Přírodní polymer - složení a aplikace

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 05:20

Většina dnešních stavebních materiálů, léků, látek, domácích potřeb, obalů a spotřebního materiálu jsou polymery. Jedná se o celou skupinu sloučenin, které mají charakteristické rozlišovací znaky. Je jich hodně, ale i přes to počet polymerů stále roste. Koneckonců, syntetickí chemici každoročně objevují stále nové a nové látky. Přitom právě přírodní polymer měl vždy mimořádný význam. Jaké jsou tyto úžasné molekuly? Jaké jsou jejich vlastnosti a jaké jsou vlastnosti? Na tyto otázky odpovíme v průběhu článku.

Polymery: obecné vlastnosti

Z hlediska chemie je polymer považován za molekulu s obrovskou molekulovou hmotností: od několika tisíc do milionů jednotek. Kromě této vlastnosti však existuje několik dalších, podle kterých lze látky přesně klasifikovat jako přírodní a syntetické polymery. Toto je:

• neustále se opakující monomerní jednotky, které jsou propojeny různými interakcemi;
• stupeň polymerázy (tj. počet monomerů) by měl být velmivysoká, jinak bude sloučenina považována za oligomer;
• určitá prostorová orientace makromolekuly;
• soubor důležitých fyzikálních a chemických vlastností, které jsou jedinečné pro tuto skupinu.

Obecně lze látku polymerní povahy celkem snadno odlišit od ostatních. Člověk se musí jen podívat na jeho vzorec, aby to pochopil. Typickým příkladem je známý polyetylen, hojně využívaný v běžném životě i průmyslu. Je produktem polymerační reakce, do které vstupuje nenasycený uhlovodík ethen nebo ethylen. Reakce v obecném tvaru je zapsána následovně:

nCH₂=CH₂→(-CH-CH-) , kde n je stupeň polymerace molekul, který ukazuje, kolik monomerních jednotek je zahrnuto v jeho složení.

Také jako příklad lze uvést přírodní polymer, který je všem dobře znám, je to škrob. Kromě toho do této skupiny sloučenin patří amylopektin, celulóza, kuřecí protein a mnoho dalších látek.

Reakce, které mohou vytvářet makromolekuly, jsou dvojího typu:

• polymerizace;
• polykondenzace.

Rozdíl je v tom, že ve druhém případě mají interakční produkty nízkou molekulovou hmotnost. Struktura polymeru může být různá, záleží na atomech, které jej tvoří. Často se vyskytují lineární formy, ale existují také trojrozměrné sítě, které jsou velmi složité.

Pokud mluvíme o silách a interakcích, které drží monomerní jednotky pohromadě, pak můžeme identifikovat několik základních:

• Van Der Waalssíla;
• chemické vazby (kovalentní, iontové);
• elektrostatická interakce.

Všechny polymery nelze kombinovat do jedné kategorie, protože mají zcela odlišnou povahu, způsob tvorby a plní různé funkce. Liší se i jejich vlastnosti. Proto existuje klasifikace, která umožňuje rozdělit všechny zástupce této skupiny látek do různých kategorií. Může být založeno na několika znacích.

Klasifikace polymerů

Pokud vezmeme jako základ kvalitativní složení molekul, pak lze všechny uvažované látky rozdělit do tří skupin.

1. Organické – to jsou ty, které obsahují atomy uhlíku, vodíku, síry, kyslíku, fosforu, dusíku. Tedy ty prvky, které jsou biogenní. Existuje mnoho příkladů: polyethylen, polyvinylchlorid, polypropylen, viskóza, nylon, přírodní polymer - protein, nukleové kyseliny a tak dále.
2. Elementalorganické – ty, které obsahují nějaký cizí anorganický a nebiogenní prvek. Nejčastěji jde o křemík, hliník nebo titan. Příklady takových makromolekul: organické sklo, skleněné polymery, kompozitní materiály.
3. Anorganické - řetězec je založen na atomech křemíku, nikoli na uhlíku. Součástí vedlejších větví mohou být i radikály. Byly objeveny poměrně nedávno, v polovině 20. století. Používá se v lékařství, stavebnictví, strojírenství a dalších průmyslových odvětvích. Příklady: silikon, rumělka.

Pokud separujete polymery podle původu, můžetevyberte tři jejich skupiny.

1. Přírodní polymery, jejichž použití bylo široce používáno již od starověku. To jsou takové makromolekuly, o jejichž vytvoření člověk nevynaložil žádné úsilí. Jsou produkty reakcí samotné přírody. Příklady: hedvábí, vlna, protein, nukleové kyseliny, škrob, celulóza, kůže, bavlna atd.
2. Umělé. Jedná se o makromolekuly vytvořené člověkem, ale založené na přírodních analogech. To znamená, že vlastnosti již existujícího přírodního polymeru se jednoduše zlepší a změní. Příklady: umělá pryž, pryž.
3. Syntetické - to jsou polymery, na jejichž tvorbě se podílí pouze člověk. Neexistují pro ně žádné přirozené analogy. Vědci vyvíjejí metody pro syntézu nových materiálů, které by měly lepší technické vlastnosti. Tak se rodí syntetické polymerní sloučeniny různého druhu. Příklady: polyethylen, polypropylen, viskóza, acetátové vlákno atd.

Je tu ještě jedna vlastnost, která je základem rozdělení uvažovaných látek do skupin. Těmi jsou reaktivita a tepelná stabilita. Pro tento parametr existují dvě kategorie:

• termoplast;
• termoset.

Tím nejstarším, nejdůležitějším a obzvláště cenným je stále přírodní polymer. Jeho vlastnosti jsou jedinečné. Proto se budeme dále zabývat touto konkrétní kategorií makromolekul.

Která látka je přírodní polymer?

Abychom na tuto otázku odpověděli, nejprve se podívejme kolem sebe. Co nás obklopuje?Živé organismy kolem nás, které se živí, dýchají, rozmnožují, kvetou a produkují ovoce a semena. A co představují z molekulárního hlediska? Jedná se o spojení jako:

• proteiny;
• nukleové kyseliny;
• polysacharidy.

Každá z těchto sloučenin je tedy přírodní polymer. Ukazuje se tedy, že život kolem nás existuje pouze díky přítomnosti těchto molekul. Od pradávna lidé používali hlínu, stavební směsi a m alty ke zpevňování a vytváření domova, tkali přízi z vlny a používali bavlnu, hedvábí, vlnu a zvířecí kůži k výrobě oděvů. Přírodní organické polymery provázely člověka ve všech fázích jeho utváření a vývoje a v mnoha ohledech mu pomohly dosáhnout výsledků, které máme dnes.

Příroda sama dala vše pro to, aby životy lidí byly co nejpohodlnější. Postupem času byl objeven kaučuk, byly objasněny jeho pozoruhodné vlastnosti. Člověk se naučil používat škrob pro potravinářské účely a celulózu pro technické účely. Kafr je také přírodní polymer, který je také znám již od starověku. Pryskyřice, proteiny, nukleové kyseliny jsou příklady sloučenin, o kterých se uvažuje.

Struktura přírodních polymerů

Ne všichni zástupci této třídy látek mají stejnou strukturu. Přírodní a syntetické polymery se tedy mohou výrazně lišit. Jejich molekuly jsou orientovány tak, aby bylo z energetického hlediska nejvýhodnější a nejpohodlnější existovat. Mnoho přírodních druhů je přitom schopno bobtnat a jejich struktura se přitom mění. Existuje několik nejběžnějších variant struktury řetězce:

• lineární;
• rozvětvený;
• ve tvaru hvězdy;
• plochý;
• mesh;
• tape;
• ve tvaru hřebene.

Umělí a syntetickí zástupci makromolekul mají velmi velkou hmotnost, obrovský počet atomů. Jsou vytvořeny se speciálně specifikovanými vlastnostmi. Proto jejich strukturu původně plánoval člověk. Přírodní polymery mají nejčastěji lineární nebo síťovanou strukturu.

Příklady přírodních makromolekul

Přírodní a umělé polymery jsou si velmi blízké. Koneckonců, první se stává základem pro vytvoření druhého. Existuje mnoho příkladů takových transformací. Zde jsou některé z nich.

1. Obyčejný mléčně bílý plast je produkt získaný úpravou celulózy kyselinou dusičnou s přídavkem přírodního kafru. Polymerační reakce způsobí, že výsledný polymer ztuhne a stane se požadovaným produktem. A změkčovadlo - kafr, umožňuje při zahřívání změknout a změnit svůj tvar.
2. Acetátové hedvábí, měděno-amoniakové vlákno, viskóza jsou všechny příklady těchto nití, vláken, která se získávají z celulózy. Látky vyrobené z přírodní bavlny a lnu nejsou tak odolné, nejsou lesklé, snadno se mačkají. Ale jejich umělé analogy postrádají tyto nedostatky, což činí jejich použití velmi atraktivní.
3. Umělé kameny, stavební materiály, směsi, náhražky kůže jsouViz také příklady polymerů získaných z přírodních surovin.

Látka, která je přírodním polymerem, může být také použita ve své pravé formě. Existuje také mnoho takových příkladů:

• kalafuna;
• jantar;
• škrob;
• amylopektin;
• celulóza;
• fur;
• vlna;
• bavlna;
• hedvábí;
• cement;
• clay;
• lime;
• proteiny;
• nukleové kyseliny a tak dále.

Je zřejmé, že třída sloučenin, o kterých uvažujeme, je velmi početná, prakticky důležitá a významná pro lidi. Pojďme se nyní blíže podívat na několik zástupců přírodních polymerů, po kterých je v současné době velká poptávka.

Hedvábí a vlna

Receptura přírodního hedvábného polymeru je složitá, protože jeho chemické složení je vyjádřeno následujícími složkami:

• fibroin;
• sericin;
• vosky;
• tuky.

Samotný hlavní protein, fibroin, obsahuje několik typů aminokyselin. Pokud si představíte jeho polypeptidový řetězec, bude vypadat nějak takto: (-NH-CH₂-CO-NH-CH(CH₃)- CO-NH-CH₂-CO-)_n. A to je jen část toho. Pokud si představíme, že na tuto strukturu je pomocí van der Waalsových sil navázána stejně složitá molekula proteinu sericinu a společně jsou smíchány do jediné konformace s voskem a tuky, je jasné, proč je obtížné vzorec znázornit z přírodního hedvábí.

Pro dnešekDnes většinu tohoto produktu dodává Čína, protože na jejích otevřených prostranstvích je přirozené prostředí pro hlavního producenta – bource morušového. Dříve, od nejstarších dob, bylo přírodní hedvábí vysoce ceněno. Oblečení z ní si mohli dovolit jen urození, bohatí lidé. Dnes mnoho vlastností této tkaniny ponechává mnoho přání. Například je silně zmagnetizovaný a vrásčitý, navíc ztrácí svůj lesk a vybledne vystavením slunci. Proto se více používají umělé deriváty na jeho bázi.

Vlna je také přírodní polymer, protože je odpadním produktem kůže a mazových žláz zvířat. Na základě tohoto proteinového produktu se vyrábí pletenina, která je stejně jako hedvábí cenným materiálem.

škrob

Přírodní polymerní škrob je odpadní produkt rostlin. Produkují ho jako výsledek procesu fotosyntézy a hromadí se v různých částech těla. Jeho chemické složení:

• amylopektin;
• amylóza;
• alfa-glukóza.

Prostorová struktura škrobu je velmi rozvětvená, neuspořádaná. Díky amylopektinu obsaženému ve složení je schopen bobtnat ve vodě a přeměnit se v takzvanou pastu. Tento koloidní roztok se používá ve strojírenství a průmyslu. Oblastmi použití této látky jsou také lékařství, potravinářský průmysl, výroba lepidel na tapety.

Mezi rostlinami obsahujícími maximální množství škrobu můžeme rozlišit:

• kukuřice;
• potato;
• rice;
• pšenice;
• cassava;
• oves;
• pohanka;
• bananas;
• sorghum.

Na základě tohoto biopolymeru se peče chléb, vyrábí se těstoviny, vaří se kissels, cereálie a další potravinářské produkty.

Vazba

Z hlediska chemie je tato látka polymerem, jehož složení je vyjádřeno vzorcem (C₆H_{5 O} 5_{) . Monomerním článkem v řetězci je beta-glukóza. Hlavními místy obsahu celulózy jsou buněčné stěny rostlin. Proto je dřevo cenným zdrojem této sloučeniny.}

Celulóza je přírodní polymer, který má lineární prostorovou strukturu. Používá se k výrobě následujících typů produktů:

• výrobky z celulózy a papíru;
• umělá kožešina;
• různé typy umělých vláken;
• bavlna;
• plasty;
• bezdýmný prášek;
• filmové pásy a tak dále.

Je zřejmé, že jeho průmyslový význam je velký. Aby mohla být daná sloučenina použita při výrobě, musí být nejprve extrahována z rostlin. To se provádí dlouhodobým vařením dřeva ve speciálních zařízeních. Další zpracování, stejně jako reagencie používané pro trávení, se liší. Existuje několik způsobů:

• sulfite;
• dusičnan;
• sodík;
• sulfát.

Po tomto ošetření produkt stále obsahujenečistoty. Je založen na ligninu a hemicelulóze. Aby se jich zbavili, je hmota ošetřena chlórem nebo zásadou.

V lidském těle nejsou žádné takové biologické katalyzátory, které by byly schopny tento složitý biopolymer rozložit. Některá zvířata (býložravci) se tomu však přizpůsobili. V žaludku mají určité bakterie, které to dělají za ně. Na oplátku dostávají mikroorganismy energii pro život a stanoviště. Tato forma symbiózy je mimořádně výhodná pro obě strany.

Guma

Jedná se o přírodní polymer cenného ekonomického významu. Poprvé ji popsal Robert Cook, který ji objevil na jedné ze svých cest. Stalo se to takhle. Poté, co přistál na ostrově obývaném jemu neznámými domorodci, byl jimi pohostinně přijat. Jeho pozornost upoutaly místní děti, které si hrály s neobvyklým předmětem. Toto kulovité tělo odkoplo od podlahy a odrazilo se vysoko nahoru, pak se vrátilo.

Poté, co se Cook zeptal místního obyvatelstva, z čeho je tato hračka vyrobena, zjistil, že šťáva jednoho ze stromů, hevea, tímto způsobem tuhne. Mnohem později bylo zjištěno, že se jedná o pryžový biopolymer.

Chemická povaha této sloučeniny je známá – je to isopren, který prošel přirozenou polymerací. Vzorec kaučuku je (С₅Н₈) . Jeho vlastnosti, díky kterým je tak vysoce ceněný, jsou následující:

• elasticita;
• odolný proti opotřebení;
• elektrická izolace;
• voděodolný.

Existují však také nevýhody. V chladu se stává křehkým a křehkým a v horku lepkavý a viskózní. Proto bylo nutné syntetizovat analogy umělé nebo syntetické báze. Dnes se kaučuky široce používají pro technické a průmyslové účely. Nejdůležitější produkty na nich založené:

• gumy;
• ebonity.

Amber

Je to přírodní polymer, protože ve své struktuře je to pryskyřice, její fosilní forma. Prostorovou strukturou je rámový amorfní polymer. Je velmi hořlavý a lze jej zapálit zápalným plamenem. Má luminiscenční vlastnosti. Jedná se o velmi důležitou a cennou vlastnost, která se používá ve šperkařství. Šperky na bázi jantaru jsou velmi krásné a žádané.

Tento biopolymer se navíc používá také pro lékařské účely. Používá se také k výrobě brusného papíru, laků na různé povrchy.