проект Целлюлоза

Министерство образования и науки

Архангельской области

Государственное бюджетное профессиональное

образовательное учреждение Архангельской области

«Котласский транспортный техникум»

(ГБПОУ АО «КТТ»)

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

Форма обучения – ОЧНАЯ

2017 г.

Министерство образования и науки

Архангельской области

Государственное бюджетное профессиональное

образовательное учреждение Архангельской области

«Котласский транспортный техникум»

(ГБПОУ АО «КТТ»)

ЗАДАНИЕ

НА  ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

Студенту: Румянцевой Анне Владимировне

Группы:  299

Специальности: 43.01.06 проводник на железнодорожном транспорте

Тема индивидуального  проекта: Целлюлоза

Исходные данные:

Нахождение целлюлозы в природе. Физические свойства целлюлозы. Химические свойства целлюлозы. Получение целлюлозы в промышленности. Применение продуктов переработки целлюлозы. Роль целлюлозы в живых организмах.

Срок исполнения индивидуального проекта: 01 апреля 2017г.

«11»января 2017г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Целлюлоза используется человеком с очень древних времен. Сначала применяли древесину как горючий и строительный материал; затем хлопковые, льняные и другие волокна стали использовать как текстильное сырье. Первые промышленные способы химической переработки древесины возникли в связи с развитием бумажной промышленности. Бумагу получают из древесины, которая  примерно на 50% состоит из целлюлозы.

Многие вопросы, касающиеся целлюлозы, меня очень  заинтересовали, и я попыталась найти на них ответы.  

 Цель проекта:  изучить строение, свойства и области применения целлюлозы.

Задачи проекта:

1. Изучить состав и строение молекул целлюлозы..

 2. Определить,  какими свойствами обладает целлюлоза.

3. Рассмотреть вопросы, связанные с производством бумаги.

4. Показать практическое значение продуктов переработки целлюлозы.

5. Доказать значение целлюлозы для организма человека.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Нахождение целлюлозы в природе.

 Целлюлоза, или клетчатка, входит в состав растений, образуя в них оболочки клеток.

 Отсюда происходит и ее название (от лат. «целлула» – клетка).

Целлюлоза придает растениям необходимую прочность и эластичность и является как бы их скелетом.

 Волокна хлопка содержат до 98 % целлюлозы.

 Волокна льна и конопли также в основном состоят из целлюлозы; в древесине она составляет около 50 %.

Бумага, хлопчатобумажные ткани – это изделия из целлюлозы.

 Особенно чистыми образцами целлюлозы являются вата, полученная из очищенного хлопка, и фильтровальная (непроклеенная) бумага.

2.Физические свойства.

В чистом виде целлюлоза - это порошок белого цвета, в воде не растворимый и не образующий клейстер. Чтобы оценить "на ощупь" чистую целлюлозу можно взять, например, хлопковую вату или белый пух тополей.

 Выделенная из природных материалов целлюлоза представляет собой твердое волокнистое вещество, не растворяющееся ни в воде, ни в обычных органических растворителях. Серная кислота окрашивает ее в синий оттенок, а йод – в коричневый. Целлюлоза твердая и волокнистая, без вкуса и запаха, не разрушается при температуре двести градусов Цельсия, но воспламеняется при температуре двести семьдесят пять градусов Цельсия (то есть является горючим веществом), а при нагревании до трехсот шестидесяти градусов Цельсия обугливается. Ее нельзя растворить в воде, но можно растворить в растворе аммиака с гидроксидом меди. Клетчатка является очень прочным и эластичным материалом.

3. Строение

Целлюлоза или клетчатка (от лат. cellula — «клетка») - это вещество, имеющие непосредственное отношение к сахарам. Её молекулы связаны между собой водородными связями (слабое взаимодействие) и образованы из множества (от 2000 до 3000) остатков B-глюкозы.

Целлюлоза (C 6 H 10 O 5 ) n – природный полимер, полисахарид, молекулы имеют линейное строение. В данном полимере больше пятидесяти процентов углерода, который содержится в растениях. Целлюлоза занимает первое место среди соединений органического происхождения на нашей планете.

Целлюлоза содержится  в природных волоконцах. Макромолекулы целлюлозы располагаются в одном направлении: они ориентированы вдоль оси волокна.

Возникающие при этом многочисленные водородные связи между гидроксильными группами макромолекул обусловливают высокую прочность этих волокон.

В процессе прядения хлопка, льна и т. д. эти элементарные волокна сплетаются в более длинные нити.

Это объясняется тем, что макромолекулы  имеют в ней линейную структуру, но расположены более беспорядочно, не ориентированы в одном направлении. Структурная формула целлюлозы

4. Получение.

Целлюлозу широко применяют в промышленности, очистив её, изготавливают всем нам знакомый целлофан (полиэтилен и целлофан отличаются друг от друга на ощупь (целлофан не кажется "жирным" и "шуршит" при деформации), а также искусственное волокно — вискозу (от лат. viscosus — «вязкий»).

Из чего состоит бумага? На самом деле – это материал, который представляет собой очень тонко переплётённые волокна целлюлозы. Некоторые из таких волокон объединены водородной связью (связь, образующаяся между группами - OH – гидроксильная группа). Способ получения бумаги во 2-м веке до нашей эры уже был известен в древнем Китае. На тот момент бумагу изготавливали из бамбука или хлопка. Позже – в 9 веке нашей эры этот секрет попал в Европу. Для получения бумаги уже в средние века использовались льняные или хлопковые ткани.

Но только в 18 веке нашли наиболее удобный способ получения бумаги – из дерева. А такую бумагу, которой мы сейчас пользуемся, начали изготавливать лишь в 19 веке.

Главным сырьём для получения бумаги является целлюлоза. Сухое дерево содержит приблизительно 40% такой целлюлозы. Остальная часть дерева – это различные полимеры, состоящие из сахаров различных видов, в том числе фруктозы, сложных веществ – фенолоспиртов, различных дубильных веществ, солей магния, натрия и калия, эфирных масел.

Получение целлюлозы связано с механической переработкой древесины и затем проведение химических реакций с опилками. Хвойные деревья измельчают до мелких опилок. Эти опилки помещают в кипящий раствор, содержащий NaHSO3 (гидросульфит натрия) и SO2 (сернистый газ). Кипячение проводят при высоком давлении (0,5 МПа) и в течении длительного времени (около 12 часов). При этом в растворе происходит химическая реакция, в результате которой получается вещество гемицеллюлоза и вещество лигнин (лигнин - это вещество, представляющее собой смесь ароматических углеводородов или ароматическую часть дерева), а также основной продукт реакции – чистая целлюлоза, которая выпадает в виде осадка в ёмкости, где проводится химическая реакция. Кроме того, в свою очередь лигнин взаимодействует с сернистым газом в растворе, в результате чего получается этиловый спирт, ванилин, различные дубильные вещества, а также дрожжи пищевые.

Дальнейший процесс получения целлюлозы связан с измельчением осадка при помощи роллов, в результате чего получаются частицы целлюлозы около 1 мм. А когда такие частицы попадают в воду, то сразу набухают и образуют бумагу. На этом этапе бумага ещё не похожа на себя и выглядит, как взвесь волокон целлюлозы в воде.

На следующем этапе бумаге придают её основные свойства: плотность, цвет, прочность, пористость, гладкость, для чего в ёмкость с целлюлозой добавляют глину, оксид титана, оксид бария, мел, тальк и дополнительные вещества, связывающие волокна целлюлозы. Дальше волокна целлюлозы обрабатывают специальным клеем на основе смолы и канифоли. В его состав входят резинаты. Если добавить в этот клей алюмокалиевые квасцы, то происходит химическая реакция и образуется осадок резинатов алюминия. Это вещество способно обволакивать целлюлозные волокна, что придаёт им влагонепроницаемость и прочность. Получившаяся масса равномерно наносится на движущуюся сетку, где она отжимается и высыхает. Здесь уже формирование бумажное полотно. Для придания бумаге большей гладкости и блеска её пропускают сначала между металлическими, а затем между плотными бумажными валами (проводят каландрирование), после чего бумагу режут на листы специальными ножницами.

Почему со временем желтеет бумага!?

Оказывается, молекулы целлюлозы, которые были выделены из дерева, состоят из большого числа структурных единиц типа С6Н10О5, которые под действием ионов атома водорода в течении определённого времени теряют между собой связи, что приводит к нарушению общей цепочки. При таком процессе бумага приобретает хрупкость и теряет свой первоначальный цвет. Ещё происходит, как говорят, подкисление бумаги. Для того, чтобы восстановить разрушающуюся бумагу, применяют гидрокарбонат кальция Са(НСО3)2), который позволяет временно снизить кислотность.

5. Применение продуктов переработки целлюлозы.

Люди применяют целлюлозу уже долгое время. В первую очередь древесный материал шел как топливо и доски для строительства. Потом хлопок, лен и волокна конопли применяли для изготовления различных тканей. Впервые в промышленности химическую обработку древесного материала стали практиковать из-за развития производства бумажных изделий.

В настоящее время целлюлозу используют в различных промышленных областях. И именно для промышленные нужд получают ее в основном из древесного сырья. Целлюлозу применяют в производстве целлюлозно-бумажных изделий, в производстве различных тканей, в медицине, при производстве лаков, при изготовлении органического стекла и в иных областях промышленности.

Продукты переработки целлюлозы имеют значительную хозяйственную ценность.

При переработке целлюлозы и ее производных, а также при изготовлении последних исходные продукты часто переводят в растворенное состояние с последующим формованием готовых изделий или осаждением продуктов переработки из их растворов.

Добыча и переработка целлюлозы имеет исключительно важное значение для народного хозяйства, в частности для производства промышленных товаров. Огромное количество целлюлозы идет на получение различных сортов бумаги. Хлопчатобумажные и льняные ткани изготовляют из волокон, состоящих в основном из целлюлозы.

Производственный процесс переработки целлюлозы в   ацетилцеллюлозу ведется следующим образом: сульфитную или натронную целлюлозу обрабатывают сначала разбавленным ( меньше, чем 3 % - ным) раствором щелочи, благодаря чему полностью удаляются лигноцеллюлоза, смолы и пентозаны. Предварительно обработанную таким образом целлюлозу равномерно пропитывают безводной уксусной кислотой, затем ацетилируют сначала безводной уксусной кислотой, а потом ангидридом уксусной кислоты в присутствии 0 5 % концентрированной серной кислоты.

Важнейший способ переработки целлюлозы заключается в переведении ее в эфиры.

Очень важным продуктом переработки целлюлозы является целлофан, из которого делается пленка, применяемая как прозрачный гигиенический и пыленепроницаемый упаковочный материал.

Вискозный шелк изготовляют переработкой целлюлозы с последующим переводом вытянутых из прядильного раствора волокон в вещество, близкое по своей химической природе к исходной целлюлозе.

Производство искусственных волокон является важнейшей отраслью промышленности, основанной на переработке целлюлозы. Полукоагулированная нить удлиняется при помощи механической установки, в результате чего макромолекулы ориентируются параллельно; при этом сильно возрастает прочность. Затем нить подвергается кручению вместе с другими нитями, промыванию и другим отделочным операциям.

Жидкие клеи представляют собой растворы смол, каучуков или продуктов переработки целлюлозы. В качестве растворителей применяют легко испаряющиеся жидкости: спирт, ацетон, дихлорэтан. После испарения растворителя получается твердое и прочное клеевое соединение.

Вместе с канифолью часто применяют талловое масло, получаемое при переработке целлюлозы. В состав таллового масла входят смоляные и жирные кислоты.

Действие окислителей на целлюлозу имеет место во многих производственных процессах, основанных на переработке целлюлозы или целлюлозусодержащих растительных материалов.

Исключительно велика роль взаимодействия между целлюлозой и водой в процессах, связанных с переработкой целлюлозы в волокна и пленки через растворы.

Кроме того, что целлюлозу используют для производства бумаги.

Ещё один полезный продукт - тринитрат целлюлозы. Он образуется при нитровании целлюлозы смесью кислот: концентрированной серной и азотной. Тринитрат целлюлозы широко используется при изготовлении бездымного пороха (пироксилина). Существует ещё динитрат целлюлозы, который применяется для изготовления некоторых видов пластмасс и органических стекол.

Из целлюлозы и ее эфиров получают ацетатный шелк, изготавливают ненатуральные волокна, пленку из ацетилцеллюлозы, которая не горит. Изготавливают порох без дыма из пироксилина. Из целлюлозы делают плотную медицинскую пленку (коллодий) и целлюлоид (пластмассу) для игрушек, кинопленки и фотопленки. Делают нитки, канаты, вату, различные виды картона, строительный материал для судостроения и постройки домов. А еще получают глюкозу (для медицинских целей) и этиловый спирт. Целлюлозу применяют и в качестве сырья, и в качестве вещества для переработки химическим путем.

Применение в пассажирском вагоне.

Постельное белье, скатерти, салфетки изготовлены из хлопчатобумажной ткани на основе целлюлозы.

Шторы, занавески – из искусственного шелка – ацетатного волокна – триацетата целлюлозы.

6. Значение целлюлозы для живых организмов

Целлюлоза относится к полисахаридным углеводам.

Попадая в организм, дисахариды (например, сахароза, лактоза) и полисахариды (крахмал) под действием специальных ферментов гидролизуются с образованием глюкозы и фруктозы. Такое превращение можно легко произвести у себя во рту. Если долго жевать хлебный мякиш, то под действием фермента амилазы содержащийся в хлебе крахмал гидролизуется до глюкозы. При этом во рту возникает сладкий вкус.

В живом организме функции углеводов следующие:

Функция структуры и опоры, так как углеводы принимают участие в построении опорных структур, а целлюлоза представляет собой главный компонент структуры стенок растительных клеток.

Защитная функция, характерная для растений (колючки либо шипы). Такие образования на растениях состоят из стенок омертвевших растительных клеток.

Пластическая функция (другое название анаболическая функция), так как углеводы являются компонентами сложных молекулярных структур.

Функция обеспечения энергией, так как углеводы являются энергетическим источником для живых организмов.

Запасающая функция, так как живые организмы запасают в своих тканях углеводы в качестве питательных веществ.

Осмотическая функция, так как углеводы принимают участие в регулировании осмотического давления внутри живого организма (например, кровь содержит от ста миллиграмм до ста десяти миллиграмм глюкозы, а от концентрации этого углевода в крови и зависит кровяное осмотическое давление). Осмосный перенос доставляет питательные элементы в высоких стволах деревьев, так как капиллярный перенос в этом случае неэффективен.

Функция рецепторов, так как некоторые углеводы находятся в составе воспринимающей части рецепторов клеток (молекул на клеточной поверхности либо молекул, которые растворены в клеточной цитоплазме). Рецептор особым образом реагирует на соединение с определенной химической молекулой, которая передает внешний сигнал, и передает этот сигнал в саму клетку.

Биологическая роль целлюлозы такова:

Клетчатка – это главная структурная часть клеточной оболочки растений. Образуется в результате фотосинтеза. Целлюлоза растений является питанием травоядным животным (к примеру, жвачным), в их организме клетчатка расщепляется при помощи фермента целлюлаза. Он довольно редкий, поэтому в чистом виде целлюлоза в пищу человека не употребляется.

Клетчатка в пище дает человеку чувство сытости и улучшает подвижность (перистальтику) его кишечника. Целлюлоза способна связывать жидкость (до ноля целых четырех десятых грамм жидкости на один грамм целлюлозы). В толстом кишечнике его метаболизируют бактерии. Клетчатка приваривается без участия кислорода (в организме есть только один анаэробный процесс). Итогом переваривания становится образование кишечных газов и летающих жирных кислот. Большее количество этих кислот всасывается кровью и применяется как энергия для организма. А то количество кислот, которое не усвоилось, и кишечные газы увеличивают объем кала и ускоряют его попадание в прямую кишку. Также энергия данных кислот применяется для увеличения количества полезной микрофлоры в толстом кишечнике и поддержки ее жизни там. Когда количество пищевых волокон в еде возрастает, то возрастает и объем полезных кишечных бактерий улучшается синтезирование витаминных веществ.

Если добавлять в еду от тридцати до сорока пяти грамм отрубей (содержат клетчатку), сделанных из пшеницы, то каловые массы увеличиваются с семидесяти девяти грамм до двухсот двадцати восьми грамм в день, и срок их передвижения сокращается с пятидесяти восьми часов до сорока часов. Когда клетчатка добавляется в еду регулярно, то каловые массы становятся мягче, что помогает выполнять профилактику запора и геморроя.

Когда в еде много клетчатки (например отруби), то организм как здорового человека, так и организм больного сахарным диабетом первого типа, становится более устойчив к глюкозе.

Клетчатка как щетка убирает со стенок кишечника грязные налипания, впитывает токсичные вещества, забирает холестерин и удаляет все это из организма естественным путем. Доктора пришли к выводу, что люди, которые едят ржаной хлеб и отруби реже страдают раком прямого кишечника. Больше всего клетчатки содержится в отрубях из пшеницы и ржи, в хлебе из грубо перемолотой муки, в хлебе из белков и отрубей, в сухих фруктах, морковке, крупах, свекле.

7. Химические свойства

1. Гидролиз.

 Гидролиз целлюлозы проводят в кислотной среде, при этом сначала образуется дисахарид целлобиоза, а затем глюкоза.

(C6 H10O5)n + nН2О → nС6Н12О6

2. Горение.    

    (C6 H10 O5) n  +  6n O2 →  6n CO2  +  5n H2О + Q

3. Взаимодействие с кислотами.

            а) с азотной кислотой – HNO3

                   OH                                                                          O – NO2 

C6 H7 O2—OH      +    3n HNO3      →                    C6 H7 O2—O – NO2      + 3n H2O

                   OH  n         HO-NO2                                                 O – NO2   n

                                                                         Тринитроцеллюлоза или

                                                                         Тринитрат целлюлозы.

                б) с уксусной кислотой – CH3 – COOH

                   OH                                                                         O – CO – CH3

C6 H7 O2—OH      + 2n CH3 – COOH  →             C6 H7 O2—O – CO – CH3     + 2 n H2O

                   OH   n                                                                     OH                 n

                                                                              Диацетилцеллюлоза или                                                                                                                      

                                                                              диацетат целлюлозы

Целлюлоза состоит из остатков молекул глюкозы.  В каждом остатке молекулы глюкозы содержатся три гидроксильные группы, поэтому целлюлоза  проявляет свойства многоатомного спирта и вступает в реакции этерификации с кислотами с образованием сложных эфиров

Ацетаты целлюлозы – искусственные полимеры, применяются в производстве ацетатного шёлка, плёнки (киноплёнки), лаков.

Нитроцеллюлоза производится в больших количествах во многих странах мира и находит много различных применений.

Бездымный порох, обычно пироксилин.

Нитроцеллюлоза в чистом виде из-за низкой термической стойкости не применяется, но существует неисчислимое множество взрывчатых составов с её применением. В 1885 году была впервые получена смесь нитроцеллюлозы с нитроглицерином, названная «гремучий студень».

Целлулоид. До сих пор лучшие шарики для настольного тенниса производятся из нитроцеллюлозы.

Плёнкообразующая основа нитроцеллюлозных лаков, красок, эмалей. В индустрии развлечений для производства быстро сгорающих предметов в реквизите артистов-фокусников.

Нитроцеллюлозные мембраны для иммобилизации белков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Я изучила строение, свойства, методы получения целлюлозы, узнала, как получают бумагу из целлюлозы, а также применение продуктов переработки целлюлозы.

При изучении  темы я поняла, что целлюлоза имеет важное  очищающее и оздоровительное значение для кишечника человека, а также  используется во многих областях  промышленности и  в повседневной жизни человека.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Богородицкий Н.П. Электротехнические материалы
2. Бреслер С.Е. Физика и химия макромолекул
3. Мухленов И.П. Основы химической технологии,
4. Нейман А.N. Материалы будущего
5. Писаренко А.Н. Курс органической химии,
6. Бреслер С.Е. Физика и химия макромолекул
7. http://www.ngpedia.ru/id251640p4.html