Природний полімер - формула і застосування

Велика частина сучасних будівельних матеріалів, лікарських засобів, тканин, предметів побуту, пакувальних і витратних речовин є полімерами. Це ціла група сполук, мають характерні відмінні ознаки. Їх дуже багато, але не дивлячись на це, число полімерів продовжує зростати. Адже хіміки-синтетики щороку відкривають все нові і нові речовини. При цьому особливе значення в усі часи мав саме природний полімер. Що ж собою являють ці дивовижні молекули? Які їх властивості і в чому полягають особливості? Відповімо на ці питання в ході статті.

Полімери: загальна характеристика

З точки зору хімії, полімером прийнято вважати молекулу, що має величезну молекулярну масу: від декількох тисяч до мільйонів одиниць. Однак, крім цієї ознаки, існує і ще кілька, за якими речовини можна класифікувати саме як природні і синтетичні полімери. це:

постійно повторювані мономерні ланки, які з`єднуються за допомогою різних взаємодій;
ступінь полімерази (тобто число мономерів) повинна бути дуже високою, інакше з`єднання буде вважатися олігомером;
певна просторова орієнтація макромолекули;
набір важливих фізико-хімічних властивостей, характерних тільки для даної групи.

В цілому речовина полімерної природи відрізнити від інших досить легко. Варто лише поглянути на його формулу, щоб зрозуміти це. Типовим прикладом може служити всім відомий поліетилен, широко застосовуваний в побуті та промисловості. Він є продуктом реакціїполімеризації, в яку вступає неграничний вуглеводень етен або етилен. Реакція в загальному вигляді записується в такий спосіб:

nCH₂= CH₂ (СН-СН)_n, де n - це ступінь полімеризації молекул, що показує, скільки мономерних ланок входить до її складу.

Також як приклад можна привести природний полімер, який всім добре відомий, це крохмаль. Крім того, до цієї групи з`єднань належать амилопектин, целюлоза, курячий білок і багато інших речовин.

Реакції, в результаті яких можуть утворитися макромолекули, бувають двох типів:

полімеризації;
поліконденсації.

Різниця в тому, що в другому випадку продукти взаємодії є низькомолекулярними. Будова полімеру може бути різним, це залежить від тих атомів, що його утворюють. Часто зустрічаються лінійні форми, але є і тривимірні сітчасті, дуже складні.

Якщо ж говорити про силах і взаємодіях, які утримують мономерні ланки разом, то можна позначити кілька основних:

Ван дер Ваальсових сили;
хімічні зв`язки (ковалентні, іонні);
електроностатіческое взаємодія.

Всі полімери не можна об`єднувати в одну категорію, так як вони мають абсолютно різну природу, спосіб утворення і виконують неоднакові функції. Властивості їх також різняться. Тому існує класифікація, яка дозволяє ділити всіх представників цієї групи речовин на різні категорії. В її основі може лежати кілька ознак.

Класифікація полімерів

Якщо брати за основу якісний склад молекул, то всі розглянуті речовини можна визначити в три групи.

Органічні - це ті, до складу яких входять атоми вуглецю, водню, сірки, кисню, фосфору, азоту. Тобто ті елементи, які є біогенними. Прикладів можна навести безліч: поліетилен, полівінілхлорид, поліпропілен, віскоза, нейлон, природний полімер - білок, нуклеїнові кислоти і так далі.
Елементорганічних - такі, до складу яких входить якийсь сторонній неорганічний і не біогенний елемент. Найчастіше це кремній, алюміній або титан. Приклади подібних макромолекул: органічне скло, склополімерів, композиційні матеріали.
Неорганічні - в основі ланцюга лежать атоми кремнію, а не вуглецю. Радикали ж можуть бути частиною бічних відгалужень. Вони відкриті зовсім недавно, в середині XX століття. Використовуються в медицині, будівництві, техніці та інших галузях. Приклади: силікон, кіновар.

Якщо розділяти полімери за походженням, то можна виділити три їх групи.

Природні полімери, застосування яких широко здійснювалося з самої давнини. Це такі макромолекули, для створення яких людина не докладав жодних зусиль. Вони є продуктами реакцій самої природи. Приклади: шовк, вовна, білок, нуклеїнові кислоти, крохмаль, целюлоза, шкіра, бавовна та інші.
Штучні. Це такі макромолекули, які створюються людиною, але на основі природних аналогів. Тобто просто поліпшуються і змінюються властивості вже наявного природного полімеру. Приклади: штучний каучук, гума.
Синтетичні - це такі полімери, в створенні яких бере участь тільки людина. Природних аналогів для них немає. Вчені розробляють методи синтезу нових матеріалів, які відрізнялися б поліпшеними технічними характеристиками. Так народжуються синтетичні полімерні сполуки різного роду. Приклади: поліетилен, поліпропілен, віскоза, ацетатное волокно та інше.

Є і ще одна ознака, який лежить в основі поділу розглянутих речовин на групи. Це реакційна здатність і термостійкість. Виділяють дві категорії за цим параметром:

термопластичні;
термореактивні.

Найдавнішим, важливим і особливо цінним є все ж природний полімер. Його властивості унікальні. Тому далі розглянемо саме цю категорію макромолекул.

Яка речовина є природним полімером?

Щоб відповісти на це питання, спочатку оглянемося навколо себе. Що нас оточує? Живі організми навколо нас, які харчуються, дихають, розмножуються, цвітуть і дають плоди і насіння. А що вони являють собою з молекулярної точки зору? Це такі сполуки, як:

білки;
нуклеїнові кислоти;
полісахариди.

Так ось, природним полімером є кожна з наведених сполук. Таким чином, виходить, що життя навколо нас існує тільки завдяки наявності цих молекул. З найдавніших часів люди використовували глину, будівельні суміші і розчини для зміцнення і створення житла, ткали пряжу з вовни, застосовували для створення одягу бавовна, шовк, вовна і шкіру тварин. Природні органічні полімери супроводжували людину на всіх щаблях його становлення та розвитку і багато в чому допомогли йому досягти тих результатів, що ми маємо сьогодні.

Сама природа давала все для того, щоб життя людей була максимально комфортною. Згодом було відкрито каучук, з`ясовані його чудові властивості. Людина навчилася використовувати в харчових цілях крохмаль, в технічних - целюлозу. Природним полімером є і камфора, яка також відома з давніх часів. Смоли, білки, нуклеїнові кислоти - все це приклади розглянутих з`єднань.

Будова природних полімерів

Не всі представники даного класу речовин влаштовані однаково. Так, природні і синтетичні полімери можуть істотно відрізнятися. Їх молекули орієнтується так, щоб максимально вигідно і зручно існувати з енергетичної точки зору. При цьому багато природні види здатні набухати і структура їх в процесі змінюється. Можна виділити кілька найпоширеніших варіантів будови ланцюга:

лінійні;
розгалужені;
зірчасті;
плоскі;
сітчасті;
стрічкові;
гребневидние.

Штучні і синтетичні представники макромолекул мають дуже велику масу, величезне число атомів. Їх створюють із спеціально заданими властивостями. Тому і будова їх спочатку планується людиною. Натуральні ж полімери найчастіше або лінійні, або сітчасті за своєю структурою.

Приклади природних макромолекул

Природні і штучні полімери дуже близькі один одному. Адже перші стають основою для створення друге. Прикладів подібних перетворень багато. Наведемо деякі з них.

Звичайна пластмаса молочно-білого кольору - це продукт, одержуваний при обробці азотною кислотою целюлози з додаванням природного камфори. Реакція полімеризації призводить до затвердіння отриманого полімеру і перетворенню в потрібний продукт. А пластифікатор - камфора, робить його здатним розм`якшуватися при нагріванні і міняти свою форму.
Ацетатний шовк, мідно-аміачна волокно, віскоза - все це приклади тих ниток, волокон, які отримують на основі целюлози. Тканини з натуральної бавовни і льону не так міцні, не блискучі, легко сминаемости. А ось штучні аналоги їх цих недоліків позбавлені, що і робить їх використання дуже привабливим.
Штучні камені, будівельні матеріали, суміші, шкірозамінник - це також приклади полімерів, отриманих на основі натуральної сировини.

Речовина, що є природним полімером, може використовуватися і в справжньому вигляді. Таких прикладів теж немало:

каніфоль;
Бурштин;
крохмаль;
амилопектин;
целюлоза;
хутро;
вовна;
бавовна;
шовк;
цемент;
глина;
вапно;
білки;
нуклеїнові кислоти і так далі.

Очевидно, що ми розглядаємо, клас сполук дуже численний, практично важливий і значущий для людей. Тепер розглянемо більш детально кілька представників природних полімерів, які є дуже затребуваними в даний час.

Шовк і шерсть

Формула природного полімеру шовку складна, адже його хімічний склад виражається наступними компонентами:

фиброин;
серицин;
воски;
жири.

Сам головний білок - фиброин, налічує в своєму складі кілька різновидів амінокислот. Якщо уявити його поліпептидний ланцюжок, то вона буде виглядати приблизно так: (-NH-CH₂-CO-NH-CH (CH₃) -CO-NH-CH₂-CO-)_n. І це лише її частина. Якщо уявити, що до даної структури за допомогою сил Ван-Дер-Ваальса приєднується не менш складна молекула білка серицина, разом вони змішуються в єдину конформацию з воском і жирами, то зрозуміло, чому складно зобразити формулу натурального шовку.

На сьогоднішній день більшу частину даного продукту поставляє Китай, адже на його просторах існує природне середовище проживання основного виробника - тутового шовкопряда. Раніше, починаючи з найдавніших часів, натуральний шовк дуже цінувався. Дозволити собі одяг з нього могли лише знатні, багаті люди. Сьогодні багато характеристики цієї тканини залишають бажати кращого. Наприклад, він сильно намагнічується і мнеться, крім того, від перебування на сонці втрачає блиск і тьмяніє. Тому більше в побуті штучні похідні на його основі.

Шерсть - це теж природний полімер, так як є продуктом життєдіяльності шкіри і сальних залоз тварин. На основі цього білкового продукту виготовляють трикотаж, який, як і шовк, є цінним матеріалом.

крохмаль

Природний полімер крохмаль є продуктом життєдіяльності рослин. Вони виробляють його в результаті процесу фотосинтезу і накопичують в різних частинах тіла. Його хімічний склад:

амилопектин;
амилоза;
альфа-глюкоза.

Просторова структура крохмалю дуже розгалужена, невпорядкована. Завдяки входить до складу амілопектину, він здатний набухати у воді, перетворюючись в так званий клейстер. цей колоїдний розчин використовується в техніці і промисловості. Медицина, харчова галузь, виготовлення шпалерних клеїв - це також галузі використання даної речовини.

Серед рослин, що містять максимальну кількість крохмалю, можна виділити:

кукурудзу;
картопля;
Мал;
пшеницю;
маніок;
овес;
гречку;
банани;
сорго.

На основі цього біополімеру випікають хліб, виготовляють макаронні вироби, варять киселі, каші та інші харчові продукти.

целюлоза

З точки зору хімії, дана речовина - це полімер, склад якого виражається формулою (С₆Н₅Про₅)_n. Мономірним ланкою ланцюга є бета-глюкоза. Основні місця утримання целюлози - це клітинні стінки рослин. Саме тому деревина - цінне джерело цього з`єднання.

Целюлоза - природний полімер, який має лінійне просторова будова. Вона використовується для виробництва наступних видів виробів:

целюлозно-паперової продукції;
штучного хутра;
різних видів штучних волокон;
бавовни;
пластмаси;
бездимного пороху;
кіноплівок і так далі.

Очевидно, що промислове значення її велике. Щоб дане з`єднання можливо було використовувати у виробництві, його слід для початку отримати з рослин. Це роблять шляхом тривалого варіння деревини в спеціальних пристроях. Подальша обробка, а також реагенти, що використовуються для виварювання, розрізняються. Є кілька способів:

сульфітний;
азотнокислий;
натрона;
сульфатний.

Після подібної обробки продукт все ще містить домішки. В основі це лігнін і геміцелюлоза. Щоб позбутися від них, масу обробляють хлором або лугом.

В організмі людини не існує таких біологічних каталізаторів, які зуміли б розщепити цей складний біополімер. Однак деякі тварини (травоїдні) пристосувалися до цього. В їх шлунку поселяються певні бактерії, які роблять це за них. Натомість мікроорганізми отримують енергію для життя і середовище проживання. Така форма симбіозу є вкрай вигідною для обох сторін.

каучук

Це природний полімер, який має цінне господарське значення. Вперше він був описаний ще Робертом Куком, який в одному зі своїх подорожей його виявив. Сталося це так. Висадившись на острові, на якому жили невідомі йому тубільці, він був гостинно зустрінутий ними. Його увагу привернули місцеві діти, які грали незвичним предметом. Це кулясте тіло відштовхувалася від статі і підстрибувало високо вгору, потім поверталося.

Поцікавившись у місцевого населення про те, з чого зроблена ця іграшка, Кук дізнався, що так застигає сік одного з дерев - гевеї. Значно пізніше було з`ясовано, що це і є біополімер каучук.

Хімічна природа даного з`єднання відома - це изопрен, що піддався природної полімеризації. Формула каучуку (С₅Н₈)_n. Його властивості, завдяки яким він так високо цінується, такі:

еластичність;
зносостійкість;
електроізоляція;
водонепроникність.

Однак є й недоліки. На холоді він стає крихким і ламким, а на жарі - липким і тягучим. Саме тому виникла потреба синтезу аналогів штучної або синтетичної основи. Сьогодні каучуки широко використовуються в технічних і промислових цілях. Найголовніші продукти на їх основі:

гуми;
ебонітом.

Бурштин

Є природним полімером, оскільки за своєю структурою являє смолу, викопну її форму. Просторова структура - каркасний аморфний полімер. Дуже горючий, запалити його можна полум`ям сірника. Має властивості люмінесценції. Це дуже важливе і цінне якість, яке використовується в ювелірній справі. Прикраси на основі бурштину дуже красиві і затребувані.

Крім того, цей біополімер використовують і в медичних цілях. З нього ж виготовляють наждачний папір, лакові покриття для різних поверхонь.

Поділися в соц мережах:

Увага, тільки СЬОГОДНІ!