Химический состав древесины: компоненты и их свойства

Древесина - удивительный и многофункциональный материал, сопровождающий человека на протяжении тысячелетий. Давайте разберемся, из чего же состоит это волшебное вещество, придающее уют нашим домам и тепло - нашим сердцам.

Элементарный химический состав древесины

Основу элементарного химического состава древесины составляют четыре химических элемента: углерод, кислород, водород и азот. Их содержание в сухой древесине в процентах выглядит следующим образом:

• Углерод - 49,5%
• Кислород - 44,2%
• Водород - 6%
• Азот - 0,3%

Как видно из приведенных данных, львиная доля элементарного состава древесины приходится на углерод и кислород. Это обусловлено тем, что основные органические соединения древесины - целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин - построены из углеродных цепочек с большим количеством кислородсодержащих функциональных групп.

Стоит отметить, что элементарный состав древесины практически не зависит от породы дерева или географического региона его произрастания. Различия могут наблюдаться в десятых или сотых долях процента, что несущественно для большинства практических задач.

Тем не менее, знание элементарного химического состава древесины важно при расчете теплотворной способности древесного топлива, а также для понимания химических процессов, происходящих при термической обработке или химической переработке древесины.

Целлюлоза как основной компонент древесины

Основу химического состава любой древесины составляет целлюлоза - полисахарид, построенный из остатков глюкозы. Молекулы целлюлозы представляют собой длинные неразветвленные цепи, связанные между собой водородными связями.

Благодаря своему строению, целлюлоза придает древесине прочность и упругость, а также делает ее трудновоспламеняемой. Кроме того, целлюлоза хорошо противостоит воздействию кислот, щелочей и окислителей.

Содержание целлюлозы в древесине варьирует в зависимости от породы дерева. В хвойных породах ее больше (42-49%), чем в лиственных (40-46%). Это объясняется меньшим количеством других органических соединений, таких как лигнин и пентозаны, в хвойной древесине.

Для извлечения целлюлозы из древесины используются специальные химические и физико-химические методы - например, сульфитный и сульфатный способы варки древесной щепы в щелочной или кислой среде при высоких температуре и давлении.

Полученную целлюлозу используют для производства бумаги, искусственных волокон (вискозы, ацетата), пластмасс, пленок и многих других материалов. Также из целлюлозы можно получать этанол, кормовые дрожжи и другие ценные продукты.

Гемицеллюлозы в древесине

Помимо целлюлозы, в состав древесины входят также гемицеллюлозы - полисахариды, близкие по строению к целлюлозе, но отличающиеся более разветвленной структурой и наличием в составе пентозных остатков наряду с гексозными. Основными гемицеллюлозами древесины являются ксиланы и глюкоманнаны.

Содержание гемицеллюлоз в древесине также зависит от ее породы. В хвойных породах преобладают глюкоманнаны (до 20% от массы абс. сухой древесины), тогда как лиственные богаты ксиланами (до 35%).

Гемицеллюлозы, как и целлюлоза, могут быть выделены из древесины путем обработки ее горячей водой или разбавленными кислотами/щелочами. Полученные вещества находят применение в пищевой промышленности в качестве пищевых добавок и загустителей.

Лигнин - важная составляющая древесины

Еще одним важнейшим компонентом древесины является лигнин - сложное органическое соединение, отвечающее за прочность и устойчивость к гниению древесных тканей. По химической природе лигнин представляет собой сшитый полимер из остатков фенилпропана и других ароматических соединений.

Благодаря наличию лигнина древесина приобретает твердость и водостойкость. Однако высокое содержание лигнина затрудняет механическую и химическую обработку древесины. Поэтому лигнин часто удаляют вместе с гемицеллюлозами при получении целлюлозы для бумажного и текстильного производства.

Выделенный лигнин находит применение в производстве связующих для древесно-стружечных плит, биотоплива, а также как компонент удобрений и кормовых добавок.

Состав древесины дуба и дубовой коры

Древесина дуба, как и других лиственных пород, содержит больше гемицеллюлоз и меньше лигнина по сравнению с хвойными. Однако наиболее ценным компонентом дубовой древесины и особенно коры являются дубильные вещества, на долю которых может приходиться до 20% сухой массы.

Дубильные вещества, или танины, представляют собой сложные полимерные соединения, содержащие многочисленные фенольные гидроксильные группы. Они способны прочно связываться с белками, что и обуславливает их широкое использование в кожевенном производстве.

Экстрактивные вещества в древесине

Помимо вышеперечисленных основных компонентов, древесина содержит также minor экстрактивные вещества, которые могут быть извлечены из нее с помощью подходящих растворителей.

К таким экстрактивным веществам относятся прежде всего смолы и бальзамы - сложные смеси терпенов, жирных кислот, спиртов и других низкомолекулярных соединений. Они содержатся главным образом в древесине и коре хвойных пород.

Извлечение смол и продукты их переработки

Смолистые вещества могут быть получены из древесины методом подсочки живых деревьев, а также экстрагированием измельченной древесины органическими растворителями. При последующей перегонке и фракционировании смолы выделяют ценные продукты - скипидар, канифоль, живицу и др.

Скипидар и канифоль находят широкое применение в лакокрасочной промышленности, производстве клеев, резины, пластмасс и других материалов.

Дубильные вещества и их использование

Особая роль среди экстрактивных соединений древесины принадлежит дубильным веществам - водорастворимым полифенолам, обладающим способностью прочно связываться с коллагеном кожи. Наиболее богаты дубителями древесина и особенно кора дуба (до 20%).

Дубильные вещества (танины) извлекаются из древесного сырья горячей водой и используются в кожевенном производстве для дубления кож, а также при производстве чернил, красителей и в медицине.

Минеральные примеси в составе золы

Помимо органических соединений, в ничтожно малых количествах древесина содержит также минеральные вещества, остающиеся в виде золы после сжигания. В состав золы входят соединения калия, кальция, магния, фосфора и микроэлементы.