Akademia Techniczno-Humanistyczna

w Bielsku-Białej

Wydział Nauk o Materiałach i Środowisku

Włókiennictwo

Rok II Semestr III

Ćwiczenie nr1

Temat: Analiza Celulozy

Hiniuial

1. Wstęp teoretyczny

2. Przebieg ćwiczenia

3. Obliczenia

4. Wnioski

1. Wstęp teoretyczny:

Celuloza zaliczana jest do cukrów złożonych, jej budowę cząsteczkową wyraża się wzorem: (C₆H₁₀O₅)_n, gdzie n oznacza liczbę ogniw glikozowych w cząsteczce. Między ogniwami występują wiązania glikozydowe między pierwszym a czwartym atomem węgla. Stanowi więc ona polimer glikozy, zbudowany głownie z identycznych ogniw merowych z wyjątkiem dwóch najbardziej zewnętrznych.

Preparat czystej celulozy składa się z cząsteczek o różnej wielkości łańcucha. Sama celuloza jest substancją bezbarwną, pozornie białą - wrażenie to jest wynikiem zróżnicowanego współczynnika załamania światła.

Rysunek 1: Cząsteczka Celulozy [1]

W celulozie, zarówno pochodzenia drzewnego jak i bawełnianego, występują odstępstwa od przedstawionego powyżej modelu cząsteczki, przy czym częstsze są one dla celulozy drzewnej.

W celulozie naturalnej liczba ogniw wacha się od dwóch do dziesięciu tysięcy, natomiast w celulozie która uległa degradacji w skutek różnych czynników nie przekracza ona dwóch tysięcy.

W celulozie występują wiązania międzycząsteczkowe, zwane wiązaniami wodorowymi, związane to jest z obecnością grup hydroksylowych w cząsteczce..

Wiązania wodorowe maja dla celulozy duże znaczenie, wpływają na jej właściwości takie jak: pęcznienie, rozpuszczalność, higroskopijność, zdolność do reakcji chemicznej.

Rozpuszczenie celulozy wymaga oddziaływania cząsteczek rozpuszczalnika z grupami hydroksylowymi celulozy, w wyniku których następuje zerwanie wiązań wodorowych. Szczególnie istotne jest pękanie wiązań międzycząsteczkowych (intermolekularnych), łączących łańcuchy celulozy. [2]

Obecnie znane są cztery odmiany krystaliczne celulozy:

Celuloza I - jest najczęściej spotykaną odmianą celulozy. W strukturze tej odmiany łańcuchy celulozy ułożone są w równoległych warstwach. Łańcuchy z każdych warstw są utrzymywane układem silnych wiązań wodorowych a za spójność sąsiednich warstw odpowiadają oddziaływania van der Waalsa. Budowa taka powoduje dużą wytrzymałość celulozy.

Celuloza II - jest najstabilniejszą termodynamicznie odmianą celulozy. Różni się ona od celulozy I tym, że w strukturze sąsiednie łańcuchy celulozy mają przeciwną orientację. Celuloza II ma o wiele mniejszą wytrzymałość niż Celuloza I. Forma ta dominuje w większości włókien sztucznych np: włókien wiskozowych. Celulozę II otrzymuje się głównie z Celulozy I w procesie merceryzacji.

Celuloza III - odmiana poliformiczna celulozyII uzyskana przez modyfikację celulozy amoniakiem.

Celuloza IV- odmiana poliformiczna celulozy I uzyskana przez tzw. obróbkę hydrotermiczną tj. ogrzewanie w środowisku alkalicznym do260° lub w atmosferze inertnej helu w 280° [2]

W celu uzyskania czystej celulozy podstawowy surowiec - drewno - poddaje się obróbce mającej na celu rozpuszczanie i usunięcie wszystkich nie celulozowych elementów, takich jak woski, żywice, lignina, proteiny i inne.

Najczęstszą z stosowanych metod jest metoda kwaśna siarczynowa, w której na surowiec działa się tzw. kwasem warzelnym, tzn. roztworem Ca(HSO₃)₂ w którym znajduje się nadmiar wolnego dwutlenku siarki. Innymi stosowanymi środkami są na przykład ług sodowy lub siarczanu sodowego.

Otrzymana masa celulozowa jest na ogół nierównomierna i posiada bardzo zróżnicowane wielkości cząsteczek składowych. Charakteryzuje się ją na podstawie zawartośc alfa, beta i gamma celulozy.

Alfa-celulozą nazywa się celulozę nie rozpuszczalną w 18% ługu sodowym w temperaturze 20˚C. Pozostałe odmiany celulozy zaliczane są do tzw. hemicelulozy.

Beta-cleluloza wytraca się z roztworu 18% ługu sodowego (w którym ulega rozpuszczeniu w temperaturze 20˚C), po jego neutralizacji i zakwaszeniu słabym kwasem octowym.

Gamma-celuloza nie wytrąca się po neutralizacji roztworu po jego zakwaszeniu, co stanowi czynnik wykorzystywany do odróżniania jej od Beta-celulozy.

Na podstawie badań stwierdzono, że stopień polimeryzacji alfa-celulozy jest wyższy od 200, beta-celulozy leży w granicach 10-20, a gamma-celulozy leży poniżej 10.

Do produkcji włókna potrzeba celulozy o dużym udziale alfa-celulozy, ponieważ pozostałe jej odmiany powodują zahamowanie szybkości absorpcji ługu sodowego podczas merceryzacji, oraz pogarszają jakość wyrobu. Jednak usunięcie ich z masy celulozowej wymagało by zastosowania dużej ilości ługu sodowego, dlatego szuka się mas celulozowych o maksymalnie dużym udziale odmiany alfa.

Zawartość procentową alfa-celulozy oblicza się ze wzoru:

(1)

gdzie:

a - ciężar wysuszonej alfa-celulozy w gramach

n - ilość masy celulozowej użytej do oznaczenia w gramach

s - zawartość substancji suchej w masie użytej do oznaczenia, w procentach

Z kolei sumaryczną zawartość beta i gamma celulozy oznacza się ze wzoru:

(2)

gdzie:

a - ilość 0.1 n roztworu tiosiarczanu sodowego zużytego do odmiareczkowania właściwej próbki, w mililitrach,

b - ilość 0.1 normalnego roztworu tiosiarczanu sodowego zużyta na odmiareczkowanie ślepej próby - w mililitrach,

G - ilość suchej masy celulozowej użyta do oznaczenia w gramach.

50m l roztworu pobranego do miareczkowania odpowiada 12.5 ml przesączu po alfa-celulozie.

2. Przebieg ćwiczenia

W celu przeprowadzenia badania składu mieszanki celulozowej, wykonaliśmy preparaty w dwóch kolbach miarowych, z których zawartość jednej stanowiła tzw. próba ślepa i zawierała sam dwuchromian potasu. Druga zawierała oprócz niego 50ml roztworu, odpowiadającego 12.5 ml przesączu po alfa celulozie. Obie kolby uzupełniliśmy wodą destylowaną do uzyskania tej samej objętości.

Następnie miareczkowaliśmy zawartość obu kolb mianowanym roztworem tiosiarczanu sodowego do momentu zmiany barwy. Wyniki zamieściliśmy w tabeli i podstawiliśmy do wzoru.

3. Obliczenia

Numer próby	Ilość zużytego roztworu tiosiarczanu sodowego (w ml)
I	7.0
II (ślepa)	4.1

Korzystając ze wzoru (2) podstawiamy wartości:

Następnie obliczamy błąd pomiarowy:

4. Wnioski:

Zawartość celulozy w próbce okazała się niewielka. Samo badanie było mało skomplikowane, a obliczenie wyniku nie dostarczyło zbędnych ilości. Problem pojawił się przy obliczeniu błędu, jednak jest to jedynie efekt nie zrozumienia zagadnienia błędu statystycznego przez osobę odpowiedzialną za część obliczeniową ćwiczenia.

Wynika stąd że ustalanie ilości beta i gamma celulozy przez miareczkowanie jest metodą szybką i dość dokładną dla celów dydaktycznych. Jej przydatność w celach badawczych zależy od wymaganych w nich dokładności wyników pomiarów. Odchylenia od wyników pomiarowych są głównie wynikiem trudności w ustaleniu dokładnego końca miareczkowania i odczycie z biurety (zależnym od kąta obserwacji).

[1] J. Mc. Murry "Chemia Organiczna" Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2003

[2] Chemia Stosowana w Drzewnictwie III http://andrzej_radomski.users.sggw.pl/ 20 grudnia 2010 godzina 21:29

Rysunek 2: Wiązanie wodorowe w cząsteczce celulozy [2]

---