Для чего нужна целлюлоза
Целлюлоза: что такое, формула, получение, химические свойства
Содержание:
Целлюлоза, или клетчатка – это полисахарид, содержащийся в клеточных стенках растений. Ею богаты волокна хлопка, льна, конопли и др. Её содержание в растениях может достигать 95 % от общей массы. Например, древесина на 50 % состоит из клетчатки.
Строение целлюлозы
Молекулярная формула целлюлозы идентична формуле крахмала: (С6Н10О5)n, где n – степень полимеризации. Степень полимеризации у целлюлозы больше по сравнению с крахмалом. Макромолекула целлюлозы состоит из множества мономеров – остатков молекул β-глюкозы, а макромолекула крахмала – из α-глюкозы. Крахмал и целлюлоза – циклические соединения.
Структурные формулы целлюлозы и крахмала выглядят следующим образом:
| Характеристика | Крахмал | Целлюлоза |
| Остатки моносахаридов | α–глюкоза | β-глюкоза |
| Количество мономеров | Несколько тысяч | До 40 тысяч |
| Структура макромолекул | Свернуты компактно. Могут быть как разветвленными, так и неразветвленными | Имеют вид нитей. Могут быть только неразветвленными |
| Характер межмолекулярных взаимодействий | Водородные связи не образуются | Образуются прочные водородные связи |
Получение целлюлозы Клетчатку, как правило, синтезируют из древесины. В России популярен сульфитный метод синтеза целлюлозы.
В смеси технической целлюлозы, которая формируется после варки, также находятся лигнин и гемицеллюлоза. Если необходимо получить искусственные волокна, то целлюлозу облагораживают, т.е. обрабатывают щелочью для устранения гемицеллюлоз.
Чтобы удалить лигнин и придать целлюлозе белоснежный цвет, нужно провести отбелку. Например, хлорная отбелка состоит из двух стадий обработки:
Физические свойства целлюлозы
Целлюлоза не растворяется ни в воде, ни в органических растворителях. Единственное вещество, в котором растворяется клетчатка – аммиачный раствор гидроксида меди (II).
Химические свойства целлюлозы
В результате образуется глюкоза.
Реакция целлюлозы и азотной кислоты протекает при участии концентрированной серной кислоты. В результате формируются сложные эфиры.
Также целлюлоза реагирует с уксусным ангидридом при участии уксусной и серной кислот.
Целлюлоза в биологии
Целлюлоза в организме выполняет ряд функций:
Если в пище содержится клетчатка, то у человека быстрее наступает чувство сытости. Целлюлоза улучшает перистальтику кишечника.
Применение целлюлозы
Например, ацетатный шелк, негорючую пленку и органическое стекло производят из ацетилцеллюлозы. При производстве шелка ацетилцеллюлозу помещают в дихлорметан и этанол. Получившуюся смесь пропускают через колпачки с большим количеством отверстий. Порции раствора прогревают через нагретый воздух. Растворитель растворяется и триацетилцеллюлоза образует тонкие нити.
Динитроцеллюлозу применяют при производстве коллодия. Для получения коллодия динитроцеллюлозу растворяют в спирте и эфире. После испарения растворителей образуется толстая пленка – коллодий, который применяется в медицине. Динитроцеллюлоза также идет на производство целлулоида, который синтезируют путем ее сплавления с камфорой.
Целлюлоза
| Целлюлоза | |
 | |
 | |
 | |
| Общие | |
|---|---|
| Химическая формула | ( C 6 H 10 O 5)n |
| Физические свойства | |
| Состояние (ст. усл.) | белый порошок |
| Молярная масса | 324.3 г/моль |
| Плотность | |
| Термические свойства | |
| Классификация | |
| Рег. номер CAS | 9004-34-6 |
| Регистрационный номер EC | 232-674-9 |
Содержание
История
Целлюлоза была обнаружена и описана французским химиком Ансельмом Пайя в 1838 году.
Физические свойства
Целлюлоза — белое твердое, стойкое вещество, не разрушается при нагревании (до 200 °C). Является горючим веществом, температура воспламенения 275 °С, температура самовоспламенения 420 °С (хлопковая целлюлоза). Не растворима в воде и слабых кислотах.
Целлюлоза представляет собой длинные нити, содержащие 300—10 000 остатков глюкозы, без боковых ответвлений. Эти нити соединены между собой множеством водородных связей, что придает целлюлозе большую механическую прочность, при сохранении эластичности.
Зарегистрирована в качестве пищевой добавки E460.
Химические свойства
Целлюлоза состоит из остатков молекул глюкозы, которая и образуется при гидролизе целлюлозы:
( C 6 H 10 O 5)n + n H 2 O 
n C 6 H 12 O 6
Серная кислота с йодом, благодаря гидролизу, окрашивают целлюлозу в синий цвет. Один же йод — только в коричневый. [источник не указан 506 дней]
При реакции с азотной кислотой образуется нитроцеллюлоза (тринитрат целлюлозы):
Получение
Промышленным методом целлюлозу получают методом варки щепы на целлюлозных заводах, входящих в промышленные комплексы (комбинаты). По типу применяемых реагентов различают следующие способы варки целлюлозы:
Получаемая после варки техническая целлюлоза содержит различные примеси: лигнин, гемицеллюлозы. Если целлюлоза предназначена для химической переработки (например, для получения искусственных волокон), то она подвергается облагораживанию — обработке холодным или горячим раствором щелочи для удаления гемицеллюлоз.
Для удаления остаточного лигнина и придания целлюлозе белизны проводится её отбелка. Традиционная для 20 века хлорная отбелка включала в себя две ступени:
С 1970-х годов в практику вошла также отбелка озоном. В начале 1980-х годов появились сведения об образовании в процессе хлорной отбелки чрезвычайно опасных веществ — диоксинов. Это привело к необходимости замены хлора на другие реагенты. В настоящее время технологии отбелки подразделяются на:
Применение
Целлюлозу и её эфиры используют для получения искусственного волокна (вискозный, ацетатный, медно-аммиачный шёлк, искусственная шерсть). Хлопок, состоящий большей частью из целлюлозы (до 99,5 %), идёт на изготовление тканей.
Нахождение в природе
Кроме целлюлозы, в состав клеточных оболочек входят ещё несколько других углеводов, известных под общим именем гемицеллюлоз, извлекаемых из клеточных оболочек 1%-м раствором соляной или серной кислоты при нагревании.
Один из относящихся сюда углеводов — парагалактан, дающий при гидролизе галактозу. В клеточных оболочках имеются ещё и другие гемицеллюлозы, дающие маннозу, арабинозу и ксилозу.
С возрастом многие клеточные оболочки перестают давать реакцию на целлюлозу, потому что одни подвергаются одревеснению, другие — опробковению и т. д.
Интересные факты
У млекопитающих (как и большинства других животных) нет ферментов, способных расщеплять целлюлозу. Однако многие травоядные животные (например, жвачные) имеют в пищеварительном тракте бактерий-симбионтов, которые расщепляют и помогают хозяевам усваивать этот полисахарид.
Примечания
См. также
Ссылки
 Углеводы | |||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Общие: | Альдозы · Кетозы · Фуранозы · Пиранозы | ||||||||||||||
| Геометрия | Аномеры · Мутаротация · Проекция Хоуорса | ||||||||||||||
| Моносахариды |
| ||||||||||||||
| Мультисахариды |
| ||||||||||||||
| Производные углеводов |
| ||||||||||||||
Полезное
Смотреть что такое «Целлюлоза» в других словарях:
ЦЕЛЛЮЛОЗА — 1) иначе клетчатка; 2) сорт пергаменной бумаги из смеси древесины, глины и хлопка. Полный словарь иностранных слов, вошедших в употребление в русском языке. Попов М., 1907. ЦЕЛЛЮЛОЗА 1) клетчатка; 2) бумага, приготовляемая из древесины с примесью … Словарь иностранных слов русского языка
целлюлоза — госсипин, целлулоза, клетчатка Словарь русских синонимов. целлюлоза сущ., кол во синонимов: 12 • алкалицеллюлоза (1) • … Словарь синонимов
ЦЕЛЛЮЛОЗА — (С6Н10О5), углевод из группы ПОЛИСАХАРИДОВ, являющийся струк турным компонентом клеточных стенок растений и водорослей. Он состоит из параллельных неразветвленных цепей глюкозы, соединенных крест накрест между собой в устойчивую структуру.… … Научно-технический энциклопедический словарь
ЦЕЛЛЮЛОЗА — клетчатка, основной опорный полисахарид клеточных стенок растений и нек рых беспозвоночных (асцидии); один из самых распространённых природных полимеров. Из 30 млрд. т углерода, к рые высшие растения ежегодно превращают в органич. соединения, ок … Биологический энциклопедический словарь
целлюлоза — ы, ж. cellulose f., нем. Zellulose <лат. cellula клетка.1. То же, что клетчатка. БАС 1. 2. Вещество, получаемое из химически обработанной древесины и стеблей некоторых растений; служит для производства бумаги, искусственного шелка, а также… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
ЦЕЛЛЮЛОЗА — (франц. cellulose от лат. cellula, букв. комнатка, здесь клетка) (клетчатка), полисахарид, образованный остатками глюкозы; главная составная часть клеточных стенок растений, обусловливающая механическую прочность и эластичность растительных… … Большой Энциклопедический словарь
ЦЕЛЛЮЛОЗА — (или целлулоза), целлюлозы, мн. нет, жен. (от лат. cellula клетка). 1. То же, что клетчатка в 1 знач. (бот.). 2. Вещество, получаемое из химически обработанной древесины и стеблей некоторых растений и идущее на изготовление бумаги, искусственного … Толковый словарь Ушакова
ЦЕЛЛЮЛОЗА — ЦЕЛЛЮЛОЗА, ы, жен. То же, что клетчатка (в 1 знач.). | прил. целлюлозный, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова
целлюлоза — целлюлоза. См. клетчатка. (Источник: «Англо русский толковый словарь генетических терминов». Арефьев В.А., Лисовенко Л.А., Москва: Изд во ВНИРО, 1995 г.) … Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь.
целлюлоза — Волокнистый полуфабрикат, получаемый варкой растительного сырья с растворами химикатов, в результате которой удаляется большая часть нецеллюлозных компонентов. Примечание К нецеллюлозным компонентам относятся лигнин, гемицеллюлоза, экстрактивные… … Справочник технического переводчика
ЦЕЛЛЮЛОЗА
ЦЕЛЛЮЛОЗА, клетчатка, главный строительный материал растительного мира, образующий клеточные стенки деревьев и других высших растений. Самая чистая природная форма целлюлозы – волоски семян хлопчатника.
Очистка и выделение.
В настоящее время промышленное значение имеют лишь два источника целлюлозы – хлопок и древесная масса. Хлопок представляет собой почти чистую целлюлозу и не требует сложной обработки, чтобы стать исходным материалом для изготовления искусственного волокна и неволокнистых пластиков. После того как от хлопкового семени отделены длинные волокна, используемые для изготовления хлопчатобумажных тканей, остаются короткие волоски, или «линт» (хлопковый пух), длиной 10–15 мм. Линт отделяют от семени, в течение 2–6 ч нагревают под давлением с 2,5–3%-м раствором гидроксида натрия, затем промывают, отбеливают хлором, снова промывают и сушат. Полученный продукт представляет собой целлюлозу чистоты 99%. Выход равен 80% (масс.) линта, а остальное приходится на лигнин, жиры, воски, пектаты и шелуху семян. Древесную массу делают обычно из древесины деревьев хвойных пород. Она содержит 50–60% целлюлозы, 25–35% лигнина и 10–15% гемицеллюлоз и нецеллюлозных углеводородов. В сульфитном процессе древесную щепу варят под давлением (около 0,5 МПа) при 140 ° C с диоксидом серы и бисульфитом кальция. При этом лигнины и углеводороды переходят в раствор и остается целлюлоза. После промывки и отбеливания очищенная масса отливается в рыхлую бумагу, похожую на промокательную, и сушится. Такая масса на 88–97% состоит из целлюлозы и вполне пригодна для химической переработки в вискозное волокно и целлофан, а также в производные целлюлозы – сложные и простые эфиры.
Процесс регенерации целлюлозы из раствора при добавлении кислоты в ее концентрированный медноаммиачный (т.е. содержащий сульфат меди и гидроксид аммония) водный раствор был описан англичанином Дж.Мерсером около 1844. Но первое промышленное применение этого метода, положившее начало промышленности медно-аммиачного волокна, приписывается Е.Швейцеру (1857), а дальнейшее его развитие – заслуга М.Крамера и И.Шлоссбергера (1858). И только в 1892 Кросс, Бевин и Бидл в Англии изобрели процесс получения вискозного волокна: вязкий (откуда название вискоза) водный раствор целлюлозы получался после обработки целлюлозы сначала крепким раствором едкого натра, что давало «натронную целлюлозу», а затем – дисульфидом углерода (CS2), в результате чего получался растворимый ксантогенат целлюлозы. При выдавливании струйки этого «прядильного» раствора через фильеру с малым круглым отверстием в кислотную ванну целлюлоза регенерировалась в форме вискозного волокна. При выдавливании раствора в такую же ванну через фильеру с узкой щелью получалась пленка, названная целлофаном. Ж.Бранденбергер, занимавшийся во Франции этой технологией с 1908 по 1912, первым запатентовал непрерывный процесс изготовления целлофана.
Химическая структура.
Несмотря на широкое промышленное применение целлюлозы и ее производных, принятая в настоящее время химическая структурная формула целлюлозы была предложена (У.Хоуорсом) лишь в 1934. Правда, с 1913 была известна ее эмпирическая формула C6H10O5, определенная по данным количественного анализа хорошо промытых и высушенных образцов: 44,4% C, 6,2% H и 49,4% O. Благодаря работам Г.Штаудингера и К.Фройденберга было известно также, что это длинноцепная полимерная молекула, состоящая из показанных на рис. 1 повторяющихся глюкозидных остатков. Каждое звено имеет три гидроксильные группы – одну первичную (– CH2 Ч OH) и две вторичные ( > CH Ч OH). К 1920 Э.Фишер установил структуру простых сахаров, и в том же самом году рентгенографические исследования целлюлозы впервые показали четкую дифракционную картину ее волокон. Рентгенограмма волокна хлопка указывает на четко выраженную кристаллическую ориентацию, но волокно льна еще более упорядочено. При регенерации целлюлозы в форме волокна кристалличность в значительной мере теряется. Как нетрудно видеть в свете достижений современной науки, структурная химия целлюлозы практически стояла на месте с 1860 по 1920 по той причине, что все это время оставались в зачаточном состоянии вспомогательные научные дисциплины, необходимые для решения проблемы.
РЕГЕНЕРИРОВАННАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА
Вискозное волокно и целлофан.
И вискозное волокно, и целлофан – это регенерированная (из раствора) целлюлоза. Очищенная природная целлюлоза обрабатывается избытком концентрированного гидроксида натрия; после удаления избытка ее комки растирают и полученную массу выдерживают в тщательно контролируемых условиях. При таком «старении» уменьшается длина полимерных цепей, что способствует последующему растворению. Затем измельченную целлюлозу смешивают с дисульфидом углерода и образовавшийся ксантогенат растворяют в растворе едкого натра для получения «вискозы» – вязкого раствора. Когда вискоза попадает в водный раствор кислоты, из нее регенерируется целлюлоза. Упрощенные суммарные реакции таковы:
Вискозное волокно, получаемое выдавливанием вискозы через малые отверстия фильеры в раствор кислоты, широко применяется для изготовления одежды, драпировочных и обивочных тканей, а также в технике. Значительные количества вискозного волокна идут на технические ремни, ленты, фильтры и шинный корд.
Целлофан.
Целлофан, получаемый выдавливанием вискозы в кислую ванну через фильеру с узкой щелью, проходит затем через ванны промывки, отбеливания и пластификации, пропускается через сушильные барабаны и сматывается в рулон. Поверхность целлофановой пленки почти всегда покрывают нитроцеллюлозой, смолой, каким-либо воском или лаком, чтобы уменьшить пропускание паров воды и обеспечить возможность термической герметизации, так как целлофан без покрытия не обладает свойством термопластичности. На современных производствах для этого используются полимерные покрытия поливинилиденхлоридного типа, поскольку они в меньшей степени влагопроницаемы и дают более прочное соединение при термогерметизации.
Целлофан широко применяется главным образом в тароупаковочном производстве как оберточный материал для галантерейных товаров, пищевых продуктов, табачных изделий, а также в качестве основы для самоклеющейся упаковочной ленты.
Вискозная губка.
Наряду с получением волокна или пленки, вискозу можно смешать с подходящими волокнистыми и мелкокристаллическими материалами; после кислотной обработки и водного выщелачивания такая смесь преобразуется в вискозный губчатый материал (рис. 2), который применяется для упаковки и теплоизоляции.
Медноаммиачное волокно.
Волокно из регенерированной целлюлозы производится в промышленных масштабах также путем растворения целлюлозы в концентрированном медноаммиачном растворе (CuSO4 в NH4OH) и формования из полученного раствора волокна в кислотной осадительной ванне. Такое волокно называется медноаммиачным.
СВОЙСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Химические свойства.
Как показано на рис. 1, целлюлоза представляет собой высокополимерный углевод, состоящий из глюкозидных остатков C6H10O5, соединенных эфирными мостиками в положении 1,4. Три гидроксильные группы в каждом глюкопиранозном звене могут быть этерифицированы такими органическими агентами, как смесь кислот и ангидридов кислот с соответствующим катализатором, например серной кислотой. Простые эфиры могут образовываться в результате действия концентрированного гидроксида натрия, приводящего к образованию натронной целлюлозы, и последующей реакции с алкилгалогенидом:
Реакция с оксидом этилена или пропилена дает гидроксилированные простые эфиры:
Наличием этих гидроксильных групп и геометрией макромолекулы обусловлено сильное полярное взаимное притяжение соседних звеньев. Силы притяжения столь велики, что обычные растворители не в состоянии разорвать цепь и растворить целлюлозу. Эти свободные гидроксильные группы ответственны также за большую гигроскопичность целлюлозы (рис. 3). Этерификация и эфиризация понижают гигроскопичность и повышают растворимость в обычных растворителях.
Под действием водного раствора кислоты разрываются кислородные мостики в положении 1,4-. Полный разрыв цепи дает глюкозу – моносахарид. Первоначальная длина цепи зависит от происхождения целлюлозы. Она максимальна в природном состоянии и уменьшается в процессе выделения, очистки и преобразования в производные соединения (см. таблицу).
СТЕПЕНЬ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Число глюкозидных остатков
Даже механический сдвиг, например при абразивном размельчении, приводит к уменьшению длины цепей. При уменьшении длины полимерной цепи ниже определенного минимального значения изменяются макроскопические физические свойства целлюлозы.
Окислительные агенты оказывают на целлюлозу воздействие, не вызывая расщепления глюкопиранозного кольца (рис. 4). Последующее действие (в присутствии влаги, например, при климатических испытаниях), как правило, приводит к разрыву цепи и увеличению числа альдегидоподобных концевых групп. Поскольку альдегидные группы легко окисляются до карбоксильных, содержание карбоксила, практически отсутствующего в природной целлюлозе, резко возрастает в условиях атмосферных воздействий и окисления.
Как и все полимеры, целлюлоза разрушается под воздействием атмосферных факторов в результате совместного действия кислорода, влаги, кислотных компонентов воздуха и солнечного света. Важное значение имеет ультрафиолетовая составляющая солнечного света, и многие хорошо защищающие от УФ-излучения агенты увеличивают срок службы изделий из производных целлюлозы. Кислотные компоненты воздуха, такие, как оксиды азота и серы (а они всегда присутствуют в атмосферном воздухе промышленных районов), ускоряют разложение, зачастую оказывая более сильное воздействие, чем солнечный свет. Так, в Англии было отмечено, что образцы хлопка, испытывавшиеся на воздействие атмосферных условий, зимой, когда практически не было яркого солнечного света, деградировали быстрее, чем летом. Дело в том, что сжигание зимой больших количеств угля и газа приводило к повышению в воздухе концентрации оксидов азота и серы. Кислотные поглотители, антиоксиданты и агенты, поглощающие УФ-излучение, снижают чувствительность целлюлозы к атмосферным воздействиям. Замещение свободных гидроксильных групп приводит к изменению такой чувствительности: нитрат целлюлозы деградирует быстрее, а ацетат и пропионат – медленнее.
Физические свойства.
Полимерные цепи целлюлозы упакованы в длинные пучки, или волокна, в которых наряду с упорядоченными, кристаллическими имеются и менее упорядоченные, аморфные участки (рис. 5). Измеренный процент кристалличности зависит от типа целлюлозы, а также от способа измерения. По рентгеновским данным, он составляет от 70% (хлопок) до 38–40% (вискозное волокно). Рентгенографический структурный анализ дает информацию не только о количественном соотношении между кристаллическим и аморфным материалом в полимере, но и о степени ориентации волокна, вызываемой растяжением или нормальными процессами роста. Резкость дифракционных колец характеризует степень кристалличности, а дифракционные пятна и их резкость – наличие и степень предпочтительной ориентации кристаллитов. В образце вторичного ацетата целлюлозы, полученного процессом «сухого» формования, и степень кристалличности, и ориентация весьма незначительны. В образце триацетата степень кристалличности больше, но предпочтительная ориентация отсутствует. Термообработка триацетата при температуре 180–240 ° C заметно повышает степень его кристалличности, а ориентирование (вытягиванием) в сочетании с термообработкой дает самый упорядоченный материал. Лен обнаруживает высокую степень и кристалличности, и ориентации.
Бушмелев В.А., Вольман Н.С. Процессы и аппараты целлюлозно-бумажного производства. М., 1974
Целлюлоза и ее производные. М., 1974
Аким Э.Л. и др. Технология обработки и переработки целлюлозы, бумаги и картона. Л., 1977