آموزش کامل درشت مولکولها و الیاف – مقایسه سلولز، نشاسته و پلیمرهای مصنوعی
پنبه یکی از مهمترین الیاف طبیعی است که در زندگی روزمره با آن سر و کار داریم. این ماده از مولکولهای بسیار بزرگی به نام سلولز تشکیل شده است. سلولز بهنوبه خود از هزاران مولکول کوچکتر گلوکز ساخته شده که به صورت زنجیرهای به هم متصل شدهاند.
این مقاله آموزشی که بخشی از فصل سوم شیمی یازدهم است، به بررسی دقیق ساختار درشت مولکولها و نقش آنها در ایجاد خواص مواد مختلف میپردازد. ما در سایت تدریس شیمی متین هوشیار این مباحث را به زبانی ساده و قابل فهم ارائه میدهیم.
در ادامه با تفاوتهای مولکولی بین مواد مختلف مانند نشاسته و سلولز آشنا خواهید شد. همچنین پلیمرهای طبیعی و مصنوعی را بررسی کرده و کاربردهای آنها را در زندگی روزمره تحلیل خواهیم کرد.
الیاف طبیعی؛ آغازگر شناخت درشت مولکولها
الیاف طبیعی نخستین موادی بودند که بشر از آنها برای تهیه پوشاک و سایر نیازهای خود استفاده کرد. این الیاف که مستقیماً از طبیعت به دست میآیند، پایه و اساس درک ما از درشت مولکولها را تشکیل میدهند. مطالعه این مواد نه تنها به شناخت ساختار مولکولی آنها کمک میکند، بلکه راه را برای توسعه مواد جدید و پیشرفته هموار کرده است.
ویژگیهای منحصر به فرد الیاف طبیعی مانند استحکام، انعطافپذیری و قابلیت تنفس، همگی ناشی از ساختار مولکولی خاص آنهاست. در ادامه به بررسی دو نمونه مهم از این الیاف یعنی پنبه و سلولز میپردازیم که نقش بسزایی در زندگی روزمره ما ایفا میکنند.
پنبه؛ سلطان الیاف طبیعی
پنبه بدون شک مهمترین و پرکاربردترین الیاف طبیعی در جهان محسوب میشود. آمارها نشان میدهند که حدود ۵۰ درصد از لباسهای تولیدی در سراسر جهان از پنبه تهیه میشوند. این ماده نه تنها در تولید پوشاک، بلکه در ساخت روکش مبل، پرده، تور ماهیگیری و گاز استریل نیز کاربرد گستردهای دارد.
ویژگیهای ممتاز پنبه شامل نرمی، قابلیت تنفس، جذب رطوبت و سازگاری با پوست انسان است. این خصوصیات باعث شده تا پنبه حتی در عصر مواد مصنوعی نیز جایگاه خود را به عنوان سلطان الیاف طبیعی حفظ کند. تولید جهانی پنبه سالانه به میلیونها تن میرسد که نشاندهنده اهمیت اقتصادی این ماده ارزشمند است.
سلولز؛ درشت مولکول سازنده پنبه
سلولز پلیمر طبیعی است که به عنوان اسکلت اصلی گیاهان عمل میکند. این درشت مولکول از هزاران مولکول گلوکز تشکیل شده که به صورت زنجیرههای طولانی و منظم به هم متصل شدهاند. ساختار خطی و بلند مولکول سلولز باعث ایجاد استحکام و پایداری در الیاف پنبه میشود.
هر مولکول سلولز از حدود ۱۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ واحد گلوکز ساخته شده که این تعداد بالا، جرم مولی بسیار بزرگی (در حدود ۱۰۰۰۰۰ تا ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ گرم بر مول) به آن میبخشد. این اندازه بزرگ مولکولی دلیل اصلی خواص مکانیکی برتر پنبه در مقایسه با بسیاری از الیاف دیگر است. آرایش منظم زنجیرههای سلولزی باعث تشکیل نواحی کریستالی شده که استحکام الیاف را افزایش میدهد.
درشت مولکولها (ماکرومولکولها) چیستند؟
درشت مولکولها به دستهای از ترکیبات شیمیایی گفته میشود که جرم مولکولی بسیار بالایی دارند و از اتصال تعداد زیادی واحد سازنده کوچکتر تشکیل شدهاند. این مولکولهای غولپیکر نقش اساسی در ساختار موجودات زنده و همچنین مواد مصنوعی مختلف ایفا میکنند. درشت مولکولها به دو دسته طبیعی و مصنوعی تقسیم میشوند که هر کدام ویژگیهای منحصر به فرد خود را دارند.
اهمیت درشت مولکولها در زندگی روزمره ما غیرقابل انکار است. از DNA در سلولهای بدن گرفته تا پلاستیکهای مورد استفاده در صنعت، همگی نمونههایی از این مولکولهای بزرگ هستند. درک ساختار و ویژگیهای این مواد به ما کمک میکند تا کاربردهای گستردهتر و بهتری از آنها ارائه دهیم.
مقایسه مولکولهای کوچک و درشت مولکولها
مولکولهای کوچک مانند آب (H₂O)، دیاکسید کربن (CO₂) و متان (CH₄) دارای جرم مولی پایین و ساختار سادهای هستند. این ترکیبات معمولاً از تعداد محدودی اتم تشکیل شدهاند و خواص فیزیکی و شیمیایی سادهای از خود نشان میدهند. برای مثال، نقطه جوش و ذوب این مواد معمولاً پایین است.
در مقابل، درشت مولکولها مانند سلولز، پروتئین و پلیاتیلن دارای جرم مولی بسیار بالا (گاهی تا میلیونها گرم بر مول) هستند. این مولکولها از هزاران واحد تکرارشونده تشکیل شدهاند و خواص پیچیدهتری دارند. استحکام مکانیکی بالا، نقطه ذوب بالا و ویسکوزیته زیاد از ویژگیهای بارز این مواد محسوب میشود.
واحد سازنده تکراری؛ راز بزرگ بودن درشت مولکولها
راز بزرگ بودن درشت مولکولها در وجود واحدهای سازنده تکراری نهفته است. این واحدهای کوچک که مونومر نامیده میشوند، مانند حلقههای یک زنجیر به هم متصل شده و پلیمر را تشکیل میدهند. برای مثال، سلولز از اتصال هزاران مولکول گلوکز به وجود میآید.
ویژگی کلیدی درشت مولکولها، تعدد واحدهای سازنده است. هرچه تعداد مونومرها در یک زنجیر پلیمری بیشتر باشد، جرم مولکولی بالاتر رفته و خواص فیزیکی ماده تغییر میکند. این آرایش زنجیرهای به درشت مولکولها امکان میدهد تا استحکام بالا، انعطافپذیری و پایداری حرارتی قابل توجهی از خود نشان دهند.
با هم بیندیشیم صفحه 103 و 104 شیمی یازدهم
با توجه به شكل های زیر به پرسش ها پاسخ دهید.
الف) جدول را كامل كنید.
جدول کامل بهصورت زیر است:
| نام ماده | اندازه مولکول | جرم مولی | شمار اتم ها | |||
| کوچک یا متوسط | بسیار بزرگ | کم یا متوسط | بسیار زیاد | کم یا متوسط | بسیار زیاد | |
| آب | √ | √ | √ | |||
| پلی اتن | √ | √ | √ | |||
| پروپان | √ | √ | √ | |||
| نشاسته گندم | √ | √ | √ | |||
| انسولین | √ | √ | √ | |||
| سلولز | √ | √ | √ | |||
| روغن زیتون | √ | √ | √ | |||
ب) به دسته ای از تركیبهای جدول، درشت مولكول میگویند. این مفهوم را در یک سطر تعریف کنید.
جواب: درشتمولکولها، مولکولهایی هستند که شمار اتمهای سازنده آنها بسیار زیاد، اندازه مولکولهای آنها بسیار بزرگ و جرم مولی بسیار زیادی دارند.
پ) درشت مولكولهای جدول صفحهی پیش را با هم مقایسه كنید. چه شباهتها و تفاوتهایی دارند؟
شباهت: درشت مولکولها اندازه، تعداد اتم و جرم مولی بسیار زیاد دارند و در اغلب آنها واحدهای تکرار شونده وجود دارد.
تفاوت: از نظر نوع اتمهای تشکیل دهنده (مانند ترکیبات اکسیژن دار و نیتروژن دار و …)، ساختار (زنجیرهای، حلقوی) ، واحدهای تشکیل دهنده، متفاوت هستند. در ضمن، بعضی از درشت مولکولها در طبیعت وجود دارند و برخی ساخته دست انسان هستند.
ت) در كدام مولكولها بخشهایی هست كه در سرتاسر مولكول تكرار شده است؟
جواب: سلولز، نشاسته گندم و پلی اتن
ث) سلولز و نشاسته، پلیمر (بسپار) اند، با توجه به ساختار آنها پلیمر را تعریف كنید.
جواب: پلیمرها ، درشت مولکولهایی هستند که از اتصال تعداد بسیار زیادی واحدهای یکسان و کوچک تکرار شونده (تکپار یا مونومر) تشکیل میشوند.
ج) پیش بینی كنید نیروی بین مولكولی در كدام دسته از مواد قوی تر است؟ چرا؟
جواب: درشت مولکولها – زیرا هر چه جرم و حجم مولکول بیشتر باشد نیرو های بین مولکولی قویتر می شوند.
پلیمر؛ مفهومی کلیدی در دنیای درشت مولکولها
پلیمرها زنجیرههای بزرگ مولکولی هستند که از اتصال تعداد زیادی واحد سازنده یکسان یا مشابه به وجود میآیند. واژه پلیمر از ترکیب دو کلمه یونانی «Polys» به معنای بسیار و «Meros» به معنای پاره تشکیل شده است. این درشت مولکولها نقش اساسی در جهان پیرامون ما ایفا میکنند و پایه بسیاری از مواد طبیعی و مصنوعی را تشکیل میدهند.
ساختار پلیمرها به آنها ویژگیهای منحصر به فردی میبخشد. طول زنجیر، شاخهدار بودن یا نبودن ساختار و نوع اتصالات بین مونومرها همگی در تعیین خواص نهایی پلیمر تأثیرگذار هستند. این تنوع ساختاری باعث شده تا پلیمرها کاربردهای بسیار گستردهای در صنایع مختلف پیدا کنند.
پلیمرهای طبیعی در اطراف ما
پلیمرهای طبیعی به موادی گفته میشود که در طبیعت یافت میشوند و توسط موجودات زنده تولید میگردند. سلولز موجود در پنبه و چوب، نشاسته در غلات و سیب زمینی و پروتئینهای موجود در پشم و ابریشم نمونههای بارز پلیمرهای طبیعی هستند. این مواد میلیونها سال است که در طبیعت وجود دارند و توسط موجودات زنده مورد استفاده قرار میگیرند.
ویژگیهای پلیمرهای طبیعی معمولاً شامل تجدیدپذیری، سازگاری با محیط زیست و قابلیت تجزیه بیولوژیکی است. برای مثال، سلولز به عنوان فراوانترین پلیمر طبیعی روی کره زمین، سالانه به مقدار بسیار زیاد توسط گیاهان تولید میشود. این پلیمرها نه تنها در صنعت نساجی، بلکه در تولید کاغذ، بستهبندی و حتی صنایع غذایی کاربرد دارند.
پلیمرهای مصنوعی یا ساختگی
پلیمرهای مصنوعی دستهای از درشت مولکولها هستند که توسط انسان ساخته میشوند و در طبیعت یافت نمیگردند. نایلون، پلیاتیلن، پلیاستایرن و تفلون از معروفترین پلیمرهای مصنوعی هستند. این مواد از طریق فرآیندهای شیمیایی خاصی به نام بسپارش تولید میشوند.
مزیت اصلی پلیمرهای مصنوعی قابلیت کنترل دقیق خواص آنها است. با تغییر شرایط تولید و نوع مونومرهای استفاده شده، میتوان پلیمرهایی با استحکام، انعطافپذیری و مقاومت حرارتی مختلف تولید کرد. این ویژگی باعث شده تا پلیمرهای مصنوعی در تولید لوازم خانگی، خودروها، تجهیزات پزشکی و هزاران محصول دیگر مورد استفاده قرار گیرند.
جمعبندی: نقش انکارناپذیر درشت مولکولها در زندگی
درشت مولکولها پایه و اساس مواد طبیعی و مصنوعی را تشکیل میدهند و درک آنها برای دانشآموزان از دو جهت حائز اهمیت است. این مفاهیم هم در امتحان نهایی شیمی یازدهم و هم در کنکور سراسری به عنوان مباحث مهم مطرح میشوند. تسلط بر این بخش به شما کمک میکند تا به سوالات مربوط به ساختار مواد، خواص پلیمرها و تفاوتهای بین مولکولهای کوچک و بزرگ به راحتی پاسخ دهید.
از جنبه کاربردی، درشت مولکولها نقش حیاتی در زندگی روزمره ایفا میکنند. پلیمرهای طبیعی مانند سلولز در پنبه و نشاسته در غلات و پلیمرهای مصنوعی مانند نایلون و پلیاتیلن، همگی بر پایه همین مفاهیم شیمیایی استوار هستند. این دانش نه تنها در پاسخگویی به سوالات آزمونها، بلکه در درک جهان اطراف و کاربردهای عملی شیمی به شما کمک میکند.
مطالعه این مقاله میتواند آمادگی شما را برای مواجهه با سوالات ترکیبی کنکور افزایش دهد. معمولاً سوالات مربوط به درشت مولکولها با مباحثی مانند پیوندهای شیمیایی، انرژی پیوند و خواص فیزیکی مواد ترکیب میشوند. با تسلط بر این مباحث، میتوانید به سوالات پیچیدهتر به ویژه در بخش مسائل کنکور پاسخ دقیقتری ارائه دهید.
برای ارسال نظر لطفا ابتدا وارد حساب کاربری خود شوید. صفحه ورود و ثبت نام