Polyme tự nhiên - công thức và ứng dụng

2024 Tác giả: Angel Austin | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 05:46

Hầu hết các vật liệu xây dựng ngày nay, thuốc, vải, đồ gia dụng, bao bì và vật tư tiêu hao là polyme. Đây là một nhóm toàn bộ các hợp chất có các tính năng phân biệt đặc trưng. Có rất nhiều trong số chúng, nhưng bất chấp điều này, số lượng polyme vẫn tiếp tục tăng lên. Rốt cuộc, các nhà hóa học tổng hợp hàng năm phát hiện ra ngày càng nhiều chất mới. Đồng thời, polyme tự nhiên luôn có tầm quan trọng đặc biệt. Những phân tử tuyệt vời này là gì? Thuộc tính của chúng là gì và các tính năng là gì? Chúng tôi sẽ trả lời những câu hỏi này trong quá trình của bài viết.

Polyme: đặc điểm chung

Theo quan điểm của hóa học, polyme được coi là một phân tử có trọng lượng phân tử rất lớn: từ vài nghìn đến hàng triệu đơn vị. Tuy nhiên, ngoài đặc điểm này, còn có một số đặc điểm khác mà các chất có thể được phân loại chính xác là polyme tự nhiên và tổng hợp. Đây là:

liên tục lặp lại các đơn vị đơn lượng được kết nối thông qua các tương tác khác nhau;
mức độ polymerase (tức là số lượng monome) phải rấtcao, nếu không, hợp chất sẽ được coi là một oligomer;
định hướng không gian nhất định của đại phân tử;
một tập hợp các đặc tính vật lý và hóa học quan trọng chỉ có ở nhóm này.

Nói chung, một chất có bản chất cao phân tử khá dễ phân biệt với những chất khác. Người ta chỉ cần nhìn vào công thức của mình để hiểu nó. Ví dụ điển hình là polyetylen được nhiều người biết đến, được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày và công nghiệp. Nó là sản phẩm của phản ứng trùng hợp trong đó etilen hoặc hydrocacbon không no đi vào. Phản ứng ở dạng tổng quát được viết như sau:

nCH₂=CH₂→ (-CH-CH -) , ở đâu n là mức độ trùng hợp của các phân tử, cho biết có bao nhiêu đơn vị monome trong thành phần của nó.

Ngoài ra, để làm ví dụ, người ta có thể trích dẫn một polyme tự nhiên, mà ai cũng biết, đó là tinh bột. Ngoài ra, amylopectin, cellulose, protein gà và nhiều chất khác thuộc nhóm hợp chất này.

Phản ứng có thể tạo thành đại phân tử gồm hai loại:

trùng hợp;
polycondensation.

Sự khác biệt là trong trường hợp thứ hai, các sản phẩm tương tác có trọng lượng phân tử thấp. Cấu trúc của polyme có thể khác nhau, nó phụ thuộc vào các nguyên tử tạo thành nó. Các dạng tuyến tính thường được tìm thấy, nhưng cũng có các mắt lưới ba chiều, rất phức tạp.

Nếu chúng ta nói về các lực và tương tác giữ các đơn vị monome lại với nhau, thì chúng ta có thể xác định một số đơn vị cơ bản:

Van Der Waalssức mạnh;
liên kết hóa học (cộng hóa trị, ion);
tương tác tĩnh điện.

Tất cả các polyme không thể được kết hợp thành một loại vì chúng có bản chất hoàn toàn khác nhau, phương pháp hình thành và thực hiện các chức năng khác nhau. Tính chất của chúng cũng khác nhau. Do đó, có một phân loại cho phép bạn chia tất cả các đại diện của nhóm chất này thành các loại khác nhau. Nó có thể dựa trên một số dấu hiệu.

Phân loại polyme

Nếu chúng ta lấy thành phần định tính của các phân tử làm cơ sở, thì tất cả các chất đang được xem xét có thể được chia thành ba nhóm.

Hữu cơ - đây là những chất bao gồm các nguyên tử cacbon, hydro, lưu huỳnh, oxy, phốt pho, nitơ. Đó là, những yếu tố có tính sinh học. Có nhiều ví dụ: polyetylen, polyvinyl clorua, polypropylen, visco, nylon, polyme tự nhiên - protein, axit nucleic, v.v.
Nguyên tố - những tổ chức bao gồm một số nguyên tố vô cơ không liên quan và không sinh học. Thông thường nó là silicon, nhôm hoặc titan. Ví dụ về các đại phân tử như vậy: thủy tinh hữu cơ, polyme thủy tinh, vật liệu composite.
Vô cơ - chuỗi dựa trên các nguyên tử silic, không phải cacbon. Các bộ cải tiến cũng có thể là một phần của các nhánh phụ. Chúng được phát hiện khá gần đây, vào giữa thế kỷ 20. Được sử dụng trong y học, xây dựng, kỹ thuật và các ngành công nghiệp khác. Ví dụ: silicone, chu sa.

Nếu bạn phân tách các polyme theo nguồn gốc, bạn có thểchọn ba trong số các nhóm của họ.

Polyme tự nhiên, việc sử dụng đã được thực hiện rộng rãi từ thời cổ đại. Đây là những đại phân tử như vậy, để tạo ra nó mà một người đã không thực hiện bất kỳ nỗ lực nào. Chúng là sản phẩm của các phản ứng của chính tự nhiên. Ví dụ: lụa, len, protein, axit nucleic, tinh bột, xenlulo, da, bông, v.v.
Nhân tạo. Đây là những đại phân tử được tạo ra bởi con người, nhưng dựa trên các chất tương tự tự nhiên. Đó là, các đặc tính của một polyme tự nhiên đã tồn tại được cải thiện và thay đổi một cách đơn giản. Ví dụ: cao su nhân tạo, cao su.
Tổng hợp - đây là những polyme trong quá trình tạo ra mà chỉ một người tham gia. Không có chất tương tự tự nhiên cho chúng. Các nhà khoa học đang phát triển các phương pháp tổng hợp các vật liệu mới có thể cải thiện các đặc tính kỹ thuật. Đây là cách các hợp chất polyme tổng hợp của nhiều loại được sinh ra. Ví dụ: polyetylen, polypropylen, visco, sợi axetat, v.v.

Còn một tính năng nữa làm cơ sở cho việc phân chia các chất được xem xét thành các nhóm. Đây là khả năng phản ứng và độ bền nhiệt. Có hai loại cho tham số này:

nhựa nhiệt dẻo;
phích.

Cổ, quan trọng và đặc biệt giá trị nhất vẫn là polyme thiên nhiên. Thuộc tính của nó là duy nhất. Do đó, chúng tôi sẽ xem xét thêm về loại đại phân tử cụ thể này.

Chất nào là polyme tự nhiên?

Để trả lời câu hỏi này, trước tiên chúng ta hãy nhìn xung quanh chúng ta. Điều gì bao quanh chúng ta?Các sinh vật sống xung quanh chúng ta ăn, thở, sinh sản, nở hoa và tạo ra hoa quả và hạt giống. Và chúng đại diện cho điều gì từ quan điểm phân tử? Đây là những kết nối như:

protein;
axit nucleic;
polysaccharid.

Vì vậy, mỗi hợp chất này là một polyme tự nhiên. Vì vậy, nó chỉ ra rằng cuộc sống xung quanh chúng ta tồn tại chỉ nhờ sự hiện diện của các phân tử. Từ thời cổ đại, con người đã sử dụng đất sét, hỗn hợp xây dựng và vữa để gia cố và tạo ra một ngôi nhà, dệt sợi từ len, và sử dụng bông, lụa, len và da động vật để tạo ra quần áo. Các polyme hữu cơ tự nhiên đã đồng hành cùng con người trong mọi giai đoạn hình thành và phát triển của anh ấy và theo nhiều cách đã giúp anh ấy đạt được thành quả như ngày nay.

ChínhThiên nhiên đã ban tặng mọi thứ để cuộc sống của con người trở nên thoải mái nhất có thể. Theo thời gian, cao su đã được phát hiện, những đặc tính đáng chú ý của nó đã được làm sáng tỏ. Con người đã học cách sử dụng tinh bột cho mục đích thực phẩm và xenlulozơ cho mục đích kỹ thuật. Long não cũng là một polyme tự nhiên, cũng đã được biết đến từ thời cổ đại. Nhựa, protein, axit nucleic là tất cả các ví dụ về các hợp chất đang được xem xét.

Cấu trúc của polyme tự nhiên

Không phải tất cả các đại diện của nhóm chất này đều có cấu trúc giống nhau. Do đó, polyme tự nhiên và tổng hợp có thể khác nhau đáng kể. Các phân tử của chúng được định hướng theo cách có lợi và thuận tiện nhất để tồn tại theo quan điểm năng lượng. Đồng thời, nhiều loài tự nhiên có thể phình ra và cấu trúc của chúng thay đổi trong quá trình này. Có một số biến thể phổ biến nhất của cấu trúc chuỗi:

tuyến tính;
nhánh;
hình ngôi sao;
phẳng;
lưới;
băng;
hình chiếc lược.

Đại diện nhân tạo và tổng hợp của các đại phân tử có khối lượng rất lớn, số lượng nguyên tử rất lớn. Chúng được tạo ra với các thuộc tính được chỉ định đặc biệt. Do đó, cấu trúc của chúng ban đầu là do con người quy hoạch. Các polyme tự nhiên thường có cấu trúc dạng mạch thẳng hoặc dạng lưới.

Ví dụ về các đại phân tử tự nhiên

Polyme tự nhiên và nhân tạo rất gần nhau. Rốt cuộc, cái đầu tiên trở thành cơ sở để tạo ra cái thứ hai. Có rất nhiều ví dụ về các phép biến đổi như vậy. Đây là một số trong số chúng.

Nhựa thông thường màu trắng sữa là sản phẩm thu được bằng cách xử lý xenlulo với axit nitric có bổ sung long não tự nhiên. Phản ứng trùng hợp làm cho polyme tạo thành đông đặc và trở thành sản phẩm mong muốn. Và chất làm dẻo - long não, làm cho nó có thể mềm ra khi đun nóng và thay đổi hình dạng.
Tơ axetat, sợi đồng-amoniac, sợi visco đều là những ví dụ về các loại sợi đó, loại sợi thu được từ xenlulozơ. Vải làm từ cotton tự nhiên và lanh thường không bền, không bóng, dễ nhăn. Nhưng các chất tương tự nhân tạo của chúng không có những khuyết điểm này, điều này làm cho việc sử dụng chúng trở nên rất hấp dẫn.
Đá nhân tạo, vật liệu xây dựng, hỗn hợp, chất thay thế da làXem thêm các ví dụ về polyme có nguồn gốc từ nguyên liệu tự nhiên.

Chất, là một polyme tự nhiên, cũng có thể được sử dụng ở dạng thực của nó. Cũng có nhiều ví dụ như vậy:

nhựa thông;
hổ phách;
tinh bột;
amylopectin;
xenlulozơ;
lông;
len;
bông;
lụa;
xi măng;
đất sét;
vôi;
protein;
axit nucleic, v.v.

Rõ ràng, loại hợp chất mà chúng tôi đang xem xét là rất nhiều, thực tế quan trọng và có ý nghĩa đối với con người. Bây giờ chúng ta hãy xem xét kỹ hơn một số đại diện của polyme tự nhiên, những chất đang có nhu cầu lớn ở thời điểm hiện tại.

Lụa và len

Công thức của polyme tơ tự nhiên rất phức tạp, vì thành phần hóa học của nó được biểu thị bằng các thành phần sau:

fibroin;
sericin;
sáp;
chất béo.

Bản thân protein chính, fibroin, chứa một số loại axit amin. Nếu bạn tưởng tượng chuỗi polypeptit của nó, thì nó sẽ giống như sau: (-NH-CH₂-CO-NH-CH (CH₃) - CO-NH-CH₂-CO -)_n.Và đây chỉ là một phần của nó. Nếu chúng ta tưởng tượng rằng một phân tử protein sericin phức tạp không kém được gắn vào cấu trúc này với sự trợ giúp của lực van der Waals, và chúng cùng nhau được trộn thành một cấu trúc duy nhất với sáp và chất béo, thì rõ ràng tại sao rất khó để mô tả công thức. bằng lụa tự nhiên.

Cho hôm nayNgày nay, hầu hết sản phẩm này được cung cấp bởi Trung Quốc, bởi vì trong các không gian mở của nó có môi trường sống tự nhiên cho nhà sản xuất chính - con tằm. Trước đây, bắt đầu từ thời cổ đại nhất, lụa tự nhiên đã rất được coi trọng. Chỉ những người cao quý, giàu có mới có thể mua được quần áo từ nó. Ngày nay, nhiều đặc tính của loại vải này để lại nhiều điều được mong muốn. Ví dụ, nó có tính từ hóa cao và nhăn nheo, ngoài ra, nó mất đi độ bóng và mờ dần khi tiếp xúc với ánh nắng mặt trời. Do đó, các dẫn xuất nhân tạo dựa trên nó được sử dụng nhiều hơn.

Len cũng là một polyme tự nhiên, vì nó là chất thải của da và tuyến bã nhờn của động vật. Dựa trên sản phẩm protein này, quần áo dệt kim được tạo ra, giống như lụa, là một chất liệu có giá trị.

Tinh bột

Tinh bột polyme tự nhiên là phế phẩm của thực vật. Chúng tạo ra nó là kết quả của quá trình quang hợp và tích lũy trong các bộ phận khác nhau của cơ thể. Thành phần hóa học của nó:

amylopectin;
amylose;
alpha-glucose.

Cấu trúc không gian của tinh bột rất phân nhánh, mất trật tự. Nhờ amylopectin có trong thành phần, nó có thể trương nở trong nước, biến thành một loại bột nhão. Dung dịch keo này được sử dụng trong kỹ thuật và công nghiệp. Y học, công nghiệp thực phẩm, sản xuất chất kết dính giấy dán tường cũng là những lĩnh vực sử dụng chất này.

Trong số các loại thực vật chứa lượng tinh bột tối đa, chúng ta có thể phân biệt:

ngô;
khoai tây;
gạo;
lúa mì;
sắn;
yến mạch;
kiều mạch;
chuối;
cao lương.

Dựa trên biopolymer này, bánh mì được nướng, mì ống được làm, bánh hôn, ngũ cốc và các sản phẩm thực phẩm khác được nấu chín.

Bột giấy

Theo quan điểm của hóa học, chất này là một polyme, thành phần của nó được biểu thị bằng công thức (C₆H_{5 Ô}5 ₎ _{. Liên kết đơn phân trong chuỗi là beta-glucose. Các vị trí chính của hàm lượng xenlulo là thành tế bào của thực vật. Đó là lý do tại sao gỗ là một nguồn quý giá của hợp chất này.}

Xenluloza là một loại polyme tự nhiên có cấu trúc không gian tuyến tính. Nó được sử dụng để sản xuất các loại sản phẩm sau:

bột giấy và các sản phẩm từ giấy;
lông giả;
các loại sợi nhân tạo khác nhau;
bông;
nhựa;
bột không khói;
dải phim, v.v.

Rõ ràng, ý nghĩa công nghiệp của nó là rất lớn. Để một hợp chất nhất định được sử dụng trong sản xuất, trước tiên nó phải được chiết xuất từ thực vật. Điều này được thực hiện bằng cách nấu gỗ lâu dài trong các thiết bị đặc biệt. Quá trình xử lý tiếp theo, cũng như các thuốc thử được sử dụng để phân hủy, khác nhau. Có một số cách:

sulfit;
nitrat;
natri;
sunfat.

Sau điều trị này, sản phẩm vẫn chứatạp chất. Nó dựa trên lignin và hemicellulose. Để loại bỏ chúng, khối lượng được xử lý bằng clo hoặc kiềm.

Trong cơ thể con người không có chất xúc tác sinh học nào có thể phá vỡ chất tạo màng sinh học phức tạp này. Tuy nhiên, một số loài động vật (động vật ăn cỏ) đã thích nghi với điều này. Họ có một số vi khuẩn nhất định trong dạ dày của họ để làm điều đó cho họ. Đổi lại, vi sinh vật nhận được năng lượng cho sự sống và môi trường sống. Hình thức cộng sinh này cực kỳ có lợi cho cả đôi bên.

Cao su

Đây là một loại polymer tự nhiên có giá trị kinh tế quan trọng. Lần đầu tiên nó được Robert Cook mô tả, người đã khám phá ra nó trong một chuyến du lịch của mình. Nó đã xảy ra như thế này. Khi đặt chân lên một hòn đảo có người bản xứ không quen biết, anh đã được họ tiếp đón rất hiếu khách. Sự chú ý của anh ấy bị thu hút bởi những đứa trẻ địa phương đang chơi với một đồ vật khác thường. Cơ thể hình cầu này văng khỏi sàn và bật lên cao, sau đó quay trở lại.

Sau khi hỏi người dân địa phương về thứ đồ chơi này được làm bằng gì, Cook biết được rằng nước ép của một trong những loại cây, hevea, đông cứng lại theo cách này. Mãi sau này, người ta mới phát hiện ra rằng đây là chất tạo màng sinh học cao su.

Bản chất hóa học của hợp chất này đã được biết - đó là isoprene đã trải qua quá trình trùng hợp tự nhiên. Công thức cao su là (С₅Н₈) . Các đặc tính của nó khiến nó được đánh giá cao như sau:

co giãn;
chống mài mòn;
cách điện;
chốngnước.

Tuy nhiên, cũng có những nhược điểm. Ở nhiệt độ lạnh, nó trở nên giòn và dễ vỡ, còn ở nhiệt độ cao, nó sẽ trở nên dính và nhớt. Đó là lý do tại sao nó trở nên cần thiết để tổng hợp các chất tương tự của một cơ sở nhân tạo hoặc tổng hợp. Ngày nay, cao su được sử dụng rộng rãi cho các mục đích kỹ thuật và công nghiệp. Các sản phẩm quan trọng nhất dựa trên chúng:

cao su;
ebonites.

Phách

Nó là một polyme tự nhiên, bởi vì trong cấu trúc của nó, nó là một loại nhựa, dạng hóa thạch của nó. Cấu trúc không gian là một polyme vô định hình khung. Nó rất dễ cháy và có thể bắt lửa bằng ngọn lửa diêm. Nó có đặc tính phát quang. Đây là một chất lượng rất quan trọng và có giá trị được sử dụng trong đồ trang sức. Đồ trang sức làm từ hổ phách rất đẹp và đang được yêu cầu.

Ngoài ra, chất tạo màng sinh học này còn được sử dụng cho mục đích y tế. Nó cũng được sử dụng để làm giấy nhám, sơn phủ vecni cho các bề mặt khác nhau.