Целлюлоза
Целлюлоза — природный полисахарид, образующий клеточные стенки растений. Знание её строения помогает объяснить физические свойства, гидролиз, получение нитратов целлюлозы и широкое применение в промышленности.
Определение и строение целлюлозы
Целлюлоза — природный высокомолекулярный углевод, полисахарид состава \((\mathrm{C_6H_{10}O_5})_n\), построенный из остатков \(\beta\)-глюкозы, соединённых \(1\to4\)-гликозидными связями.
Целлюлоза относится к полисахаридам. Её макромолекула представляет собой длинную неразветвлённую цепь. Каждый остаток глюкозы связан с соседним через атом кислорода: гидроксильная группа у первого остатка взаимодействует с гидроксильной группой у четвёртого атома углерода следующего остатка, при этом выделяется вода.
В элементарном звене целлюлозы сохраняются три свободные гидроксильные группы \(-\mathrm{OH}\). Поэтому в школьных задачах одно звено рассматривают как трёхатомный спирт по числу способных к этерификации гидроксильных групп. Макромолекулы образуют пучки за счёт многочисленных водородных связей. Это придаёт волокнам прочность.
При записи реакций целлюлозы используют одно звено \((\mathrm{C_6H_{10}O_5})\) или макромолекулу \((\mathrm{C_6H_{10}O_5})_n\). Число выделившихся или присоединившихся молекул считают на одно звено, а затем умножают на \(n\).
Физические и химические свойства
Целлюлоза — белое волокнистое твёрдое вещество. Она не имеет определённой температуры плавления: при сильном нагревании разлагается. В воде, разбавленных кислотах и органических растворителях целлюлоза практически не растворяется. Она не даёт синего окрашивания с раствором йода, в отличие от крахмала в качественной реакции с йодом.
- горение: целлюлоза сгорает с образованием углекислого газа и воды;
- гидролиз: при нагревании с разбавленной кислотой или под действием ферментов распадается до глюкозы;
- этерификация: гидроксильные группы реагируют с кислотами, например азотной или уксусной;
- окисление: при жёстких условиях возможно разрушение углеродной цепи.
Гидролиз целлюлозы принципиально отличается от простого растворения: разрываются гликозидные связи и образуются молекулы сахаров? В данном случае конечный продукт — именно глюкоза, а не сахароза. Глюкоза затем может подвергаться спиртовому брожению.
Какое утверждение о целлюлозе верно?
Производные целлюлозы
Свободные гидроксильные группы целлюлозы вступают в реакции этерификации. В зависимости от количества замещённых групп получают моно-, ди- и тринитрат целлюлозы. На практике продукт часто содержит смесь эфиров с разной степенью замещения.
Подробная запись механизма и расчётов для этой реакции приведена на странице Нитрование целлюлозы. В реакции каждая группа \(-\mathrm{OH}\) заменяется на сложноэфирную группу \(-\mathrm{ONO_2}\), поэтому на одно звено максимально расходуются три молекулы азотной кислоты.
Определим количество вещества азотной кислоты, необходимое для полного нитрования \(0{,}10\) моль звеньев целлюлозы.
Ответ: требуется \(0{,}30\) моль, или \(18{,}9\) г чистой азотной кислоты. Если дана массовая доля кислоты в растворе, массу раствора находят по формуле \(m_{\text{раствора}}=m(\mathrm{HNO_3})/\omega\).
Не путайте число гидроксильных групп в одном звене с числом атомов кислорода во всей макромолекуле. При полном нитровании учитывают именно три группы \(-\mathrm{OH}\). Также нельзя писать для целлюлозы реакцию с йодом, характерную для крахмала, или считать гидролиз растворением.
Получение и применение
Основной источник целлюлозы — древесина, а также хлопок, лён и конопля. Хлопковое волокно содержит особенно много целлюлозы. В промышленности древесину перерабатывают в целлюлозную массу, удаляя значительную часть лигнина и других компонентов.
- производство бумаги, картона и упаковочных материалов;
- изготовление искусственных волокон, например вискозы и ацетатного волокна;
- получение нитратов целлюлозы: коллодионного хлопка и пироксилина;
- производство лаков, плёнок и некоторых пластмасс;
- изготовление ваты, фильтров и теплоизоляционных материалов.
Нитраты целлюлозы имеют разную степень замещения и свойства. Высоконитрованный продукт пироксилин используют в производстве бездымного пороха, поэтому реакцию проводят только промышленно, с соблюдением строгих требований безопасности. Ацетат целлюлозы применяют для волокон, плёнок и покрытий.
Линейные цепи и водородные связи объясняют прочность волокон; большое количество гидроксильных групп позволяет получать эфиры; природное происхождение делает целлюлозу важным возобновляемым сырьём.
Быстрая проверка
Проверь основные идеи
Главное
- Целлюлоза — линейный полисахарид состава \((\mathrm{C_6H_{10}O_5})_n\), построенный из остатков β-глюкозы.
- Она практически не растворяется в воде, не даёт синего окрашивания с йодом и при полном гидролизе образует глюкозу.
- Три гидроксильные группы одного звена вступают в реакции этерификации; при полном нитровании расходуются три молекулы \(\mathrm{HNO_3}\).
- Основные производные — нитраты и ацетат целлюлозы; целлюлозу применяют для производства бумаги, волокон, плёнок и лаков.
- При решении задач сначала определяют число звеньев и число функциональных групп в одном звене, затем используют стехиометрические коэффициенты.