Целлюлоза, свойства, получение и применение
Целлюлоза, формула, строение, вещество, характеристика:
Целлюлоза, клетчатка (фр. cellulose от лат. cellula – «клетка») – природное высокомолекулярное органическое соединение, углевод, полисахарид с формулой (C6H10O5)n.
Молекулы целлюлозы представляют собой неразветвлённые цепочки из остатков β-D-глюкозы, соединённых гликозидными (водородными) связями β-(1→4).
Химическая формула целлюлозы (C6H10O5)n либо [С6Н7О2(ОН)3]n.
Строение молекулы целлюлозы, структурная формула целлюлозы:
Молекула целлюлозы образована из множества (от нескольких сотен до десятков тысяч) остатков β-D-глюкозы, связанных между собой гликозидными (водородными) связями.
Молекула целлюлозы имеет линейное строение и склонна принимать вытянутую стержневую конформацию.
Так как макромолекула целлюлозы представляет собой смесь молекул (мономерных звеньев) с различной степенью полимеризации (т.е. числом мономерных звеньев в молекуле полимера), то она неоднородна по молекулярной массе. Целлюлоза из древесины имеет типичную длину цепи от 300 до 1700 единиц мономерных звеньев C6H10O5, хлопок и другие растительные волокна, а также бактериальная целлюлоза имеют длину цепи от 800 до 10 000 единиц звеньев C6H10O5.
Молярная масса мономерного звена целлюлозы С6Н10О5 составляет 162,1406 г/моль
Целлюлоза – это растительный полисахарид, являющийся самым распространенным органическим веществом. Целлюлоза является главной составляющей частью и структурным материалом оболочки растительной клетки. Кроме целлюлозы в состав клеточных оболочек входят еще несколько других углеводов, известных под общим названием гемицеллюлозы (ксилан, маннан, галактан, арабан и др.).
Внешне целлюлоза в чистом виде представляет собой белое твердое волокнистое вещество, без вкуса и запаха.
Волокна целлюлозы обладают высокой механической прочностью.
Целлюлоза не растворяется в воде, слабых кислотах и большинстве органических растворителей. Растворяется в некоторых растворителях, например, в водных смесях комплексных соединений гидроксидов переходных металлов (Сu, Cd, Ni) с NH3 и аминами, в серной и ортофосфорной кислотах, а также в аммиачном растворе гидроксида меди (II) – реактиве Швейцера.
Хорошо впитывает воду из-за наличия гидроксильных групп в своем составе.
Подвергается разложению при участии микроорганизмов и при действии ультрафиолетовых лучей.
Не разрушается при нагревании до 200 оС.
Различные виды целлюлозы (из различных растительных материалов) структурно неоднородны, т.к. расстояние между молекулами или звеньями молекул целлюлозы, а также взаимное расположение этих молекул могут быть различны. Соответственно изменяются прочностные связи между молекулами, а также физические и химические свойства различных видов целлюлозы. Свойства также зависят от количества звеньев в молекуле целлюлозы (т.е. от степени полимеризации). Например, чем больше расстояние между молекулами или звеньями молекул и чем меньше прочность связи между ними, тем больше гигроскопичность целлюлозы, ее окрашиваемость, более реакционноспособна в процессах этерификации, протекающих в кислой среде, и т.д. Целлюлоза со степенью полимеризации менее 1000 растворима в концентрированной ортофосфорной кислоте, а целлюлоза со степенью полимеризации ниже 200 – также и в 10-12 % растворе гидроксида натрия.
Нахождение целлюлозы в природе:
В чистом виде в природе не содержится.
Целлюлоза образуется в растениях (в т.ч. водорослях) в результате сложных биохимических реакций в процессе фотосинтеза из простейших углеводов. Она представляет собой составную часть оболочки клеток растений, обеспечивая механическую прочность и эластичность растительной ткани.
В большом количестве целлюлоза содержится в волокнах хлопка – 95-98 %, льна – 60-85 %, в тканях древесины – 40-55 %, в растительных остатках, попадающих в почву (листьях, стеблях и пр.), – 40-90 %, в соломе – до 30 %.
Целлюлоза также встречается у грибов и животных: у некоторых простейших и у оболочников (Tunicata). У последних она выделяется клетками наружных покровов и образует наружную оболочку, или тунику, животного.
Целлюлоза вырабатывается также некоторыми бактериями, например, бактериями рода Acetobacter.
Физические свойства целлюлозы:
| Наименование параметра: | Значение: |
| Цвет | белый |
| Запах | без запаха |
| Вкус | без вкуса |
| Агрегатное состояние (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.) | твердое вещество |
| Плотность (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.), г/см3 | 1,52-1,54 |
| Плотность (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м3 | 1520-1540 |
| Температура разложения, °C | 210 |
| Температура плавления, °C | 467 |
| Температура кипения, °C | — |
| Температура воспламенения, °C | 275 |
| Температура самовоспламенения, °C | 420 |
| Удельная теплота сгорания, МДж/кг | 16,40 |
| Молярная масса мономерного звена целлюлозы С6Н10О5, г/моль | 162,1406 |
Химические свойства целлюлозы. Химические реакции целлюлозы:
Из-за наличия трёх гидроксильных групп в каждом звене целлюлоза проявляет свойства многоатомных спиртов, поэтому для нее характерны все химические реакции, свойственные спиртам: образование простых и сложных эфиров органических и неорганических кислот, получение щелочной целлюлозы и др.
Основные химические реакции целлюлозы следующие:
1. гидролиз целлюлозы:
(C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6 (t°, H2SO4).
(целлюлоза) (глюкоза)
В результате реакции образуется глюкоза.
2. реакция нитрования целлюлозы (т.е. реакция целлюлозы с азотной кислотой).
3. реакция этерификации целлюлозы с уксусной кислотой.
4. реакция пиролиза целлюлозы:
При температуре выше 350 °C в отсутствии кислорода целлюлоза подвергается пиролизу (также называемому “термолизом”), разлагаясь на твердый уголь, пары, аэрозоли и газы, такие как углекислый газ и пр. продукты сложного строения.
5. реакция горения целлюлозы:
(C6H10O5)n + 6nO2 → 6nCO2 + 5nH2O (t°).
В результате реакции происходит полное окисление целлюлозы до углекислого газа и воды.
Производство и получение целлюлозы:
Поскольку в природе в чистом виде целлюлоза не содержится, а, как правило, образуется в растениях, то ее в основном получают из древесины. Производство (получение) целлюлозы является одним из этапов производства бумаги.
Содержание целлюлозы в древесине составляет порядка 40-55 %. Остальное – гемицеллюлоза (ксилан, маннан, галактан, арабан и др.) и лигнин. Лигнин (от лат. lignum – дерево, древесина) – это вещество, характеризующее одеревеневшие стенки растительных клеток, и представляющее собой смесь ароматических полимеров родственного строения. На лигнин приходится от 18 до 24 % массы древесины лиственных пород и 23-50 % массы хвойных пород. Причем (лигнин) последний выполняет функцию связующего вещества между волокнами целлюлозы.
Если образно сравнить древесину с железобетоном, то получается, что волокна целлюлозы, обладающие высокой прочностью на растяжение, подобны арматуре в железобетоне, а лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, – бетону.
Гемицеллюлоза в древесине выполняет функцию укрепления волокон целлюлозе. Она представляет собой растительные гомо- и гетерополисахариды с меньшей, чем у целлюлозы, молекулярной массой (10 000-40 000 г/моль), состоящие из остатков разных пентоз и гексоз.
Целлюлоза получается (выделяется) из древесины двумя методами: механическим и химическим. При любом методе получения целлюлозы древесина предварительно измельчается в щепу.