Часть II
   На главную I. Теоретические основы II. Углеводороды III. Кислородсодержащие соединения IV. Азотсодержащие соединения V. Высокомолекулярные соединения VI. Решение задач
Часть III. КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Целлюлоза

Целлюлоза (клетчатка) – растительный полисахарид, являющийся самым распространенным органическим веществом на Земле. Этот биополимер обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений, образуя стенку растительных клеток. В большом количестве целлюлоза содержится в тканях древесины (40-55%), в волокнах льна (60-85%) и хлопка (95-98%).
Цепи целлюлозы построены из остатков β-глюкозы и имеют линейное строение.

Звенья целлюлозы

Число моносахаридных звеньев в макромолекулах целлюлозы достигает 10–14 тыс., что соответствует молекулярной массе 1,5–2 млн.
Звенья β-глюкозы придают цепным молекулам выпрямленную форму за счёт внутри- и межмолекулярных водородных связей. Поэтому целлюлоза имеет волокнистую структуру, относится к наиболее жесткоцепным полимерам и нерастворима в большинстве растворителей.

Видеоопыт "Растворение целлюлозы в аммиачном растворе гидроксида меди (II)"
Видеоопыт "Кислотный гидролиз целлюлозы"

  • Химическая модификация целлюлозы и применение её производных
    Химическая модификация целлюлозы и применение её производных
    Целлюлоза нерастворима в доступных растворителях и нетермопластична (температура размягчения выше температуры разложения), то есть она не может перерабатываться в изделия из раствора или расплава. Поэтому важное значение имеют термопластичные и растворимые производные целлюлозы, получаемые при ее химической модификации.
    С помощью реакций по OH-группам (3 спиртовых гидроксила в каждом элементарном, моносахаридном, звене) получают производные целлюлозы, главным образом, простые и сложные эфиры, которые наиболее важны в практическом отношении и лучше изучены. Эти полимерные материалы используются в производстве искусственных волокон, пластмасс, пленок, лакокрасочных материалов, бездымного пороха, взрывчатки, твердых ракетных топлив.

    Образование эфиров целлюлозы

    Метилцеллюлоза (простой метиловый эфир целлюлозы) образуется при действии хлорметана на целлюлозу, предварительно обработанную водным раствором щелочи (так называемую щелочную целлюлозу). В зависимости от условий реакции могут быть получены производные, содержащие от 1 до 3 метоксильных групп OCH3:
    [C6H7O2(OH)3-x(OCH3)x]n   (х = 1, 2 или 3).
    Полимер растворим в холодной воде и органических растворителях, в горячей воде не растворяется; способен легко воспламеняться.
    Метилцеллюлоза используется в изготовлении пленок (в том числе водорастворимой упаковочной пленки для гранулированных удобрений), различных клеев (для кожи, бумаги, обоев, пенопластов и др.), карандашей (как добавка, связывающая и пластифицирующая карандашную массу), в производстве мелованной, жиро- и маслонепроницаемой бумаги. Применяется в качестве эмульгатора и стабилизатора красок, кремов, шампуней. В фармацевтической и пищевой промышленности используется для капсулирования таблеток и пилюль, как безжировая основа мазей, глазных капель, загуститель фруктовых и овощных соков, стабилизатор мороженого.

    Ацетилцеллюлоза (триацетат целлюлозы) – сложный эфир целлюлозы и уксусной кислоты  [C6H7O2(OCOCH3)3]n. Этот полимер образуется при действии уксусного ангидрида (CH3CO)2O на активированную целлюлозу. Активация целлюлозы производится для облегчения диффузии реагентов внутрь материала путем набухания целлюлозы в 95-100% уксусной кислоте. При частичном омылении триацетата целлюлоза получают моно- и диацетаты:
    [C6H7O2(OH)3-х(OCOCH3)х]n (х = 1 или 2).
    Ацетилцеллюлоза (в основном диацетат) используется в производстве ацетатного волокна, негорючей кинопленки.
    При продавливании раствора ацетата целлюлозы в ацетоне через маленькие отверстия сита (фильеры) и последующем испарении растворителя образуются тончайшие волокна. Нити из этих волокон известны как ацетатный шелк.
    Если раствор продавливать через узкие щели, то получается тонкая пленка ацетата целлюлозы. Благодаря способности пропускать ультрафиолетовые лучи, ацетатные пленки применяют в сельском хозяйстве, особенно для укрытия парников.
    Пластмассы на основе ацетилцеллюлозы используются для изготовления штурвалов самолетов и автомобилей.

    Нитроцеллюлоза (нитраты целлюлозы) – сложные азотнокислые эфиры целлюлозы общей формулы:
    [C6H7O2(OH)3-х(ONO2)х]n   (х = 1, 2 или 3)
    Эти вещества получают при обработке целлюлозы смесью концентрированных азотной и серной кислот (нитрующая смесь). В зависимости от условий проведения реакции и соотношения реагентов образуются мононитрат (х=1), динитрат (х=2) или тринитрат (х=3) целлюлозы.
    Ди- и тринитраты целлюлозы (пироксилин) используют для производства пороха (твердого ракетного топлива) типа баллистит, для желатинизации жидких нитроэфиров в производстве динамитов и др. взрывчатых веществ промышленного назначения. Пироксилин – основа исторически первой искусственной пластмассы (целлулоида). Целлулоид ранее широко использовался для изготовления кино- и фотопленки, детских игрушек, мелких предметов быта. Его главный недостаток – легкая воспламеняемость и выделение токсичных оксидов азота при горении.
    Моно- и динитраты целлюлозы (коллоксилин) применяются в медицине (коллодийная вата, коллодийный клей для перевязок).
    Нитраты целлюлозы входят в состав нитролаков, нитроэмалей и нитрокрасок.

    Вискозное волокно. Целлофан
    Эти полимерные материалы состоят из практически чистой целлюлозы, но для их получения исходную целлюлозу путем химической модификации сначала превращают в растворимую форму, а затем в процессе формования регенерируют.
    В основе модификации целлюлозы лежит реакция образования растворимой соли (ксантогената) при взаимодействии спиртовой ОН-группы с сероуглеродом CS2 в водном растворе щелочи.
    Схема реакции на примере спирта
    Целлюлоза, обработанная раствором щелочи (щелочная целлюлоза), аналогичным образом взаимодействует с сероуглеродом, образуя ксантогенат целлюлозы:
    [C6H7O2(OH)3]n + nCS2 + nNaOH [C6H7O2(OH)2O–C(S)–SNa]n + nH2O
    Этот продукт растворяется в щелочах с образованием вязкого коллоидного раствора, который называется вискозой.
    При продавливании вискозы через фильеры в осадительную ванну с раствором кислоты происходит гидролиз ксантогената и регенерация целлюлозы в виде тонких нитей, называемых вискозным волокном.
    [C6H7O2(OH)2OC(S)SNa]n + nH2SO4 [C6H7O2(OH)3]n + nCS2 + nNaHSO4
    Если вискозу продавливать через узкую щель, то целлюлоза регенерируется в виде тонкой пленки, которую после пластификации глицерином используют в качестве упаковочного материала – целлофана.

  • Применение целлюлозы в производстве бумаги
    Применение целлюлозы в производстве бумаги
    Бумага представляет собой материал, состоящий из тонко переплетенных между собой волокон целлюлозы. Отдельные волокна связаны друг с другом водородными связями, которые образуют гидроксильные группы.
    Бумага была изобретена в конце II в. до н. э. в Китае, где ее получали из волокон хлопка и бамбука. В настоящее время сырьем для производства бумаги служит прежде всего древесина, освобожденная от лигнина. Используются также солома, тростник, бумажная и тряпичная (х/б) макулатура. Целлюлозную массу, получаемую после измельчения и отбеливания, смешивают с наполнителем (глина, тальк, мел, сульфат бария, оксид титана) и проклеивают. При этом получают бумагу, не пропускающую чернила. Фильтровальная бумага состоит из чистой целлюлозы.


  • Видеофильм "Ацетатное волокно"
    Видеоопыт "Получение и свойства нитроцеллюлозы"