Celuloză

Celuloză
Identificare
Număr CAS	9004-34-6
ChEMBL	CHEMBL1201676
Masă molară	370,147512 u.a.m.
Proprietăți
Densitate	1,5 g/cm³
Presiune de vapori	0 mm Hg
Sunt folosite unitățile SI și condițiile de temperatură și presiune normale dacă nu s-a specificat altfel.

Celuloza este un compus organic natural din categoria polizaharidelor, fiind constituentul principal al membranelor celulelor vegetale. Împreună cu lignina (un compus macromolecular aromatic) și alți compuși macromoleculari, intră în structura pereților celulelor vegetale și conferă organismelor vegetale rezistență mecanică și elasticitate. Aceasta are aceeași formulă brută ca și amidonul, (C₆H₁₀O₅)_n, unde n poate atinge cifra miilor. Celuloza este constituită dintr-o catenă liniară, în care se regăsesc mii de unități de D-glucoză, legate între ele prin intermediul unor legături β(1→4).

Molecule de glucoză înlănțuite formând celuloza.

Istoric

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 prin descompunerea în glucoză.

Anselme Payen este cel care a izolat celuloza pentru prima dată din lemn în 1838.

În prezent celuloza este polizaharida cea mai răspândită în natură. Procesul de prelucrare este îmbunătățit prin contribuția cercetătorilor științifici inclusiv în genetica plantelor (mulți fermieri fiind interesați de mutațiile genetice pentru a produce cantități mai mari de bumbac).

Surse naturale

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.

Structură

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.

Glucoza este o substanță care are rol foarte important în respirația celulară și în fotosinteză:
CO2 (g) + H2O (l) + lumină = C6H12O6 (s) + O2 (g) (ecuația fotosintezei).

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.

Obținere

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.

Proprietăți 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 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 higroscopică, reține apa prin legături de hidrogen și de aceea se recomandă purtarea lenjeriei de corp confecționată din bumbac.

Proprietăți 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.

Derivați de celuloză

Nitratul de celuloză a fost primul material plastic realizat cu succes în 1869 prin transformarea celulozei în nitrat. Este folosită în industrie pentru confecționarea lacurilor (1920 - folosită pentru prima dată), pieselor de toaletă. Este folosită și la explozibili.Tratată duce la formarea vâscozei sau celuloza acetată folosită pentru lacuri.

Acetatul de celuloză a fost produsă din reacția celulozei cu acidul acetic, anhidridă acetică și catalizatori. A fost folosită pentru prima dată în 1930. E utilizată în confecția materialelor de împachetat, a jucăriilor, uneltelor, izolatorilor și ochelarilor. Este cel mai ieftin material produs. Este solubilă în solvenți organici precum acetona și poate fi modelată în forme diferite sau trasă în fire. Procedeul acetat realizează mătasea acetat, folosind acetatul de celuloză. Soluția acestuia în acetonă este supusă filării la cald (uscată). Solventul se evaporă și este recuperat, iar firul de acetat de celuloză coagulează și se întărește. Țesăturile de mătase acetat sunt mai rezistente dar mai puțin higroscopice decât cele din mătase viscoză. În România, fibrele artificiale se fabrică prin procedeul vâscoză la Brăila, Lupeni și Popești-Leordeni.

Celuloza etilică rezultă atunci când celuloza este tratată cu sulf sau clor etilic. Este folosită în comerț, pentru extinctoare și în industria electronicelor. Este cea mai scumpă celuloză.

Mătasea artificială a fost produsă în 1884 pentru a fi folosită în industria confecțiilor dar a fost scoasă repede de pe piață deoarece era inflamabilă. Acum mătasea artificială e folosită ca materie primă pentru haine și este fibra cea mai utilă omului.

Utilizări

Celuloza este utilizată la obținerea substanțelor explozibile de tip pulbere fără fum; a mătăsii artificiale de tip viscoză (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.