Целюлоза
Будова молекули. Другим найбільш поширеним в природі полісахаридом є целюлоза або клітковина. Ця речовина є ізомером глюкози. Формула целюлози (С6Н10О5) n, елементарним ланкою цього природного полімеру також служать залишки D-глюкози. Яке ж відмінність в хімічному будову цих сполук? Учитель зображує на дошці елементарне ланка крохмалю і целюлози, а хлопці порівнюють їх. На відміну від крохмалю, залишок глюкози в полімерного ланцюга целюлози має?-форму.
Відносна молекулярна маса макромолекул целюлози коливається від 250 000 до 1 000 000 і більше. Учитель просить хлопців порахувати, скільки елементарних ланок міститься в молекулі в тому і іншому випадку (з точністю до сотень)? Розділивши відносну молекулярну масу полімеру на М елементарного ланки, учні отримують числа від 1500 до 6200. Ступінь розгалуження молекули дуже мала, лінійні ділянки містять 1000 і більше ланок. Ці довгі ланцюги витягнуті і укладені пучками, причому вони утримуються одна біля одної міжмолекулярними водневими зв’язками між численними сусідніми ОН – групами. Ці пучки сплетені подібно мотузках і утворюють волокна, помітні оком. Учитель демонструє класу шматочок бавовняної медичної вати, зразки якої (роздатковий матеріал) учні можуть розглянути за допомогою лупи. Це і є практично чиста целюлоза.
Фізичні властивості. Чистий целюлоза – тверде біле речовина, що має волокнисту структуру. Вона нерастворима у воді і органічних розчинниках, але добре розчиняється в аміачному розчині гідроксиду міді (II) (реактив Швейцера). Целюлоза горить, а при нагріванні без доступу повітря дегидратируется з утворенням водяної пари і вуглецю (деревне вугілля). Як відомо, солодкого смаку целюлоза не має.
Хімічні властивості. Учитель в черговий раз звертає увагу на те, як самі незначні зміни в хімічному будову речовин могуг привести до істотного відмінності у фізичних і хімічних властивостях, їх використанню у промисловості та побуті. Різницю у фізичних властивостях крохмалю і целюлози хлопці вже засвоїли. Як же структура елементарного ланки відбивається на хімічних властивостях цих природних полімерів?
1. Гідроліз. На відміну від крохмалю клітковина гідролізується з працею. Тільки дуже тривале кип’ятіння у водних розчинах сильних кислот призводить до помітного розщепленню макромолекули до глюкози:
Кислотний гідроліз целюлози називають оцукрювання. Цей процес у великих масштабах здійснюють на гідролізних заводах, які переробляють відходи деревини (тріски, тирсу) в глюкозосодержащіх розчини і далі в спирт.
Під дією ферменту?-амілази?-глікозидні зв’язки не гідролізуються, а ферментів, здатних розщеплювати целюлозу, в травному тракті людини немає. Тому людина на відміну від травоїдних тварин не може перетравлювати клітковину, але вона служить необхідним для нормального харчування баластовим речовиною.
2. Освіта складних ефірів. Кожне елементарне ланка молекули целюлози має три гідроксильні групи, які можуть брати участь в утворенні складних ефірів як з органічними, так і з неорганічними кислотами.
1) Нітрати целюлози. При обробці целюлози сумішшю концентрованих азотної та сірчаної кислот (нітрит суміш) утворюються нітрати целюлози. Залежно від умов проведення реакції і співвідношення реагуючих речовин можна отримати продукт за двома (динітрат) або трьом (тринитрат) гідроксильних груп:
Тринітрат целюлози використовується для виготовлення бездимного пороху і вибухових речовин. Піроксилін містить в кожному елементарному ланці 2-3 залишку азотної кислоти. Історично це був перший полімер, з якого була виготовлена промислова пластмаса – целулоїд. Раніше піроксилін використовувався для виготовлення кіно – і фотоплівки і лаків. Його головний недолік – легка горючість з утворенням токсичних оксидів азоту.
2) Ацетат целюлози. При дії оцтового ангідриду, оцтової кислоти в присутності невеликої кількості сірчаної кислоти целюлоза перетворюється на триацетат целюлози:
Отримане речовина є представником широкого спектру промислових продуктів – штучних волокон. Штучними волокнами називаються полімерні нитки, які являють собою хімічно модифіковані природні полімери. Триацетат целюлози розчиняють у суміші дихлорметана і етанолу, а утворений в’язкий розчин продавлюють через ковпачки з безліччю дрібних отворів – фільєри. Тонкі струмені розчину пропускають через шахту, в якій противотоком проходить нагріте повітря. В результаті розчинник випаровується, і триацетат целюлози утворює тонкі довгі нитки, з яких виготовляють тканину ацетатний шовк. Ацетат целюлози менш горючий, ніж нітрат, тому з нього виготовляють також безпечну фотокінопленкі і органічне скло, що пропускає ультрафіолетове випромінювання.
3) Ксантогенат целюлози. При взаємодії спиртів з сірковуглецем CS2 і водним розчином лугу утворюються сполуки, звані ксантогенатов:
Целюлоза вступає в аналогічну реакцію, утворюючи ксантогенат целюлози. Він розчиняється в лугах з утворенням в’язкого розчину, званого віскозою. Якщо віскозу продавлювати через фільєри у ванну з розчином кислоти, целюлоза регенерується у вигляді найтонших волокон, які називають штучним або віскозним шовком. Якщо віскозу продавлювати через вузьку щілину, то целюлоза регенерується у вигляді тонкої плівки, яка після пластифікації гліцерином широко використовується у вигляді пакувального матеріалу целофану.
3. Освіта простих ефірів. У промисловості алкілування целюлози проводять дією алкілхлорідов в присутності лугів. При цьому відбувається часткова деструкція молекул з утворенням ланцюгів меншої довжини. Металевий, етиловий і бензиловий ефіри целюлози застосовуються у виробництві текстильних матеріалів, плівок і різних пластичних мас.
Знаходження в природі, біологічна роль та застосування целюлози. Целюлоза є основною частиною стінок рослин. Щодо чистої целюлозою є волокна бавовнику, джуту та конопель. Деревина містить від 40 до 50% целюлози, солома – 30%. Целюлоза рослин служить живильною речовиною для травоїдних тварин, в організмі яких є розщеплюють клітковину ферменти.
З целюлози виготовляють численні штучні волокна, полімерні плівки, пластмаси, бездимний порох, лаки. Велика кількість целюлози йде на виробництво паперу. Оцукрювання целюлози отримують глюкозу, що йде на виготовлення етилового спирту. Етанол, отриманий таким шляхом, називається гідролізним.
Більшість розрахункових завдань в темі “Полісахариди” пов’язане з реакціями гідролізу та утворення складних ефірів. При виконанні розрахунків за хімічним рівнянням у хлопців виникають труднощі з розрахунком молярної маси полімеру. Як врахувати число елементарних ланок і в молекулі, коефіцієнт п перед формулами низькомолекулярних реагентів чи продуктів реакції? Учитель розбирає одну з таких завдань на дошці, показуючи, що в процесі обчислень число п обов’язково скоротиться і не вплине на однозначність відповіді.
Приклад. При гідролізі 500 кг деревної тирси, що містять 50% целюлози, отримали 70 кг глюкози. Ви числити масову частку виходу продукту реакції.
(2 votes, average: 3.50 out of 5)