La maggior parte dei materiali da costruzione, dei medicinali, dei tessuti, degli articoli per la casa, degli imballaggi e dei materiali di consumo odierni sono polimeri. Questo è un intero gruppo di composti che hanno caratteristiche distintive caratteristiche. Ce ne sono molti, ma nonostante ciò, il numero di polimeri continua a crescere. Dopotutto, i chimici di sintesi scoprono ogni anno sempre più nuove sostanze. Allo stesso tempo, era il polimero naturale ad avere sempre un'importanza particolare. Quali sono queste incredibili molecole? Quali sono le loro proprietà e quali sono le caratteristiche? Risponderemo a queste domande nel corso dell'articolo.
Polimeri: caratteristiche generali
Dal punto di vista della chimica, un polimero è considerato una molecola di enorme peso molecolare: da diverse migliaia a milioni di unità. Tuttavia, oltre a questa caratteristica, ce ne sono molte altre in base alle quali le sostanze possono essere classificate proprio come polimeri naturali e sintetici. Questo è:
- unità monomeriche a ripetizione costante che sono collegate attraverso diverse interazioni;
- il grado di polimerasi (cioè il numero di monomeri) dovrebbe essere molto alto, altrimenti il composto sarà considerato un oligomero;
- certo orientamento spaziale di una macromolecola;
- un insieme di importanti proprietà fisiche e chimiche uniche per questo gruppo.
In generale, una sostanza di natura polimerica è abbastanza facile da distinguere dalle altre. Basta guardare la sua formula per capirla. Un tipico esempio è il noto polietilene, ampiamente utilizzato nella vita di tutti i giorni e nell'industria. È il prodotto di una reazione di polimerizzazione in cui entra l'etilene o l'etilene idrocarburico insaturo. La reazione in forma generale è scritta come segue:
nCH2=CH2→(-CH-CH-) , dove n è il grado di polimerizzazione delle molecole, che mostra quante unità monomeriche sono incluse nella sua composizione.
Inoltre, ad esempio, si può citare un polimero naturale, che è ben noto a tutti, è l'amido. Inoltre, l'amilopectina, la cellulosa, le proteine del pollo e molte altre sostanze appartengono a questo gruppo di composti.
Le reazioni che possono formare macromolecole sono di due tipi:
- polimerizzazione;
- policondensazione.
La differenza è che nel secondo caso i prodotti di interazione sono a basso peso molecolare. La struttura del polimero può essere diversa, dipende dagli atomi che lo formano. Si trovano spesso forme lineari, ma esistono anche mesh tridimensionali, che sono molto complesse.
Se parliamo delle forze e delle interazioni che tengono insieme le unità monomeriche, possiamo identificarne diverse di base:
- Van Der Waalsforza;
- legami chimici (covalenti, ionici);
- interazione elettrostatica.
Tutti i polimeri non possono essere combinati in una categoria, poiché hanno natura, metodo di formazione completamente diversi e svolgono funzioni diverse. Anche le loro proprietà differiscono. Pertanto, esiste una classificazione che consente di dividere tutti i rappresentanti di questo gruppo di sostanze in diverse categorie. Può essere basato su diversi segni.
Classificazione dei polimeri
Se prendiamo come base la composizione qualitativa delle molecole, allora tutte le sostanze in esame possono essere divise in tre gruppi.
- Organico - sono quelli che includono atomi di carbonio, idrogeno, zolfo, ossigeno, fosforo, azoto. Cioè, quegli elementi che sono biogenici. Ci sono molti esempi: polietilene, cloruro di polivinile, polipropilene, viscosa, nylon, polimero naturale - proteine, acidi nucleici e così via.
- Elementalorganic - quelli che includono qualche elemento estraneo inorganico e non biogenico. Molto spesso è silicio, alluminio o titanio. Esempi di tali macromolecole: vetro organico, polimeri di vetro, materiali compositi.
- Inorganico - la catena è basata su atomi di silicio, non carbonio. I radicali possono anche far parte dei rami laterali. Sono stati scoperti abbastanza di recente, a metà del 20° secolo. Utilizzato in medicina, edilizia, ingegneria e altri settori. Esempi: silicone, cinabro.
Se separi i polimeri in base all'origine, puoi farloseleziona tre dei loro gruppi.
- Polimeri naturali, il cui uso è stato ampiamente utilizzato fin dall'antichità. Queste sono tali macromolecole, per la creazione delle quali una persona non ha fatto alcuno sforzo. Sono prodotti delle reazioni della natura stessa. Esempi: seta, lana, proteine, acidi nucleici, amido, cellulosa, cuoio, cotone, ecc.
- Artificiale. Queste sono macromolecole create dall'uomo, ma basate su analoghi naturali. Cioè, le proprietà di un polimero naturale già esistente vengono semplicemente migliorate e modificate. Esempi: gomma artificiale, gomma.
- Sintetico - questi sono polimeri alla cui creazione partecipa solo una persona. Non ci sono analoghi naturali per loro. Gli scienziati stanno sviluppando metodi per la sintesi di nuovi materiali che avrebbero caratteristiche tecniche migliorate. Nascono così composti polimerici sintetici di vario genere. Esempi: polietilene, polipropilene, viscosa, fibra di acetato, ecc.
C'è un' altra caratteristica che sta alla base della divisione delle sostanze considerate in gruppi. Questi sono reattività e stabilità termica. Esistono due categorie per questo parametro:
- termoplastica;
- termoindurente.
Il più antico, importante e soprattutto pregiato è ancora un polimero naturale. Le sue proprietà sono uniche. Pertanto, considereremo ulteriormente questa particolare categoria di macromolecole.
Quale sostanza è un polimero naturale?
Per rispondere a questa domanda, diamo prima un'occhiata intorno a noi. Cosa ci circonda?Organismi viventi intorno a noi che si nutrono, respirano, si riproducono, fioriscono e producono frutti e semi. E cosa rappresentano dal punto di vista molecolare? Queste sono connessioni come:
- proteine;
- acidi nucleici;
- polisaccaridi.
Quindi, ognuno di questi composti è un polimero naturale. Quindi, si scopre che la vita intorno a noi esiste solo grazie alla presenza di queste molecole. Sin dai tempi antichi, le persone hanno usato l'argilla, miscele edili e m alte per rafforzare e creare una casa, tessere filati di lana e usare cotone, seta, lana e pelle di animale per creare vestiti. I polimeri organici naturali hanno accompagnato l'uomo in tutte le fasi della sua formazione e sviluppo e in molti modi lo hanno aiutato a raggiungere i risultati che abbiamo oggi.
La natura stessa ha dato tutto per rendere la vita delle persone il più confortevole possibile. Nel tempo è stata scoperta la gomma, le sue notevoli proprietà sono state chiarite. L'uomo ha imparato a usare l'amido per scopi alimentari e la cellulosa per scopi tecnici. La canfora è anche un polimero naturale, anch'esso noto fin dall'antichità. Resine, proteine, acidi nucleici sono tutti esempi di composti presi in considerazione.
Struttura di polimeri naturali
Non tutti i rappresentanti di questa classe di sostanze hanno la stessa struttura. Pertanto, i polimeri naturali e sintetici possono differire in modo significativo. Le loro molecole sono orientate in modo tale che sia più vantaggioso e conveniente esistere da un punto di vista energetico. Allo stesso tempo, molte specie naturali sono in grado di gonfiarsi e la loro struttura cambia nel processo. Esistono diverse varianti più comuni della struttura della catena:
- lineare;
- ramificato;
- a forma di stella;
- piatto;
- maglia;
- nastro;
- a forma di pettine.
I rappresentanti artificiali e sintetici delle macromolecole hanno una massa molto grande, un numero enorme di atomi. Vengono creati con proprietà specificate in modo speciale. Pertanto, la loro struttura è stata originariamente progettata dall'uomo. Nella maggior parte dei casi, i polimeri naturali hanno una struttura lineare o reticolata.
Esempi di macromolecole naturali
I polimeri naturali e artificiali sono molto vicini tra loro. Dopotutto, il primo diventa la base per la creazione del secondo. Ci sono molti esempi di tali trasformazioni. Eccone alcuni.
- La plastica ordinaria bianco latte è un prodotto ottenuto trattando la cellulosa con acido nitrico con aggiunta di canfora naturale. La reazione di polimerizzazione fa solidificare il polimero risultante e diventare il prodotto desiderato. E il plastificante - la canfora, lo rende in grado di ammorbidirsi quando riscaldato e di cambiare forma.
- Seta acetato, fibra di rame-ammoniaca, viscosa sono tutti esempi di quei fili, fibre che si ottengono dalla cellulosa. I tessuti in cotone naturale e lino non sono così resistenti, non lucidi, si stropicciano facilmente. Ma i loro analoghi artificiali sono privi di queste carenze, il che rende il loro uso molto attraente.
- Pietre artificiali, materiali da costruzione, miscele, sostituti del cuoioVedi anche esempi di polimeri derivati da materie prime naturali.
La sostanza, che è un polimero naturale, può essere utilizzata anche nella sua vera forma. Ci sono anche molti esempi simili:
- rosin;
- ambra;
- amido;
- amilopectina;
- cellulosa;
- pelliccia;
- lana;
- cotone;
- seta;
- cemento;
- argilla;
- calce;
- proteine;
- acidi nucleici e così via.
Ovviamente, la classe di composti che stiamo considerando è molto numerosa, praticamente importante e significativa per le persone. Ora diamo un'occhiata più da vicino a diversi rappresentanti dei polimeri naturali, che sono molto richiesti in questo momento.
Seta e lana
La formula del polimero di seta naturale è complessa, perché la sua composizione chimica è espressa dai seguenti componenti:
- fibroina;
- sericina;
- cere;
- grassi.
La principale proteina stessa, la fibroina, contiene diversi tipi di aminoacidi. Se immagini la sua catena polipeptidica, avrà un aspetto simile a questo: (-NH-CH2-CO-NH-CH(CH3)- CO-NH-CH2-CO-)n. E questa è solo una parte. Se immaginiamo che una molecola proteica della sericina altrettanto complessa sia attaccata a questa struttura con l'aiuto delle forze di van der Waals, e insieme siano mescolate in un'unica conformazione con cera e grassi, allora è chiaro perché è difficile rappresentare la formula di seta naturale.
Per oggiOggi la maggior parte di questo prodotto è fornita dalla Cina, perché nei suoi spazi aperti c'è un habitat naturale per il principale produttore: il baco da seta. In precedenza, fin dai tempi più antichi, la seta naturale era molto apprezzata. Solo le persone nobili e ricche potevano permettersi dei vestiti. Oggi molte caratteristiche di questo tessuto lasciano molto a desiderare. Ad esempio, è altamente magnetizzato e rugoso, inoltre perde lucentezza e sbiadisce dall'esposizione al sole. Pertanto, i derivati artificiali basati su di esso sono più in uso.
La lana è anche un polimero naturale, in quanto è un prodotto di scarto della pelle e delle ghiandole sebacee degli animali. Sulla base di questo prodotto proteico, viene realizzata la maglieria che, come la seta, è un materiale prezioso.
Amido
L'amido polimerico naturale è un prodotto di scarto delle piante. Lo producono come risultato del processo di fotosintesi e si accumulano in diverse parti del corpo. La sua composizione chimica:
- amilopectina;
- amilosio;
- alfa-glucosio.
La struttura spaziale dell'amido è molto ramificata, disordinata. Grazie all'amilopectina inclusa nella composizione, è in grado di gonfiarsi in acqua, trasformandosi in una cosiddetta pasta. Questa soluzione colloidale è utilizzata nell'ingegneria e nell'industria. Anche la medicina, l'industria alimentare, la produzione di adesivi per carta da parati sono aree di utilizzo di questa sostanza.
Tra le piante che contengono la massima quantità di amido, possiamo distinguere:
- mais;
- patata;
- riso;
- grano;
- manioca;
- avena;
- grano saraceno;
- banane;
- sorgo.
Sulla base di questo biopolimero, si cuoce il pane, si prepara la pasta, si cuociono baci, cereali e altri prodotti alimentari.
Pulp
Dal punto di vista chimico, questa sostanza è un polimero, la cui composizione è espressa dalla formula (C6H5 O 5) . L'anello monomerico della catena è il beta-glucosio. I principali siti di contenuto di cellulosa sono le pareti cellulari delle piante. Ecco perché il legno è una preziosa fonte di questo composto.
La cellulosa è un polimero naturale che ha una struttura spaziale lineare. Viene utilizzato per produrre i seguenti tipi di prodotti:
- prodotti in pasta e carta;
- finta pelliccia;
- diversi tipi di fibre artificiali;
- cotone;
- plastica;
- polvere senza fumo;
- film e così via.
Ovviamente, il suo significato industriale è grande. Affinché un determinato composto possa essere utilizzato nella produzione, deve prima essere estratto dalle piante. Ciò avviene mediante la cottura a lungo termine del legno in dispositivi speciali. L'ulteriore elaborazione, così come i reagenti utilizzati per la digestione, variano. Ci sono diversi modi:
- solfito;
- nitrato;
- sodio;
- solfato.
Dopo questo trattamento, il prodotto contiene ancoraimpurità. È a base di lignina ed emicellulosa. Per eliminarli, la massa viene trattata con cloro o alcali.
Nel corpo umano non ci sono tali catalizzatori biologici in grado di scomporre questo complesso biopolimero. Tuttavia, alcuni animali (erbivori) si sono adattati a questo. Hanno alcuni batteri nello stomaco che lo fanno per loro. In cambio, i microrganismi ricevono energia per la vita e l'habitat. Questa forma di simbiosi è estremamente vantaggiosa per entrambe le parti.
Gomma
Questo è un polimero naturale di preziosa importanza economica. Fu descritto per la prima volta da Robert Cook, che lo scoprì in uno dei suoi viaggi. È successo così. Sbarcato su un'isola abitata da indigeni a lui sconosciuti, fu accolto con ospitalità da loro. La sua attenzione è stata attirata dai bambini del posto che stavano giocando con un oggetto insolito. Questo corpo sferico scalciò via dal pavimento e rimbalzò in alto, poi tornò.
Dopo aver chiesto alla popolazione locale di cosa fosse fatto questo giocattolo, Cook ha appreso che il succo di uno degli alberi, l'hevea, si indurisce in questo modo. Molto più tardi si è scoperto che questo è il biopolimero di gomma.
La natura chimica di questo composto è nota: è isoprene che ha subito una polimerizzazione naturale. La formula della gomma è (С5Н8) . Le sue proprietà che lo rendono così apprezzato sono le seguenti:
- elasticità;
- resistente all'usura;
- isolamento elettrico;
- resistente all'acqua.
Tuttavia, ci sono anche degli svantaggi. Al freddo diventa friabile e friabile e al caldo diventa appiccicoso e viscoso. Ecco perché è diventato necessario sintetizzare analoghi di una base artificiale o sintetica. Oggi le gomme sono ampiamente utilizzate per scopi tecnici e industriali. I prodotti più importanti basati su di essi:
- gomme;
- ebanite.
Ambra
È un polimero naturale, perché nella sua struttura è una resina, la sua forma fossile. La struttura spaziale è un telaio polimerico amorfo. È molto infiammabile e può essere acceso con una fiamma di fiammifero. Ha proprietà di luminescenza. Questa è una qualità molto importante e preziosa che viene utilizzata in gioielleria. I gioielli a base di ambra sono molto belli e richiesti.
Inoltre, questo biopolimero viene utilizzato anche per scopi medici. Viene anche utilizzato per realizzare carta vetrata, rivestimenti di vernice per varie superfici.
