Естествен полимер - формула и приложение

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 05:17

Повечето от съвременните строителни материали, лекарства, тъкани, предмети за бита, опаковки и консумативи са полимери. Това е цяла група съединения, които имат характерни отличителни черти. Има много от тях, но въпреки това броят на полимерите продължава да расте. В крайна сметка синтетичните химици ежегодно откриват все повече и повече нови вещества. В същото време естественият полимер беше от особено значение по всяко време. Какви са тези невероятни молекули? Какви са техните свойства и какви са характеристиките? Ще отговорим на тези въпроси в хода на статията.

Полимери: общи характеристики

От гледна точка на химията, полимерът се счита за молекула с огромно молекулно тегло: от няколко хиляди до милиони единици. Въпреки това, в допълнение към тази характеристика, има още няколко, чрез които веществата могат да бъдат класифицирани точно като естествени и синтетични полимери. Това е:

постоянно повтарящи се мономерни единици, които са свързани чрез различни взаимодействия;
степента на полимераза (т.е. броят на мономерите) трябва да бъде многовисоко, в противен случай съединението ще се счита за олигомер;
определена пространствена ориентация на макромолекула;
набор от важни физични и химични свойства, които са уникални за тази група.

Като цяло, вещество с полимерна природа е доста лесно да се различи от другите. Човек трябва само да погледне формулата му, за да я разбере. Типичен пример е добре познатият полиетилен, широко използван в бита и индустрията. Той е продукт на реакция на полимеризация, в която влиза ненаситеният въглеводород етен или етилен. Реакцията в общ вид се записва, както следва:

nCH₂=CH₂→(-CH-CH-) , където n е степента на полимеризация на молекулите, показваща колко мономерни единици са включени в неговия състав.

Също така, като пример може да се посочи естествен полимер, който е добре познат на всички, това е нишесте. В допълнение, амилопектин, целулоза, пилешки протеин и много други вещества принадлежат към тази група съединения.

Реакциите, които могат да образуват макромолекули са два вида:

полимеризация;
поликондензация.

Разликата е, че във втория случай продуктите на взаимодействие са с ниско молекулно тегло. Структурата на полимера може да бъде различна, зависи от атомите, които го образуват. Често се срещат линейни форми, но има и триизмерни мрежи, които са много сложни.

Ако говорим за силите и взаимодействията, които държат мономерните единици заедно, тогава можем да идентифицираме няколко основни:

Ван дер Ваалссила;
химични връзки (ковалентни, йонни);
електростатично взаимодействие.

Всички полимери не могат да бъдат обединени в една категория, тъй като имат напълно различна природа, начин на образуване и изпълняват различни функции. Техните свойства също се различават. Следователно има класификация, която ви позволява да разделите всички представители на тази група вещества в различни категории. Може да се основава на няколко признака.

Класификация на полимерите

Ако вземем за основа качествения състав на молекулите, тогава всички разглеждани вещества могат да бъдат разделени на три групи.

Органични - това са тези, които включват атоми на въглерод, водород, сяра, кислород, фосфор, азот. Тоест онези елементи, които са биогенни. Има много примери: полиетилен, поливинилхлорид, полипропилен, вискоза, найлон, естествен полимер - протеин, нуклеинови киселини и т.н.
Elementalorganic - тези, които включват някакъв външен неорганичен и небиогенен елемент. Най-често това е силиций, алуминий или титан. Примери за такива макромолекули: органично стъкло, стъклени полимери, композитни материали.
Неорганичен - веригата се основава на силициеви атоми, а не на въглерод. Радикалите също могат да бъдат част от страничните клони. Те са открити съвсем наскоро, в средата на 20 век. Използва се в медицината, строителството, инженерството и други индустрии. Примери: силикон, цинобър.

Ако разделите полимерите по произход, можетеизберете три от техните групи.

Естествени полимери, използването на които е широко разпространено от древността. Това са такива макромолекули, за създаването на които човек не е положил никакви усилия. Те са продукт на реакциите на самата природа. Примери: коприна, вълна, протеин, нуклеинови киселини, нишесте, целулоза, кожа, памук и др.
Изкуствен. Това са макромолекули, създадени от човека, но на базата на естествени аналози. Тоест свойствата на вече съществуващ естествен полимер просто се подобряват и променят. Примери: изкуствен каучук, гума.
Синтетични - това са полимери, в чието създаване участва само човек. За тях няма естествени аналози. Учените разработват методи за синтез на нови материали, които биха имали подобрени технически характеристики. Така се раждат синтетични полимерни съединения от различни видове. Примери: полиетилен, полипропилен, вискоза, ацетатни влакна и др.

Има още една особеност, която е в основата на разделянето на разглежданите вещества в групи. Това са реактивност и термична стабилност. Има две категории за този параметър:

термопласт;
термозет.

Най-древният, важен и особено ценен все още е естествен полимер. Неговите свойства са уникални. Следователно, ние ще разгледаме допълнително тази конкретна категория макромолекули.

Кое вещество е естествен полимер?

За да отговорим на този въпрос, нека първо се огледаме. Какво ни заобикаля?Живи организми около нас, които се хранят, дишат, размножават, цъфтят и произвеждат плодове и семена. И какво представляват те от молекулярна гледна точка? Това са връзки като:

протеини;
нуклеинови киселини;
полизахариди.

И така, всяко от тези съединения е естествен полимер. Така се оказва, че животът около нас съществува само благодарение на наличието на тези молекули. От древни времена хората са използвали глина, строителни смеси и хоросани за укрепване и създаване на дом, тъкат прежди от вълна и използват памук, коприна, вълна и животинска кожа за създаване на дрехи. Естествените органични полимери съпътстваха човека на всички етапи от неговото формиране и развитие и в много отношения му помогнаха да постигне резултатите, които имаме днес.

Самата природа даде всичко, за да направи живота на хората възможно най-удобен. С течение на времето каучукът е открит, забележителните му свойства са изяснени. Човекът се е научил да използва нишестето за хранителни цели, а целулозата за технически цели. Камфорът също е естествен полимер, който също е познат от древни времена. Смоли, протеини, нуклеинови киселини са примери за съединения, които се разглеждат.

Структура от естествени полимери

Не всички представители на този клас вещества имат една и съща структура. По този начин естествените и синтетичните полимери могат да се различават значително. Техните молекули са ориентирани по такъв начин, че е най-полезно и удобно да съществуват от енергийна гледна точка. В същото време много естествени видове са в състояние да набъбнат и структурата им се променя в процеса. Има няколко най-често срещани варианта на структурата на веригата:

линейно;
разклонено;
звезда;
плоска;
mesh;
лента;
с форма на гребен.

Изкуствените и синтетични представители на макромолекулите имат много голяма маса, огромен брой атоми. Те са създадени със специално определени свойства. Следователно тяхната структура първоначално е била планирана от човека. Естествените полимери най-често са или линейни, или мрежести по структура.

Примери за естествени макромолекули

Естествените и изкуствените полимери са много близки един до друг. В края на краищата, първото става основа за създаването на второто. Има много примери за такива трансформации. Ето някои от тях.

Обикновената млечнобяла пластмаса е продукт, получен чрез третиране на целулоза с азотна киселина с добавка на естествен камфор. Реакцията на полимеризация кара получения полимер да се втвърди и да стане желания продукт. А пластификаторът - камфор, го прави способен да омекне при нагряване и да промени формата си.
Ацетатна коприна, медно-амонячни влакна, вискоза са всички примери за тези нишки, влакна, които се получават от целулоза. Тъканите, изработени от естествен памук и лен, не са толкова издръжливи, не са лъскави, лесно се набръчкват. Но техните изкуствени аналози са лишени от тези недостатъци, което прави използването им много привлекателно.
Изкуствени камъни, строителни материали, смеси, заместители на кожа саВижте също примери за полимери, получени от естествени суровини.

Веществото, което е естествен полимер, може да се използва и в истинската си форма. Има и много такива примери:

колофон;
кехлибар;
нишесте;
амилопектин;
целулоза;
козина;
вълна;
памук;
коприна;
цимент;
глина;
лайм;
протеини;
нуклеинови киселини и така нататък.

Очевидно, класът съединения, които разглеждаме, е многоброен, практически важен и значим за хората. Сега нека разгледаме по-отблизо няколко представители на естествените полимери, които са много търсени в момента.

Коприна и вълна

Формулата на естествения копринен полимер е сложна, тъй като химическият му състав се изразява от следните компоненти:

фиброин;
серицин;
восъци;
мазнини.

Самият основен протеин, фиброинът, съдържа няколко вида аминокиселини. Ако си представите неговата полипептидна верига, тогава тя ще изглежда така: (-NH-CH₂-CO-NH-CH(CH₃)- CO-NH-CH₂-CO-)_n. И това е само част от него. Ако си представим, че еднакво сложна серицинова протеинова молекула е прикрепена към тази структура с помощта на силите на Ван дер Ваалс и заедно те са смесени в една конформация с восък и мазнини, тогава става ясно защо е трудно да се изобрази формулата от естествена коприна.

За днесДнес по-голямата част от този продукт се доставя от Китай, тъй като в неговите открити пространства има естествено местообитание за основния производител - копринената буба. Преди това, започвайки от най-древните времена, естествената коприна беше високо ценена. Само благородни, богати хора можеха да си позволят дрехи от него. Днес много характеристики на тази тъкан оставят много да се желае. Например, тя е силно магнетизирана и набръчкана, освен това губи блясъка си и избледнява от излагане на слънце. Следователно изкуствените производни на него са по-използвани.

Вълната също е естествен полимер, тъй като е отпадъчен продукт на кожата и мастните жлези на животните. На базата на този протеинов продукт се изработва трикотаж, който като коприна е ценен материал.

нишесте

Натуралното полимерно нишесте е отпадъчен продукт на растенията. Те го произвеждат в резултат на процеса на фотосинтеза и се натрупват в различни части на тялото. Неговият химичен състав:

амилопектин;
амилоза;
алфа-глюкоза.

Пространствената структура на нишестето е много разклонена, неуредена. Благодарение на амилопектина, включен в състава, той е в състояние да набъбне във вода, превръщайки се в така наречената паста. Този колоиден разтвор се използва в инженерството и индустрията. Медицината, хранително-вкусовата промишленост, производството на лепила за тапети също са области на употреба на това вещество.

Сред растенията, съдържащи максимално количество нишесте, можем да различим:

царевица;
картоф;
ориз;
жито;
маниока;
овес;
елда;
банани;
сорго.

Въз основа на този биополимер се пече хляб, приготвят се тестени изделия, приготвят се кисели, зърнени храни и други хранителни продукти.

Pulp

От гледна точка на химията това вещество е полимер, чийто състав се изразява с формулата (C₆H_{5 O} 5₎ _{. Мономерната връзка във веригата е бета-глюкоза. Основните места на съдържание на целулоза са клетъчните стени на растенията. Ето защо дървото е ценен източник на това съединение.}

Целулозата е естествен полимер, който има линейна пространствена структура. Използва се за производство на следните видове продукти:

продукти от целулоза и хартия;
изкуствена кожа;
различни видове изкуствени влакна;
памук;
пластмаси;
бездимен прах;
филми и така нататък.

Очевидно, индустриалното му значение е голямо. За да може дадено съединение да се използва в производството, то първо трябва да бъде извлечено от растенията. Това става чрез продължително варене на дърва в специални устройства. По-нататъшната обработка, както и реагентите, използвани за смилане, варират. Има няколко начина:

сулфит;
нитрат;
натрий;
сулфат.

След тази обработка продуктът все още съдържапримеси. Той се основава на лигнин и хемицелулоза. За да се отървете от тях, масата се третира с хлор или алкали.

В човешкото тяло няма такива биологични катализатори, които биха могли да разградят този сложен биополимер. Някои животни (тревопасни) обаче са се приспособили към това. Те имат определени бактерии в стомаха си, които го правят вместо тях. В замяна микроорганизмите получават енергия за живот и местообитание. Тази форма на симбиоза е изключително полезна и за двете страни.

Каучук

Това е естествен полимер с ценно икономическо значение. За първи път е описан от Робърт Кук, който го открива в едно от пътуванията си. Случи се така. След като кацнал на остров, обитаван от непознати за него туземци, той бил гостоприемно приет от тях. Вниманието му беше привлечено от местни деца, които си играеха с необичаен предмет. Това сферично тяло изрита от пода и отскочи високо нагоре, след което се върна.

След като попита местното население от какво е направена тази играчка, Кук научи, че сокът на едно от дърветата, хевеята, се втвърдява по този начин. Много по-късно се разбра, че това е гуменият биополимер.

Химичната природа на това съединение е известна - това е изопрен, който е претърпял естествена полимеризация. Гумената формула е (С₅Н₈) . Неговите свойства, които го правят толкова високо ценен, са както следва:

еластичност;
устойчив на износване;
електрическа изолация;
водоустойчив.

Въпреки това, има и недостатъци. На студа става крехка и крехка, а на горещина става лепкава и вискозна. Ето защо се наложи да се синтезират аналози на изкуствена или синтетична основа. Днес гумите се използват широко за технически и промишлени цели. Най-важните продукти, базирани на тях:

гумени;
ебонити.

Амбър

Това е естествен полимер, защото в структурата си е смола, неговата изкопаема форма. Пространствената структура е рамков аморфен полимер. Той е много запалим и може да се запали с кибритен пламък. Има луминесцентни свойства. Това е много важно и ценно качество, което се използва в бижутата. Бижутата на основата на кехлибар са много красиви и търсени.

В допълнение, този биополимер се използва и за медицински цели. Използва се и за направата на шкурка, лакови покрития за различни повърхности.