Celuloza (C₆H₁₀O₅)_n

I. Istoric

Celuloza a fost prezenta pe Terra de cand au aparut copacii si plantele fiind constituentul principal al peretilor celulari vegetali. Datorita acestui fapt nu exista o data anume pentru descoperirea ei; a aparut inainte de nasterea omului. Recunoasterea celulozei ca fiind un constituent principal al peretelui celular vegetal a fost in

Fig.1: Hartia (cea mai utilizata celuloza) Supplyed by comteche.com

anul 1838 datorita descoperirilor botanistului francez Anselme Payen care a izolat celuloza pentru prima data din lemn. Atunci a fost inteleasa structura sa. In prezent celuloza este polizaharida cea mai raspandita in natura si se afla sub observatia oamenilor de stiinta producandu-se schimbari in procesul de prelucrare, utilizari si genetica plantelor (multi fermieri fiind interesati de mutatiile genetice pentru a produce cantitati mai mari de bumbac).

II. Surse de celuloza

Apare in stare pura in componenta bumbacului. Din acesta se obtine cea mai pura celuloza prin indepartarea semintelor si spalarea vatei din capsulele de bumbac, iar celuloza rezultata este folosita in industria textila deoarece are un procent de 91% celuloza. Se gaseste in combinatie cu lignina  in lemn (40-60%). Fibrele de celuloza prezente in lemn sunt sub forma unui polimer complex: lignina. Acesta tratat cu substante alcaline duce la formarea hartiei. Alte surse sunt inul, canepa, stuful (50%). Formarea celulozei in plante este rezultatul unui proces de biosintez fotochimica. Peretele celular vegetal este alcatuit din celuloza cu exceptia catorva tipuri de alge. Celuloza este organizata in microfibre. Structura confera rigiditate plantei si un mediu poros favorabil circulatiei apei, mineralelor si altor substante nutritive. Celuloza formeaza partile de sustinere ale plantelor impreuna cu lignina si alte substante necelulozice, si confera acestora elasticitate. Multe din speciile de plante care contin un nivel ridicat de celuloza sunt benefice omului.

Numeroasele grupari hidroxil existente de-a lungul lantulului, in resturile glucozice, formeaza intre ele un numar urias de legaturi de hidrgen care impacheteaza foarte strans lanturile macromoleculare si confera celulozei structua macroscopica de fir. Desi este considerat ca fiind produs de plante si unele bacterii produc celuloza.

III. Structura celulozei

Timp de multi ani s-a acceptat ca celuloza este un lant lung de polimeri, alcatuit din glucoza. In anii 1900 celuloza a fost descrisa mai amanuntit de Cross si Bevan. Ei au indepartat partile vegetale prezente in mod normal in celuloza prin dizolvarea lor in solutie concentrata de dioxid de sodiu. Partea care nu s-a dizolvat a fost numita a-celuloza. Materialul solubil (ß-celuloza si γ-celuloza) s-a dovedit mai tarziu a nu fi celuloza ci zaharuri si carbohidrati.

Fig.2: Molecula de celuloza

Astfel α-celuloza descoperita de Cross si Bevan este ceea ce numim noi astazi celuloza. Formula chimica este (C₆H₁₀O₅)_n unde n variaza intre 700 - 800 si 2500 - 3000. Celuloza este formata din molecule de glucoza unite in pozitia 1-4. Este o substanta organica, un polimer sau mai specific o polizaharida care este formata din peste 3 000 de molecule de glucoza. Un polimer este o macromolecula formata din molecule mai mici care se repeta (glucoza in acest caz). Acest lucru explica faptul ca structura celulozei este formata din molecule de glucoza sau C₆H₁₂O₆.

Fig.3: Structura moleculei de celuloza (in dreapta - forma compacta). Este foarte asemanatoare cu cea a moleculei de glucoza.

Glucoza este o substanta care are rol foarte important in respiratia celulara si in fotosinteza:
CO₂ (g) + H₂O (l) + lumina = C₆H₁₂O₆ (s) + O₂ (g) (ecuatia fotosintezei).

Atomii de hidroxil sunt grupati ordonat precum structura cristalului in lantul de celuloza. Legaturile de hidrogen in regiunile cristaline sunt puternice ducand la insolubilitate in majoritatea solventilor. Ei impiedica celuloza sa se topeasca. In regiunile mai putin ordonate lanturile sunt mult mai departate si mai dispuse la combinarea hidrogenului cu alte molecule precum apa. Deoarece elemntele componente ale celulozei sunt nemetale celuloza prezinta legaturi covalente. Rezulta astfel o structura filiforma a lantului macromolecular celulozic. Datorita structurii (celuloza este formata dintr-un singur monomer) este numita polizaharida si nu poate fi digerata de oameni. Din punct de vedere chimic este un carbohidrat, adica o polizaharida. Hidroxilii celulozei reactioneaza cu aldehidele si formeaza acetatii. Aceasta reactie duce la stabilitate. Animalele precum vacile, oile, caii si alte ierbivore au enzimele necesare digerarii acestui material marind viteza hidrolizei celulozei si transformand-o in glucoza. Omul nu are aceste enzime.

IV. Producerea celulozei

Polizaharidele, precum celuloza sunt produse eliminand apa continuta in moleculele monozaharoase. In acest caz glucoza este monozaharida. Companiile de bumbac si alte fabrici de materiale textile  impreuna cu alte metode  folosesc acest proces pentru a rafina celuloza. Cea mai pura varietate de celuloza se obtine din bumbac prin egrenarea (indepartarea semintelor) si apoi spalarea vatei din capsulele plantei de bumbac. Aceasta varietate este folosita aproape exclusiv in scopuri textile.

O celuloza mai putin pura se obtine din lemn, stuf sau paie. In acestea celuloza este amestecata cu diferiti componenti necelulozici, numiti irecruste (lignina, oligozaharide, ceruri, rasini.), care trebuie indepartati. Separarea se poate face cu ajutorul unor reactivi acizi sau bazici care dizolva incrustele, eliberand cea mai mare parte a materialului celulozic util. Printre reactivii folositi, cel mai intrebuintat este bisulfitul de calciu, Ca(HSO3)2 (in procedeul bisulfitic) sau amestecul de sulfat de sodiu si hidroxid de sodiu (in procedeul sulfat). Celuloza rezultata este supusa albirii si serveste la fabricarea hartiei sau la chimizare.

V. Proprietati fizice

Celuloza este o substanta amorfa, de culoare alba, insolubila in apa sau in solventi organici. Desi se umfla nu se dizolva in apa. Este solubila in hidroxid de tetraaminocupru [Cu(NH₃)₄](OH)₂, numit si reactiv Schweizer.

Nu are gustul dulce caracteristic zaharidelor. Prin hidroliza enzimatica celuloza formeaza celobioza (dizaharida) care, hidrolizata enzimatic, conduce la glucoza. Organismul uman nu are enzimele necesare hidrolizarii celulozei. De aceea celuloza nu este o substanta nutritiva pentru om.

Structura filiforma a macromoleculelor de celuloza a permis orientarea lor paralela si realizarea unui numar mare de legaturi de hidrogen intre gruparile hidroxil din macromoleculele invecinate. In felul acesta macromoleculele de celuloza sunt foarte strans impachetate iar firul de celuloza este rezistent.

Celuloza este hidroscopica, retine apa prin legaturi de hidrogen si de aceea se recomnda purtarea lenjeriei de corp confectionata din bumbac.

VI. Proprietati chimice

Deoarece contine un numar mare de grupari de hidroxil reactioneaza cu acizi si formeaza esteri sau cu alcool si formeaza eteri. Din modul in care celuloza reactioneaza cu diferiti reactivi s-a dedus ca in macromolecula sa fiecare rest de glucoza prezinta trei grupari hidroxil capabila sa reactioneze chimic. Gruparile hidroxil din celuloza au reactivite normala si participa la reactiile specifice lor: formarea de eteri, de esteri, de alcooli. Dupa numarul gruparilor hidroxil dintr-un rest glucozic, care participa la asemenea reactii se obtin produsi cu diferite grade de transfer.

Tratata cu amestec de acid acetic si anhidrida acetica, celuloza poate forma mono-, di- sau tri-acetatul de celuloza. Prin tratare cu solutii concentrate de hidroxid de sodiu, celuloza formeaza un produs de tip alcoolat (alcoxid), denumit alcoliceluloza, ce poate avea, de asemenea, diferite grade de transformare. Asemenea produsi sunt obtinuti si folositi direct la fabricarea fibrelor artificiale. Fibrele de celuloza din bumbac au lungimi de 20-30 mm si de aceea pot fi toarse in fire care apoi se tes. Fibrele celulozice din lemn sunt foarte scurte, 3-5 mm si incercarea de a le toarce nu a condus la nici un rezultat. Prin prelucrare fizico-chimica a acestora s-au realizat fibrele artificiale, denumite curent matase artificiala (au luciu asemanator cu cel al matasii naturale).

Se cunosc astazi mai multe procedee de fabricat matase artificiala. Procedeul vascoza se bazeaza pe relatia ce are loc intre alcoliceluloza si sulfura de carbon, CS2 prin care se obtine xantogenatul de celuloza. Acesta este solubil in solutie de hidroxid de sodiu, formand o solutie coloidala, vascoasa, vascoza (de unde si numele procedeului ). Trecuta prin orificii foarte fine intr-o baie de acid sulfuric diluat (filare umeda) solutia de vascoza se neutralizeaza, iar xantogenatul se descompune in celuloza si sulfura de carbon. Pe aceasta cale celuloza se regenereaza sub forma unui fir continuu, desi provine din fibre foarte scurte din lemn. Daca celuloza este supusa fierberii cu un acid mineral (acid clorhidric sau sulfuric) concentrat, ea se descompune intr-un produs care se dovedeste a fi glucoza.

VII. Derivati ai celulozei

Nitratul de celuloza a fost primul material plastic realizat cu succes in 1869 prin transformarea celulozei  in nitrat. Este folosita in industrie pentru confectionarea lacurilor (1920 - folosita pentru prima data), pieselor de tualeta. Este folosita si la explozibili.Tratata duce la formarea vascozei sau celuloza acetata folosita pentru lacuri.

Acetatul de celuloza a fost produsa din reactia celulozei cu acidul acetic, anhidrida acetica si catalizatori. A fost folosita pentru prima data in 1930. E utilizata in confectia materialelor de impachetat,  a jucariilor, uneltelor, izolatorilor si ochelarilor. Este cel mai ieftin material produs. Este solubila in solventi organici precum acetona si poate fi modelata in forme diferite sau trasa in fire. Procedeul acetat realizeaza matasea acetat, folosind acetatul de celuloza. Solutia acestuia in acetona este supusa filarii la cald (uscata). Solventul se evapora si este recuperat, iar firul de acetat de celuloza coaguleaza si se intareste. Tesaturile de matase acetat sunt mai rezistente dar mai putin higroscopice decat cele din matase vascoza. La noi in tara fibrele artificiale se fabrica prin procedeul vascoza la Braila, Lupeni si Popesti-Leordeni.

Celuloza etilica rezulta atunci cand celuloza este tratata cu sulf sau clor etilic. Este folosita in comert, pentru extinctoare si in industria electronicelor. Este cea mai scumpa celuloza.

Matasea artificiala a fost produsa in 1884 pentru a fi folosita in industria confectiilor dar a fost scoasa repede de pe piata deoarece era inflamabila. Acum matasea artificiala  e folosita ca materie prima pentru haine si este fibra cea mai utila omului.

Celuloidul (primul plastic).

VIII. Utilizari

Celuloza este utilizata la obtinerea substantelor explozibile de tip pulbere fara fum; a matasii artificiale de tip vascoza (milaneza) si a matasii acetat; a nitrolacurilor si nitroemailurilor (lacuri de acoperire cu uscare rapida si luciu puternic); a celofanului. Este o materie prima de mare valoare economica si constituie punctul de plecare in fabricarea unor produse importante, dintre care cea de hartie ocupa un loc principal (a fost folosita pentru obtinerea hartiei inca din secolul 2).

Se intalneste in cantitati mari in aproape toate plantele si este o principala sursa de hrana. Are proprietati de reducere a valorii calorice a unor alimente daca in acestea se adauga celuloza cristalizata. Matasea vascoza este intrebuintata la fabricarea diferitelor tesaturi precum si a cordului pentru anvelope. Daca solutia de vascoza este filata, printr-o fonta fina in baie de acid sulfuric diluat si glicerina, se obtin folii dintr-un produs larg folosit-celofanul. Produse care contin celuloza: bureti, spray-uri pentru alergie sau pudre, benzi medicale. Celuloza este foarte ieftina pentru ca este foarte abundenta.

IX. Bibliogarfie

Almanah Chimie, martie 1998

Manual Biologie cl. a-XII-a, Editura All

Manual chimie Cl. a - IX, X, XI - a, Editura Crepuscul

Manual Biologie cl. a-X-a, Editura Corint

Completează acest articol

Top | Chimie | Index

Daca doriti sa citati aceasta pagina in alte publicatii web sau reviste (nu mai mult de 10 randuri) trebuie sa mentionati sursa: "roEnciclopedia - prima enciclopedie romana online, Chimie, Celuloza, ©2002-2007, conceputa de Ioana Radu, http://www.roenciclopedia.ro" si sa trimiteti office@roenciclopedia.ro un e-mail care contine locul unde a fost publicat articolul dumneavoastra.