Гидролиз целлюлозы уравнение и условия протекания

Целлюлоза (клетчатка) — растительный полисахарид, являющийся самым распространенным органическим веществом на Земле.

Этот биополимер обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений, образуя стенку растительных клеток.

Состав целлюлозы, так же как и крахмала, выражается формулой (C₆H₁₀O₅)_n .

Содержание

Строение целлюлозы
Нахождение в природе
Физические свойства целлюлозы
Химические свойства целлюлозы
Получение целлюлозы
Применение целлюлозы
Производные целлюлозы
Гидролиз целлюлозы уравнение и условия протекания
Статья по теме: Гидролизе целлюлозы
📺 Видео

Строение целлюлозы

Макромолекулы целлюлозы – это длинные цепи, состоящие из большого числа остатков β–глюкозы, связанных β-1,4-гликозидными связями.

Молекулярная масса целлюлозы — от 400 000 до 2 млн.

Молекулы целлюлозы, в отличие от крахмала, имеют линейное (неразветвленное) строение, вследствие чего целлюлоза легко образует волокна.

Нахождение в природе

Целлюлоза была обнаружена и описана французским химиком Ансельмом Пайеном в 1838 году.

В большом количестве целлюлоза содержится в тканях древесины (40-60%), в волокнах льна (60-85%) и хлопка (95-98%), в вате и фильтрованной бумаге – до 90%. Основная составная часть оболочки растительных клеток. Образуется в растениях в процессе фотосинтеза.

Древесина состоит на 50% из целлюлозы, а хлопок и лён, конопля практически чистая целлюлоза.

Хитин (аналог целлюлозы) – основной компонент наружного скелета членистоногих и других беспозвоночных, а также в составе клеточных стенок грибов и бактерий.

Физические свойства целлюлозы

Целлюлоза – твердое волокнистое вещество белого цвета, без вкуса и запаха, нерастворимое в воде и органических растворителях, но хорошо растворимое в аммиачном растворе гидрокисда меди (II) (реактив Швейцера). Из этого раствора кислоты осаждают целлюлозу в виде волокон (гидратцеллюлоза).

Волокна целлюлозы обладают высокой механической прочностью, так как она является основной составной частью стенок и клеток растений.

В отличие от крахмала она не может служить человеку пищей, поскольку не расщепляется в его организме под действием ферментов.

Видеоопыт «Растворение целлюлозы в аммиачном растворе гидроксида меди (II)»

Химические свойства целлюлозы

1. Гидролиз целлюлозы

Подобно крахмалу, целлюлоза при нагревании с разбавленными кислотами подвергается гидролизу. Гидролиз целлюлозы происходит при нагревании в кислой среде. Конечным продуктом гидролиза является глюкоза.

При длительном нагревании с минеральными кислотами или под действием ферментов (у жвачных животных) идет ступенчатый гидролиз целлюлозы:

Видео:Кислотный гидролиз целлюлозыСкачать

Видеоопыт «Кислотный гидролиз целлюлозы»

Гидролиз целлюлозы, иначе называемый осахариванием, — очень важное свойство целлюлозы, он позволяет получить из древесных опилок и стружек глюкозу, а сбраживанием последней – этиловый спирт. Этиловый спирт, полученный из древесины, называется гидролизным.

2. Образование сложных эфиров (реакция этерификации)

Целлюлоза также не дает реакцию «серебряного зеркала» (нет альдегидной группы), но для нее характерны реакции образования сложных эфиров.

Каждое структурное звено целлюлозы содержит три свободных гидроксила.

Следовательно, целлюлоза может вступать в реакции, характерные для многоатомных спиртов.

Наибольшее практическое значение имеют реакции с азотной кислотой и уксусным ангидридом.

а) Нитрование

При обычной температуре целлюлоза взаимодействует лишь с концентрированными кислотами.

При взаимодействии целлюлозы с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты в качестве водоотнимающего средства образуется сложный эфир -тринитрат целлюлозы:

Видеоопыт «Получение и свойства нитроцеллюлозы»

Полностью этерифицированная клетчатка – это тринитрат целлюлозы (пироксилин) – взрывчатое вещество, на его основе изготавливают бездымный порох.

В зависимости от условий нитрования можно получить динитрат целлюлозы, который в технике называется коллоксилином. Он так же используется при изготовлении пороха и твердых ракетных топлив. Кроме того, на основе коллоксилина изготавливают целлулоид.

в) Взаимодействие с уксусным ангидридом

При взаимодействии целлюлозы с уксусным ангидридом в присутствии уксусной и серной кислот образуется триацетилцеллюлоза:

Из триацетата целлюлозы изготавливают лаки, кинопленку и ацетатное волокно.

3. Горение – полное окисление

4. Термическое разложение целлюлозы без доступа воздуха

Получение целлюлозы

Промышленным методом целлюлозу получают методом варки щепы на целлюлозных заводах, входящих в промышленные комплексы (комбинаты). По типу применяемых реагентов различают следующие способы варки целлюлозы:

Кислые:
- Сульфитный. Варочный раствор содержит сернистую кислоту и её соль, например гидросульфит натрия. Этот метод применяется для получения целлюлозы из малосмолистых пород древесины: ели, пихты.
Щелочные:
- Натронный.Используется раствор гидроксида натрия. Натронным способом можно получать целлюлозу из лиственных пород древесины и однолетних растений. Преимущество данного метода — отсутствие неприятного запаха соединений серы, недостатки — высокая стоимость получаемой целлюлозы. Метод практически не используется.
- Сульфатный.Наиболее распространенный метод на сегодняшний день. В качестве реагента используют раствор, содержащий гидроксид и сульфид натрия, и называемый белым щелоком. Свое название метод получил от сульфата натрия, из которого на целлюлозных комбинатах получают сульфид для белого щёлока. Метод пригоден для получения целлюлозы из любого вида растительного сырья. Недостатком его является выделения большого количества дурно пахнущих сернистых соединений: метилмеркаптана, диметилсульфида и др. в результате побочных реакций.

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.

Видео:Гидролиз солей. 9 класс.Скачать

Для удаления остаточного лигнина и придания целлюлозе белизны проводится её отбелка. Традиционная для 20 века хлорная отбелка включала в себя две ступени:

обработка хлором — для разрушения макромолекул лигнина;
обработка щелочью — для экстракции образовавшихся продуктов разрушения лигнина.

Применение целлюлозы

Целлюлоза используется в производстве бумаги и картона, искусственных волокон, пленок, пластмасс, лакокрасочных материалов, бездымного пороха, взрывчатки, твердого ракетного топлива, для получения гидролизного спирта и многое другое.

Изготовление нитей, канатов, бумаги.
Получение глюкозы, этилового спирта (для получения каучука).
Получение ацетатного шёлка – искусственное волокно, оргстекла, негорючей плёнки из ацетилцеллюлозы.
Получение бездымного пороха из триацетилцеллюлозы (пироксилин).
Получение коллодия (плотная плёнка для медицины) и целлулоида (изготовление киноленты, игрушек) из диацетилцеллюлозы.

Производные целлюлозы

К важнейшим производным целлюлозы относятся искусственные полимеры/

Метилцеллюлоза (простые метиловые эфиры целлюлозы) общей формулы

Ацетилцеллюлоза (триацетат целлюлозы) – сложный эфир целлюлозы и уксусной кислоты

Нитроцеллюлоза (нитраты целлюлозы) – сложные азотнокислые эфиры целлюлозы

Вискозное волокно. Целлофан

Эти полимерные материалы состоят из практически чистой целлюлозы, но для их получения исходную целлюлозу путем химической модификации сначала превращают в растворимую форму, а затем в процессе формования восстанавливают.

Гидролиз целлюлозы уравнение и условия протекания

Самым распространенным полимером углевода глюкозы является целлюлоза. На этом уроке вы сможете познакомиться с ней подробнее. Узнаете о её физических и химических свойствах. Также изучите получение искусственных полимеров, например ацетатного шёлка, нитроваты, бездымного пороха.

I. Физические свойства

Это вещество белого цвета, без вкуса и запаха, нерастворимое в воде, имеющее волокнистое строение. Растворяется в аммиачном растворе гидроксида меди (II) – реактиве Швейцера.

II. Нахождение в природе

Целлюлоза была обнаружена и описана французским химиком Ансельмом Пайеном в 1838 году.

Этот биополимер обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений, образуя стенку растительных клеток. В большом количестве целлюлоза содержится в тканях древесины (40-55%), в волокнах льна (60-85%) и хлопка (95-98%). Основная составная часть оболочки растительных клеток. Образуется в растениях в процессе фотосинтеза.

Древесина состоит на 50% из целлюлозы, а хлопок и лён, конопля практически чистая целлюлоза.

Хитин (аналог целлюлозы) – основной компонент наружного скелета членистоногих и других беспозвоночных, а также в составе клеточных стенок грибов и бактерий.

Видео:Гидролиз солей. Теория для задания 23 ЕГЭ по химии.Скачать

III. Строение

Состоит из остатков β — глюкозы

IV. Получение

Кислые:
- Сульфитный. Варочный раствор содержит сернистую кислоту и её соль, например гидросульфит натрия. Этот метод применяется для получения целлюлозы из малосмолистых пород древесины: ели, пихты.
Щелочные:
- Натронный. Используется раствор гидроксида натрия. Натронным способом можно получать целлюлозу из лиственных пород древесины и однолетних растений. Преимущество данного метода — отсутствие неприятного запаха соединений серы, недостатки — высокая стоимость получаемой целлюлозы. Метод практически не используется.
- Сульфатный. Наиболее распространенный метод на сегодняшний день. В качестве реагента используют раствор, содержащий гидроксид исульфид натрия, и называемый белым щёлоком. Своё название метод получил от сульфата натрия, из которого на целлюлозных комбинатах получают сульфид для белого щёлока. Метод пригоден для получения целлюлозы из любого вида растительного сырья. Недостатком его является выделения большого количества дурно пахнущих сернистых соединений: метилмеркаптана, диметилсульфида и др. в результате побочных реакций.

обработка хлором — для разрушения макромолекул лигнина;
обработка щелочью — для экстракции образовавшихся продуктов разрушения лигнина.

V. Применение

Целлюлоза используется в производстве бумаги, искусственных волокон, пленок, пластмасс, лакокрасочных материалов, бездымного пороха, взрывчатки, твердого ракетного топлива, для получения гидролизного спирта и др.

Получение ацетатного шёлка – искусственное волокно, оргстекла, негорючей плёнки из ацетилцеллюлозы.
Получение бездымного пороха из триацетилцеллюлозы (пироксилин).
Получение коллодия (плотная плёнка для медицины) и целлулоида (изготовление киноленты, игрушек) из диацетилцеллюлозы.
Изготовление нитей, канатов, бумаги.
Получение глюкозы, этилового спирта (для получения каучука).

VI. Производные целлюлозы

К важнейшим производным целлюлозы относятся:

метилцеллюлоза (простые метиловые эфиры целлюлозы) общей формулы

ацетилцеллюлоза (триацетат целлюлозы) – сложный эфир целлюлозы и уксусной кислоты

нитроцеллюлоза (нитраты целлюлозы) – сложные азотнокислые эфиры целлюлозы:

VII. Химические свойства

Видео:Кислотный гидролиз целлюлозыСкачать

1. Гидролиз

Гидролиз протекает ступенчато:

крахмал декстрины мальтоза глюкоза

2. Реакции этерификации

Целлюлоза – многоатомный спирт, на элементную ячейку полимера приходятся три гидроксильных группы. В связи с этим, для целлюлозы характерны реакции этерификации (образование сложных эфиров). Наибольшее практическое значение имеют реакции с азотной кислотой и уксусным ангидридом. Целлюлоза не дает реакции «серебряного зеркала».

Полностью этерифицированная клетчатка известна под названием пироксилин, который после соответствующей обработки превращается в бездымный порох. В зависимости от условий нитрования можно получить динитрат целлюлозы, который в технике называется коллоксилином. Он так же используется при изготовлении пороха и твердых ракетных топлив. Кроме того, на основе коллоксилина изготавливают целлулоид.

2. Взаимодействие с уксусной кислотой:

При взаимодействии целлюлозы с уксусным ангидридом в присутствии уксусной и серной кислот образуется триацетилцеллюлоза.

VII. Ацетатное волокно (ацетилцеллюлоза)

Впервые на мировом рынке появилось в 1921 году, как результат трудов американских ученых и технологов под руководством Дрейфуса.

Получение относительно безвредное, отличается простотой технологического процесса и доступностью вспомогательных материалов.

Получение. Сырьем для получения ацетатного волокна служат остатки хлопкового пуха или облагороженной древесной целлюлозы, обработанные уксусным ангидритом и уксусной кислотой: получают рыхлые хлопья первичного ацетата. (“уксус” по латыни “ацетум”, от этого произошло и название “ацетатное”)

Для получения вторичного ацетата первичный ацетат омыливают – добавляют определенное количество воды; полученные белые хлопья отжимают, обрабатывают в смеси ацетона и спирта, продавливают через фильеры, и при помощи теплого воздуха испаряют смесь,от чего нити затвердевают. Из этих блестящих нитей и ткут ацетатное полотно. В сочетании с другими нитями волокно используют с шелком, вискозой, шерстью и другими смесевыми тканями.

Характеристика. Ацетатное волокно мало гигроскопично, мало впитывает влагу, мягкое, легкое, тонкое, упругое, блестящее, но при температуре выше 85 градусов блеск теряет, сильно электризуется, в мокром состоянии прочность теряет очень мало, но имеет склонность к образованию заломов в мокром состоянии , боится высоких температур и при 140 градусах разрушается, не подвержено действиям плесени, сильно осыпается, мало сминается, быстро сохнет (вода стекает), светостойкое.

Изделия утюжат влажным по изнаночной стороне, чтобы не образовывались ласы, нельзя чистить ацетоном, можно растворить ткань.

Применение. В настоящее время выпуск ацетатных волокон и нитей резко сократился из-за малой потребительской востребованности.

В 60-десятые годы ХХ века использовали ткани для женских платьев, блузок,. летних костюмов

Видео:Кислотный гидролиз целлюлозыСкачать

Триацетатное волокно

Получают из первичного ацетата путем воздействия на него химического состава.

Формование волокна происходит так же, как ацетатного, но при низких температурах, что ведет к некоторым различиям в их свойствах: отличается низкой гигроскопичностью, белее высокой температурой плавления и глажения, его можно отбеливать и проще окрашивать, не нуждается в глажении, хорошо держит складки плиссе и гофре даже после стирки, что улучшает процесс эксплуатации; сильно осыпается.

Применение: Изготавливают ткани для галстуков (из-за низкой прочности).тюля, покрывал на кровати, кружев, юбок гофре и плиссе, сорочек

Триацетилцеллюлоза (или ацетилцеллюлоза) является ценным продуктом для изготовления негорючей кинопленки и ацетатного шелка. Для этого ацетилцеллюлозу растворяют в смеси дихлорметана и этанола и этот раствор продавливают через фильеры в поток теплого воздуха.

А сама фильера схематично выглядит так:

Растворитель испаряется и струйки раствора превращаются в тончайшие нити ацетатного шелка.

Говоря о применении целлюлозы, нельзя не сказать о том, что большое количество целлюлозы расходуется для изготовления различной бумаги. Бумага – это тонкий слой волокон клетчатки, проклеенный и спрессованный на специальной бумагоделательной машине.

Статья по теме: Гидролизе целлюлозы

Предметная область: полимеры, синтетические волокна, каучук, резина

При гидролизе целлюлозы происходит разрыв глюкозидной связи между элементарными звеньями в макромолекуле, причем легче этот процесс протекает в присутствии кислот (H2SOj, HC1, НзРОч). В принципе реакцию можно довести до образования глюкозы, но обычно образуются промежуточные сахариды, построенные по типу целлюлозы, или более высокомолекулярные продукты. Процесс гидролиза в значительной степени зависит ог степени упорядоченности макромолекул целлюлозы. Чем меньше эта упорядоченность, тем более доступны участки макромолекул в неупорядоченных областях атаке гидролизующих агентов. По типу кислотного гидролиза целлюлозы протекает микробиологическая деструкция ее под действием природных ферментов. Деструкция целлюлозы под действием ще-[1, С.255]

При гидролизе целлюлозы, хлопковой или древесной, сначала целлюлоза утрачивает волокнистую структуру и превращается в гидроцеллюлозу — смесь неизмененной целлюлозы с продуктами различной степени гидролиза. Гидроцеллюлоза имеет пониженную среднюю степень полимеризации, но более высокую степень кристалличности по сравнению с исходной целлюлозой. Реакция на этой стадии гидролитической деструкции протекает довольно быстро. Дальнейший гидролиз кристаллической части целлюлозы в разбавленных кислотах при кипячении идет очень медленно (практически реакция останавливается) и для увеличения его скорости требуется повышение температуры до 160. 190°С.[3, С.291]

Следует подчеркнуть, что при гидролизе целлюлозы и крахмала, независимо от конфигурации гликозидной связи, после полного гидролиза, как и при мутаротации, получается одна и та же равновесная смесь тауто-мерных форм D-глюкозы, главным образом p-D-глюкопиранозы, a-D-глюкопиранозы и небольшого количества открытой альдегидной формы (схема 11.5); фуранозными формами можно пренебречь. То же самое относится и к другим моносахаридам. Поэтому в схемах гидролиза принято использовать условное обозначение для смеси аномерных концевых редуцирующих звеньев. Превращение р-аномера в a-аномер и обратно происходит только через открытую форму.[3, С.293]

При размоле, как и при гетерогенном гидролизе целлюлозы, достигается предельная степень полимеризации (ПСП). Образующиеся в результате гемолитического расщепления цепей макрорадикалы могут вступать в реакции рекомбинации. При достижении ПСП, по-видимому, устанавливается равновесие между реакциями деструкции макромолекул целлюлозы и рекомбинации макрорадикалов.[3, С.574]

При гидролизе полиэтилентерефталата, так же как и при гидролизе целлюлозы, большую роль играет физическая структура полимера. В гетерогенной среде гидролиз полиэтилентерефталата протекает только на поверхности, причем скорость его настолько мала, что полимер практически стоек к действию кислот и щелочей. В растворе же полиэтилентерефталат гидролизуется с такой же легкостью, как низкомолекулярные эфиры терефталевой кислоты.[2, С.267]

Свойства эмульсоидных растворов (стр. 173) и структура молекулы целлюлозы (стр. 160) заставили предположить, что чрезвычайно высокая вязкость растворов офиров целлюлозы вызывается цепеобразными молекулами с большим молекулярным весом. Если принять во внимание, что при гидролизе целлюлозы происходит ее деградация, то станет ясно, что таким образом, т. е. производя гидролиз до или после этерификации, можно понизить вязкость раствора эфиров целлюлозы. Было найдено, что при нагревании нормальной нитроцеллюлозы до 130°С в воде под давлением она претерпевает изменения, не сопровождающиеся заметным понижением содержания азота (составляющего приблизительно от 11 до 12%), но выражающиеся в значительном понижении вязкости ее растворов.. В этом состоял первый важный шаг на пути к широкому практическому использованию целлюлозных лаков. Однако такая деградация приводит к ухудшению качества пленки, так что нежелательно вести процесс дальше, чем это необходимо. Добавлением к раствору жидкости, смешивающейся с растворителем, но не являющейся растворителем для нитроцеллюлозы, может быть достигнуто и дальнейшее понижение вязкости растворов. Это можно объяснить десольватацией молекул целлюлозы, о которой уже была речь на стр. 187. Комбинированием этих двух процессов создается возможность получать растворы эфиров целлюлозы в достаточно высокой концентрации и с умеренной вязкостью.[4, С.324]

Гидролиз целлюлозы довольно подробно рассмотрен в гл. V первого тома этой книги, но тем не менее целесообразно еще раз кратко рассмотреть эту реакцию, так как целлюлоза является одним из наиболее детально изученных полимеров в отношении реакций деструкции; кроме того, существенно, что методы, разработанные для изучения этой проблемы на примере целлюлозы, применяются также и для других полимеров. При гидролизе целлюлозы наблюдается снижение молекулярного веса и уменьшение разрывной прочности, но на начальных стадиях этой реакции не образуется сколько-либо значительных количеств мономера. На этом основании Фрейденберг и Кун [1 ] предположили, что этот процесс представляет собой статистически протекающее расщепление цепи. Никерсон и Хебрл [2], Шарплс [З1] и другие исследователи, изучая влияние физических свойств полимера на эту реакцию, показали, что кристаллические участки целлюлозы значительно более устойчивы к гидролизу, чем аморфные. Гиббоне [4] на основании данных по изучению гидролиза в гомогенной среде метилцеллюлозы в соляной кислоте предложил механизм гидролиза простой эфирной связи.[5, С.5]

Видео:Химия 10 класс (Урок№11 - Полисахариды. Крахмал. Целлюлоза.)Скачать

На расщеплении целлюлозы сверхконцентрированной соляной кислотой основан метод определения выхода глюкозы при полном гидролизе целлюлозы. Целлюлоза довольно быстро деструктируется и под[2, С.268]

Химическое строение целлюлозы и других полисахаридов изучают химическими и физико-химическими методами (см. 11.4). При полном гидролизе целлюлозы получается D-глюкоза с выходом, близким к теоретическому[3, С.227]

Масса тщательно сортируется, измельчается и обрабатывается механически; посторонние материалы удаляются: желззо — действием магнита, обрезки тканей — циклонным сепаратором. После этого масса прогревается с целью перевода ее в пластическое состояние. Наилучшим методом является вываривание в 4 — 8°/0-ном растворе каустической соды в течение от восьми до двадцати четырех часов, при температуре около 180—200°. Процесс этот называется щелочным регенерированием. Главная роль щелочи заключается в гидролизе целлюлозы. Последняя при этом дегенерируется в достаточной степени, чтобы ее можно было полностью удалить последующей отмывкой.[4, С.438]

Только путем взаимодействия природных и синтетических каучуков с серой и другими полифункциональными соединениями (вулканизация) могут быть получены различные сорта резины и эбонита. Дубление белков, обеспечивающее возможность их технического использования, также основано на химическом взаимодействии белков с альдегидами или другими бифункциональными соединениями. Наконец, к химическим превращениям относится направленная деструкция полимеров, часто применяемая для регулирования молекулярной массы полимеров, перерабатываемых в различных отраслях промышленности. На полном гидролизе целлюлозы основан процесс получения гидролизного спирта. Механическая деструкция полимеров используется в промышленном масштабе для изменения физико-химических свойств полимеров, а также для синтеза сополимеров новых типов.[2, С.211]