פולימר טבעי - נוסחה ויישום

2024 מְחַבֵּר: Angel Austin | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 05:26

רוב חומרי הבנייה, התרופות, הבדים, החפצים הביתיים, האריזות והחומרים המתכלים של היום הם פולימרים. זוהי קבוצה שלמה של תרכובות שיש להן מאפיינים ייחודיים. יש הרבה כאלה, אבל למרות זאת, מספר הפולימרים ממשיך לגדול. אחרי הכל, כימאים סינתטיים מגלים מדי שנה יותר ויותר חומרים חדשים. יחד עם זאת, היה זה הפולימר הטבעי שהיה בעל חשיבות מיוחדת בכל עת. מהן המולקולות המדהימות האלה? מהן התכונות שלהם ומהן התכונות? אנו נענה על שאלות אלו במהלך המאמר.

פולימרים: מאפיינים כלליים

מנקודת מבט של כימיה, פולימר נחשב למולקולה בעלת משקל מולקולרי עצום: מכמה אלפים ועד מיליוני יחידות. עם זאת, בנוסף לתכונה זו, ישנם מספר נוספים שלפיהם ניתן לסווג חומרים בדיוק כפולימרים טבעיים וסינתטיים. זה:

• יחידות מונומריות חוזרות כל הזמן המחוברות באמצעות אינטראקציות שונות;
• מידת הפולימראז (כלומר מספר המונומרים) צריכה להיות מאודגבוה, אחרת התרכובת תיחשב אוליגומר;
• אוריינטציה מרחבית מסוימת של מקרומולקולה;
• סט של תכונות פיזיקליות וכימיות חשובות הייחודיות לקבוצה זו.

באופן כללי, די קל להבדיל בין חומר בעל אופי פולימרי. צריך רק להסתכל על הנוסחה שלו כדי להבין אותה. דוגמה טיפוסית היא הפוליאתילן הידוע, בשימוש נרחב בחיי היומיום ובתעשייה. זהו תוצר של תגובת פילמור שבה נכנסים אתן או אתילן הפחמימנים הבלתי רווים. התגובה בצורה כללית כתובה כך:

nCH₂=CH₂→(-CH-CH-) , שבו n היא מידת הפילמור של מולקולות, המראה כמה יחידות מונומריות כלולות בהרכב שלה.

כמו כן, כדוגמה, אפשר להביא פולימר טבעי, שמוכר לכולם, הוא עמילן. בנוסף, עמילופקטין, תאית, חלבון עוף וחומרים רבים אחרים שייכים לקבוצת תרכובות זו.

תגובות שיכולות ליצור מקרומולקולות הן משני סוגים:

• polymerization;
• polycondensation.

ההבדל הוא שבמקרה השני, תוצרי האינטראקציה הם בעלי משקל מולקולרי נמוך. מבנה הפולימר יכול להיות שונה, זה תלוי באטומים היוצרים אותו. צורות ליניאריות נמצאות לעתים קרובות, אבל יש גם רשתות תלת מימדיות, שהן מורכבות מאוד.

אם נדבר על הכוחות והאינטראקציות שמחזיקות יחידות מונומר ביחד, אז נוכל לזהות כמה בסיסיים:

• ואן דר וואלסכוח;
• קשרים כימיים (קוולנטיים, יוניים);
• אינטראקציה אלקטרוסטטית.

לא ניתן לשלב את כל הפולימרים לקטגוריה אחת, מכיוון שהם בעלי אופי שונה לחלוטין, שיטת היווצרות ומבצעים פונקציות שונות. גם המאפיינים שלהם שונים. לכן, יש סיווג המאפשר לך לחלק את כל הנציגים של קבוצת חומרים זו לקטגוריות שונות. זה עשוי להתבסס על מספר סימנים.

סיווג של פולימרים

אם ניקח כבסיס את ההרכב האיכותי של המולקולות, אזי ניתן לחלק את כל החומרים הנבחנים לשלוש קבוצות.

1. אורגני - אלו שכוללים אטומים של פחמן, מימן, גופרית, חמצן, זרחן, חנקן. כלומר, אותם אלמנטים שהם ביוגנים. ישנן דוגמאות רבות: פוליאתילן, פוליוויניל כלוריד, פוליפרופילן, ויסקוזה, ניילון, פולימר טבעי - חלבון, חומצות גרעין וכן הלאה.
2. Elementalorganic - אלה שכוללים אלמנט אנאורגני ולא-ביוגני חיצוני כלשהו. לרוב זה סיליקון, אלומיניום או טיטניום. דוגמאות למקרומולקולות כאלה: זכוכית אורגנית, פולימרי זכוכית, חומרים מרוכבים.
3. אי-אורגני - השרשרת מבוססת על אטומי סיליקון, לא פחמן. רדיקלים יכולים להיות גם חלק מענפים צדדיים. הם התגלו ממש לאחרונה, באמצע המאה ה-20. משמש ברפואה, בנייה, הנדסה ותעשיות אחרות. דוגמאות: סיליקון, קינבר.

אם אתה מפריד פולימרים לפי מקור, אתה יכולבחר שלוש מהקבוצות שלהם.

1. פולימרים טבעיים, שהשימוש בהם בוצע באופן נרחב מאז ימי קדם. אלה מקרומולקולות כאלה, שלצורך יצירתן אדם לא עשה מאמצים. הם תוצרים של תגובות הטבע עצמו. דוגמאות: משי, צמר, חלבון, חומצות גרעין, עמילן, תאית, עור, כותנה וכו'.
2. מלאכותי. אלו הן מקרומולקולות שנוצרו על ידי האדם, אך מבוססות על אנלוגים טבעיים. כלומר, המאפיינים של פולימר טבעי שכבר קיים פשוט משופרים ומשתנים. דוגמאות: גומי מלאכותי, גומי.
3. סינטטי - אלו פולימרים שביצירתם משתתף רק אדם. אין אנלוגים טבעיים עבורם. מדענים מפתחים שיטות לסינתזה של חומרים חדשים שישפרו את המאפיינים הטכניים. כך נולדות תרכובות פולימרים סינתטיים מסוגים שונים. דוגמאות: פוליאתילן, פוליפרופילן, ויסקוזה, סיבי אצטט וכו'.

יש עוד תכונה אחת שעומדת בבסיס החלוקה של החומרים הנחשבים לקבוצות. אלו הן תגובתיות ויציבות תרמית. ישנן שתי קטגוריות עבור פרמטר זה:

• תרמופלסטי;
• תרמוסט.

העתיק, החשוב והיקר במיוחד הוא עדיין פולימר טבעי. תכונותיו ייחודיות. לכן, נשקול עוד יותר את הקטגוריה הספציפית הזו של מקרומולקולות.

איזה חומר הוא פולימר טבעי?

כדי לענות על שאלה זו, בואו נתבונן תחילה סביבנו. מה מקיף אותנו?יצורים חיים סביבנו הניזונים, נושמים, מתרבים, פורחים ומייצרים פירות וזרעים. ומה הם מייצגים מנקודת מבט מולקולרית? אלו הם חיבורים כמו:

• proteins;
• חומצות גרעין;
• polysaccharides.

אז, כל אחת מהתרכובות הללו היא פולימר טבעי. כך, מסתבר שהחיים סביבנו קיימים רק בשל נוכחותן של מולקולות אלו. מאז ימי קדם, אנשים השתמשו בחימר, תערובות בניין ומלטות לחיזוק ויצירת בית, טווים חוט מצמר ומשתמשים בכותנה, משי, צמר ועור בעלי חיים ליצירת בגדים. פולימרים אורגניים טבעיים ליוו את האדם בכל שלבי היווצרותו והתפתחותו ובמובנים רבים עזרו לו להשיג את התוצאות שיש לנו היום.

הטבע עצמו נתן הכל כדי שהחיים של אנשים יהיו נוחים ככל האפשר. עם הזמן התגלה גומי, תכונותיו המדהימות הובהרו. האדם למד להשתמש בעמילן למטרות מזון, ובתאית למטרות טכניות. קמפור הוא גם פולימר טבעי, המוכר גם מימי קדם. שרפים, חלבונים, חומצות גרעין הם כולם דוגמאות לתרכובות הנבדקות.

מבנה של פולימרים טבעיים

לא לכל הנציגים של מחלקה זו של חומרים יש מבנה זהה. לפיכך, פולימרים טבעיים וסינתטיים יכולים להיות שונים באופן משמעותי. המולקולות שלהם מכוונות בצורה כזו שהכי מועיל ונוח להתקיים מנקודת מבט אנרגטית. יחד עם זאת, מינים טבעיים רבים מסוגלים להתנפח והמבנה שלהם משתנה תוך כדי.ישנן מספר גרסאות נפוצות ביותר של מבנה השרשרת:

• linear;
• מסועף;
• צורת כוכב;
• שטוח;
• mesh;
• tape;
• בצורת מסרק.

לנציגים מלאכותיים וסינתטיים של מקרומולקולות יש מסה גדולה מאוד, מספר עצום של אטומים. הם נוצרים עם מאפיינים שצוינו במיוחד. לכן, המבנה שלהם תוכנן במקור על ידי האדם. פולימרים טבעיים הם לרוב ליניאריים או מרושתים במבנה.

דוגמאות למקרומולקולות טבעיות

פולימרים טבעיים ומלאכותיים קרובים מאוד זה לזה. אחרי הכל, הראשון הופך לבסיס ליצירת השני. יש הרבה דוגמאות לתמורות כאלה. הנה כמה מהם.

1. פלסטיק לבן חלבי רגיל הוא מוצר המתקבל על ידי טיפול בתאית בחומצה חנקתית בתוספת קמפור טבעי. תגובת הפילמור גורמת לפולימר שנוצר להתמצק ולהפוך למוצר הרצוי. והפלסטיקאי - קמפור, גורם לו להתרכך בחימום ולשנות את צורתו.
2. משי אצטט, סיבי נחושת-אמוניה, ויסקוזה הם כולם דוגמאות לאותם חוטים, סיבים שמתקבלים מתאית. בדים עשויים כותנה ופשתן טבעיים אינם כל כך עמידים, לא מבריקים, מתקמטים בקלות. אבל האנלוגים המלאכותיים שלהם נטולי חסרונות אלה, מה שהופך את השימוש בהם לאטרקטיבי מאוד.
3. אבנים מלאכותיות, חומרי בניין, תערובות, תחליפי עור הםראה גם דוגמאות של פולימרים המופקים מחומרי גלם טבעיים.

החומר, שהוא פולימר טבעי, יכול לשמש גם בצורתו האמיתית. יש גם הרבה דוגמאות כאלה:

• rosin;
• amber;
• starch;
• עמילופקטין;
• cellulose;
• פרווה;
• צמר;
• cotton;
• משי;
• cement;
• clay;
• ליים;
• proteins;
• חומצות גרעין וכן הלאה.

כמובן, סוג התרכובות שאנו שוקלים הוא רב מאוד, חשוב מעשית ומשמעותי עבור אנשים. עכשיו בואו נסתכל מקרוב על כמה נציגים של פולימרים טבעיים, המבוקשים מאוד בזמן הנוכחי.

משי וצמר

הנוסחה של פולימר משי טבעי מורכבת, מכיוון שההרכב הכימי שלו מתבטא ברכיבים הבאים:

• fibroin;
• sericin;
• waxes;
• fats.

החלבון העיקרי עצמו, פיברואין, מכיל כמה סוגים של חומצות אמינו. אם אתה מדמיין את שרשרת הפוליפפטיד שלו, הוא ייראה בערך כך: (-NH-CH₂-CO-NH-CH(CH₃)- CO-NH-CH₂-CO-)_n. וזה רק חלק ממנו. אם נדמיין שמולקולת חלבון סריסין מורכבת לא פחות מחוברת למבנה הזה בעזרת כוחות ואן דר ואלס, ויחד הם מעורבבים למבנה אחד עם שעווה ושומנים, אז ברור למה קשה לתאר את הנוסחה של משי טבעי.

להיוםכיום, רוב המוצר הזה מסופק על ידי סין, כי בשטחים הפתוחים שלה יש בית גידול טבעי ליצרן הראשי - תולעת המשי. בעבר, החל מימי קדם, המשי הטבעי היה מוערך מאוד. רק אנשים אצילים ועשירים יכלו להרשות לעצמם בגדים ממנו. כיום, מאפיינים רבים של בד זה משאירים הרבה מה לרצוי. לדוגמה, הוא מאוד ממוגנט ומקומט, בנוסף הוא מאבד את הברק שלו ודועך מחשיפה לשמש. לכן, נגזרות מלאכותיות המבוססות עליו נמצאות יותר בשימוש.

צמר הוא גם פולימר טבעי, שכן הוא תוצר פסולת של העור ובלוטות החלב של בעלי חיים. על בסיס מוצר חלבון זה, נוצרים סריגים, שכמו משי הוא חומר יקר ערך.

עמילן

עמילן פולימרי טבעי הוא תוצר פסולת של צמחים. הם מייצרים אותו כתוצאה מתהליך הפוטוסינתזה ומצטברים בחלקים שונים בגוף. ההרכב הכימי שלו:

• עמילופקטין;
• amylose;
• אלפא-גלוקוז.

המבנה המרחבי של עמילן מסועף מאוד, לא מסודר. הודות לאמילופקטין הכלול בהרכב, הוא מסוגל להתנפח במים, ולהפוך למה שנקרא להדביק. פתרון קולואידי זה משמש בהנדסה ובתעשייה. רפואה, תעשיית המזון, ייצור דבקי טפט הם גם תחומי שימוש לחומר זה.

בין צמחים המכילים את הכמות המרבית של עמילן, אנו יכולים להבחין:

• corn;
• potato;
• rice;
• wheat;
• cassava;
• oats;
• כוסמת;
• bananes;
• sorghum.

בהתבסס על הביופולימר הזה, אופים לחם, מכינים פסטה, מבשלים נשיקות, דגנים ומוצרי מזון אחרים.

Pulp

מנקודת מבט של כימיה, החומר הזה הוא פולימר, שהרכבו מבוטא בנוסחה (C₆H_{5 O} 5_{) . החוליה המונומרית בשרשרת היא בטא גלוקוז. האתרים העיקריים של תכולת תאית הם קירות התא של צמחים. זו הסיבה שעץ הוא מקור חשוב למתחם זה.}

תאית היא פולימר טבעי בעל מבנה מרחבי ליניארי. הוא משמש לייצור סוגי המוצרים הבאים:

• מוצרי עיסת ונייר;
• פרווה מלאכותית;
• סוגים שונים של סיבים מלאכותיים;
• cotton;
• plastics;
• אבקה ללא עשן;
• רצועות סרט וכן הלאה.

ברור שהמשמעות התעשייתית שלו גדולה. על מנת שתרכובת נתונה תשמש בייצור, תחילה יש להפיק אותה מצמחים. זה נעשה על ידי בישול ארוך טווח של עץ במכשירים מיוחדים. עיבוד נוסף, כמו גם הריאגנטים המשמשים לעיכול, משתנים. ישנן מספר דרכים:

• sulfite;
• nitrate;
• sodium;
• sulfate.

לאחר טיפול זה, המוצר עדיין מכילזיהומים. הוא מבוסס על ליגנין והמיצלולוזה. כדי להיפטר מהם, המסה מטופלת בכלור או אלקלי.

בגוף האדם אין זרזים ביולוגיים כאלה שיצליחו לפרק את הביופולימר המורכב הזה. עם זאת, כמה בעלי חיים (אוכלי עשב) הסתגלו לכך. יש להם חיידקים מסוימים בבטן שעושים את זה בשבילם. בתמורה, מיקרואורגניזמים מקבלים אנרגיה לחיים ולבית גידול. צורה זו של סימביוזה מועילה ביותר לשני הצדדים.

Rubber

זהו פולימר טבעי בעל חשיבות כלכלית רבת ערך. הוא תואר לראשונה על ידי רוברט קוק, שגילה אותו באחד ממסעותיו. זה קרה ככה. לאחר שנחת על אי המאוכלס על ידי ילידים לא ידועים לו, הוא התקבל אצלם בסבר פנים יפות. את תשומת לבו משכו ילדים מקומיים ששיחקו עם חפץ יוצא דופן. הגוף הכדורי הזה בעט מהרצפה וקפץ גבוה למעלה, ואז חזר.

לאחר ששאל את האוכלוסייה המקומית ממה עשוי הצעצוע הזה, למד קוק שהמיץ של אחד העצים, ה-hevea, מתקשה בצורה זו. הרבה יותר מאוחר התברר שזהו הביופולימר הגומי.

הטבע הכימי של תרכובת זו ידוע - זהו איזופרן שעבר פילמור טבעי. נוסחת הגומי היא (С₅Н₈) . המאפיינים שלו שהופכים אותו לכל כך נחשב הם כדלקמן:

• elasticity;
• עמיד בפני שחיקה;
• בידוד חשמלי;
• עמיד במים.

עם זאת, יש גם חסרונות. בקור הוא הופך שביר ושביר, ובחום הוא הופך להיות דביק וצמיג. לכן היה צורך לסנתז אנלוגים של בסיס מלאכותי או סינתטי. כיום, גומיות נמצאות בשימוש נרחב למטרות טכניות ותעשייתיות. המוצרים החשובים ביותר המבוססים עליהם:

• rubbers;
• ebonites.

Amber

זהו פולימר טבעי, כי במבנה שלו הוא שרף, צורתו המאובנים. המבנה המרחבי הוא פולימר אמורפי מסגרת. הוא דליק מאוד וניתן להצית אותו עם להבת גפרורים. יש לו תכונות זוהר. זוהי תכונה חשובה ורב ערך המשמשת בתכשיטים. תכשיטים על בסיס ענבר יפים מאוד ומבוקשים.

בנוסף, ביופולימר זה משמש גם למטרות רפואיות. הוא משמש גם לייצור נייר זכוכית, ציפוי לכה למשטחים שונים.