Natürliches Polymer - Formel und Anwendung

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 05:21

Die meisten der heutigen Baumaterialien, Medikamente, Stoffe, Haush altsartikel, Verpackungen und Verbrauchsmaterialien sind Polymere. Dies ist eine ganze Gruppe von Verbindungen, die charakteristische Unterscheidungsmerkmale aufweisen. Es gibt viele von ihnen, aber trotzdem wächst die Zahl der Polymere weiter. Schließlich entdecken Synthesechemiker jährlich immer mehr neue Substanzen. Dabei war zu allen Zeiten das natürliche Polymer von besonderer Bedeutung. Was sind diese erstaunlichen Moleküle? Was sind ihre Eigenschaften und was sind die Merkmale? Diese Fragen werden wir im Laufe des Artikels beantworten.

Polymere: Allgemeine Eigenschaften

Aus chemischer Sicht ist ein Polymer ein Molekül mit einem enormen Molekulargewicht: von mehreren Tausend bis zu Millionen von Einheiten. Neben diesem Merkmal gibt es jedoch noch einige weitere, anhand derer Stoffe genau in natürliche und synthetische Polymere eingeteilt werden können. Das ist:

• sich ständig wiederholende monomere Einheiten, die durch unterschiedliche Wechselwirkungen verbunden sind;
• der Polymerasegrad (d.h. die Anzahl der Monomere) sollte sehr hoch seinhoch, andernfalls wird die Verbindung als Oligomer betrachtet;
• bestimmte räumliche Orientierung eines Makromoleküls;
• eine Reihe wichtiger physikalischer und chemischer Eigenschaften, die für diese Gruppe einzigartig sind.

Im Allgemeinen ist eine Substanz polymerer Natur ziemlich leicht von anderen zu unterscheiden. Man muss sich nur seine Formel ansehen, um sie zu verstehen. Ein typisches Beispiel ist das allseits bekannte Polyethylen, das in Alltag und Industrie weit verbreitet ist. Es ist das Produkt einer Polymerisationsreaktion, in die der ungesättigte Kohlenwasserstoff Ethen oder Ethylen eintritt. Die Reaktion in allgemeiner Form wird wie folgt geschrieben:

nCH₂=CH₂→(-CH-CH-) , wobei n ist der Polymerisationsgrad von Molekülen, der angibt, wie viele Monomereinheiten in seiner Zusammensetzung enth alten sind.

Als Beispiel kann man auch ein natürliches Polymer anführen, das jedem gut bekannt ist, nämlich Stärke. Außerdem gehören Amylopektin, Zellulose, Hühnereiweiß und viele andere Substanzen zu dieser Stoffgruppe.

Reaktionen, die Makromoleküle bilden können, sind von zwei Arten:

• Polymerisation;
• Polykondensation.

Der Unterschied besteht darin, dass im zweiten Fall die Wechselwirkungsprodukte niedermolekular sind. Die Struktur des Polymers kann unterschiedlich sein, es hängt von den Atomen ab, die es bilden. Häufig findet man lineare Formen, aber auch dreidimensionale Maschen, die sehr komplex sind.

Wenn wir über die Kräfte und Wechselwirkungen sprechen, die Monomereinheiten zusammenh alten, dann können wir mehrere grundlegende identifizieren:

• Van Der WaalsStärke;
• chemische Bindungen (kovalent, ionisch);
• elektrostatische Wechselwirkung.

Alle Polymere können nicht in einer Kategorie zusammengefasst werden, da sie eine völlig unterschiedliche Natur, Herstellungsweise und Funktion haben. Auch ihre Eigenschaften unterscheiden sich. Daher gibt es eine Einteilung, die es erlaubt, alle Vertreter dieser Stoffgruppe in verschiedene Kategorien einzuteilen. Es kann auf mehreren Zeichen beruhen.

Klassifizierung von Polymeren

Legt man die qualitative Zusammensetzung der Moleküle zugrunde, so lassen sich alle betrachteten Substanzen in drei Gruppen einteilen.

1. Organisch - das sind diejenigen, die Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Schwefel-, Sauerstoff-, Phosphor- und Stickstoffatome enth alten. Das heißt, jene Elemente, die biogen sind. Es gibt viele Beispiele: Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polypropylen, Viskose, Nylon, natürliches Polymer – Protein, Nukleinsäuren und so weiter.
2. Elementarorganisch - solche, die ein fremdes anorganisches und nicht-biogenes Element enth alten. Meistens ist es Silizium, Aluminium oder Titan. Beispiele für solche Makromoleküle: organisches Glas, Glaspolymere, Verbundwerkstoffe.
3. Anorganisch - die Kette basiert auf Siliziumatomen, nicht auf Kohlenstoff. Radikale können auch Teil von Seitenzweigen sein. Sie wurden erst vor kurzem entdeckt, Mitte des 20. Jahrhunderts. Wird in der Medizin, im Bauwesen, im Maschinenbau und in anderen Branchen verwendet. Beispiele: Silikon, Zinnober.

Wenn Sie Polymere nach Herkunft trennen, können Sie dasWähle drei ihrer Gruppen aus.

1. Natürliche Polymere, deren Verwendung seit der Antike weit verbreitet ist. Dies sind solche Makromoleküle, für deren Herstellung eine Person keine Anstrengungen unternommen hat. Sie sind Produkte der Reaktionen der Natur selbst. Beispiele: Seide, Wolle, Eiweiß, Nukleinsäuren, Stärke, Zellulose, Leder, Baumwolle etc.
2. Künstlich. Dies sind Makromoleküle, die vom Menschen geschaffen wurden, aber auf natürlichen Analoga basieren. Das heißt, die Eigenschaften eines bereits existierenden natürlichen Polymers werden einfach verbessert und verändert. Beispiele: Kunstkautschuk, Kautschuk.
3. Synthetisch - das sind Polymere, an deren Entstehung nur ein Mensch beteiligt ist. Es gibt keine natürlichen Analoga für sie. Wissenschaftler entwickeln Methoden zur Synthese neuer Materialien mit verbesserten technischen Eigenschaften. So entstehen synthetische Polymerverbindungen verschiedenster Art. Beispiele: Polyethylen, Polypropylen, Viskose, Acetatfaser usw.

Es gibt noch ein weiteres Merkmal, das der Einteilung der betrachteten Substanzen in Gruppen zugrunde liegt. Dies sind Reaktivität und thermische Stabilität. Es gibt zwei Kategorien für diesen Parameter:

• Thermoplast;
• thermoset.

Das älteste, wichtigste und besonders wertvollste ist immer noch ein natürliches Polymer. Seine Eigenschaften sind einzigartig. Daher werden wir diese besondere Kategorie von Makromolekülen weiter betrachten.

Welche Substanz ist ein natürliches Polymer?

Um diese Frage zu beantworten, schauen wir uns zuerst um. Was umgibt uns?Lebende Organismen um uns herum, die sich ernähren, atmen, vermehren, blühen und Früchte und Samen produzieren. Und was stellen sie aus molekularer Sicht dar? Das sind Verbindungen wie:

• Proteine;
• Nukleinsäuren;
• Polysaccharide.

Also ist jede dieser Verbindungen ein natürliches Polymer. Es stellt sich also heraus, dass das Leben um uns herum nur aufgrund der Anwesenheit dieser Moleküle existiert. Seit der Antike haben die Menschen Ton, Baumischungen und Mörtel verwendet, um ein Zuhause zu stärken und zu schaffen, Garne aus Wolle zu weben und Baumwolle, Seide, Wolle und Tierhaut zur Herstellung von Kleidung zu verwenden. Natürliche organische Polymere haben den Menschen in allen Stadien seiner Entstehung und Entwicklung begleitet und ihm in vielerlei Hinsicht geholfen, die Ergebnisse zu erzielen, die wir heute haben.

Die Natur selbst hat alles gegeben, um das Leben der Menschen so angenehm wie möglich zu gest alten. Im Laufe der Zeit wurde Gummi entdeckt, seine bemerkenswerten Eigenschaften wurden geklärt. Der Mensch hat gelernt, Stärke für Lebensmittelzwecke und Zellulose für technische Zwecke zu verwenden. Auch Kampfer ist ein natürliches Polymer, das ebenfalls seit der Antike bekannt ist. Harze, Proteine, Nukleinsäuren sind alles Beispiele für in Betracht gezogene Verbindungen.

Struktur natürlicher Polymere

Nicht alle Vertreter dieser Stoffklasse sind gleich aufgebaut. Somit können sich natürliche und synthetische Polymere deutlich unterscheiden. Ihre Moleküle sind so ausgerichtet, dass es aus energetischer Sicht am vorteilhaftesten und bequemsten ist, zu existieren. Gleichzeitig können viele natürliche Arten anschwellen und sich dabei ihre Struktur verändern. Es gibt mehrere gebräuchlichste Varianten der Kettenstruktur:

• linear;
• verzweigt;
• sternförmig;
• flat;
• mesh;
• Band;
• kammförmig.

Künstliche und synthetische Vertreter von Makromolekülen haben eine sehr große Masse, eine riesige Anzahl von Atomen. Sie werden mit speziell festgelegten Eigenschaften erstellt. Daher wurde ihre Struktur ursprünglich von Menschenhand geplant. Natürliche Polymere sind meistens entweder linear oder netzartig aufgebaut.

Beispiele natürlicher Makromoleküle

Natürliche und künstliche Polymere liegen sehr nah beieinander. Schließlich wird das Erste zur Grundlage für die Erschaffung des Zweiten. Es gibt viele Beispiele für solche Transformationen. Hier sind einige davon.

1. Gewöhnlicher milchig-weißer Kunststoff ist ein Produkt, das durch Behandlung von Zellulose mit Salpetersäure unter Zusatz von natürlichem Kampfer gewonnen wird. Die Polymerisationsreaktion bewirkt, dass sich das resultierende Polymer verfestigt und das gewünschte Produkt wird. Und der Weichmacher – Kampfer – macht es beim Erhitzen weich und verändert seine Form.
2. Azetatseide, Kupfer-Ammoniak-Faser, Viskose sind Beispiele für solche Fäden, Fasern, die aus Zellulose gewonnen werden. Stoffe aus natürlicher Baumwolle und Leinen sind nicht so strapazierfähig, glänzen nicht und knittern leicht. Aber die künstlichen Analoga von ihnen sind frei von diesen Mängeln, was ihre Verwendung sehr attraktiv macht.
3. Kunststeine, Baustoffe, Mischungen, Lederersatz sindSiehe auch Beispiele für Polymere aus natürlichen Rohstoffen.

Der Stoff, der ein natürliches Polymer ist, kann auch in seiner reinen Form verwendet werden. Es gibt auch viele solcher Beispiele:

• Kolophonium;
• amber;
• Stärke;
• Amylopectin;
• Zellulose;
• Fell;
• Wolle;
• Baumwolle;
• Seide;
• Zement;
• clay;
• lime;
• Proteine;
• Nukleinsäuren und so weiter.

Offensichtlich ist die Klasse der Verbindungen, die wir in Betracht ziehen, sehr zahlreich, praktisch wichtig und bedeutsam für den Menschen. Schauen wir uns nun einige Vertreter natürlicher Polymere genauer an, die derzeit sehr gefragt sind.

Seide und Wolle

Die Formel des natürlichen Seidenpolymers ist komplex, da seine chemische Zusammensetzung durch die folgenden Komponenten ausgedrückt wird:

• fibroin;
• sericin;
• Wachse;
• Fette.

Das Hauptprotein selbst, Fibroin, enthält mehrere Arten von Aminosäuren. Wenn Sie sich seine Polypeptidkette vorstellen, dann sieht sie etwa so aus: (-NH-CH₂-CO-NH-CH(CH₃)- CO-NH-CH₂-CO-)_n. Und das ist nur ein Teil davon. Wenn wir uns vorstellen, dass ein ebenso komplexes Sericin-Eiweißmolekül mit Hilfe von Van-der-Waals-Kräften an diese Struktur gebunden wird und zusammen mit Wachs und Fetten zu einer einzigen Konformation vermischt wird, dann wird klar, warum es schwierig ist, die Formel darzustellen aus Naturseide.

Für heuteHeutzutage wird der größte Teil dieses Produkts aus China geliefert, da in seinen Freiflächen ein natürlicher Lebensraum für den Hauptproduzenten - die Seidenraupe - vorhanden ist. Früher, seit den ältesten Zeiten, wurde Naturseide sehr geschätzt. Nur edle, reiche Leute konnten sich daraus Kleidung leisten. Heute lassen viele Eigenschaften dieses Stoffes zu wünschen übrig. Zum Beispiel ist es stark magnetisiert und zerknittert, außerdem verliert es seinen Glanz und verblasst durch Sonneneinstrahlung. Daher werden darauf basierende künstliche Derivate häufiger verwendet.

Wolle ist ebenfalls ein natürliches Polymer, da es ein Abfallprodukt der Haut und der Talgdrüsen von Tieren ist. Auf Basis dieses Proteinprodukts werden Strickwaren hergestellt, die wie Seide ein wertvolles Material sind.

Stärke

Natürliche Polymerstärke ist ein Abfallprodukt der Pflanzen. Sie produzieren es als Ergebnis des Prozesses der Photosynthese und reichern sich in verschiedenen Teilen des Körpers an. Seine chemische Zusammensetzung:

• Amylopectin;
• amylose;
• alpha-Glucose.

Die räumliche Struktur von Stärke ist sehr verzweigt, ungeordnet. Dank des in der Zusammensetzung enth altenen Amylopektins kann es in Wasser quellen und sich in eine sogenannte Paste verwandeln. Diese kolloidale Lösung wird in Technik und Industrie eingesetzt. Auch die Medizin, die Lebensmittelindustrie, die Herstellung von Tapetenkleistern sind Einsatzgebiete dieses Stoffes.

Unter den Pflanzen, die die maximale Menge an Stärke enth alten, können wir unterscheiden:

• Mais;
• Kartoffel;
• reis;
• Weizen;
• maniok;
• Hafer;
• Buchweizen;
• bananen;
• Sorghum.

Auf der Grundlage dieses Biopolymers wird Brot gebacken, Nudeln hergestellt, Küsschen, Cerealien und andere Nahrungsmittel gekocht.

Zellstoff

Aus chemischer Sicht ist dieser Stoff ein Polymer, dessen Zusammensetzung durch die Formel (C₆H_{5 ausgedrückt wird O} 5_{) . Das monomere Glied in der Kette ist Beta-Glucose. Die Hauptorte des Cellulosegeh alts sind die Zellwände von Pflanzen. Deshalb ist Holz eine wertvolle Quelle dieser Verbindung.}

Cellulose ist ein natürliches Polymer, das eine lineare räumliche Struktur hat. Es wird verwendet, um die folgenden Arten von Produkten herzustellen:

• Zellstoff- und Papierprodukte;
• Kunstpelz;
• verschiedene Arten von Kunstfasern;
• Baumwolle;
• Kunststoffe;
• rauchfreies Pulver;
• Filmstreifen und so weiter.

Offensichtlich ist seine industrielle Bedeutung groß. Damit eine bestimmte Verbindung in der Produktion verwendet werden kann, muss sie zunächst aus Pflanzen extrahiert werden. Dies geschieht durch Langzeitkochen von Holz in speziellen Geräten. Die Weiterverarbeitung sowie die zum Aufschluss verwendeten Reagenzien variieren. Es gibt mehrere Möglichkeiten:

• sulfit;
• Nitrat;
• Natrium;
• Sulfat.

Nach dieser Behandlung enthält das Produkt nochVerunreinigungen. Es basiert auf Lignin und Hemicellulose. Um sie loszuwerden, wird die Masse mit Chlor oder Lauge behandelt.

Im menschlichen Körper gibt es keine solchen biologischen Katalysatoren, die dieses komplexe Biopolymer abbauen könnten. Einige Tiere (Pflanzenfresser) haben sich jedoch daran angepasst. Sie haben bestimmte Bakterien in ihrem Magen, die das für sie tun. Im Gegenzug erh alten Mikroorganismen Energie für Leben und Lebensraum. Diese Form der Symbiose ist für beide Seiten äußerst vorteilhaft.

Gummi

Dies ist ein natürliches Polymer von wertvoller wirtschaftlicher Bedeutung. Es wurde zuerst von Robert Cook beschrieben, der es auf einer seiner Reisen entdeckte. Es geschah so. Nachdem er auf einer Insel gelandet war, die von ihm unbekannten Eingeborenen bewohnt war, wurde er von ihnen gastfreundlich aufgenommen. Seine Aufmerksamkeit wurde von einheimischen Kindern angezogen, die mit einem ungewöhnlichen Gegenstand spielten. Dieser kugelförmige Körper trat vom Boden ab und prallte hoch nach oben, dann kehrte er zurück.

Nachdem er die lokale Bevölkerung gefragt hatte, woraus dieses Spielzeug besteht, erfuhr Cook, dass der Saft eines der Bäume, der Hevea, auf diese Weise hart wird. Erst viel später fand man heraus, dass es sich dabei um das Kautschuk-Biopolymer handelt.

Die chemische Natur dieser Verbindung ist bekannt - es ist Isopren, das einer natürlichen Polymerisation unterzogen wurde. Die Gummiformel ist (С₅Н₈) . Seine Eigenschaften, die ihn so hoch angesehen machen, sind folgende:

• Elastizität;
• verschleißfest;
• elektrische Isolierung;
• wasserfest.

Es gibt aber auch Nachteile. Bei Kälte wird es spröde und spröde, bei Hitze wird es klebrig und zähflüssig. Aus diesem Grund wurde es notwendig, Analoga einer künstlichen oder synthetischen Base zu synthetisieren. Kautschuke werden heute vielfach für technische und industrielle Zwecke eingesetzt. Die wichtigsten darauf basierenden Produkte:

• Gummis;
• Eboniten.

Amber

Es ist ein natürliches Polymer, weil es in seiner Struktur ein Harz ist, seine fossile Form. Die räumliche Struktur ist ein Rahmen aus amorphem Polymer. Es ist leicht entzündlich und kann mit einer Streichholzflamme entzündet werden. Es hat Lumineszenzeigenschaften. Dies ist eine sehr wichtige und wertvolle Qualität, die in Schmuck verwendet wird. Schmuck auf Bernsteinbasis ist sehr schön und gefragt.

Darüber hinaus wird dieses Biopolymer auch für medizinische Zwecke verwendet. Es wird auch zur Herstellung von Schleifpapier und Lackbeschichtungen für verschiedene Oberflächen verwendet.