Технические примемения целлюлозы

БУМАГА

Бумага (от персидск. «бомбака» — «хлопок») представ­ляет собой материал, состоящий из тонко переплетён­ных между собой волокон целлюлозы. Отдельные волок­на связаны друг с другом посредством водородных связей, которые возникают между гидроксильными группами.

Бумага была изобретена в конце II в. до н. э. в Китае, где её получали из волокон хлопка и бамбука. В VIII в. н. э. секрет изготовления бумаги стал известен арабам, а в IX в. его переняли византийцы.

В Средние века для изготовления бумаги использо­вали хлопок, пеньку, а также старое тряпьё — хлопко­вые и льняные ткани. На специальных мельницах их пре­вращали в порошок, который размешивали в воде для получения густой однородной массы. Лишь в XVIII в. бы­ло обнаружено, что удобным исходным веществом для производства бумаги может служить древесина. А пер­вые заводы по переработке древесины в целлюлозу по­явились только в XIX столетии.

Сегодня целлюлозу, которую выделяют из древеси­ны, по праву можно считать основным сырьём для про­изводства бумаги. В сухой древесине содержится око­ло 40 % целлюлозы, примерно 20 % других углеводов (в форме гемицеллюлозы — полимеров, построенных из молекул фруктозы, галактозы, маннозы и других саха­ров), 20—30% лигнина (полимера, состоящего из свя­занных друг с другом остатков различных фенолоспиртов), а также дубильные вещества, эфирные масла и минеральные соли (натрия, калия, магния). Существует несколько методов выделения целлюлозы. При перера­ботке древесины хвойных пород применяют сульфитный метод, основанный на кипячении древесных опилок в щёлоке — растворе, содержащем сернистый газ и гид­росульфит натрия. Эту операцию проводят в течение 10—12 часов в специальных автоклавах при давлении 0,5 МПа. В таких условиях сопутствующие целлюлозе вещества (в первую очередь, лигнин и гемицеллюлоза) пе­реходят в раствор, а нерастворимый осадок представ­ляет собой чистую целлюлозу. Из щёлока, содержащего продукты взаимодействия лигнина с сернистым газом - соли лигносульфокислот, получают дубильные вещества, ванилин, технический этиловый спирт и даже пище­вые дрожжи.

2. ГЕТЕРОПОЛИСАХАРИДЫ: гепарин, гиалуроновая кислота

 

СЛОЖНЫЕ ЭФИРЫ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Подобно другим веществам, содержащим гидроксильные группы, целлюлоза вступает в реакцию этерификации с органическими и неорганическими кислотами с образованием сложных эфиров. При этом связи между отдельными фрагментами соединения не разры­ваются, и возникает полимер, включающий сложно-эфирные группы —COOR—. При взаимодействии целлюлозы с уксусной кислотой или её производными (например, уксусным ангидридом) образуются ацета­ты целлюлозы, у которых в каждом звене макромоле­кулы на эфирные остатки замещены одна, две или три гидроксильные группы.

Ацетаты целлюлозы используются в производстве синтетических волокон (ацетатного волокна).

При нитровании целлюлозы смесью дымящей азот­ной и концентрированной серной кислот образуется тринитрат целлюлозы, который применяют для приго­товления бездымного пороха (пироксилина).

Динитрат целлюлозы служит основным компонен­том целлулоида — пластмассы, из которой делают не­которые типы искусственных стёкол.

 

Целлюлозно-бумажный комбинат. Варка целлюлозы.

 

Целлюлозу размалывают в специальных барабанах (роллах) до частиц с размером волокон 0,5—2,5 мм. При попадании в воду такие волокна легко набухают, обра­зуя однородную бумажную массу — взвесь целлюлозы в воде. Чтобы придать бумаге необходимые качества (цвет, светонепроницаемость, гладкость, плотность, прочность, пористость), в целлюлозную массу вводят на­полнители: глину (каолин), тальк, мел, сульфат бария или оксид титана, различные пигменты, клейкие вещества, дополнительно связывающие между собой волокна цел­люлозы. Для проклейки обычно используют смоляной клей, получаемый из канифоли. В состав такого клея

входят соли абиетиновой (С₁₉Н₂₉СООН) и сходных с ней по составу кислот — резинаты. При добавлении в клей алюмокалиевых квасцов образуется осадок из резина­тов алюминия, который обволакивает волокна целлюло­зы и придаёт им большую прочность и влагонепроницаемость.

Через специальные отверстия бумажная масса на­носится на непрерывно движущуюся сетку, а затем, по­сле многократного отжима, постепенно высыхает. Так формируется бумажное полотно. Чтобы придать бума­ге блеск и большую гладкость, полотно слегка увлажня­ют, а потом пропускают между металлическими и упру­гими бумажными валами (этот процесс называют каландрированием бумаги). После чего специальными ножами бумагу нарезают на листы.

Макромолекулы целлюлозы, выделенные из древеси­ны, например, сульфитным методом, состоят из 600— 1000 отдельных звеньев (С₆Н₁₀О₅). Со временем (в ре­зультате действия ионов водорода) связи между некоторыми звеньями рвутся. При этом поверхность бу­маги подкисляется, а сама она становится хрупкой и те­ряет прежний цвет. Сохранность печатных изданий представляет серьёзную научную проблему. Простейшее её решение — обработка пожелтевших листов раство­ром гидрокарбонатов (например, Са(НСО₃)₂). За счёт этого удаётся понизить их кислотность и хотя бы на вре­мя приостановить дальнейшее разрушение. Американ­ские учёные предложили использовать более активное вещество — диэтилцинк Zn(C₂H₅)₂, однако применять его надо с осторожностью: он легко воспламеняется на воз­духе или в присутствии воды.

 

۩ Интересно знать

Попадая в организм, дисахариды (например, сахароза, лактоза) и поли­сахариды (крахмал) под действием специальных ферментов гидролизуются с образованием глюкозы и фрук­тозы. Такое превращение можно лег­ко произвести... у себя во рту. Если долго жевать хлебный мякиш, то под действием фермента амилазы содер­жащийся в хлебе крахмал гидролизуется до глюкозы. При этом во рту воз­никает сладкий вкус.

И лишь целлюлоза, хотя и состоит из молекул глюкозы, не представляет для человека никакой питательной ценности. Дело в том, что в нашем ор­ганизме (в отличие, например, от жвачных животных) не вырабатыва­ются ферменты, расщепляющие мак­ромолекулы целлюлозы на молекулы глюкозы.

При окислении 1 г глюкозы выде­ляется примерно 16 кДж энергии.

Столько же даёт окисление 1 г саха­розы. Ежедневная потребность чело­века в сахарах составляет около 500 г, но она пополняется в основном за счёт крахмала, содержащегося в хле­бе, картофеле, макаронных изделиях. При рациональном питании суточная доза сахарозы не должна превышать 75 г (т. е. 12—14 стандартных кусоч­ков сахара, включая тот, что расходу­ется на приготовление пищи).

 

ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ

По теме: «ЖИРЫ»

 

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ

В 1811 г. французский химик Луи Ни­кола Воклен принёс в лабораторию образец прогорклого жира и предло­жил своему ученику Мишелю Эжену Шеврёлю (1786—1889) сделать его анализ. Шеврёль занялся исследова­нием этой новой,  в сущности, темы, серьёзно увлёкся и... стал основопо­ложником химии жиров.

Он первым выяснил строение жи­ров и изучил процесс их омыления, а также получил в индивидуальном ви­де многие жирные кислоты.

Ко времени начала его исследова­ний о жирах было известно немного. В XVII в. немецкий учёный, один из первых химиков-аналитиков,  Отто Тахений (1652—1699) выступил с гипо­тезой о том, что жиры содержат «скрытую кислоту». В середине следу­ющего столетия французский химик Клод Жозеф Жоффруа (1685—1752) обнаружил, что при разложении мы­ла (его готовили тогда варкой жира со щёлочью) кислотой образуется жир­ная масса. А в 1779 г. знаменитый шведский химик Карл Вильгельм Шееле, нагрев оливковое масло с влажным глётом РbО, получил новое жидкое вещество сладко­ватого вкуса. Повторив опыты со свиным салом, сливочным маслом и другими жирами, учё­ный убедился в том, что обнару­женное им вещество входит в состав и растительных, и живот­ных жиров, и назвал его «сладким началом масел». Кроме того, Шее­ле выявил в продуктах гидролиза жиров неизвестные ранее химиче­ские соединения — монокарбоновые (жирные) кислоты.

Формула «сладкого начала ма­сел», или глицерина (от греч. «гликис» — «сладкий»), как на­звал это вещество Шеврёль, бы­ла установлена значительно позднее — лишь в 1854 г. фран­цузскими химиками Марселеном Бертло и Шарлем Вюрцем.

Оказалось, что это трёхатомный спирт, т. е. соединение с тремя гидроксильными группами. И каждая может свя­зать остаток карбоновой кислоты с образованием сложного эфира — глицерида. Если это сделают все три гидроксильные группы, получатся триглицериды. Именно из них состо­ят в основном масла и жиры. При гидролизе они распадаются на глице­рин и свободные кислоты:

где R₁, R₂, R₃ — углеводородные ради­калы. Они и определяют внешний вид,  а также физические и химиче­ские свойства жиров. Если углеводо­родные цепи длинные, а двойных связей в них нет или их немного, по­лучаются твёрдые (при комнатной температуре) вещества, например свиное сало, бараний жир, пальмовое масло. Дело в том, что длинные насы­щенные углеводородные цепи отли­чаются большой гибкостью, что по­зволяет молекулам жиров плотно упаковываться с образованием кри­сталлов. Двойные связи затрудняют плотную упаковку углеводородных цепей — вот почему подсолнечное масло, например, жидкое.

В 1854 г. Марселену Бертло уда­лось осуществить обратную реак­цию, т. е. синтезировать жироподобные соединения из глицерина и карбоновых кислот. Для химиков та­кой синтез — его принято называть «встречным» — лучшее доказательст­во правильного определения химиче­ского строения нового вещества.

 

ЖИРЫ – это сложные эфиры 3-х атомного спирта глицерина и высших карбоновых кислот (2-е название триацилглицериды ТАГ).

Общая формула жиров:

 

 

Карбоновые кислоты, входящие в состав жиров:

если выписать названия насыщенных жирных кислот с числом атомов угле­рода в цепочке n, то обнаружится удивительная вещь: при n>10 все кис­лоты с чётным числом атомов углеро­да именуются по природному источ­нику, в котором они встречаются или из которого впервые выделены. Назва­ния же «нечётных» кислот (кроме маргариновой), как и соответству­ющих углеводородов, образованы от греческих или латинских числитель­ных; например, ундециловая означает просто «одиннадцатая» (лат. undecim — «одиннадцать»).

Объясняется такое «неравнопра­вие» тем, что природные жиры за очень редким исключением содержат жирные кислоты только с чётным числом атомов углерода в цепи. Это связано с особенностями синтеза та­ких кислот в организме. Процесс идёт в печени, стенках кишечника, лё­гочной ткани, костном мозге; а начи­нается с производного уксусной ки­слоты (n=2), к которому в результате цепочки превращений каждый раз присоединяются по два углеродных атома. В итоге образуются только цепи с чётным числом атомов углеро­да и, как правило, неразветвлённые. Лишь в отдельных случаях биосин­тез жирных кислот начинается с про­изводного пропионовой кислоты (n=3); вот тогда у кислот нечётное число атомов углерода.

 

Формулы кислот:

предельные, насыщенные (твёрдые)

1. пальмтиновая кислота C₁₅Н₃₁СООН
2. стеариновая кислота C₁₇Н₃₅СООН
3. лауриновая кислота C₁₁Н₂₃СООН
4. миристиновая кислота C₁₃Н₂₇СООН

 

непредельные ненасыщенные (жидкие)

1. оленовая кислота C₁₇Н₃₃СООН
2. линолевая кислота C₁₇Н₃₁СООН
3. линоленовая кислота C₁₇Н₂₉СООН

 

Классификация:

• В зависимостиот химического состава:

 

1. простые – содержат остаток высшей карбоновой кислоты и глицерина

2. сложные – кроме остатка высшей карбоновой кислоты и глицерина имеют дополнительные компоненты: аминогруппы, фосфатные группы и т.д.

 

• По агарегатному состоянию:

 

1. твёрдые жиры (животные жиры): образованы преимущественно предельными карбоновыми кислотами, например, говяжий, бараний, молочный жиры

2. жидкие жиры (растительные жиры) – масла: образованы преимущественно непредельными карбоновыми кислотами, например, льняное, подсолнечное, оливковое масла.