Природный полимер - формула и применение

Большая часть современных строительных материалов, лекарственных средств, тканей, предметов быта, упаковочных и расходных веществ является полимерами. Это целая группа соединений, имеющих характерные отличительные признаки. Их очень много, но несмотря на это, число полимеров продолжает расти. Ведь химики-синтетики ежегодно открывают все новые и новые вещества. При этом особенное значение во все времена имел именно природный полимер. Что же собой представляют эти удивительные молекулы? Каковы их свойства и в чем заключаются особенности? Ответим на эти вопросы в ходе статьи.

Полимеры: общая характеристика

С точки зрения химии, полимером принято считать молекулу, имеющую огромную молекулярную массу: от нескольких тысяч до миллионов единиц. Однако, помимо этого признака, существует и еще несколько, по которым вещества можно классифицировать именно как природные и синтетические полимеры. Это:

• постоянно повторяющиеся мономерные звенья, которые соединяются при помощи разных взаимодействий;
• степень полимеразии (то есть число мономеров) должна быть очень высокой, иначе соединение будет считаться олигомером;
• определенная пространственная ориентация макромолекулы;
• набор важных физико-химических свойств, характерных только для данной группы.

В целом вещество полимерной природы отличить от других достаточно легко. Стоит лишь взглянуть на его формулу, чтобы понять это. Типичным примером может служить всем известный полиэтилен, широко применяемый в быту и промышленности. Он является продуктом реакции полимеризации, в которую вступает непредельный углеводород этен или этилен. Реакция в общем виде записывается следующим образом:

nCH₂=CH₂→(-СН-СН-)_n, где n - это степень полимеризации молекул, показывающая, сколько мономерных звеньев входит в ее состав.

Также в качестве примера можно привести природный полимер, который всем хорошо известен, это крахмал. Кроме того, к данной группе соединений принадлежат амилопектин, целлюлоза, куриный белок и многие другие вещества.

Реакции, в результате которых могут образоваться макромолекулы, бывают двух типов:

• полимеризации;
• поликонденсации.

Разница в том, что во втором случае продукты взаимодействия являются низкомолекулярными. Строение полимера может быть различным, это зависит от тех атомов, что его образуют. Часто встречаются линейные формы, но есть и трехмерные сетчатые, очень сложные.

Если же говорить о силах и взаимодействиях, которые удерживают мономерные звенья вместе, то можно обозначить несколько основных:

• Ван-Дер-Ваальсовы силы;
• химические связи (ковалентные, ионные);
• электроностатическое взаимодействие.

Все полимеры нельзя объединять в одну категорию, так как они имеют совершенно различную природу, способ образования и выполняют неодинаковые функции. Свойства их также разнятся. Поэтому существует классификация, которая позволяет делить всех представителей этой группы веществ на разные категории. В ее основе может лежать несколько признаков.

Классификация полимеров

Если брать за основу качественный состав молекул, то все рассматриваемые вещества можно определить в три группы.

1. Органические – это те, в состав которых входят атомы углерода, водорода, серы, кислорода, фосфора, азота. То есть те элементы, которые являются биогенными. Примеров можно привести массу: полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, вискоза, нейлон, природный полимер – белок, нуклеиновые кислоты и так далее.
2. Элементорганические – такие, в состав которых входит какой-то посторонний неорганический и не биогенный элемент. Чаще всего это кремний, алюминий или титан. Примеры подобных макромолекул: органическое стекло, стеклополимеры, композиционные материалы.
3. Неорганические – в основе цепи лежат атомы кремния, а не углерода. Радикалы же могут быть частью боковых ответвлений. Они открыты совсем недавно, в середине XX века. Используются в медицине, строительстве, технике и прочих отраслях. Примеры: силикон, киноварь.

Если разделять полимеры по происхождению, то можно выделить три их группы.

1. Природные полимеры, применение которых широко осуществлялось с самой древности. Это такие макромолекулы, для создания которых человек не прилагал никаких усилий. Они являются продуктами реакций самой природы. Примеры: шелк, шерсть, белок, нуклеиновые кислоты, крахмал, целлюлоза, кожа, хлопок и прочие.
2. Искусственные. Это такие макромолекулы, которые создаются человеком, но на основе природных аналогов. То есть просто улучшаются и изменяются свойства уже имеющегося природного полимера. Примеры: искусственный каучук, резина.
3. Синтетические – это такие полимеры, в создании которых участвует только человек. Природных аналогов для них нет. Ученые разрабатывают методы синтеза новых материалов, которые отличались бы улучшенными техническими характеристиками. Так рождаются синтетические полимерные соединения разного рода. Примеры: полиэтилен, полипропилен, вискоза, ацетатное волокно и прочее.

Есть и еще один признак, который лежит в основе разделения рассматриваемых веществ на группы. Это реакционная способность и термоустойчивость. Выделяют две категории по этому параметру:

• термопластичные;
• термореактивные.

Самым древним, важным и особенно ценным является все же природный полимер. Его свойства уникальны. Поэтому дальше рассмотрим именно эту категорию макромолекул.

Какое вещество является природным полимером?

Чтобы ответить на этот вопрос, сначала оглянемся вокруг себя. Что нас окружает? Живые организмы вокруг нас, которые питаются, дышат, размножаются, цветут и дают плоды и семена. А что они представляют собой с молекулярной точки зрения? Это такие соединения, как:

• белки;
• нуклеиновые кислоты;
• полисахариды.

Так вот, природным полимером является каждое из приведенных соединений. Таким образом, выходит, что жизнь вокруг нас существует только благодаря наличию этих молекул. С самых древних времен люди использовали глину, строительные смеси и растворы для укрепления и создания жилища, ткали пряжу из шерсти, применяли для создания одежды хлопок, шелк, шерсть и кожу животных. Природные органические полимеры сопровождали человека на всех ступенях его становления и развития и во многом помогли ему добиться тех результатов, что мы имеем сегодня.

Сама природа давала все для того, чтобы жизнь людей была максимально комфортной. Со временем был открыт каучук, выяснены его замечательные свойства. Человек научился использовать в пищевых целях крахмал, в технических – целлюлозу. Природным полимером является и камфора, которая также известна с древних времен. Смолы, белки, нуклеиновые кислоты – все это примеры рассматриваемых соединений.

Строение природных полимеров

Не все представители данного класса веществ устроены одинаково. Так, природные и синтетические полимеры могут существенно различаться. Их молекулы ориентируется так, чтобы максимально выгодно и удобно существовать с энергетической точки зрения. При этом многие природные виды способны набухать и структура их в процессе меняется. Можно выделить несколько самых распространенных вариантов строения цепи:

• линейные;
• разветвленные;
• звездчатые;
• плоские;
• сетчатые;
• ленточные;
• гребневидные.

Искусственные и синтетические представители макромолекул имеют очень большую массу, огромное число атомов. Их создают со специально заданными свойствами. Поэтому и строение их изначально планируется человеком. Натуральные же полимеры чаще всего либо линейные, либо сетчатые по своей структуре.

Примеры природных макромолекул

Природные и искусственные полимеры очень близки друг другу. Ведь первые становятся основой для создания вторых. Примеров подобных превращений много. Приведем некоторые из них.

1. Обычная пластмасса молочно-белого цвета – это продукт, получаемый при обработке азотной кислотой целлюлозы с добавлением природной камфоры. Реакция полимеризации приводит к затвердеванию полученного полимера и превращению в нужный продукт. А пластификатор – камфора, делает его способным размягчаться при нагревании и менять свою форму.
2. Ацетатный шелк, медно-аммиачное волокно, вискоза – все это примеры тех нитей, волокон, которые получают на основе целлюлозы. Ткани из натурального хлопка и льна не так прочны, не блестящи, легко сминаемы. А вот искусственные аналоги их этих недостатков лишены, что и делает их использование весьма привлекательным.
3. Искусственные камни, строительные материалы, смеси, кожзаменители – это также примеры полимеров, полученных на основе натурального сырья.

Вещество, являющееся природным полимером, может использоваться и в истинном виде. Таких примеров тоже немало:

• канифоль;
• янтарь;
• крахмал;
• амилопектин;
• целлюлоза;
• мех;
• шерсть;
• хлопок;
• шелк;
• цемент;
• глина;
• известь;
• белки;
• нуклеиновые кислоты и так далее.

Очевидно, что рассматриваемый нами класс соединений очень многочисленный, практически важный и значимый для людей. Теперь рассмотрим более подробно несколько представителей природных полимеров, которые являются очень востребованными в настоящее время.

Шелк и шерсть

Формула природного полимера шелка сложна, ведь его химический состав выражается следующими компонентами:

• фиброин;
• серицин;
• воски;
• жиры.

Сам главный белок – фиброин, насчитывает в своем составе несколько разновидностей аминокислот. Если представить его полипептидную цепочку, то она будет выглядеть примерно так: (-NH-CH₂-CO-NH-CH(CH₃)-CO-NH-CH₂-CO-)_n. И это лишь ее часть. Если представить, что к данной структуре при помощи сил Ван-Дер-Ваальса присоединяется не менее сложная молекула белка серицина, вместе они смешиваются в единую конформацию с воском и жирами, то понятно, почему сложно изобразить формулу натурального шелка.

На сегодняшний день большую часть данного продукта поставляет Китай, ведь на его просторах существует естественная среда обитания основного производителя – тутового шелкопряда. Раньше, начиная с самых древних времен, натуральный шелк очень ценился. Позволить себе одежду из него могли лишь знатные, богатые люди. Сегодня многие характеристики этой ткани оставляют желать лучшего. Например, он сильно намагничивается и мнется, кроме того, от пребывания на солнце теряет блеск и тускнеет. Поэтому больше в обиходе искусственные производные на его основе.

Шерсть – это тоже природный полимер, так как является продуктом жизнедеятельности кожи и сальных желез животных. На основе этого белкового продукта изготавливают трикотаж, который, как и шелк, является ценным материалом.

Крахмал

Природный полимер крахмал является продуктом жизнедеятельности растений. Они производят его в результате процесса фотосинтеза и накапливают в разных частях тела. Его химический состав:

• амилопектин;
• амилоза;
• альфа-глюкоза.

Пространственная структура крахмала очень разветвленная, неупорядоченная. Благодаря входящему в состав амилопектину, он способен набухать в воде, превращаясь в так называемый клейстер. Этот коллоидный раствор используется в технике и промышленности. Медицина, пищевая отрасль, изготовление обойных клеев – это также области использования данного вещества.

Среди растений, содержащих максимальное количество крахмала, можно выделить:

• кукурузу;
• картофель;
• рис;
• пшеницу;
• маниок;
• овес;
• гречиху;
• бананы;
• сорго.

На основе этого биополимера выпекают хлеб, изготавливают макаронные изделия, варят кисели, каши и прочие пищевые продукты.

Целлюлоза

С точки зрения химии, данное вещество – это полимер, состав которого выражается формулой (С₆Н₅О₅)_n. Мономерным звеном цепи является бета-глюкоза. Основные места содержания целлюлозы – это клеточные стенки растений. Именно поэтому древесина – ценный источник этого соединения.

Целлюлоза – природный полимер, который имеет линейное пространственное строение. Она используется для производства следующих видов изделий:

• целлюлозно-бумажной продукции;
• искусственного меха;
• разных видов искусственных волокон;
• хлопка;
• пластмассы;
• бездымного пороха;
• кинопленок и так далее.

Очевидно, что промышленное значение ее велико. Чтобы данное соединение возможно было использовать в производстве, его следует для начала извлечь из растений. Это делают путем длительной варки древесины в специальных устройствах. Дальнейшая обработка, а также реагенты, используемые для вываривания, различаются. Есть несколько способов:

• сульфитный;
• азотнокислый;
• натронный;
• сульфатный.

После подобной обработки продукт все еще содержит примеси. В основе это лигнин и гемицеллюлоза. Чтобы избавиться от них, массу обрабатывают хлором или щелочью.

В организме человека не существует таких биологических катализаторов, которые сумели бы расщепить этот сложный биополимер. Однако некоторые животные (травоядные) приспособились к этому. В их желудке поселяются определенные бактерии, которые делают это за них. Взамен микроорганизмы получают энергию для жизни и среду обитания. Такая форма симбиоза является крайне выгодной для обеих сторон.

Каучук

Это природный полимер, имеющий ценное хозяйственное значение. Впервые он был описан еще Робертом Куком, который в одном из своих путешествий его обнаружил. Произошло это так. Высадившись на острове, на котором жили неизвестные ему туземцы, он был гостеприимно встречен ими. Его внимание привлекли местные дети, которые играли необычным предметом. Это шарообразное тело отталкивалось от пола и подпрыгивало высоко вверх, затем возвращалось.

Поинтересовавшись у местного населения о том, из чего сделана эта игрушка, Кук узнал, что так застывает сок одного из деревьев – гевеи. Много позже было выяснено, что это и есть биополимер каучук.

Химическая природа данного соединения известна – это изопрен, подвергшийся естественной полимеризации. Формула каучука (С₅Н₈)_n. Его свойства, благодаря которым он так высоко ценится, следующие:

• эластичность;
• износостойкость;
• электроизоляция;
• водонепроницаемость.

Однако есть и недостатки. На холоде он становится хрупким и ломким, а на жаре – липким и тягучим. Именно поэтому появилась необходимость синтеза аналогов искусственной или синтетической основы. Сегодня каучуки широко используются в технических и промышленных целях. Самые главные продукты на их основе:

• резины;
• эбониты.

Янтарь

Является природным полимером, поскольку по своей структуре представляет смолу, ископаемую ее форму. Пространственная структура – каркасный аморфный полимер. Очень горюч, зажечь его можно пламенем спички. Обладает свойствами люминесценции. Это очень важное и ценное качество, которое используется в ювелирном деле. Украшения на основе янтаря очень красивы и востребованы.

Кроме того, этот биополимер используют и в медицинских целях. Из него же изготовляют наждачную бумагу, лаковые покрытия для различных поверхностей.