му по химии / Дергачева химия полимеров

Этим свойством пользуются при определении крахмала в пищевых продуктах. Так, например, если каплю йода нанести на срез картофеля или ломтик белого хлеба, то появляется синее окрашивание.

Крахмал является основным углеводом пищи человека, он в больших количествах содержится в хлебе, крупах, картофеле, овощах. В значительных количествах крахмал перерабатывается на декстрины, патоку, глюкозу, которые используются в кондитерской промышленности.

Крахмал используется как клеящее средство, применяется для отделки тканей, накрахмаливания белья. В медицине на основе крахмала готовят мази, присыпки и т.д.

Целлюлоза, или клетчатка

Целлюлоза – еще более распространенный углевод, чем крахмал. Из него состоят в основном стенки растительных клеток. В древесине содержится до 60%, в вате и фильтровальной бумаге – до 90% целлюлозы.

Целлюлоза – белый волокнистый материал, нерастворимый в воде; имеет такой же элементный состав, как и крахмал. Чистая целлюлоза – хорошо растворима в концентрированном аммиачном растворе гидроксида меди (II) (реактив Швейцера). Из этого раствора кислоты осаждают целлюлозу в виде волокон (гидратцеллюлоза). Клетчатка обладает довольно большой механической прочностью.

Состав целлюлозы, так же как и крахмала, выражают формулой (С6Н10О5)n. Значение n в некоторых видах целлюлозы достигает 10-12 тыс., а молекулярная масса доходит до нескольких миллионов.

Приведѐм основные отличия крахмала от целлюлозы. Молекулы целлюлозы имеют линейное (неразветвленное) строение, вследствие чего целлюлоза легко образует волокна. Молекулы же крахмала имеют как линейную, так и разветвленную структуру или форму трехмерной частицы.

Имеются различия и в строении этих веществ: макромолекулы крахмала состоят из остатков молекул -глюкозы (альфа – гликозидной связью), а макромолекулы целлюлозы – из остатков -глюкозы( – гликозидной связью).

Процесс образования фрагмента макромолекулы целлюлозы можно изобразить схемой:

60

Химические свойства. Применение целлюлозы

Небольшие различия в строении молекул обуславливают значительные различия в свойствах полимеров: крахмал – это продукт питания, целлюлоза для этой цели непригодна.

Целлюлоза не дает реакции «серебряного зеркала» (нет альдегидной группы). Это позволяет рассматривать каждое звено С6Н10О5 как остаток глюкозы, содержащий три гидроксильные группы.

Последние в формуле целлюлозы часто выделяют:

При взаимодействии целлюлозы с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты в качестве водоотнимающего средства образуется сложный эфир – тринитрат целлюлозы:

Это – взрывчатое вещество, применяемое для изготовления порохов. Таким образом, при обычной температуре целлюлоза взаимодействует лишь с концентрированными кислотами.

Подобно крахмалу, при нагревании с разбавленными кислотами целлюлоза подвергается гидролизу с образованием глюкозы:

(С6Н1006)n + nН2O nС6Н12O6

Или данный процесс выглядит так: целлюлоза, подобно крахмалу, в кислой среде гидролизуется:

Гидролиз целлюлозы, иначе называемый осахариванием очень важное свойство целлюлозы, он позволяет получить из древесных опилок и стружек целлюлозу, а сбраживанием последней – этиловый спирт.

Целлюлоза в виде хлопка, льна или пеньки идет на изготовление тканей – хлопчатобумажных и льняных. Большие количества ее расходуются на производство бумаги. Дешевые сорта бумаги изготовляют из древесины хвойных пород, лучшие сорта – из льняной и хлопчатобумажной макулатуры.

61

Подвергая целлюлозу химической переработке, получают несколько видов искусственного шелка, пластмассы, кинопленку, бездымный порох, лаки и многое другое.

Инулин

Инулин (C6H10O5)n – органическое вещество из группы полисахаридов, полимер D-фруктозы. При гидролизе под действием кислот и фермента инулазы образует D-фруктозу и небольшое количество глюкозы.

Инулин, как и промежуточные продукты его ферментативного расщепления – инулиды, не обладает восстанавливающими свойствами. Молекула инулина – цепочка из 30–35 остатков фруктозы в фуранозной форме. Добывают инулин из цикория или из топинамбура. Легко усваивается организмом человека, в связи, с чем применяется в медицине как заменитель крахмала и сахара при сахарном диабете. Служит исходным материалом для промышленного получения фруктозы.

7.2. Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты или полинуклеотиды, важнейшие биологически активные биополимеры, распространенные в живой природе (лат. nucleus – ядро).

Молекулы нуклеиновых кислот – это длинные полимерные цепочки с молекулярной массой 2,5·104 – 4·109, построенные из мономерных молекул

– нуклеотидов так, что гидроксильные группы у 31 и 51 углеродных атомов углевода соседних нуклеотидов связаны остатком фосфорной кислоты.

Различают два вида нуклеиновые кислоты – дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащиеся преимущественно в ядрах клеток, и рибонуклеиновые кислоты (РНК), находящиеся в цитоплазме.

Нуклеиновые кислоты в качестве сахара содержит дезоксирибозу, а в качестве азотистых оснований аденин, гуанин, цитозин и тимин. Играет очень важную биологическую роль, сохраняя и передавая по наследству генетическую информацию о строении, развитии и индивидуальных признаках любого живого организма. Препараты ДНК можно получить из различных тканей животных и растений, а также из бактерий и ДНКвирусов.

ДНК – биополимер, состоящий из многих мономеров – дезоксирибонуклеотидов, соединѐнных через остатки фосфорной кислоты в определѐнной последовательности, специфичной для каждой индивидуальной ДНК.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК), тип нуклеиновых кислот, имеющих универсальное распространение в живой природе; содержат в качестве углеводного компонента рибозу, а в качестве азотистых оснований аденин и гуанин (пуриновые основания) и урацил и цитозин (пиримидиновые

62

основания). В небольших количествах в состав РНК входят также некоторые другие производные пурина и пиримидина.

РНК – это линейные полинуклеотиды с длиной цепи от нескольких десятков до десятков тысяч нуклеотидов. Линейная последовательность нуклеотидов определяет первичную структуру нуклеиновых кислот.

Вторичная структура возникает в результате сближения определѐнных пар оснований, а именно: гуанина с цитозином и аденина с урацилом (или тимином) по принципу комплементарности за счѐт водородных связей, а также гидрофобных взаимодействий между ними.

Биологическая роль нуклеиновых кислот заключается в хранении, реализации и передаче наследственной информации, «записанной» в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов – генетического кода.

При делении клеток или митозе происходит самокопирование ДНК – еѐ репликация, в результате чего каждая дочерняя клетка получает равное количество ДНК, заключающей программу развития всех признаков материнской клетки. Реализация этой генетической информации в определѐнные признаки осуществляется путѐм биосинтеза молекул РНК на молекуле ДНК (транскрипция) и последующего биосинтеза белков с участием разных типов РНК (трансляция).

Значение высокомолекулярных соединений

Высокомолекулярные соединения являются основной составной частью большого числа конструкционных материалов, применение которых связано с, выполнением тех или иных механических функций. Такие материалы должны обладать высокой прочностью, эластичностью, твердостью, и в этом отношении с высокомолекулярными соединениями могут соперничать лишь металлы.

Только немногие отрасли промышленности перерабатывают высокомолекулярные природные материалы без применений каких-либо химико-технологических процессов, методами чисто механической технологии. Такова, например, деревообделочная промышленность. Гораздо многочисленнее отрасли промышленности, где при переработке природных высокомолекулярных материалов сочетаются процессы механической и химической технологии. При этом, например, в производстве хлопчатобумажных, шерстяных и льняных текстильных волокон, натурального шелка, в меховой и кожевенной промышленности преобладают процессы механической технологии, однако для выпуска готового изделия необходимы и такие важные химико-технологические процессы, как крашение волокон, тканей, меха, окраска и дубление кожи и т.д.

63

В целлюлозно-бумажной промышленности, частично в резиновой (на основе натурального каучука), в производстве эфироцеллюлозных и белковых пластических масс, кинопленки, искусственного волокна, наоборот, преобладают химико-технологические процессы обработки.

Некоторые отрасли промышленности занимаются расщеплением природных высокомолекулярных веществ с целью получения ценных пищевых продуктов и технических низкомолекулярных материалов.

Сюда относятся гидролизная промышленность (производство этилового спирта гидролизом древесины), крахмалопаточное, пивоваренное и другие производства, использующие процессы брожения.

Быстро развиваются такие отрасли промышленности, как промышленность пластических масс, синтетических волокон, синтетического каучука, лаков (лакокрасочная промышленность) и клеев, электроизоляционных материалов и др.

Промышленность пластических масс располагает в настоящее время большим количеством синтетических полимерных материалов с разнообразными свойствами. Некоторые из них превосходят по химической стойкости золото и платину, сохраняют свои механические свойства при охлаждении до -50°С и при нагревании до +500°С. Другие не уступают по прочности металлам, а по твердости приближаются к алмазу. Из синтетических полимеров получают исключительно легкие и прочные строительные материалы, прекрасную электроизоляцию, непревзойденные материалы для химической аппаратуры.

Резиновая промышленность располагает теперь материалами, превосходящими по многим показателям натуральный каучук, например газонепроницаемыми, устойчивыми к бензину и маслам, не теряющими эластических свойств при температуре от -80°С до +300°С. Новые синтетические волокна во много раз прочнее природных, из них получаются красивые, несминаемые ткани, прекрасные искусственные меха. Технические ткани из синтетических волокон пригодны для фильтрования, кислот и щелочей.

К отраслям промышленности, использующим высокомолекулярные соединения, можно также отнести стекольную, керамическую, промышленность силикатных строительных материалов. Высокомолекулярные соединения используются даже в ракетной технике.

64

8.Вопросы и упражнения для итогового самоконтроля

1.Дайте определение понятиям «полимер», «мономер», «элементарное звено».

2.Отличие полимеров от олигомеров.

3.Каково влияние молекулярной массы полимера на его свойства?

4.Каково влияние формы макромолекулы на свойства полимера?

5.Опишите промышленные методы синтеза наиболее известных мономеров.

6.Перечислите основные отличия высокомолекулярных соединений от низкомолекулярных.

7.По каким признакам классифицируются полимеры? Приведите примеры соответствующих соединений.

8.Особенности строения неорганических полимеров. Отличие от органических полимеров. Примеры.

9.Опишите основные закономерности процесса полимеризации. Приведите примеры получения конкретных полимеров реакцией полимеризации.

10.Какой реакцией можно получить политетрафторэтилен? Каковы его свойства и применение?

11.Полимеризацией винилового эфира уксусной кислоты получают: полиуретан, поливинилацетат, полистирол, полиметилметакрилат? Выберите один правильный ответ. Обоснуйте.

12.Опишите основные закономерности процесса поликонденсации. Приведите примеры получения конкретных полимеров реакцией поликонденсацией.

13.Основное отличие реакций поликонденсации от реакций полимеризации.

14.Вещества, которые вызывают протекание реакции полимеризации, называются…(индикаторы, пластификаторы, ингибиторы, инициаторы)? Выберите правильный ответ.

15.Пластификация полимеров, еѐ назначение и методы проведения. Как меняются свойства полимеров?

16.Каковы основные закономерности процесса ступенчатой полимеризации? Приведите примеры получения конкретных высокомолекулярных соединений.

17.Каково регулярное и нерегулярное строение полимеров и сополимеров? Примеры.

18.Какая структура полимеров называется надмолекулярной?

19.Каковы особенности кристаллического и аморфного состояния полимеров? Приведите примеры влияния структуры полимеров на их свойства.

65

20.Охарактеризуйте особенности аморфного состояния полимеров. Раскройте различные физические состояния аморфных полимеров.

21.Три физических состояния аморфных полимеров. Дайте определение температуры стеклования и температуры текучести.

22.В чѐм сущность модели аморфных полимеров, предложенной Вайнштейном?

23.Каковы свойства, получение и области применения поливинилхлорида и тефлона?

24.Отличие термореактивных полимеров от термопластичных. Примеры конкретных полимеров.

25.Как отличить реактопласт от термопласта?

26.Что такое старение полимера?

27.Как изменяются свойства полимеров при повышении температуры?

28.Основные закономерности процесса сополимеризации. Приведите примеры получения конкретных сополимеров.

29.В чѐм сущность деструкции полимеров? Как меняются свойства полимеров в результате деструкции?

30.Получение и свойства стереорегулярных полимеров.

31.Особенности атактических полимеров.

32.В чѐм заключается различие между оптической и геометрической изомерией полимеров?

33.Что такое формование полимеров?

34.Получение и применение эпоксидных полимеров.

35.Какое строение имеет натуральный каучук?

36.Натуральный каучук относится к полимерам паркетного, лестничного, сетчатого или линейного типа?

37.Какое строение имеет синтетический каучук?

38.Каково назначение процессов вулканизации каучука?

39.Какую структуру имеют макромолекулы вулканизированного каучука, в отличие от натурального: регулярную, разветвлѐнную, сетчатую, линейную? Выберите один правильный ответ.

40.Напишите схему получения бутадиен-стирольного каучука. Применение.

41.Как можно получить полистирол? Напишите уравнение реакции.

42.Полиэтилен и полипропилен: получение и свойства.

43.Отличие вулканизированного каучука от невулканизированного (по строению и свойствам).

44.Отличие эбонита от резины по строению и свойствам.

45.Что называется биополимерами?

46.Что является основой белков?

47.Дайте определение понятию «денатурация белка».

48.Виды нуклеиновых кислот. Биологическая роль.

66

49.Какой моносахарид служит структурным звеном полисахаридов – крахмала, гликогена и целлюлозы?

50.Какой моносахарид образуется при полном гидролизе целлюлозы и крахмала?

51.Глюкоза образуется при кислотном гидролизе инсулина, хитина, целлюлозы или пектиновых веществ?

52.Природным полимером является фруктоза, сахароза, глюкоза или крахмал?

53.Смесь, каких двух полисахаридов представляет собой крахмал? В чем различие их строения?

54.Чем отличаются по строению крахмал и гликоген?

55.Как различаются по растворимости в воде сахароза, крахмал и целлюлоза?

56.Отличие амилозы от амилопектина.

57.К природным полимерам не относится: амилопектин, крахмал, каучук, эпоксидная смола, целлюлоза? Выберите один правильный ответ. Обоснуйте.

58.Отличие натуральных волокон от химических.

59.Отличие искусственных волокон от синтетических.

60.Отличие карбоцепных синтетических волокон от гетероцепных.

61.Каково получение, свойства и применение волокна «капрон»?

62.Каково получение, свойства и применение волокна «лавсан»?

63.Почему прочность химических волокон зависит от степени вытяжки?

64.Охарактеризуйте методы модификации химических волокон.

65.Чем отличается «сухой» способ формования волокна от «мокрого»? Какой способ более прогрессивный?

66.Каково получение, свойства и применение полиуретановых волокон.

67

9. Тестовый контроль № 1 Тема: «Получение и свойства полимеров»

1.Основное отличие реакций поликонденсации от реакций полимеризации:

а) последовательное присоединение молекул к растущей цепи б) в реакцию вступают два разных соединения в) образование высокомолекулярного соединения

г) выделение побочного низкомолекулярного продукта

2.Синтетические каучуки получают:

а) полимеризацией алкадиенов б) полимеризацией алкенов в) полимеризацией алкинов

г) поликонденсацией аминокислот

3. Реакции полимеризации характерны для: а) стирола, пропена, этилена б) пропилена, метаналя, этана

в) стирола, этина, метановой кислоты г) пропена, бутадиена, гексана

4.Природным полимером является: а) полипропилен б) целлюлоза в) капрон

г) каучук бутадиеновый

5.Полипропилен получают из вещества, формула которого:

а) СН2=СН2 б) HС≡СН

в) СН3-СН2-СН3 г) СН2=СН-СН3

6. Продукт полимеризации этилена (полиэтилен) имеет формулу:

а) (СН2)n

б) (-СН=СН-)n

в) (-СН2- СН2-)n

г) (СН2=СН2)n

68

7.Мономер для производства полистирола (полифенилэтилена) получают по реакции дегидрирования углеводорода:

а) метилбензол б) этилбензол

в) 1,2-диметилбензол г) пропилбензол

8.Мономером для получения полиэтилена является:

а) СН2=СН2 б) СН2=СН-СН3 в) СН3-СН3

г) СН2=С=CH2

9.Мономером для получения искусственного каучука по способу Лебедева служит:

а) бутен-2 б) этан в) этилен

г) бутадиен-1,3

10.Мономером для получения поливинилхлорида является: а) хлорэтан б) хлорпропан в) хлорэтен

г) 1,2-дихлорэтан

11.Мономером для получения полистирола является:

а) этилбензол б) винилбензол в) этилацетат г) нитробензол

12. Для промышленного производства фенолформальдегидной смолы следует взять:

а) C6Н6 НСНO б) C6Н6, СН3СНO

в) С2Н5ОН, СН3СНO г) С6Н5ОН, HCHO

69