CELULOZA
Celuloza este o substanță macromoleculară
naturală din clasa glucidelor, fiind constituentul principal al membranelor
celulelor vegetale. Celuloza este polizaharidă și împreună cu lignina (un
compus macromolecular aromatic) și alte substanțe, formează pereții celulelor
vegetale și conferă plantei rezistență mecanică și elasticitate. Aceasta are
aceeași formulă brută ca și amidonul (C6H10O5)n, unde n poate atinge cifra
miilor.
Celuloza a fost prezentă pe Terra de când
au apărut copacii și plantele fiind constituentul principal al pereților
celulari vegetali. Datorită acestui fapt nu există o dată anume pentru
descoperirea ei; a apărut înainte de nașterea omului. Recunoașterea celulozei
ca fiind un constituent principal al peretelui celular vegetal a fost în
glucoză.
Hârtia (cea mai utilizată celuloză) a fost
creată prima dată în anul 1838 datorită descoperirilor botanistului francez
Anselme Payen care a izolat celuloza pentru prima dată din lemn. Atunci a fost
înțeleasă structura sa. În prezent celuloza este polizaharida cea mai
răspândită în natură și se află sub observația oamenilor de știință
producându-se schimbări în procesul de prelucrare, utilizări și genetica
plantelor (mulți fermieri fiind interesați de mutațiile genetice pentru a produce
cantități mai mari de bumbac).
Surse
Celuloza apare în stare pură în componența
bumbacului. Din acesta se obține cea mai pură celuloză prin îndepărtarea
semințelor și spălarea vatei din capsulele de bumbac, iar celuloza rezultată
este folosită în industria textilă deoarece are un procent de 91% celuloză. Se
găsește în combinație cu lignină în lemn (40-60%). Fibrele de celuloză prezente
în lemn sunt sub forma unui polimer complex: lignină. Acesta tratat cu
substanțe alcaline duce la formarea hârtiei. Alte surse sunt inul, cânepa,
stuful (50%). Formarea celulozei în plante este rezultatul unui proces de
biosinteză fotochimică. Peretele celular vegetal este alcătuit din celuloză cu
excepția câtorva tipuri de alge. Celuloza este organizată în microfibre.
Structura conferă rigiditate plantei și un mediu poros favorabil circulației
apei, mineralelor și altor substanțe nutritive. Celuloza formează părțile de
susținere ale plantelor împreună cu lignina și alte substanțe necelulozice, și
conferă acestora elasticitate. Multe din speciile de plante care conțin un
nivel ridicat de celuloză sunt benefice omului.
Numeroasele grupări hidroxil existente de-a
lungul lanțului, în resturile glucozice, formează între ele un număr uriaș de
legături de hidrogen care împachetează foarte strâns lanțurile macromoleculare
și conferă celulozei structura macroscopică de fir. Deși este considerat ca
fiind produs de plante și unele bacterii produc celuloză.
Structura
Timp de mulți ani s-a acceptat că celuloza
este un lanț lung de polimeri, alcătuit din glucoză. În anii 1900 celuloza a
fost descrisă mai amănunțit de Cross și Bevan. Ei au îndepărtat părțile
vegetale prezente în mod normal în celuloză prin dizolvarea lor în soluție
concentrată de hidroxid de sodiu. Partea care nu s-a dizolvat a fost numită
alpha-celuloză. Materialul solubil (ß-celuloza și γ-celuloza) s-a dovedit mai
târziu a nu fi celuloză ci zaharuri și carbohidrați.
Astfel α-celuloza descoperită de Cross și
Bevan este ceea ce numim noi astăzi celuloză. Formula chimică este (C6H10O5)n
unde n variază între 700 - 800 și 2500 - 3000. Celuloza este formată din
molecule de glucoză unite în poziția 1-4. Este o substanță organică, un polimer
sau mai specific o polizaharidă care este formată din peste 3 000 de molecule
de glucoză. Un polimer este o macromoleculă formată din molecule mai mici care
se repetă (glucoza în acest caz). Acest lucru explică faptul că structura
celulozei este formată din molecule de glucoză sau C6H12O6.
Atomii de hidroxil sunt grupați ordonat
precum structura cristalului în lanțul de celuloză. Legăturile de hidrogen în
regiunile cristaline sunt puternice ducând la insolubilitate în majoritatea
solvenților. Ei împiedică celuloza să se topească. În regiunile mai puțin
ordonate lanțurile sunt mult mai depărtate și mai dispuse la combinarea
hidrogenului cu alte molecule precum apa. Deoarece elementele componente ale
celulozei sunt nemetale celuloza prezintă legături covalente. Rezultă astfel o
structură filiformă a lanțului macromolecular celulozic. Datorită structurii
(celuloza este formată dintr-un singur monomer) este numită polizaharidă și nu
poate fi digerată de oameni. Din punct de vedere chimic este un carbohidrat,
adică o polizaharidă. Hidroxilii celulozei reacționează cu aldehidele și formează
acetații. Această reacție duce la stabilitate. Animalele precum vacile, oile,
caii și alte ierbivore au enzimele necesare digerării acestui material mărind
viteza hidrolizei celulozei și transformând-o în glucoză. Omul nu are aceste
enzime.
Producerea
Polizaharidele, precum celuloza sunt
produse eliminând apa conținută în moleculele monozaharoase. În acest caz
glucoza este monozaharidă. Companiile de bumbac și alte fabrici de materiale
textile împreună cu alte metode folosesc acest proces pentru a rafina celuloza.
Cea mai pură varietate de celuloză se obține din bumbac prin egrenarea
(îndepărtarea semințelor) și apoi spălarea vatei din capsulele plantei de
bumbac. Această varietate este folosită aproape exclusiv în scopuri textile.
O celuloză mai puțin pură se obține din
lemn, stuf sau paie. În acestea celuloza este amestecată cu diferiți componenți
necelulozici, numiți irecruste (lignină, oligozaharide, ceruri, rășini.), care
trebuie îndepărtați. Separarea se poate face cu ajutorul unor reactivi acizi
sau bazici care dizolvă incrustele, eliberând cea mai mare parte a materialului
celulozic util. Printre reactivii folosiți, cel mai întrebuințat este bisulfitul
de calciu, Ca(HSO3)2 (în procedeul bisulfitic) sau amestecul de sulfat de sodiu
și hidroxid de sodiu (în procedeul sulfat). Celuloza rezultată este supusă
albirii și servește la fabricarea hârtiei sau la chimizare.
Proprietati fizice
- Formula:
(C6H10O5)n
- Culoarea:
poate fi opacă sau transparentă; deoarece este foarte stabilă poate
rezista la umezeală sau la contactul cu alte grăsimi foarte bine, dar
fiind ușor distrusă la contactul cu acizii.
- Punctul de
topire: necunoscut
- Punctul de
fierbere: necunoscut
- Temperatura
de descompunere: 2600°C
- Densitatea
(în stare naturală): între 1,27 - 1,60 g/ml
- Masa: 162g
- Compoziția:
44,4% din componența celulozei este carbon; 6,2% hidrogen; 49,4% oxigen.
Celuloza este o substanță amorfă, de culoare albă, insolubilă în apă sau în
solvenți organici. Deși se umflă nu se dizolvă în apă. Este solubilă în
hidroxid de tetraaminocupric [Cu(NH3)4](OH)2, numit și reactiv Schweizer.
Nu are gustul dulce caracteristic zaharidelor. Prin hidroliză enzimatică
celuloza formează celobioza (dizaharida) care, hidrolizată enzimatic, conduce
la glucoză. Organismul uman nu are enzimele necesare hidrolizării celulozei. De
aceea celuloza nu este o substanță nutritivă pentru om.
Structura filiformă a macromoleculelor de celuloză a permis orientarea lor
paralelă și realizarea unui număr mare de legături de hidrogen între grupările
hidroxil din macromoleculele învecinate. În felul acesta macromoleculele de
celuloză sunt foarte strâns împachetate iar firul de celuloză este rezistent.
Celuloza este hidroscopică, reține apa prin legături de hidrogen și de
aceea se recomandă purtarea lenjeriei de corp confecționată din bumbac.
Proprietati chimice
Deoarece conține un număr mare de grupări de hidroxil, reacționează cu acizi
și formează esteri sau cu alcool și formează eteri. Din modul în care celuloza
reacționează cu diferiți reactivi s-a dedus că în macromolecula ca fiecare rest
de glucoză prezintă trei grupări hidroxil capabilă să reacționeze chimic.
Grupările hidroxil din celuloză au reactivitate normală și participă la
reacțiile specifice lor: formarea de eteri, de esteri, de alcooli. După numărul
grupărilor hidroxil dintr-un rest glucozic, care participă la asemenea reacții
se obțin produși cu diferite grade de transfer.
Tratată cu amestec de acid acetic și anhidridă acetică, celuloza poate forma
mono-, di- sau tri-acetatul de celuloză. Prin tratare cu soluții concentrate de
hidroxid de sodiu, celuloza formează un produs de tip alcoolat (alcoxid),
denumit alcaliceluloză, ce poate avea, de asemenea, diferite grade de
transformare. Asemenea produși sunt obținuți și folosiți direct la fabricarea
fibrelor artificiale. Fibrele de celuloză din bumbac au lungimi de 20-30 mm și
de aceea pot fi toarse în fire care apoi se țes. Fibrele celulozice din lemn
sunt foarte scurte, 3-5 mm și încercarea de a le toarce nu a condus la nici un
rezultat. Prin prelucrare fizico-chimică a acestora s-au realizat fibrele
artificiale, denumite curent mătase artificială (au luciu asemănător cu cel al
mătăsii naturale).
Se cunosc astăzi mai multe procedee de fabricat mătase artificială.
Procedeul vâscoză se bazează pe relația ce are loc între alcoliceluloză și
sulfura de carbon, CS2 prin care se obține xantogenatul de celuloză. Acesta
este solubil în soluție de hidroxid de sodiu, formând o soluție coloidală,
vâscoasă, vâscoza (de unde și numele procedeului). Trecută prin orificii foarte
fine într-o baie de acid sulfuric diluat (filare umedă) soluția de vâscoză se
neutralizează, iar xantogenatul se descompune în celuloză și sulfură de carbon.
Pe această cale celuloza se regenerează sub forma unui fir continuu, deși
provine din fibre foarte scurte din lemn. Dacă celuloza este supusă fierberii
cu un acid mineral (acid clorhidric sau sulfuric) concentrat, ea se descompune
într-un produs care se dovedește a fi glucoză.
Utilizare
Celuloza este utilizată la obținerea substanțelor explozibile de tip pulbere
fără fum; a mătăsii artificiale de tip vâscoză (milaneză) și a mătăsii acetat;
a nitrolacurilor și nitroemailurilor (lacuri de acoperire cu uscare rapidă și
luciu puternic); a celofanului. Este o materie primă de mare valoare economică
și constituie punctul de plecare în fabricarea unor produse importante, dintre
care cea de hârtie ocupă un loc principal (a fost folosită pentru obținerea
hârtiei încă din secolul al II-lea).
Se întâlnește în cantități mari în aproape toate plantele și este o
principală sursă de hrană. Are proprietăți de reducere a valorii calorice a
unor alimente dacă în acestea se adaugă celuloză cristalizată. Mătasea vâscoză
este întrebuințată la fabricarea diferitelor țesături precum și a cordului
pentru anvelope. Dacă soluția de vâscoză este filată, printr-o fontă fină în
baie de acid sulfuric diluat și glicerină, se obțin folii dintr-un produs larg
folosit-celofanul. Produse care conțin celuloza: bureți, sprayuri pentru
alergie sau pudre, benzi medicale. Celuloza este foarte ieftină pentru că este
foarte abundentă.
