Химические свойства древесины кратко
Обновлено: 05.07.2024
Химический состав древесины весьма сложен. В состав ее входят целлюлоза, лигнин и гемицеллюлозы. В небольших количествах древесина содержит смолу, жиры, терпены, дубильные и другие вещества, объединяемые под общим групповым названием — экстрактивные вещества древесины. Кроме этого, древесина содержит в небольшом количестве неорганические вещества— золу.
Химический состав древесины разных пород неодинаков и в пределах даже одной породы значительно колеблется в зависимости от разных условий. Поэтому имеющиеся данные дают лишь среднюю характеристику химического состава той или иной древесной породы. В табл. 9 приведены данные анализа Комарова и Яковлева 2 о химическом составе некоторых отечественных древесных пород.
Содержание некоторых веществ в ядре и заболони древесины одного и того же дерева неодинаково (табл. 10).
Заболонь содержит больше целлюлозы и меньше растворимых в горячей воде веществ, чем ядро.
При гниении происходит существенное изменение в химическом составе древесины. При коррозионном типе гнили уменьшается относительное количество лигнина и увеличивается количество целлюлозы. При деструктивном типе гнили, наоборот, увеличивается содержание лигнина и уменьшается содержание целлюлозы. Несмотря на разное содержание составных частей в древесине, элементарный состав органической массы древесины разных пород, как это видно из табл. 11, практически одинаков.
1 Количество полученных мономерных ароматических веществ (дигидро - эвгенола, гидратированного эвгенола и др.) составляло около 28% от веса лигнина.
3 Н. И. Никитин, Химия древесины, М.—Л., стр. 154, 1952.
Пентозан, дающий при гидролизе с?-ксилозу, называется ксила - ном, а /-арабинозу — арабаном.
Березовая древесина содержит[3] 14,3% ксилана и 7,71%' ара - бана, а сосновая — 6,85% ксилана и 4,15% арабана.
Молекула ксилана имеет цепевидное строение. Помимо основных коилозных единиц, ксилан, возможно, содержит в небольшом количестве и другие структурные звенья. Получение при гидролизе его уроновых кислот указывает на присутствие их в молекуле ксилана. Некоторые исследователи нашли в ксилане арабинозу, а также глюкозу. Соотношение между этими структурными элементами пока не установлено. Несомненно, что ксиланы разного происхождения в этом отношении значительно отличаются. Однако вопрос о составе и структуре ксиланов нельзя считать окончательно выясненным. Возможно, что арабиноза и уроновые кислоты являются примесями, от которых не удается освободиться при существующих методах очистки ксилана.
Величина и форма молекулы ксилана также окончательно не установлены. Имеются данные, что степень полимеризации (С. П.) ксилана достигает 150 и молекула его представляет длинную цепь; боковые звенья если и имеются, то очень короткие и их немного.
С ксиланом связана часть ОСН3 групп древесины. В форме простых эфиров они содержатся как в ксилозных, так и в остатках уроновых кислот.
Структурная формула ксилана:
TOC o "1-3" h z он н
М ПН J)
Как указано выше, около 80—95% ацетильных групп древесины принадлежит ее углеводной части. Повидимому, большая часть этих групп связана с ксиланом. Этим можно объяснить большие выходы уксусной кислоты при термическом разложении лиственной древесины, чем хвойной, содержащей значительно меньшее количество пентозанов.
При действии кислот, особенно при нагревании и при пиролизе, ксилан дает фурфурол.
Гексозаны имеют эмпирическую формулу (C6Hi0O5) . Они представляют полимерные ангидриды различных гексоз: маннозы и галактозы, глюкозы и фруктозы. Представителями гексозанов. являются маннан и галактан, левулан и глюкан.
При кислотном гидролизе они дают гекеозы:
Гексозан гексо. а
Маннан находится в древесине только хвойных пород, в лиственных же породах он отсутствует или содержится в очень малых количествах. Содержание его в ели около 8%, в сосне — 7%, в лиственнице 5%. Пространственное строение маннана может быть выражено следующей формулой:
Оих -Q/'
Он —У
S ЬГ ii
Галактан содержится в небольших количествах (1—2%) как в древесине лиственных, так н хвойных пород. Значительно содержание его в древесине саксаула (7—9% ).
В древесине лиственницы находи-!ся смешанный полисахарид арабо-галактан (в количестве до 10%).
При пирогенетнчееком разложении гексозаны дают оксимет ил - фурфурол, который затем распадается на фурфурол и формальдегид.
Полиурониды. В близкой связи с гемицеллюлозами находятся растительные камеди, пектиновые вещества и с л и з и. В основе их лежат полиуроновые кислоты. Эти вещества объединяются под общим групповым названием — полиурониды. Содержание уроновых кислот, в расчете на их ангидриды, составляем у хвойных около 3%, у лиственных — около 5%.
Экстрактивные вещества древесины
Дубильные вещества или такниды. В древесине сосны и ели дубильных веществ очень мало, в коре же их содержится значительное количество.
В растениях танниды находятся в растворенном виде в клеточном соке живых клеток или выделяются из него в виде капелек; но отмирании клеток они остаются в полостях их в виде аморфных масс или пропитывают клеточные стенки.
В коре ели содержится таннидов от 5 до 16%, сосны — от 5 до 18%. При извлечении водой в экстракт из коры ели переходит около 10% таннидов и около 9% других веществ—нетаннидов, из коры сосны— 10,5% таннидов и 8% — нетаннидов.
З Б. Н. Козлов. А. А. Ни. чвнцний
Дубильные вещества коры сосны, ели, березы мало изучены и точный состав их неизвестен. Их относят к катехиновым дубильным веществам.
Дубящими свойствами обладают аморфные, растворимые в воде катехиновые дубильные вещества; подвергаясь окислению и конденсации, они превращаются в нерастворимые в воде вещества, в так называемые флобафены. Такое превращение происходит, например, в коре древесных пород в процессе ее старения, т. е. превращения коры в корку.
Терпены и смоляные кислоты. В смоляных ходах древесины хвойных пород содержится живица, при поранении древесины вытекающая наружу. Живица образуется в живых тонкостенных паренхимных клетках, выстилающих смоляной ход.
В химическом отношении живица представляет раствор смоляных кислот в терпенах. При обработке водяным паром она разделяется на летучую с водяным паром часть — скипидар и на твердый остаток — канифоль. Как скипидар, так и канифоль представляют уже несколько измененные в процессе разложения продукты.
В свежевытекающей живице нашей сосны содержание скипидара доходит до 38%, в промысловой — до 27%'.
Живичный скипидар нашей сосны состоит главным образом ■из двух бициклических терпенов с эмпирической формулой СюН^: а-пинена (65—70%) и Аз-карена (15—25%). Кроме того, в небольших количествах в его состав входят р-пинен (до 7 %), лимонен и депентен, неизвестный «-терпен, а также терпеновые спирты, представляющие высококипящие окисленные соединения вторичного происхождения.
При лежании древесины, например, при стоянии пней после рубки, терпены подвергаются некоторым изменениям: содержание а-пинена падает, а Аз-карена возрастает. Так, в образце осмоль - ного соснового скипидара было найдено 43,0% а-пинена, 38,5% Аз-карена, 6,5% терпинолена, 7% спиртов, 3,5% каднкена и 1,5% остатка.
Смоляные кислоты, находящиеся в живице, имеют эмпирическую формулу С2,)Н0о02 или CigrboCOOH. Различают первичные смоляные кислоты и вторичные, получающиеся изомеризацией первых при нагревании игл при действии кислот.
Из первичных кислот сосновой живицы наиболее изучены пи - маровые кислоты: правовращающая — декстропимаропая п лево - вращающая— левопимаровая. К ним также относятся сапиновые кислоты.
В общем количестве первичных кислот декстропимаровой содержится 18%, левоппмаровой — 36% и са. яшовыч 46%.
Левопимаровая кислота при нагревании легко томеризуется во вторичную — ПбПСПИЮВУЮ КИСЛОТУ.
Древесина состоит преимущественно из органических веществ (99 % общей массы), в состав которых входят углерод (С), водород (Н), кислород (О) и немного азота (N).
Элементный химический состав древесины разных пород практически одинаков. Абсолютно сухая древесина в среднем содержит 49-50 % углерода, 43-44 % кислорода, 6 % водорода и всего лишь 0,1-0,3 % азота. Элементный химический состав древесины ствола и ветвей различается мало. При сжигании древесины остается ее неорганическая часть — зола (0,1-1 %). В состав золы входят кальций, калий, натрий, магний; в меньших количествах фосфор, сера и другие элементы. Большая часть (75-90 %) образованных ими минеральных веществ нерастворима в воде. Среди растворимых веществ преобладают карбонаты калия и натрия, а среди нерастворимых — соли кальция.
Больше золы дает кора. Так, стволовая древесина дуба образовала при сгорании 0,35 % золы, а кора — 7,2 %. Древесина ветвей образует больше золы, чем древесина ствола: ветви березы дают при сгорании 0,64 % золы, а стволовая древесина — 0,16 %. Древесина верхней части ствола дает больше золы, чем нйжняя.
Основными органическими веществами древесины являются целлюлоза, лигнин и гемицеллюлозы, которые, как уже отмечалось, входят в состав клеточных стенок. Содержание указанных веществ зависит от породы. По данным А. В. Бурова и А. В. Оболенской, в древесине хвойных пород целлюлозы 35-52%, лигнина 25-30 %, гемицеллюлоз 22-30 % (в том числе пентозанов 5-11 % и гексозанов 9-13%). В древесине лиственных пород несколько меньше целлюлозы (31-50 %) и лигнина (20-28%), но больше гемицеллюлоз (19-35 %), причем среди гемицеллюлоз преобладают пентозаны (16-29 %) и гораздо меньше гексозанов (до 6 %).
Целлюлоза — линейный полимер, полисахарид с длинной гибкой цепной молекулой. Формула целлюлозы (С6Н10О5)n, где n — степень полимеризации, составляющая 5000-10000. Это очень стойкое вещество, не растворимое в воде и обычных органических растворителях (спирте, эфире и др.), белого цвета, плотностью 1,54-1,58 г/см 3 .
Гемицеллюлозы — группа полисахаридов, в которую входят пентозаны (С5Н8O4)n, содержащие пять атомов углерода в элементарном звене, и гексозаны (С6Н10О5)n, имеющие, как и целлюлоза, шесть атомов углерода в звене. Однако у всех гемицеллюлоз степень полимеризации гораздо меньше (60-200), что свидетельствует о более коротких, чем у целлюлозы, цепочках молекул.
Лигнин — аморфный полимер ароматической природы (полифенол) сложного строения; содержит больше углерода и меньше кислорода, чем целлюлоза. Лигнин химически менее стоек, легко окисляется, взаимодействует с хлором, растворяется при нагревании в щелочах, водных растворах сернистой кислоты и ее кислых солей. Цвет лигнина (от светло-желтого до темно-коричневого) зависит от способа его выделения из древесины; плотность 1,25-1,45 г/см 3 .
Кроме основных органических веществ в древесине содержится сравнительно небольшое количество экстрактивных веществ (таннинов, смол, камедей, пектинов, жиров и др.), растворимых в воде, спирте или эфире.
У хвойных пород (сосна, лиственница) в заболони целлюлозы и лигнина больше, чем в ядре. У некоторых лиственных пород (ясень, дуб, тополь) целлюлозы несколько больше в ядре. Древесина лиственницы (ядро) и дуба (ядро и заболонь) отличается повышенным содержанием водорастворимых экстрактивных веществ. В поздней древесине сосны, лиственницы содержится немного больше целлюлозы, чем в ранней древесине.
Элементный химический состав коры мало отличается от состава древесины, но кора содержит гораздо меньше целлюлозы и значительно больше экстрактивных и минеральных веществ. Как было указано ранее, в корке содержится суберин, которого нет в древесине. В корке березы — бересте — помимо суберина содержится бетулин, придающий ей характерный белый цвет.
Читайте также: