды и обеспечить возможность термической герметизации, так как целлофан без покрытия не обладает свойством термопластичности. На современных производствах для этого используются полимерные покрытия поливинилиденхлоридного типа, поскольку они в меньшей степени влагопроницаемы и дают более прочное соединение при термогерметизации.
Целлофан широко применяется главным образом в тароупаковочном производстве как оберточный материал для галантерейных товаров, пищевых продуктов, табачных изделий, а также в качестве основы для самоклеющейся упаковочной ленты.
Вискозная губка.
Наряду с получением волокна или пленки, вискозу можно смешать с подходящими волокнистыми и мелкокристаллическими материалами; после кислотной обработки и водного выщелачивания такая смесь преобразуется в вискозный губчатый материал (рис. 2), который применяется для упаковки и теплоизоляции.
Медноаммиачное волокно.
Волокно из регенерированной целлюлозы производится в промышленных масштабах также путем растворения целлюлозы в концентрированном медноаммиачном растворе (CuSO 4 в NH 4 OH) и формования из полученного раствора волокна в кислотной осадительной ванне. Такое волокно называется медноаммиачным.
СВОЙСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Химические свойства.
Как показано на рис. 1, целлюлоза представляет собой высокополимерный углевод, состоящий из глюкозидных остатков C 6 H 10 O 5 , соединенных эфирными мостиками в положении 1,4. Три гидроксильные группы в каждом глюкопиранозном звене могут быть этерифицированы такими органическими агентами, как смесь кислот и ангидридов кислот с соответствующим катализатором, например серной кислотой. Простые эфиры могут образовываться в результате действия концентрированного гидроксида натрия, приводящего к образованию натронной целлюлозы, и последующей реакции с алкилгалогенидом:
Реакция с оксидом этилена или пропилена дает гидроксилированные простые эфиры:
Наличием этих гидроксильных групп и геометрией макромолекулы обусловлено сильное полярное взаимное притяжение соседних звеньев. Силы притяжения столь велики, что обычные растворители не в состоянии разорвать цепь и растворить целлюлозу. Эти свободные гидроксильные группы ответственны также за большую гигроскопичность целлюлозы (рис. 3). Этерификация и эфиризация понижают гигроскопичность и повышают растворимость в обычных растворителях.
Под действием водного раствора кислоты разрываются кислородные мостики в положении 1,4-. Полный разрыв цепи дает глюкозу – моносахарид. Первоначальная длина цепи зависит от происхождения целлюлозы. Она максимальна в природном состоянии и уменьшается в процессе выделения, очистки и преобразования в производные соединения (см . таблицу).
Даже механический сдвиг, например при абразивном размельчении, приводит к уменьшению длины цепей. При уменьшении длины полимерной цепи ниже определенного минимального значения изменяются макроскопические физические свойства целлюлозы.
Окислительные агенты оказывают на целлюлозу воздействие, не вызывая расщепления глюкопиранозного кольца (рис. 4). Последующее действие (в присутствии влаги, например, при климатических испытаниях), как правило, приводит к разрыву цепи и увеличению числа альдегидоподобных концевых групп. Поскольку альдегидные группы легко окисляются до карбоксильных, содержание карбоксила, практически отсутствующего в природной целлюлозе, резко возрастает в условиях атмосферных воздействий и окисления.
Как и все полимеры, целлюлоза разрушается под воздействием атмосферных факторов в результате совместного действия кислорода, влаги, кислотных компонентов воздуха и солнечного света. Важное значение имеет ультрафиолетовая составляющая солнечного света, и многие хорошо защищающие от УФ-излучения агенты увеличивают срок службы изделий из производных целлюлозы. Кислотные компоненты воздуха, такие, как оксиды азота и серы (а они всегда присутствуют в атмосферном воздухе промышленных районов), ускоряют разложение, зачастую оказывая более сильное воздействие, чем солнечный свет. Так, в Англии было отмечено, что образцы хлопка, испытывавшиеся на воздействие атмосферных условий, зимой, когда практически не было яркого солнечного света, деградировали быстрее, чем летом. Дело в том, что сжигание зимой больших количеств угля и газа приводило к повышению в воздухе концентрации оксидов азота и серы. Кислотные поглотители, антиоксиданты и агенты, поглощающие УФ-излучение, снижают чувствительность целлюлозы к атмосферным воздействиям. Замещение свободных гидроксильных групп приводит к изменению такой чувствительности: нитрат целлюлозы деградирует быстрее, а ацетат и пропионат – медленнее.
Физические свойства.
Полимерные цепи целлюлозы упакованы в длинные пучки, или волокна, в которых наряду с упорядоченными, кристаллическими имеются и менее упорядоченные, аморфные участки (рис. 5). Измеренный процент кристалличности зависит от типа целлюлозы, а также от способа измерения. По рентгеновским данным, он составляет от 70% (хлопок) до 38–40% (вискозное волокно). Рентгенографический структурный анализ дает информацию не только о количественном соотношении между кристаллическим и аморфным материалом в полимере, но и о степени ориентации волокна, вызываемой растяжением или нормальными процессами роста. Резкость дифракционных колец характеризует степень кристалличности, а дифракционные пятна и их резкость – наличие и степень предпочтительной ориентации кристаллитов. В образце вторичного ацетата целлюлозы, полученного процессом «сухого» формования, и степень кристалличности, и ориентация весьма незначительны. В образце триацетата степень кристалличности больше, но предпочтительная ориентация отсутствует. Термообработка триацетата при температуре 180–240°