Материал: 3795

31

Способность целлюлозы к набуханию и растворению в растворах гидроксида натрия имеет важное техническое значение, особенно в вискозном производстве и при получении простых эфиров целлюлозы.

Для характеристики способности целлюлозы к набуханию в растворах гидроксида натрия используют такой показатель, как степень набухания. Это показатель качества технической целлюлозы, характеризующий способность её к набуханию, определяемый по приращению массы образцов целлюлозы в 17,5 %-ном растворе гидроксида натрия, в процентах.

В воде целлюлоза набухает значительно меньше, чем в растворах щелочей, но способность целлюлозы к набуханию в воде имеет важное значение в производстве бумаги и картона.

Набухание целлюлозы в растворах щелочей – сложный физикохимический процесс. Важнейшими факторами, оказывающими влияние на степень набухания целлюлозы, являются структура волокна, природа и концентрация реагента и температура. Степень набухания древесных технических целлюлоз значительно ниже, чем хлопковых.

Важную роль при набухании играет концентрация раствора гидроксида натрия. В очень концентрированных растворах степень набухания целлюлозы уменьшается. Концентрация раствора щелочи, при которой происходит максимальное набухание, зависит от природы целлюлозы и температуры ее обработки. С понижением температуры степень набухания целлюлозы в растворах увеличивается, так как набухание целлюлозы в щелочи – процесс экзотермический.

Реактивы и оборудование

1.Пробойник для вырубания кружков целлюлозы диаметром 30 + 1 мм с отверстием 9 + 1 мм.

2.Прибор для определения набухания целлюлозы (рис. 7).

3.Водяной термостат.

4.Секундомер.

5.Термометр.

6.Технические весы.

Экспериментальная часть

Сущность метода заключается в определении приращения массы целлюлозы при её набухании в растворах гидроксида натрия, в процентах. Испытания проводят в соответствии с ГОСТом 7516 – 85 на приборе ( см. рис. 6),

32

состоящем из стеклянного цилиндра с двумя дырчатыми пластинами из нержавеющей стали.

Из подготовленных листов целлюлозы, предназначенной для определения степени набухания, вырубают с помощью пробойника или вырезают вручную образцы целлюлозы в виде кружков диаметром 30 + 1 мм с отверстием в центре кружка диаметром 9 + 1 мм. Края кружков должны быть ровными.

Рис. 7. Прибор для определения набухания целлюлозы

Стержень с двумя пластинами взвешивают на технических весах с точностью до 0,02 г, нанизывают на него 10 кружков целлюлозы и снова взвешивают. По разности находят массу кружков целлюлозы. Затем стержень из целлюлозы помещают в стеклянный цилиндр, в который предварительно заливают 70 мл 17,5 %-ного раствора NaOH при температуре 20 + 2 оС, и закрепляют зажимом в крышке прибора таким образом, чтобы нижняя пластинка находилась на расстоянии около 5 мм от дна цилиндра. Цилиндр помещают в водяной термостат для поддержания температуры раствора гидроксида натрия в течение всего процесса набухания 20 + 2 оС. После пятиминутного набухания стержень с кружками целлюлозы поднимают и закрепляют в крышке

33

цилиндра так, чтобы целлюлоза находилась выше уровня щелочи. В течение 5 минут дают стекать избытку щелочи с целлюлозы. Затем стержень с целлюлозой вынимают из цилиндра и осушают фильтровальной бумагой стержень над верхней пластинкой, наружные стенки и отверстия пластин. Следует избегать прикосновения фильтровальной бумаги к образцам целлюлозы и их придавливания. После этого стержень с набухшей целлюлозой и пластинками взвешивают.

Степень набухания по массе, %, рассчитывают по формуле

где m2 – масса стержня с пластинками и кружками целлюлозы после набухания, г;

m1 –масса стержня с пластинками и кружками целлюлозы до набухания, г; m –масса стержня с пластинками, г.

Расхождение между двумя параллельными определениями не должно превышать 20 %.

Лабораторная работа № 8

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ И ЕЁ ПРОИЗВОДНЫХ

Цель работы:

1.Ознакомиться с химическими свойствами целлюлозы.

2.Осуществить кислотный гидролиз целлюлозы в медно-аммиачном растворе.

3.Ознакомиться с получением и свойствами нитратов и ацетатов целлюлозы.

Теоретическая часть

Целлюлоза является самым распространенным органическим веществом на земной поверхности. Она представляет собой линейный полисахарид – поли-1-4-β-D–глюкопиранозил–D–глюкопиранозу и является гликозидом глюкозы. Макромолекулы целлюлозы образованы гликозидными остатками в пиранозной форме, соединенными β-глюкозидной связью в положении 1 – 4. Молекулярная масса целлюлозы превышает 1 млн.

34

Строение макромолекулы целлюлозы изображается формулой

n

Целлюлоза очень устойчива к механическим и химическим воздействиям. Она нерастворима в воде, разбавленных щелочах и в органических растворителях (спирт, ацетон, эфир и др.). Препараты целлюлозы со степенью полимеризации менее 200 растворяются в 10…20 %-ном растворе NaOH, а со степенью полимеризации менее 1000 – в 85 %-ной фосфорной кислоте. Целлюлоза растворяется в медно-аммиачном реактиве, или реактиве Швейцера (раствор гидроксида меди в концентрированном растворе аммиака), а также в некоторых других комплексных соединениях меди, никеля, кадмия и цинка.

Целлюлоза не обладает восстанавливающими свойствами. Для целлюлозы характерны реакции деструкции, приводящие к снижению степени полимеризации. Основными типами деструкции являются:

1)гидролиз целлюлозы под действием гидролизирующих агентов;

2)щелочная деструкция;

3)термическая деструкция;

4)фотохимическая деструкция;

5)биохимическая деструкция;

6)механохимическая деструкция.

Сущность реакции гидролиза полисахаридов заключается во взаимо-

действии этих веществ с водой, в результате которого происходит разрыв гликозидных связей между звеньями макромолекул с присоединением по месту разрыва воды. В результате такого процесса снижается степень полимеризации полисахаридов и в качестве конечного продукта образуются простые сахара. Для ускорения процесса гидролиза целлюлозы применяют катализаторы – минеральные кислоты, например серную кислоту. Скорость гидролиза целлюлозы увеличивается с повышением температуры.

35

Химические свойства целлюлозы определяются в основном присутствием в ней большого числа гидроксильных групп. В каждом остатке глюкозы содержится три гидроксила. В соответствии с этим формулу целлюлозы запи-

сывают так: [C6H7O2(OH)3]n.

Несмотря на химическую инертность, целлюлоза под действием некоторых химически активных реагентов образует многие производные. Так, при обработке целлюлозы концентрированным раствором щелочи образуется щелочная целлюлоза с общей формулой [C6H7O2(OH)2ONa]n. Большое значение в промышленности имеют простые и сложные эфиры целлюлозы. Из простых эфиров целлюлозы особое значение получили метил-, этил- и бутилцеллюлоза, которые находят применение в качестве лаков, клеев, пропиточных материалов.

При действии на целлюлозу минеральных или органических кислот образуются сложные эфиры целлюлозы. Так, при взаимодействии целлюлозы со смесью азотной и серной кислот получают нитраты целлюлозы с общей формулой [C6H7O2(ONO2)3]n. В зависимости от числа гидроксильных групп, вступивших в реакцию этерификации, образуется моно-, ди-, или тринитрат целлюлозы. На основе нитратов целлюлозы получают различные взрывчатые вещества, нитролаки и эмали.

При взаимодействии целлюлозы с уксусной кислотой (в присутствии серной кислоты) или уксусным ангидридом образуется сложный эфирацетат целлюлозы. Наибольшее промышленное применение получил триацетат целлюлозы [C6H7O2(OCOCH3)3]n. Ацетат целлюлозы используют в производстве ацетатного волокна, пластмасс, фото- и кинопленки, специальных лаков.

Экспериментальная часть

Опыт 1. Кислотный гидролиз целлюлозы

Поместите в пробирку маленький кусочек фильтровальной бумаги и добавьте 3…4 капли концентрированной серной кислоты. Размешивайте стеклянной палочкой до полного растворения целлюлозы. Для ускорения процесса растворения можно слегка подогреть пробирку, соблюдая осторожность. В результате растворения должна получиться слабоокрашенная жидкость, которая после добавления 10 капель воды становится бесцветной. Поставьте пробирку в кипящую водяную баню и через 20 мин произведите пробу на