Контрольная работа по "Химической технологии древесины"

 

Министерство образования и науки  РФ

ФГБОУ ВПО “Сибирский  государственный

технологический университет”

 

Лесосибирский филиал

 

Кафедра технологии производств в лесном комплексе

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

по дисциплине «Химическая  технология древесины»

 

(ТПЛК 000000.023 КР)

 

 

 

 

 

 

 

Руководитель:

______________

(подпись)

______________

  (оценка, дата)

Разработал:

Студент группы  71-3

_______________                                   (подпись)

 

 

Лесосибирск 2013

Содержание

Введение…………………………………………………………………….……..3

1. Тонкое строение клеточных стенок. Первичная и вторичная оболочки……………………………………………..……………………….4
2. Степень полимеризации и полидисперсность целлюлозы…..……..……..7
3. Надмолекулярная структура целлюлозы…….……………………………..8
4. Карбоксиметилцеллюлоза……………………………………………….......9
5. Особенности химических реакций лигнина как полимера……...............11
6. Экстрактивные вещества древесины……………………………………...15
7. Что представляет собой гидролизат, какие основные химические соединения входят в его состав…………………………………………....16
8. Компоненты, входящие в состав парогазов пиролиза, их использование и утилизация ………………………………………………………………….18
9. Живица, основные группы химических соединений, входящих в её состав. Как заготавливают живицу …………………………………….…19
10. Древесная зелень, ее химический состав………………………………….20

Заключение………………………………………………………………….……23

Библиографический список…………………………………………………...24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Древесина - сложный комплекс, как в биологическом, так и в химическом отношении. Она состоит в основном (99%) из органических веществ.

Примерно 70% органических веществ древесины составляют углеводы, около 50% от массы древесины - целлюлоза. Остальная часть углеводов - нецеллюлозные полисахариды, называемые гемицеллюлозами. Около 30% древесины - вещества ароматической природы. Эту часть древесины называют лигнином. Небольшую часть древесины составляют так называемые экстрактивные вещества, т.е. вещества способные извлекаться из древесины нейтральными растворителями. Это в основном низкомолекулярные вещества. Основные компоненты древесины, углеводы и лигнин, относятся к высокомолекулярным соединениям. Высокомолекулярные соединения, или полимеры, получили свое название благодаря их высокой молекулярной массе. По своим свойствам они отличаются от других соединений. Высокомолекулярные соединения составляют главную часть сухого вещества растительных и животных организмов и играют исключительную роль в жизни и деятельности человека.

Элементный состав органической части древесинного вещества у различных  древесных пород практически одинаков: 49…50% углерода, 43…44% кислорода, около 6% водорода и 0,1…0,3% азота по отношению к массе абсолютно сухой древесины.

Органические вещества в основном представляют собой высокомолекулярные соединения (полимеры) и лишь сравнительно малую долю составляют низкомолекулярные соединения. Структурные компоненты древесины — это вещества, образующие клеточную стенку, они представлены исключительно высокомолекулярными соединениями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Тонкое строение клеточных стенок. Первичная и вторичная оболочки

 

          Оболочка молодых клеток представляет собой очень тонкую кожицу или пленку, едва достигающую 0,001 мм, очень нежную, стекловидную, прозрачную, эластичную и легкопроницаемую для воды и водных растворов. Оболочка — это продукт деятельности протопласта и жизненными функциями не обладает. После отмирания протопласта клетка, несмотря на целость оболочки, будет мертвой. Древесина растущего дерева (в первую очередь ядровая часть) в основном, а срубленная древесина полностью состоят из таких клеток, с отмершим протопластом, т. е. только из клеточных оболочек. В момент образования оболочки клеток древесина состоит из пектиновых соединений, которые, однако, спустя непродолжительное время превращаются в целлюлозу; так, по имеющимся данным, оболочки трахеид сосны в зоне камбия на 85% состоят из целлюлозы и сопровождающих ее гемицеллюлоз. Микрохимическая реакция для обнаружения целлюлозы под микроскопом заключается в синем или фиолетовом окрашивании ее хлорцинкиодом. Клетчатка, или целлюлоза, относится к органическим соединениям (полисахаридам), не содержащим в своем составе азота, родственным крахмалу и сахару; она обладает нейтральной реакцией. Формула целлюлозы следующая: (С₆Н₁₀О₅), где п — коэффициент полимеризации. Макромолекула целлюлозы имеет нитевидную форму (цепная молекула) и состоит из п остатков глюкозы, соединенных главными валентностями в длинный ряд, в котором каждый из остатков глюкозы повернут относительно соседних остатков на 180° (см. структурную формулу). В состав макромолекул входит от 200 до 3500 остатков глюкозы (п = 200÷3500). Диаметр такой макромолекулы около 5,7 ангстрема, а длина от 1 х 10^-5 до 1,8 х 10^-4 см.

         В процессе развития в зависимости от выполняемых клеткой функций оболочка претерпевает существенные изменения в размере, строении и составе. Наиболее частое изменение в составе клеточных оболочек — их одревеснение и опробковение.Одревеснение оболочки заключается в появлении нового органического вещества — лигнина. Микрохимическая реакция для обнаружения лигнина под микроскопом состоит в красно-фиолетовом окрашивании от флороглюцина с соляной кислотой или в желтом окрашивании от сернокислого анилина. Одревеснение происходит при жизни клеток и является результатом деятельности протопласта; содержание лигнина в волокнистых элементах древесины сосны, ели, березы и осины увеличивается в процессе роста и формирования оболочек. Одревесневшие клетки или совсем прекращают свой рост, или способны увеличиваться в размерах в значительно меньшей мере, чем клетки с целлюлозными оболочками.

 

          Рост оболочек происходит двояким путем. Поверхностный рост, т. е. увеличение общих размеров клетки, обусловливается внедрением в промежутки между частицами вещества оболочки новых таких же частиц; рост же в толщину или утолщение оболочек происходит в результате отложения протопластом изнутри новых слоев, которые, однако, откладываются не сплошь, а оставляют в оболочке неутолщенные места, или поры, служащие для сообщения между клетками. Общепринята схема строения клеточной оболочки.

 

 

 

 

 

 

Рис.1. Схема строения оболочки трахеиды: а — поперечный разрез; б — модель строения оболочки: М — межклеточное вещество: Р — первичная стенка; S — вторичная стенка; S₁ — внешний слой; S₂ — центральный слой; S₃ — внутренний слой.

             Вполне сформировавшаяся клеточная оболочка включает первичную Р и вторичную S стенки. Между соседними клетками находится межклеточное вещество М. Раньше две первичные стенки двух соседних клеток с межклеточным веществом объединяли под общим названием срединная пластинка. Теперь этот термин чаще используют по отношению к одному межклеточному веществу, имеющему аморфное строение и состоящему из лигнина и нектополиуронидов. Основные структурные элементы первичной и вторичной стенок клеточной оболочки — целлюлозные волоконца (микрофибриллы), Поперечные размеры микрофибрилл колеблются от 50 до 200 А, по некоторым данным,—до 300 А; длина микрофибрилл может быть разной.В первичной стопке, имеющей небольшую толщину, не обнаруживается четкой ориентации микрофибрилл, которые образуют сложную сетчатую структуру. Вторичная стенка состоит из трех слоев. В тонком внешнем слое S₁ вторичной стенки микрофибриллы компактно уложены и направлены по пологим (под углом 70—90° к продольной оси клетки) спиралям. Иногда микрофибриллы ориентированы по встречным спиралям, как показано на рис. 13, б. В мощном центральном слое S₂ вторичной стенки параллельно расположенные микрофибриллы направлены по очень крутым спиралям; угол наклона менее 30°, и часто направление микрофибрилл почти полностью совпадает с продольной осью клетки.

           Слой S₂ в свою очередь включает ряд наслоений, несколько отличающихся друг от друга по расположению микрофибрилл. У тонкого внутреннего слоя S₃ можно проследить расположение микрофибрилл по спиралям, направленным под большим углом к продольной оси клетки. В слое S₃ встречаются бородавчатые образования. Фибриллярная структура на границе между центральным S₂ и внутренним S₃ (см. рис. 13) слоем вторичной стенки черного тополя ясно видна на электронной микрографии (рис. 14). Заметно бородавчатое образование. Микрофибрилла состоит из длинных нитевидных цепных молекул целлюлозы.           Согласно новой мицеллярной теории целлюлозное волокно включает не только кристаллические, но и аморфные области. Под мицеллой в новом толковании понимается участок волокна, на котором цепи располагаются на минимальном расстоянии друг от друга и прочно удерживаются межмолекулярными силами.В клеточной оболочке, кроме целлюлозы, содержатся (в меньших количествах) и другие органические вещества: лигнин и гемицеллюлозы. В межклеточном веществе М и прилегающих к нему первичных стенках Р соседних трахеид содержится основная масса лигнина (70%, а по некоторым данным до 90% всего количества) .Во вторичной стенке содержится наибольшая часть целлюлозы. Лигнин и гемицеллюлозы размещаются преимущественно между микрофибриллами. Однако существуют предположения, что лигнин проникает также внутрь микрофибрилл. Оболочка обладает сложным строением, с которым тесно связаны механические свойства древесины. Насколько высоки эти свойства, можно видеть из того, что волокна растений в определенном отношении выдерживают сравнение с металлами. Механические ткани растений по прочности при растяжении близки к строительной стали; деформация их (удлинение) в 8—15 раз больше, чем у стали, и они остаются упругими до разрушения. По способности противостоять без остаточных деформаций ударным нагрузкам механическая ткань превосходит строительную сталь и стоит на одном уровне с инструментальной сталью.Строение клеточной оболочки имеет важное практическое значение еще и потому, что оно объясняет явления усушки и разбухания, а также влияние влажности на механические свойства древесины.

 

 

         2 Степень полимеризации и полидесперсность целлюлозы

Степень полимеризации целлюлозы позволяет охарактеризовать степень деструкции целлюлозы в результате различных химических, физических и биологических воздействий, в том числе при варке целлюлозы, ее отбелке и размоле целлюлозной массы в производстве бумаги.  Определение средней степени полимеризации целлюлозы необходимо и для оценки пригодности целлюлозы для той или иной химической переработки.

Свойства целлюлозы и искусственных  полимеров на ее основе, такие как механическая прочность, растворимость, свойства растворов зависят не только от средней степени полидесперсности, но и от неоднородности по молекулярной массе (полидисперсности). Среднюю молекулярную массу или степень полимирезации целлюлозы и распределение по молекулярной массе (ММР) определяют в разбавленных растворах различными физико-химическими методами, применяемыми для исследования полимеров.

В практике анализа технических  целлюлоз наиболее широкое применение нашел вискозиметрический метод. Основные трудности при этом связаны с подбором растворителей и с определением нужных для расчетов констант.

Простейшую характеристику полидисперсности полимеров дает отношение среднемассовой молекулярной массы к среднечисленной Mw I Мп. У целлюлозы это отношение близко к двум. Полную характеристику неоднородности полимера по молекулярной массе дает молекулярно-массовое распределение, представляемое в виде кривых ММР и определяемое различными методами фракционирования.

Степень полимеризации  природной древесной целлюлозы  очень высокая и составляет около 6000—14 000, а у хлопковой целлюлозы СП может достигать 20000. Степень полимеризации определяет длину линейных макромолекул целлюлозы, а следовательно, и те свойства целлюлозы, которые зависят от их размера, например механические свойства целлюлозы и получаемых из нее бумаги, картона, волокон.

Любой образец целлюлозы  состоит из макромолекул различной длины, т. е. является полидисперсным. Поэтому степень полимеризации всегда определяется как средняя величина. Свойства целлюлозы зависят не только от средней СП, но и от распределения макромолекул по длине, т. е. от полидисперсности. Образцы с одинаковой средней СП могут иметь совершенно различный молекулярный состав. В одном образце может оказаться мало коротких цепей, но мало и длинных, а в другом будет много тех и других. Короткие цепи снижают механические свойства, длинные цепи повышают вязкость растворов целлюлозы, что затрудняет ее переработку на волокна и пленки.

 

3 Надмолекулярная структура целлюлозы

 

         Одним из основных факторов, определяющих свойства целлюлозы, является надмолекулярная структура.

         Фибриллы и мицеллы образуются из макромолекул целлюлозы. Физические свойства вещества древесины в значительной степени зависят от строения и свойств этих макромолекул. Химическая формула целлюлозы, имеет вид -[C₆H₁₀O₅]_n-, где степень полимеризации n может изменяться в довольно широких пределах (n=10²...10⁵).