"Химия. Базовый уровень", Габриелян О.С.
Искусственные полимеры получают, химически изменяя природные полимеры, например целлюлозу. При этом её длинная молекулярная цепь обычно сохраняется, но отдельные группы в составе звеньев превращаются в другие. Так получают нитроцеллюлозу и ацетилцеллюлозу, а также материалы на основе регенерированной целлюлозы — вискозное волокно и целлофан. Их свойства зависят от того, какие группы изменены и насколько глубоко прошло превращение.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Искусственный полимер — высокомолекулярное вещество, полученное химическим превращением природного полимера. Иными словами, основу будущего материала уже создаёт природа, а человек изменяет её химический состав. Это понятие помогает отличать такие вещества от синтетических полимеров, которые получают построением новой цепи.
Целлюлоза — природный полимер, состоящий из остатков глюкозы и служащий исходным веществом для искусственных полимеров. Она образует прочные волокнистые структуры в растениях. В её звеньях есть гидроксильные группы –OH, поэтому целлюлозу можно химически модифицировать и получать материалы с нужными свойствами.
Нитроцеллюлоза — продукт замещения атомов водорода гидроксильных групп целлюлозы нитрогруппами. Точнее, образуются сложноэфирные группы, содержащие азот, а не просто смесь целлюлозы с азотной кислотой. Это определение нужно, чтобы видеть химическую природу вещества и не путать его с механической смесью реагентов.
Ацетилцеллюлоза — продукт взаимодействия целлюлозы с уксусной кислотой или её производными. При этом гидроксильные группы превращаются в сложноэфирные, содержащие ацетильный остаток. Понятие важно для объяснения того, почему обработанная целлюлоза приобретает новые свойства и подходит для изготовления волокон и плёнок.
Природные полимеры возникают в живых организмах, а синтетические получают химическим синтезом из низкомолекулярных веществ. Искусственные занимают промежуточное положение по способу получения: исходная макромолекула уже существует, но её химически преобразуют. Такое различие важно, потому что оно показывает происхождение цепи, а не просто сходство или различие свойств готовых материалов.
Целлюлоза построена из повторяющихся звеньев, соединённых в длинную цепь. В каждом звене имеются гидроксильные группы, способные вступать в химические реакции, тогда как связи, удерживающие звенья в цепи, обычно не затрагиваются. Поэтому можно менять часть функциональных групп — атомов или групп атомов, отвечающих за химические свойства, — сохраняя крупную молекулу и её волокнистую основу.
При этерификации гидроксильная группа целлюлозы реагирует с кислотой или её производным и превращается в сложноэфирную группу. Меняется набор атомов и характер взаимодействия макромолекул, поэтому могут измениться растворимость, прочность, гибкость и способность к формованию. При этом сама цепь из остатков глюкозы в основном сохраняется: превращается не весь полимер, а его боковые функциональные группы.
Нитроцеллюлозу получают обработкой целлюлозы смесью азотной и серной кислот. Ацетилцеллюлоза образуется при взаимодействии целлюлозы с уксусной кислотой или её производными. В обоих случаях степень замещения показывает, какая доля гидроксильных групп прореагировала; от неё зависят растворимость и другие свойства материала, поэтому продукты с разной степенью замещения могут иметь разное применение.
Вискозное волокно получают не прямым превращением всех гидроксильных групп в постоянное производное. Целлюлозу сначала переводят в растворимое производное, затем раствор продавливают через тонкие отверстия в среду, где образуются нити. На заключительном этапе целлюлозу регенерируют — возвращают в исходную химическую форму, но уже в виде сформированных волокон.
| Материал | Исходное вещество | Химическое превращение или способ получения | Основные свойства | Применение |
|---|---|---|---|---|
| Нитроцеллюлоза | Целлюлоза | Этерификация азотной кислотой; степень замещения зависит от условий | Плёнкообразующая; некоторые разновидности легко воспламеняются | Лаки, покрытия, специальные материалы |
| Ацетилцеллюлоза | Целлюлоза | Этерификация уксусной кислотой или её производными | Образует прочные волокна и плёнки; свойства зависят от степени замещения | Волокна, плёнки, пластмассы |
| Вискозное волокно | Целлюлоза | Растворение через производное, формование, регенерация целлюлозы | Мягкое, гигроскопичное, хорошо окрашивается | Ткани и текстильные изделия |
| Целлофан | Целлюлоза | Формование раствора с последующей регенерацией в виде плёнки | Тонкий, прозрачный, гибкий | Упаковочные плёнки |
| Целлулоид | Нитроцеллюлоза | Пластицирование нитроцеллюлозы, обычно с добавками | Лёгкий, формуемый, горючий | Исторически — изделия и плёнки; применение ограничено |
Сначала сравнивайте исходное вещество и способ получения: это показывает, где произошло химическое изменение, а где целлюлозу только растворили и сформовали. Затем сопоставляйте свойства с применением, помня, что свойства производных могут меняться при разной степени замещения. Для целлулоида особенно важно учитывать горючесть.
Условие. Нужно объяснить классификацию нитроцеллюлозы по способу её происхождения. Для этого следует выяснить, что происходит с целлюлозой при реакции и возникает ли полимерная цепь заново. Сравнивать нужно именно способ получения, а не внешний вид или свойства материала.
Ответ: нитроцеллюлоза является искусственным полимером, потому что её получают химическим изменением природной целлюлозы, а не синтезом новой полимерной цепи.
Условие. Нужно записать схему превращения целлюлозы в ацетилцеллюлозу и назвать группы, которые реагируют. У целлюлозы есть гидроксильные группы –OH, а уксусная кислота содержит карбоксильную группу. При этерификации водород гидроксильной группы замещается ацетильным остатком, и возникает сложноэфирная связь.
Ответ: образуется ацетилцеллюлоза со сложноэфирными группами Cell–O–COCH₃. Схема показывает превращение функциональных групп, а не разрушение полимерной цепи.
Условие. Из 162 г целлюлозы получают полностью нитрованный продукт. Формулы структурных звеньев — C₆H₁₀O₅ и C₆H₇N₃O₁₁. Нужно найти теоретическую массу продукта, считая превращение количественным и используя соотношение звеньев один к одному.
Ответ: теоретическая масса полностью нитрованной целлюлозы равна 297 г. Увеличение массы объясняется включением в структурные звенья атомов азота и кислорода при замещении гидроксильных групп.
Считать искусственные и синтетические полимеры синонимами. Их смешивают, потому что оба материала получают с участием химических реакций. Проверка простая: выясните, существовала ли полимерная цепь в природе до обработки; если да, речь идёт об искусственном полимере.
Изображать полное разрушение макромолекулы при модификации целлюлозы. Такую ошибку допускают, представляя химическую реакцию как распад исходного вещества на отдельные молекулы. Проверьте, какие именно группы участвуют в реакции: при обычной этерификации меняются функциональные группы, а цепь в основном сохраняется.
Путать нитроцеллюлозу со смесью целлюлозы и азотной кислоты. Ошибка возникает из-за того, что азотная кислота используется при получении вещества. Однако в продукте произошла химическая реакция и образовались сложноэфирные группы; убедиться в этом можно по описанию состава, а не только по перечню реагентов.
Называть вискозу синтетическим волокном. Такое название кажется подходящим, потому что волокно производят на заводе и при этом используют химическую обработку. Но его основа — регенерированная целлюлоза природного происхождения; проверьте, образуют ли цепь заново или формуют уже имеющийся полимер.
Для понимания темы нужны знания о целлюлозе, полимерах, мономерах, макромолекулах и функциональных группах: они помогают проследить, какая часть вещества изменяется при реакции. Далее эти представления пригодятся при изучении синтетических полимеров, пластмасс, волокон и переработки полимерных материалов. На практике они помогают объяснять состав и свойства тканей, плёнок, лаков, целлулоида и других целлюлозных материалов.
Почему целлюлозу нельзя назвать синтетическим полимером?
Целлюлоза образуется в природе, например в клеточных стенках растений, поэтому она является природным полимером. Синтетические полимеры получают созданием полимерной цепи в результате химического синтеза.
Чем искусственные полимеры отличаются от синтетических?
Искусственный полимер получают химическим изменением уже существующего природного полимера. Для синтетического полимера полимерную цепь создают заново из исходных веществ.
Почему нитроцеллюлоза сохраняет свойства полимера?
При её получении изменяются гидроксильные группы целлюлозы, но основная полимерная цепь обычно остаётся целой. Поэтому вещество сохраняет длинные макромолекулы и характерные для полимеров свойства.
Чем ацетилцеллюлоза отличается от исходной целлюлозы?
В ацетилцеллюлозе часть гидроксильных групп целлюлозы превращена в сложноэфирные группы. Из-за этого меняются химические и физические свойства материала, например его растворимость и способность образовывать волокна.
Почему вискозное волокно считают искусственным, если оно состоит из целлюлозы?
Вискозное волокно получают не из готовой природной нити, а из целлюлозы, которую сначала переводят в растворимое производное. Затем раствор формуют и регенерируют целлюлозу, поэтому волокно искусственное, хотя его основа имеет природное происхождение.
§ 21. Искусственные полимеры
