Natuurlijk polymeer - formule en toepassing

2024 Auteur: Angel Austin | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 05:37

De meeste hedendaagse bouwmaterialen, medicijnen, stoffen, huishoudelijke artikelen, verpakkingen en verbruiksartikelen zijn polymeren. Dit is een hele groep verbindingen met karakteristieke onderscheidende kenmerken. Het zijn er veel, maar desondanks blijft het aantal polymeren groeien. Immers, synthetisch chemici ontdekken jaarlijks steeds meer nieuwe stoffen. Tegelijkertijd was het natuurlijke polymeer altijd van bijzonder belang. Wat zijn deze verbazingwekkende moleculen? Wat zijn hun eigenschappen en wat zijn de kenmerken? We zullen deze vragen in de loop van het artikel beantwoorden.

Polymeren: algemene kenmerken

Vanuit het oogpunt van chemie wordt een polymeer beschouwd als een molecuul met een enorm molecuulgewicht: van enkele duizenden tot miljoenen eenheden. Naast dit kenmerk zijn er echter nog een aantal andere waarmee stoffen precies kunnen worden geclassificeerd als natuurlijke en synthetische polymeren. Dit is:

• constant herhalende monomere eenheden die zijn verbonden door verschillende interacties;
• de graad van polymerase (d.w.z. het aantal monomeren) moet erg zijnhoog, anders wordt de verbinding als een oligomeer beschouwd;
• bepaalde ruimtelijke oriëntatie van een macromolecuul;
• een reeks belangrijke fysische en chemische eigenschappen die uniek zijn voor deze groep.

Over het algemeen is een stof van polymere aard vrij gemakkelijk van andere te onderscheiden. Je hoeft alleen maar naar zijn formule te kijken om het te begrijpen. Een typisch voorbeeld is het bekende polyethyleen, dat veel wordt gebruikt in het dagelijks leven en de industrie. Het is het product van een polymerisatiereactie waarin de onverzadigde koolwaterstof etheen of etheen binnenkomt. De reactie in algemene vorm wordt als volgt geschreven:

nCH₂=CH₂→(-CH-CH-) , waar n is de polymerisatiegraad van moleculen, die aangeeft hoeveel monomere eenheden in de samenstelling zijn opgenomen.

Als voorbeeld kan men ook een natuurlijk polymeer noemen, dat bij iedereen bekend is, het is zetmeel. Daarnaast behoren amylopectine, cellulose, kippeneiwit en vele andere stoffen tot deze groep verbindingen.

Er zijn twee soorten reacties die macromoleculen kunnen vormen:

• polymerisatie;
• polycondensatie.

Het verschil is dat in het tweede geval de interactieproducten een laag molecuulgewicht hebben. De structuur van het polymeer kan verschillen, het hangt af van de atomen die het vormen. Lineaire vormen worden vaak gevonden, maar er zijn ook driedimensionale mazen, die erg complex zijn.

Als we het hebben over de krachten en interacties die monomeereenheden bij elkaar houden, dan kunnen we verschillende fundamentele identificeren:

• Van der Waalskracht;
• chemische bindingen (covalent, ionisch);
• elektrostatische interactie.

Alle polymeren kunnen niet in één categorie worden gecombineerd, omdat ze een compleet andere aard, vormingsmethode en verschillende functies hebben. Hun eigenschappen verschillen ook. Daarom is er een classificatie waarmee u alle vertegenwoordigers van deze groep stoffen in verschillende categorieën kunt verdelen. Het kan gebaseerd zijn op verschillende tekens.

Classificatie van polymeren

Als we uitgaan van de kwalitatieve samenstelling van de moleculen, dan kunnen alle onderzochte stoffen in drie groepen worden verdeeld.

1. Organisch - dit zijn atomen van koolstof, waterstof, zwavel, zuurstof, fosfor en stikstof. Dat wil zeggen, die elementen die biogeen zijn. Er zijn veel voorbeelden: polyethyleen, polyvinylchloride, polypropyleen, viscose, nylon, natuurlijk polymeer - eiwit, nucleïnezuren enzovoort.
2. Elementalorganic - die een vreemd anorganisch en niet-biogeen element bevatten. Meestal is het silicium, aluminium of titanium. Voorbeelden van dergelijke macromoleculen: organisch glas, glaspolymeren, composietmaterialen.
3. Anorganisch - de keten is gebaseerd op siliciumatomen, niet op koolstof. Radicalen kunnen ook deel uitmaken van zijtakken. Ze werden vrij recent ontdekt, in het midden van de 20e eeuw. Gebruikt in geneeskunde, bouw, techniek en andere industrieën. Voorbeelden: siliconen, cinnaber.

Als je polymeren op herkomst scheidt, kun jeselecteer drie van hun groepen.

1. Natuurlijke polymeren, waarvan het gebruik al sinds de oudheid op grote schaal wordt toegepast. Dit zijn dergelijke macromoleculen, voor de creatie waarvan een persoon geen enkele moeite heeft gedaan. Het zijn producten van de reacties van de natuur zelf. Voorbeelden: zijde, wol, eiwit, nucleïnezuren, zetmeel, cellulose, leer, katoen, enz.
2. Kunstmatig. Dit zijn macromoleculen die door de mens zijn gemaakt, maar gebaseerd zijn op natuurlijke analogen. Dat wil zeggen, de eigenschappen van een reeds bestaand natuurlijk polymeer worden eenvoudig verbeterd en veranderd. Voorbeelden: kunstrubber, rubber.
3. Synthetisch - dit zijn polymeren waaraan alleen een persoon deelneemt. Er zijn geen natuurlijke analogen voor hen. Wetenschappers ontwikkelen methoden voor de synthese van nieuwe materialen met verbeterde technische eigenschappen. Dit is hoe synthetische polymeerverbindingen van verschillende soorten worden geboren. Voorbeelden: polyethyleen, polypropyleen, viscose, acetaatvezel, enz.

Er is nog een kenmerk dat ten grondslag ligt aan de indeling van de beschouwde stoffen in groepen. Dit zijn reactiviteit en thermische stabiliteit. Er zijn twee categorieën voor deze parameter:

• thermoplastisch;
• thermoset.

Het oudste, belangrijkste en vooral waardevolle is nog steeds een natuurlijk polymeer. De eigenschappen zijn uniek. Daarom zullen we deze specifieke categorie van macromoleculen verder bekijken.

Welke stof is een natuurlijk polymeer?

Laten we om deze vraag te beantwoorden eerst om ons heen kijken. Wat omringt ons?Levende organismen om ons heen die zich voeden, ademen, reproduceren, bloeien en vruchten en zaden produceren. En wat vertegenwoordigen ze vanuit moleculair oogpunt? Dit zijn verbindingen zoals:

• eiwitten;
• nucleïnezuren;
• polysachariden.

Dus, elk van deze verbindingen is een natuurlijk polymeer. Het blijkt dus dat het leven om ons heen alleen bestaat door de aanwezigheid van deze moleculen. Sinds de oudheid hebben mensen klei, bouwmengsels en mortels gebruikt om een huis te versterken en te creëren, garen van wol te weven en katoen, zijde, wol en dierenhuid te gebruiken om kleding te maken. Natuurlijke organische polymeren begeleidden de mens in alle stadia van zijn vorming en ontwikkeling en hielpen hem op veel manieren om de resultaten te bereiken die we vandaag hebben.

De natuur zelf heeft alles gegeven om het leven van mensen zo aangenaam mogelijk te maken. In de loop van de tijd werd rubber ontdekt, zijn opmerkelijke eigenschappen werden verduidelijkt. De mens heeft geleerd zetmeel te gebruiken voor voedseldoeleinden en cellulose voor technische doeleinden. Kamfer is ook een natuurlijk polymeer, dat ook al sinds de oudheid bekend is. Harsen, eiwitten, nucleïnezuren zijn allemaal voorbeelden van verbindingen die worden overwogen.

Structuur van natuurlijke polymeren

Niet alle vertegenwoordigers van deze klasse van stoffen hebben dezelfde structuur. Zo kunnen natuurlijke en synthetische polymeren aanzienlijk verschillen. Hun moleculen zijn zo georiënteerd dat het vanuit een energetisch oogpunt het meest heilzaam en gemakkelijk is om te bestaan. Tegelijkertijd kunnen veel natuurlijke soorten opzwellen en verandert hun structuur tijdens het proces. Er zijn verschillende meest voorkomende varianten van de kettingstructuur:

• lineair;
• vertakt;
• stervormig;
• plat;
• mesh;
• tape;
• kamvormig.

Kunstmatige en synthetische vertegenwoordigers van macromoleculen hebben een zeer grote massa, een enorm aantal atomen. Ze zijn gemaakt met speciaal gespecificeerde eigenschappen. Daarom werd hun structuur oorspronkelijk door de mens ontworpen. Natuurlijke polymeren zijn meestal lineair of netvormig van structuur.

Voorbeelden van natuurlijke macromoleculen

Natuurlijke en kunstmatige polymeren liggen heel dicht bij elkaar. De eerste wordt immers de basis voor de creatie van de tweede. Er zijn veel voorbeelden van dergelijke transformaties. Hier zijn er enkele.

1. Gewone melkwitte kunststof is een product dat wordt verkregen door cellulose te behandelen met salpeterzuur met toevoeging van natuurlijke kamfer. De polymerisatiereactie zorgt ervoor dat het resulterende polymeer stolt en het gewenste product wordt. En de weekmaker - kamfer, maakt het zachter bij verhitting en verandert van vorm.
2. Acetaatzijde, koper-ammoniakvezel, viscose zijn allemaal voorbeelden van die draden, vezels die worden verkregen uit cellulose. Stoffen gemaakt van natuurlijk katoen en linnen zijn niet zo duurzaam, niet glanzend, gemakkelijk te kreuken. Maar de kunstmatige analogen ervan zijn verstoken van deze tekortkomingen, wat het gebruik ervan zeer aantrekkelijk maakt.
3. Kunststenen, bouwmaterialen, mengsels, leervervangers zijnZie ook voorbeelden van polymeren afgeleid van natuurlijke grondstoffen.

De stof, die een natuurlijk polymeer is, kan ook in zijn ware vorm worden gebruikt. Er zijn ook veel van dergelijke voorbeelden:

• hars;
• amber;
• zetmeel;
• amylopectine;
• cellulose;
• bont;
• wol;
• katoen;
• zijde;
• cement;
• klei;
• limoen;
• eiwitten;
• nucleïnezuren enzovoort.

Het is duidelijk dat de klasse van verbindingen die we overwegen zeer talrijk is, praktisch belangrijk en significant voor mensen. Laten we nu eens nader kijken naar verschillende vertegenwoordigers van natuurlijke polymeren, waar op dit moment veel vraag naar is.

Zijde en wol

De formule van natuurlijke zijdepolymeer is complex, omdat de chemische samenstelling ervan wordt uitgedrukt door de volgende componenten:

• fibroin;
• sericin;
• wax;
• vetten.

Het belangrijkste eiwit zelf, fibroïne, bevat verschillende soorten aminozuren. Als je je zijn polypeptideketen voorstelt, dan ziet die er ongeveer zo uit: (-NH-CH₂-CO-NH-CH(CH₃)- CO-NH-CH₂-CO-)_n. En dit is er maar een deel van. Als we ons voorstellen dat een even complex sericine-eiwitmolecuul met behulp van van der Waals-krachten aan deze structuur wordt vastgemaakt en samen met was en vetten tot een enkele conformatie wordt gemengd, dan is het duidelijk waarom het moeilijk is om de formule weer te geven van natuurlijke zijde.

Voor vandaagTegenwoordig wordt het grootste deel van dit product geleverd door China, omdat er in de open ruimtes een natuurlijke habitat is voor de belangrijkste producent - de zijderups. Vroeger, vanaf de oudste tijden, werd natuurlijke zijde zeer gewaardeerd. Alleen edele, rijke mensen konden zich er kleding van veroorloven. Tegenwoordig laten veel kenmerken van deze stof te wensen over. Het is bijvoorbeeld sterk gemagnetiseerd en gerimpeld, bovendien verliest het zijn glans en vervaagt het door blootstelling aan de zon. Daarom zijn kunstmatige derivaten die erop gebaseerd zijn meer in gebruik.

Wol is ook een natuurlijk polymeer, omdat het een afvalproduct is van de huid en talgklieren van dieren. Op basis van dit eiwitproduct wordt breiwerk gemaakt, dat net als zijde een waardevol materiaal is.

Zetmeel

Natuurlijk polymeerzetmeel is een afvalproduct van planten. Ze produceren het als resultaat van het proces van fotosynthese en hopen zich op in verschillende delen van het lichaam. Zijn chemische samenstelling:

• amylopectine;
• amylose;
• alfa-glucose.

De ruimtelijke structuur van zetmeel is erg vertakt, ongeordend. Dankzij het amylopectine dat in de samenstelling is opgenomen, kan het in water zwellen en in een zogenaamde pasta veranderen. Deze colloïdale oplossing wordt gebruikt in de techniek en de industrie. Geneeskunde, de voedingsindustrie, de vervaardiging van behanglijmen zijn ook toepassingsgebieden voor deze stof.

Onder planten die de maximale hoeveelheid zetmeel bevatten, kunnen we het volgende onderscheiden:

• maïs;
• aardappel;
• rijst;
• tarwe;
• cassave;
• haver;
• boekweit;
• bananen;
• sorghum.

Op basis van dit biopolymeer wordt brood gebakken, pasta gemaakt, kusjes, ontbijtgranen en andere voedselproducten gekookt.

Pulp

Vanuit het oogpunt van chemie is deze stof een polymeer, waarvan de samenstelling wordt uitgedrukt door de formule (C₆H_{5 O} 5_{) . De monomere schakel in de keten is bèta-glucose. De belangrijkste plaatsen van cellulose-inhoud zijn de celwanden van planten. Daarom is hout een waardevolle bron van deze verbinding.}

Cellulose is een natuurlijk polymeer met een lineaire ruimtelijke structuur. Het wordt gebruikt om de volgende soorten producten te produceren:

• pulp en papierproducten;
• nepbont;
• verschillende soorten kunstmatige vezels;
• katoen;
• kunststoffen;
• rookloos poeder;
• filmstrips enzovoort.

Het is duidelijk dat de industriële betekenis groot is. Om een bepaalde verbinding in de productie te kunnen gebruiken, moet deze eerst uit planten worden geëxtraheerd. Dit gebeurt door het langdurig koken van hout in speciale apparaten. Verdere verwerking, evenals de reagentia die worden gebruikt voor de spijsvertering, variëren. Er zijn verschillende manieren:

• sulfiet;
• nitraat;
• natrium;
• sulfaat.

Na deze behandeling bevat het product nogonzuiverheden. Het is gebaseerd op lignine en hemicellulose. Om ze kwijt te raken, wordt de massa behandeld met chloor of alkali.

In het menselijk lichaam zijn er geen biologische katalysatoren die dit complexe biopolymeer zouden kunnen afbreken. Sommige dieren (herbivoren) hebben zich hier echter aan aangepast. Ze hebben bepaalde bacteriën in hun maag die het voor hen doen. In ruil daarvoor ontvangen micro-organismen energie voor leven en leefgebied. Deze vorm van symbiose is zeer gunstig voor beide partijen.

Rubber

Dit is een natuurlijk polymeer van waardevol economisch belang. Het werd voor het eerst beschreven door Robert Cook, die het tijdens een van zijn reizen ontdekte. Het is zo gebeurd. Na geland te zijn op een eiland bewoond door voor hem onbekende inboorlingen, werd hij gastvrij door hen ontvangen. Zijn aandacht werd getrokken door lokale kinderen die met een ongewoon voorwerp speelden. Dit bolvormige lichaam schopte van de vloer en stuiterde hoog naar boven, en keerde toen terug.

Nadat hij de lokale bevolking had gevraagd waar dit speelgoed van gemaakt was, ontdekte Cook dat het sap van een van de bomen, de hevea, op deze manier hard wordt. Veel later werd ontdekt dat dit het rubberbiopolymeer is.

De chemische aard van deze verbinding is bekend - het is isopreen dat natuurlijke polymerisatie heeft ondergaan. De rubberformule is (С₅Н₈) . De eigenschappen die het zo hoog aangeschreven maken, zijn de volgende:

• elasticiteit;
• slijtvast;
• elektrische isolatie;
• waterbestendig.

Er zijn echter ook nadelen. In de kou wordt het broos en broos, en in de hitte wordt het plakkerig en stroperig. Daarom werd het noodzakelijk om analogen van een kunstmatige of synthetische basis te synthetiseren. Tegenwoordig worden rubbers veel gebruikt voor technische en industriële doeleinden. De belangrijkste producten op basis daarvan:

• rubbers;
• ebonieten.

Amber

Het is een natuurlijk polymeer, omdat het in zijn structuur een hars is, zijn fossiele vorm. De ruimtelijke structuur is een frame amorf polymeer. Het is zeer brandbaar en kan worden aangestoken met een lucifervlam. Het heeft luminescentie-eigenschappen. Dit is een zeer belangrijke en waardevolle kwaliteit die in sieraden wordt gebruikt. Sieraden op basis van barnsteen zijn erg mooi en veel gevraagd.

Bovendien wordt dit biopolymeer ook gebruikt voor medische doeleinden. Het wordt ook gebruikt voor het maken van schuurpapier, verniscoatings voor verschillende oppervlakken.