Естествен полимер - формула и приложение

Повечето съвременни строителни материали, лекарства, тъкани, битови предмети, опаковки и консумативи са полимери. Това е цяла група съединения с характерни отличителни черти. Има много от тях, но въпреки това броят на полимерите продължава да расте. В края на краищата, синтетичните химици откриват все повече нови вещества всяка година. В същото време естественият полимер имаше специално значение по всяко време. Какви са тези удивителни молекули? Какви са техните качества и какви са функциите? Ще отговорим на тези въпроси в хода на статията.

Полимери: общи характеристики

От гледна точка на химията, полимерът се счита за молекула, която има огромна молекулна маса: от няколко хиляди до милиони единици. В допълнение към това обаче има още няколко, според които веществата могат да бъдат класифицирани точно като естествени и синтетични полимери. Това са:

• непрекъснато повтарящи се мономерни единици, които са свързани чрез различни взаимодействия;
• степента на полимеризация (т.е. броят на мономерите) трябва да бъде много висока, в противен случай съединението ще се счита за олигомер;
• определена пространствена ориентация на макромолекулата;
• набор от важни физико-химични свойства, характерни само за тази група.

По принцип веществото на полимерната природа лесно се различава от останалите. Човек трябва само да погледне формулата си, за да разбере това. Типичен пример може да служи на всички известни полиетилен, широко използвани в ежедневието и промишлеността. Това е продукт реакция на полимеризация, в която ненаситен въглеводород етилен или етилен. Реакцията в обща форма е написана, както следва:

СН₂= СН₂- (-СН-СН-)_п, където п е степента на полимеризация на молекулите, показвайки колко мономерни единици са включени в неговия състав.

Също така, като пример, естествен полимер, който е добре известен на всички, е нишесте. Освен това, амилопектин, целулоза, пилешки протеин и много други вещества принадлежат към тази група съединения.

Реакциите, в резултат на които могат да се образуват макромолекули, са два вида:

• полимеризация;
• поликондензация.

Разликата е, че във втория случай продуктите за взаимодействие са нискомолекулни. Структурата на полимера може да бъде различна, зависи от атомите, които го образуват. Линейни форми често се срещат, но има и триизмерна мрежа, много сложна.

Ако говорим за силите и взаимодействията, които съдържат мономерните връзки, можем да определим няколко основни:

• Силите на Ван дер Ваалс;
• химични връзки (ковалентни, йонни);
• Електростатично взаимодействие.

Всички полимери не могат да бъдат комбинирани в една категория, тъй като те имат напълно различна природа, начин на формиране и изпълняват неравномерни функции. Техните свойства също варират. Ето защо съществува класификация, която позволява всички представители на тази група вещества да бъдат разделени на различни категории. Тя може да се основава на няколко знака.

Класификация на полимерите

Ако вземем като основа качествения състав на молекулите, тогава всички разглеждани вещества могат да бъдат определени в три групи.

1. Органични - това са тези, които включват въглеродни атоми, водород, сяра, кислород, фосфор, азот. Това означава, че тези елементи са биогенни. Примерите включват маса: полиетилен, поливинилхлорид, полипропилен, вискоза, найлон, естествен полимер - протеин, нуклеинови киселини и т.н.
2. Органо-органични - такива, които включват някои външни неорганични и не биогенния елемент. Най-често това са силиций, алуминий или титан. Примери за такива макромолекули са: органично стъкло, стъклени полимери, композитни материали.
3. Неорганични - в сърцето на веригата са силициевите атоми, а не въглеродът. Радикалите също могат да бъдат част от страничните клонове. Те са открити едва напоследък, в средата на 20-ти век. Използва се в медицината, строителството, инженерната и други индустрии. Примери: силикон, цинабър.

Ако разделяме полимерите от техния произход, можем да различим три групи от тях.

1. Природни полимери, чието приложение е широко прилагано от древността. Това са такива макромолекули, за създаването на които човекът не полага никакви усилия. Те са продукти от реакциите на самата природа. Примери: коприна, вълна, протеин, нуклеинови киселини, нишесте, целулоза, кожа, памук и др.
2. Изкуствен. Това са макромолекули, създадени от хора, но въз основа на естествени аналози. Това означава, че свойствата на вече съществуващ естествен полимер просто се подобряват и се променят. Примери: изкуствени каучук, каучук.
3. Синтетични - това са полимери, при създаването на които само човек участва. Няма естествени аналози за тях. Учените разработват методи за синтезиране на нови материали, които биха се характеризирали с подобрени технически характеристики. Така се раждат синтетични полимерни съединения от различни видове. Примери: полиетилен, полипропилен, вискоза, ацетатно влакно и така нататък.

Има още една особеност, която стои в основата на разделянето на разглежданите вещества на групи. Това е реактивността и термичната стабилност. В този параметър има две категории:

• термопластичен;
• термореактивни.

Най-древната, важна и особено ценна все още е естествен полимер. Неговите свойства са уникални. Следователно ще разгледаме тази категория макромолекули.

Кое вещество е естествен полимер?

За да отговорите на този въпрос, първо се огледайте. Какво ни заобикаля? Живи организми около нас, които се хранят, дишат, възпроизвеждат, цъфтят и дават плодове и семена. И какви са те от молекулярната гледна точка? Това са такива връзки, като:

• протеини;
• нуклеинови киселини;
• полизахариди.

Така че, естественият полимер е всяко от горните съединения. По този начин се оказва, че животът около нас съществува само поради наличието на тези молекули. От най-ранните времена хората използват глина, хоросан и хоросан за укрепване и създаване на дома, тъкани прежди от вълна, използвана памук, коприна, вълна и животинска кожа, за да създават дрехи. Природните органични полимери придружаваха 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 гарантира, че животът на хората е възможно най-удобен. С течение на времето беше открит каучук, неговите забележителни свойства бяха изяснени. Човекът се научи да използва нишесте за хранителни цели, в технически - целулоза. Естествен полимер също е камфор, който също е известен от древни времена. Смоли, протеини, нуклеинови киселини са всички примери за разглежданите съединения.

Структура на естествените полимери

Не всички представители на този клас вещества са подредени еднакво. По този начин, естествените и синтетичните полимери могат да варират значително. Техните молекули са ориентирани така, че да са най-изгодни и удобни да съществуват от енергийна гледна точка. В същото време, много естествени видове са способни на подуване и тяхната структура варира в процеса. Има няколко най-често срещани варианта на структурата на веригата:

• линеен;
• разклонена верига;
• звездообразна;
• плосък;
• меша;
• лента;
• гребен.

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

Примери за естествени макромолекули

Естествените и изкуствените полимери са много близко един до друг. В края на краищата, първите стават основа за създаването на последното. Примери за такива трансформации са много. Ето някои от тях.

1. Конвенционалната млечно-бяла пластмаса е продукт, получен чрез обработка на азотна киселина от целулоза с добавяне на естествен камфор. Реакцията на полимеризация води до втвърдяване на получения полимер и превръщане до желания продукт. Пластификаторът - камфор, го прави способен да омекне, когато се нагрява и променя формата си.
2. Ацетатна коприна, медно-амонячно влакно, вискоза са всички примери за тези прежди, влакна, които се произвеждат на базата на целулоза. Тъканите от естествен памук и бельо не са толкова силни, не блестящи, лесно се смаляват. Но изкуствените аналози на недостатъците им са лишени, което прави тяхната употреба много привлекателна.
3. Изкуствените камъни, строителните материали, смесите, изкуствената кожа са също примери за полимери, получени на основата на естествени суровини.

Вещество, което е естествен полимер, може да се използва в истинската му форма. Има много такива примери:

• колофон;
• кехлибар;
• нишесте;
• амилопектин;
• целулоза;
• кожи;
• вълна;
• памук;
• коприна;
• цимент;
• глина;
• вар;
• протеини;
• нуклеинови киселини и така нататък.

Очевидно е, че класовете съединения, считани от нас, са многобройни, практически важни и смислени за хората. Сега ще разгледаме по-подробно няколко представители на естествени полимери, които в момента са много търсени.

Коприна и вълна

Формулата на естествения копринен полимер е сложна, тъй като неговият химичен състав се изразява чрез следните компоненти:

• фиброин;
• серицин;
• восъци;
• мазнини.

Основният протеин е фиброин, той включва няколко вида аминокиселини. Ако представите неговата полипептидна верига, тя ще изглежда по следния начин: (-NH-CH₂-CO-NH-CH (CH₃) -СО-NH-СН₂-СО)_п. И това е само част от него. Ако си представим, че към структурата посредством ван дер Ваалс присъединява не по-малко комплекс серицин протеинова молекула, те се смесват заедно в една конформация с восък и мазнини, разбираемо е защо е трудно да се изобразяват формула естествена коприна.

Към днешна дата по-голямата част от този продукт се доставя от Китай, тъй като в района му има естествено местообитание за главния производител - копринената бубарка. По-рано, от най-древните времена естествената коприна беше много ценена. Само благородни, богати хора могат да си позволят дрехи. Днес много от характеристиките на тази материя оставят много желание. Например, той силно магнетизира и потъпква, освен това, че на слънце губи своя блясък и се затъмнява. Ето защо, повече в използването на изкуствени деривати, базирани на него.

Вълната също е естествен полимер, тъй като е продукт на жизнената активност на кожата и мастните жлези на животните. Въз основа на този протеинов продукт се произвежда трикотаж, който като коприна е ценен материал.

нишесте

Природното полимерно нишесте е продукт от живота на растенията. Те го произвеждат в резултат на процеса на фотосинтезата и се натрупват в различни части на тялото. Химическият му състав:

• амилопектин;
• амилоза;
• алфа-глюкоза.

Пространствената структура на нишестето е много разклонена, разместена. Благодарение на включения в състава амилопектин, той може да се надуе във вода, превръщайки се в така наречената паста. това колоиден разтвор използвани в машиностроенето и промишлеността. Медицината, хранително-вкусовата промишленост, производството на тапети лепила също са области на употреба на това вещество.

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

• царевица;
• картофи;
• ориз;
• пшеница;
• маниока;
• овес;
• елда;
• банани;
• сорго.

На базата на този биополимер печете хляб, направете тестени изделия, варено желе, овесена каша и други хранителни продукти.

целулоза

От гледна точка на химията, това вещество е полимер, чийто състав се изразява чрез формулата (С₆Н₅ох₅)_п. Мономерната връзка на веригата е бета-глюкоза. Основните места за съхранение на целулозата са клетъчните стени на растенията. Ето защо дървесината е ценен източник на това съединение.

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

• целулозни и хартиени продукти;
• изкуствена кожа;
• различни видове изкуствени влакна;
• памук;
• пластмаса;
• бездимни прах;
• филм и т.н.

Очевидно е, че индустриалното му значение е страхотно. За да бъде възможно това съединение да се използва при производството, първо трябва да се извлече от растенията. Това се прави чрез продължително готвене на дърво в специални устройства. Допълнителната обработка, както и реагентите, използвани за храносмилането, са различни. Има няколко начина:

• сулфит;
• нитрат;
• сода;
• сулфат.

След тази обработка продуктът все още съдържа примеси. Това 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 разделят този сложен биополимер. Някои животни (тревопасни животни) обаче се адаптират към това. В стомаха им се установяват определени бактерии, които го правят за 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, който има ценна икономическа стойност. Първоначално е описано от Робърт Кук, който го е открил в едно от пътуванията си. Така се случи. След като се приземи на острова, където живееха местните жители, той беше приет гостоприемно от тях. Неговото внимание беше привлечено от местни деца, които изиграха необичайна тема. Това сферично тяло избута от пода и скочи нагоре, после се върна.

Попитал местното население за това, което направи тази играчка, Кук установи, че сокът на едно от дърветата - Хевея - се втвърдява. Много по-късно се установи, че това е каучукът от биополимер.

Химичното естество на това съединение е известно - изопрен, подложен на естествена полимеризация. Каучуковата формула (С₅Н₈)_п. Неговите свойства, поради които са толкова ценни, са както следва:

• еластичност;
• устойчивост на износване;
• електрическа изолация;
• водоустойчивост.

Има обаче недостатъци. В студа, тя става крехка и крехка, и на топлина - лепкава и лепкава. Ето защо е имало нужда да се синтезират аналози на изкуствена или синтетична основа. Днес гумите са широко използвани за технически и промишлени цели. Най-важните продукти, които се основават на тях:

• каучук;
• абанос.

кехлибар

Той е естествен полимер, защото в своята структура представлява смола, неговата вкаменелост. Пространствената структура е рамков аморфен полимер. Много лесно запалим, можете да го запалите с пламъка на мача. Той притежава свойства на луминисценция. Това е много важно и ценно качество, което се използва в бижутата. Бижутата, базирани на кехлибар, са много красиви и търсени.

Освен това този биополимер се използва и за медицински цели. Произвежда също и шкурка, лаково покритие за различни повърхности.