"Химия. Базовый уровень", Кузнецова Н.Е., Гара Н.Н.
Целлюлоза — природный полисахарид, из которого построены клеточные стенки растений. Её длинные цепи состоят из остатков β-глюкозы, соединённых в линейную структуру. Между цепями возникают водородные связи: они помогают объяснить прочность, волокнистость и нерастворимость вещества в воде. При гидролизе целлюлоза превращается в глюкозу, а её гидроксильные группы могут участвовать в химических реакциях. Эти свойства позволяют получать из целлюлозы бумагу, волокна и сложные эфиры.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Целлюлоза — природный полисахарид с общей формулой (C₆H₁₀O₅)ₙ, образованный остатками β-глюкозы. Полисахаридом называют углевод, чья молекула состоит из множества связанных звеньев. Формула помогает отличать целлюлозу от отдельной молекулы глюкозы и показывает повторяющийся состав её цепи.
Природный полимер — высокомолекулярное соединение, которое образуется в живом организме из повторяющихся структурных звеньев. «Высокомолекулярное» означает, что молекула содержит много атомов и имеет большую относительную молекулярную массу. Это понятие помогает объединить целлюлозу с другими крупными природными веществами, например крахмалом и белками.
Структурное звено целлюлозы — остаток молекулы β-глюкозы состава C₆H₁₀O₅, многократно повторяющийся в цепи. Это именно остаток, а не свободная молекула глюкозы: при соединении звеньев от исходных молекул отщепляются элементы воды. Состав звена нужен для записи формулы полимера и вычисления его относительной молекулярной массы.
Гидролиз целлюлозы — расщепление её полимерных цепей водой с образованием глюкозы при нагревании и в присутствии катализатора. Катализатор ускоряет реакцию, но сам в итоговый продукт не входит. Понятие гидролиза позволяет объяснить, как из длинного полимера получают исходный углевод.
При образовании целлюлозы остатки β-глюкозы соединяются гликозидными связями — связями между соседними углеводными звеньями. Во время такого соединения от исходных молекул отщепляются элементы воды, поэтому повторяющееся звено имеет состав C₆H₁₀O₅, а не C₆H₁₂O₆. Особенности β-формы глюкозы задают направление соединения звеньев, и цепь получается длинной и неразветвлённой. Значение n в формуле (C₆H₁₀O₅)ₙ показывает число таких звеньев.
Растения синтезируют целлюлозу из глюкозы, образующейся в ходе фотосинтеза. Часть глюкозы нужна для получения энергии и других веществ, а часть соединяется в длинные цепи полисахарида. Эти цепи входят в клеточные стенки и служат их каркасом, поэтому растительные клетки сохраняют форму и сопротивляются механическим воздействиям. Целлюлоза особенно широко представлена в древесине и хлопковых волокнах.
Линейные цепи целлюлозы могут располагаться рядом и образовывать между собой множество водородных связей. Такие связи слабее ковалентных, но их большое количество удерживает цепи в плотных пучках. Поэтому материал получается прочным и волокнистым, а воде трудно разъединить цепи и окружить каждую из них своими молекулами. Так объясняются нерастворимость целлюлозы и её способность сохранять волокнистую структуру.
Целлюлоза — твёрдое вещество без запаха, которое может впитывать воду и набухать, но не растворяется в ней. Её гидроксильные группы притягивают молекулы воды, однако прочные связи между полимерными цепями мешают растворению. Вещество горюче, как и многие органические соединения, а к действию многих растворителей устойчиво: они не разрушают целлюлозные цепи и не разделяют их пучки. Поэтому для переработки целлюлозы нужны подходящие химические или механические способы.
Гидроксильные группы в звеньях целлюлозы могут участвовать в химических реакциях. При гидролизе разрываются связи между звеньями: (C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O → nC₆H₁₂O₆. При горении целлюлоза окисляется кислородом с образованием углекислого газа и воды; уравнение для одного звена: C₆H₁₀O₅ + 6O₂ → 6CO₂ + 5H₂O. При этерификации гидроксильные группы превращаются в сложноэфирные, например при действии азотной кислоты образуется нитрат целлюлозы.
| Признак | Характеристика целлюлозы | Практическое значение |
|---|---|---|
| Общая формула | (C₆H₁₀O₅)ₙ | Позволяет рассчитать относительную молекулярную массу образца при известном n. |
| Мономер и структурное звено | Свободная глюкоза служит исходным веществом; повторяющееся звено — остаток β-глюкозы C₆H₁₀O₅. | Понимание состава звена необходимо для описания синтеза и гидролиза. |
| Строение полимерной цепи | Длинные неразветвлённые цепи; соседние цепи связаны водородными связями. | Пучки цепей образуют прочные волокна и помогают получать бумагу. |
| Физические свойства | Твёрдая, без запаха, волокнистая, нерастворимая в воде; может набухать. | Свойства важны при изготовлении бумаги, тканей и других материалов. |
| Химические свойства | Гидролизуется до глюкозы, горит, образует сложные эфиры. | Реакции используют при переработке сырья и получении производных целлюлозы. |
| Основные природные источники | Древесина, хлопок и другие растительные ткани. | Обеспечивают сырьём целлюлозно-бумажное и текстильное производство. |
| Области применения | Производство бумаги, волокон, ацетата и нитрата целлюлозы. | Материалы применяются в быту, промышленности и для получения специальных продуктов. |
Таблица связывает состав целлюлозы с её строением, свойствами и использованием. Начинайте с первых строк, чтобы понять, из каких звеньев построен полимер, а затем проследите, как особенности цепей объясняют свойства. Последний столбец показывает, почему эти свойства важны на практике.
Определить относительную молекулярную массу образца целлюлозы со степенью полимеризации 1000, если его формула — (C₆H₁₀O₅)ₙ. Степень полимеризации — число структурных звеньев в полимерной цепи, здесь n = 1000. Сначала найдём массу одного звена, затем учтём их количество.
Ответ: относительная молекулярная масса образца равна 162 000. Это приближённое значение: реальные цепи природного полимера могут иметь разную длину.
Рассчитать массу глюкозы, образующейся при полном гидролизе 16,2 кг целлюлозы. Важно учесть, что при гидролизе к каждому звену присоединяется вода, поэтому масса глюкозы больше массы соответствующего звена целлюлозы. Запишем уравнение и используем соотношение молярных масс на одну повторяющуюся единицу.
Ответ: при полном гидролизе получится 18 кг глюкозы. Расчёт предполагает, что вся целлюлоза прореагировала и потерь продукта нет.
Определить массовую долю азота в тринитрате целлюлозы и объяснить его применение для получения бездымного пороха. В каждом звене исходной целлюлозы три гидроксильные группы; при замещении их водорода на нитратные группы состав звена можно записать как C₆H₇N₃O₁₁. Сначала найдём его молярную массу, затем долю массы атомов азота.
Ответ: массовая доля азота составляет около 14,1%. Нитрат целлюлозы — энергетически насыщенное соединение: при быстром разложении выделяются горячие газы, поэтому его используют в составе бездымного пороха; обращаться с ним следует только в соответствии с правилами безопасности.
Ошибка: считать целлюлозу полимером, состоящим из целых молекул глюкозы без изменения состава. Так рассуждают, перенося идею «мономер повторяется» на химическую формулу; при образовании гликозидных связей от молекул глюкозы отщепляются элементы воды. Проверка: сопоставьте формулы глюкозы C₆H₁₂O₆ и звена целлюлозы C₆H₁₀O₅.
Ошибка: записывать формулу целлюлозы как C₆H₁₂O₆. Это формула глюкозы, исходного углевода, а не полимера; путаница возникает из-за сходства состава звена с молекулой исходного вещества. Проверка: у полисахарида указывают повторяющееся звено и индекс n — (C₆H₁₀O₅)ₙ.
Ошибка: утверждать, что целлюлоза окрашивается синим раствором йода, как крахмал. Эту реакцию запоминают как общую для углеводов, хотя окраска связана с особенностью структуры крахмала и для целлюлозы нехарактерна. Проверка: не переносите качественную реакцию одного полисахарида на другой без основания.
Ошибка: считать, что целлюлоза хорошо растворяется в воде благодаря гидроксильным группам. Эти группы действительно взаимодействуют с водой, но одновременно помогают образовывать прочные водородные связи между цепями; их влияние на структуру упускают. Проверка: различайте способность вещества смачиваться или набухать и его растворимость.
Для изучения целлюлозы нужно знать строение и свойства глюкозы, а также понятия мономера, полимера и структурного звена. Тема опирается на уже знакомые реакции горения и гидролиза, а также на свойства спиртовых гидроксильных групп. Позже эти знания пригодятся при изучении природных полимеров и переработки древесины. Они также помогают понять производство бумаги, волокон, ацетата и нитрата целлюлозы.
Почему целлюлоза и крахмал имеют одинаковую общую формулу, но разные свойства?
Оба вещества состоят из остатков глюкозы и имеют общую формулу (C₆H₁₀O₅)ₙ, но отличаются способом соединения этих остатков. В целлюлозе звенья β-глюкозы образуют преимущественно линейные цепи, а в крахмале звенья α-глюкозы формируют спиральные и разветвлённые структуры. Различия строения определяют свойства и биологические функции полисахаридов.
Почему целлюлоза не растворяется в воде, хотя содержит много гидроксильных групп?
Гидроксильные группы могут образовывать водородные связи, но в целлюлозе многие из них связывают соседние полимерные цепи друг с другом. Возникает прочная упорядоченная структура, которую воде трудно разделить на отдельные молекулы. Поэтому целлюлоза не растворяется, хотя может впитывать воду и набухать.
Можно ли считать целлюлозу белком или другим полимером животного происхождения?
Нет. Целлюлоза — углевод, точнее полисахарид, а не белок: её звенья происходят от глюкозы, а не от аминокислот. Она синтезируется растениями и составляет важную часть их клеточных стенок; животные не образуют целлюлозу как основной структурный материал.
Чем гидролиз целлюлозы отличается от её горения?
При гидролизе вода разрывает связи в полимерных цепях, и при нагревании с катализатором образуется глюкоза. Горение — это реакция целлюлозы с кислородом, при которой выделяется энергия и образуются углекислый газ и вода. В первом случае полимер расщепляется на углевод, во втором происходит окисление.
Почему из целлюлозы получают бумагу, волокна и нитрат целлюлозы?
Длинные прочные цепи целлюлозы позволяют формировать волокна и переплетённые слои бумаги. Кроме того, её гидроксильные группы вступают в реакции этерификации — в частности, с азотной кислотой получают нитрат целлюлозы. Благодаря свойствам этого сложного эфира его применяют, например, для производства бездымного пороха.
§ 33. Целлюлоза — природный полимер
