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5.4 纤维素晶体结构在线视频

下一节:5.5 纤维素结晶度及测定方法

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5.4 纤维素晶体结构课程教案、知识点、字幕

同学们,大家好,上节课我们学习了纤维素的两相结构

那么纤维素的晶体是什么形式?为什么有些地方能够形成晶体

有些地方形不成晶体?

要想解答这些问题,我们就要学习纤维素的晶体结构

第四节 纤维素的晶体结构

纤维素的晶体结构类型

晶体类型

目前发现的纤维素结晶体共有5种结晶变体

即纤维素I、II、III、IV和X

各种结晶形态的晶胞参数如下

纤维素I:a轴上的距离是8.35Å,b轴上的是10.3Å

c轴上是7.9Å,β角是84º

纤维素II:a轴上的距离是8.10Å,b轴上的距离是10.3Å

c轴上的距离是9.1Å,β角是62º

纤维素III:a轴上是7.74Å,b轴上是10.3Å

c轴上是9.9Å,β角是58º

纤维素IV:a轴上是8.11Å,b轴上是10.3Å

c轴上是7.9Å,β角是90º

纤维素X与纤维素IV晶胞参数大致相等。

纤维素I

纤维素I是天然状态下纤维素的晶体结构类型

纤维素Ⅱ

纤维素Ⅱ是纤维素Ⅰ经由溶液中再生或丝光化过程得到的结晶变体

是工业上普遍使用的纤维素形式

纤维素Ⅲ

纤维素Ⅲ是干态纤维素的第三种结晶变体,也称氨纤维素

将纤维素I或纤维素Ⅱ用液氨或胺类处理

再将其蒸发掉所得到的一种低温变体

由纤维素Ⅰ和纤维素Ⅱ得到的纤维素Ⅲ

在水的作用中得到不同的X衍射图

注意到纤维素Ⅲ晶体结构随母体原料不同而有差异

并将由纤维素Ⅰ得到的纤维素Ⅲ称为纤维素ⅢI

由纤维素Ⅱ得到的纤维素Ⅲ称为纤维素ⅢII

纤维素Ⅳ

纤维素Ⅳ(也称高温纤维素) 是纤维素的第四种结晶变体

将纤维素I、Ⅱ、Ⅲ经由加热制得

纤维素X

将纤维素I (棉花) 或纤维素II(丝光化棉)

放入浓度为38.0%~40.3% 的盐酸溶液中

于20℃处理2~4.5h

用水将再生所得到的纤维素粉末即为纤维素X

将纤维素I用84.5%的磷酸在50 ℃下处理6~8h

也得到了纤维素X

其它原料如再生纤维素II 无定形纤维素或纤维素Ⅳ

也可用类似的方法得到纤维素X

纤维素的晶胞结构

纤维素I

天然纤维素的结晶格子称为纤维素I

1937年 Meyer-Misch提出纤维素I结构模型

纤维素I结晶格子是一个单斜晶体,即具有三条不同长度的轴

和一个非90度的夹角,晶胞结构如图

其晶胞参数为

a=8.35Å,b=10.3Å(轴向),c=7.9Å,ß=84º

纤维素分子链只占据结晶单元的4个角和中轴

而每个角上的链为4个相邻单位晶胞所共有

即每个单位晶胞只含有4X(1/4)+1=2个链

结晶格子中间链的走向和位于角上链的走向相反

并在轴向高度上彼此相差半个葡萄糖基环

b轴的长度正好是纤维二糖的长度,这些链围绕着纵轴扭转180º

纤维素Ⅰ的晶胞结构中,在单位晶格的三个方向上

存在着三种结合力,分子链之间的

a轴上为氢键其力较强

b轴上为共价键其力最强

c轴上为范德华力其力最弱

然而,这个模型不足之处在于没有考虑

以后才确立的葡萄糖的椅式构型以及分子内的氢键

Blackwell模型

后来,关于纤维素Ⅰ的晶胞结构

Blackwell等人提出了另一种表示方法

Blackwell所用的符号是近代结晶学中常用的符号

c轴表示长轴的方向,也即分子链的方向

目前较多使用这种表示方法,但人们已习惯了前者

Blackwell提出纤维素模型的投影见图

其要点为 纤维素分子链只占据结晶单元的4个角和中轴

而每个角上的链为4个相邻单元晶胞所共有

位于晶胞角上和中心的分子链均是沿同一方向的平行链

链分子的薄片平行于ac面,所有C6位置上的羟基均为tg构象

中心链在高度上与角上的分子链相差半个葡萄糖基环

纤维素II的分子链模型

单位格子属单斜晶系,纤维素分子链只占据结晶单元的四个角和中轴

而每个角上的链为四个相邻单位晶胞所共有

相邻分子链是反向平行的

纤维素II链分子的葡萄糖基的平面旋转离开ac面约30°

纤维素II“向上”分子键中的-CH2OH具有gt构象

“向下”分子键具有tg构象,使相邻的链分子在a轴上彼此离开

结合力因而减弱,但在中心链分子与相邻两角的链分子彼此接近

可以形成氢键,见图

纤维素III与纤维素II晶格相似

纤维素IV与纤维素I晶格相似

从规则性看纤维素I>IV>II>III

纤维素X是纤维素新的结晶变体

它的单位晶胞与纤维素IV几乎相等

晶体转换

纤维素I加碱溶解变成钠纤维素,加水析出得到纤维素II

纤维素II加氢氧化钠又变成钠纤维素,钠纤维素加水也变成纤维素I

纤维素I及纤维素II加液体氨处理得到氨纤维素

蒸发出氨以后得到纤维素III

纤维素III加水也可得到纤维素I或II

纤维素I、II、III经高温处理可以得到纤维素IV

纤维素I、II、III、IV经浓酸处理可以得到纤维素X

纤维素氢键

氢键是当氢原子以主价键与一电负性很强的原子结合后

再以副价键与另一电负性很强的原子相结合所形成的键

由纤维素形成的氢键

是由于纤维素的葡萄糖单元上极性很强的-OH基中

氢原子与另一键上电负性很大的氧原子上的孤对电子相互吸引

而形成的一种键

由于-OH是极性共价键,H原子半径很小,又没有内层电子

可以允许有多余电荷的氧原子来充分接近它

但来接近它的氧原子

受到-OH中的氧原子的排斥力将大于氢原子对它的吸引力

故氢键具有饱和性

而且只有外来的氧原子的孤对电子云的对称轴

尽可能与-OH键的方向一致,氢键的作用力最大

故氢键又具有方向性

氢键的键能较小,每摩尔20.9-33.5kJ

只有当氢和氧原子间的距离在0.3nm以内,才可以形成氢键

而距离越远,氢键的能量越大

氢键是纤维素大分子间的主要结合键型

纤维素大分子间,纤维素和水分子内

或者纤维素大分子内都可以形成氢键

纤维素I

分子内 O'2-H•• •• ••O6键长0.275nm

O3-H•• •• ••O'5键长0.287nm

分子间:O6-H•• •• ••O3键长0.279nm

纤维素II氢键

中心链上同纤维素I

分子内:O'2-H•• •• ••O6键长0.273nm

O3-H•• •• ••O'5键长0.269nm

分子间 O6-H•• •• ••O3键长0.267nm

纤维素II

角链上:分子内 O3-H•• •• ••O5

分子间 O2-H•• •• ••O6

纤维素II氢键(110平面)

平面对角线上与相邻向下的链分子形成的分子间氢键

O2-H•• •• •• O2形成的氢键,键长为0.277nm

由此可见,纤维素I和纤维素II的每个纤维素分子链上的

葡萄糖基环2、3、6位的原游离羟基的位置上均已形成了氢键

可以理解为在纤维素形成的微晶体内所有的羟基都已形成氢键

只有在无定形区内才有部分游离羟基存在

纤维素I、纤维素II形成不同氢键的原因

晶胞参数不同,分子链方向不一致

纤维素I 分子链方向一致,纤维素II方向相反

-CH2OH侧链构象(tg或gt)不同

纤维素I是tg构象,纤维素II既有tg构象又有gt构象

氢键的影响

吸湿性:氢键的结合使游离羟基减少、吸湿性降低

对化学反应性能:干燥时,反应性能小

溶解性下降

打浆:打浆时把纤维素的羟基游离出来,增加纸张强度

小结

纤维素有5种晶体结构

纤维素I、II、III、IV和X 晶体结构可以转换

但纤维素IV和X不能逆向转换为纤维素I、II、III

纤维素I和纤维素II晶体中的游离羟基可以形成氢键

二者形成的氢键不同

原因是纤维素I纤维素II晶胞参数不同,分子链方向不一致

纤维素I分子链方向一致

纤维素II方向相反

-CH2OH形成的构象不同

纤维素I是tg构象,纤维素II既有tg构象又有gt构象

今天的课程就讲到这

下节课我们将一起学习纤维素结晶度及测定方法

欢迎继续关注我们的课程

植物纤维化学课程列表:

绪论

-绪论

--绪论

-讨论

第一章植物纤维的生物结构和细胞形态

-本章思维导图

-1.1 植物纤维原料形成与分类

--植物纤维原料形成与分类

-1.1 植物纤维原料形成与分类--作业

-1.2 木材的宏观结构

--木材的宏观结构

-1.2 木材的宏观结构

-1.3 针叶材与阔叶材的显微构造

--1.3 针叶材与阔叶材的显微构造

-1.3 针叶材与阔叶材的显微构造--作业

-1.4 非木材原料的宏观与显微结构

--1.4 非木材原料的宏观与显微结构

-1.4 非木材原料的宏观与显微结构--作业

-1.5 纤维细胞壁超微结构

--1.5 纤维细胞壁超微结构

-1.5 纤维细胞壁超微结构--作业

-1.6 纤维形态学因素

--1.6 纤维形态学因素

-1.6 纤维形态学因素--作业

-讨论

-图文

-课程思政--中国文化自信案例1

--中国纸的故事(一)

--中国纸的故事(二)

--纸的故事(一)

--谈谈中国造纸术对世界的贡献

-本章总结

第二章 植物纤维化学成分

-本章思维导图

-2.1 植物纤维原料的化学组成

--2.1 植物纤维原料的化学组成

-2.1 植物纤维原料的化学组成--作业

-2.2 与纤维素相关的概念及化学组成对制浆造纸的影响

--2.2 与纤维素相关的概念及化学组成对制浆造纸的影响

-2.2 与纤维素相关的概念及化学组成对制浆造纸的影响--作业

-2.3 常用植物纤维原料的化学组成

--2.3 常用植物纤维原料的化学组成

-2.3 常用植物纤维原料的化学组成--作业

-讨论

-图文

-化学成分应用实例——文献阅读

-讨论:学以致用——植物纤维原料成分分析的应用

-本章总结

第三章 水分存在形式

-本章思维导图

-3.1水分存在形式

--第一节 木材中水分存在形式

-3.1水分存在形式--作业

-3.2 水分对木材的影响

--第二节 水分对木材的影响

-3.2 水分对木材的影响--作业

-讨论

-图文

-课程思政——木材水分与干缩湿胀实例

--科学技术是生产力,也是改善生活的工具

--讨论:运用知识改善人民生活品质

-本章总结

第四章 提取物

-本章思维导图

-4.1木材提取物的定义、分类、结构和性质

--4.1 木材提取物的定义、分类、结构

-4.1木材提取物的定义、分类、结构和性质--作业

-4.2 芳香族化合物

--4.2 芳香族化合物

-4.2 芳香族化合物--作业

-4.3 脂肪族化合物和无机物

--4.3 脂肪族化合物和无机物

-4.3 脂肪族化合物和无机物--作业

-4.4 提取物的分布、提取和分离

--4.4 提取物的分布、提取和分离

--辅助学习材料-提取物质的结构鉴定

-4.4 提取物的分布、提取和分离--作业

-4.5 提取物对加工利用的影响

--4.5 提取物对加工利用的影响

-4.5 提取物对加工利用的影响--作业

-讨论

-课程思政——提取物的高效利用实现绿水青山就是金山银山

--松脂采集

--松脂加工利用案例

--讨论:推动绿色发展,促进人与自然和谐共生

-本章总结

第五章 纤维素

-本章思维导图

-5.1糖化学基础

--5.1 糖化学基础

-5.1糖化学基础--作业

-5.2纤维素的存在、结构、性质

--5.2 纤维素的存在、结构、性质

-5.2纤维素的存在、结构、性质--作业

-5.3纤维素物理结构

--5.3 纤维素物理结构

-5.3纤维素物理结构--作业

-5.4纤维素晶体结构

--5.4 纤维素晶体结构

-5.4纤维素晶体结构--作业

-5.5纤维素结晶度及测定方法

--5.5 纤维素结晶度及测定方法

-5.5纤维素结晶度及测定方法--作业

-5.6 纤维素润胀、溶解

--5.6 纤维素润胀、溶解

-5.6 纤维素润胀、溶解--作业

-5.7 纤维素双电层及热解

--5.7 纤维素双电层及热解

-5.7 纤维素双电层及热解--作业

-5.8 纤维素酸水解和碱降解

--5.8 纤维素酸水解和碱降解

-5.8 纤维素酸水解和碱降解--作业

-5.9 纤维素的氧化

--5.9 纤维素的氧化

-5.9 纤维素的氧化--作业

-5.10 纤维素酶降解

--5.10 纤维素酶降解

-5.10 纤维素酶降解--作业

-5.11纤维素酯化

--5.11纤维素酯化

-5.11纤维素酯化--作业

-5.12 纤维素醚化

--5.12 纤维素醚化

-5.12 纤维素醚化--作业

-5.13纤维素接枝共聚与交联

--5.13纤维素接枝共聚与交联

-5.13纤维素接枝共聚与交联--作业

-5.14纤维素物理改性

--5.14纤维素物理改性

-5.14纤维素物理改性--作业

-5.15细菌纤维素

--5.15细菌纤维素

-5.15细菌纤维素--作业

-讨论1

-讨论2

-图文

-拓展学习资料

--纸张结构

--纸张回收与纤维劣化

--纤维角质化定义

--纤维角质化机理

--纤维角质化抑制措施

-课程思政--文化自信案例2(中国古名纸)

--中国纸的文化(三)——古名纸文化

--宣纸与书法绘画文化案例

--千年宣纸--中华文明

--中国古名纸——开化纸

--讨论:各种名古纸产生的原因及如何传承古纸文化

-课程思政——国家能源战略:生物质能源

--讨论:生物质能源的发展前景

-课程思政——文化自信案例3(纤维素与纺织)

--中国技术自信——再生纤维素促进纺织产业发展

-本章总结

第六章 半纤维素

-思维导图

-6.1半纤维素的命名、存在

--6.1半纤维素的命名、存在

-6.1半纤维素的命名、存在--作业

-6.2半纤维素提取

--6.2半纤维素提取

-6.2半纤维素提取--作业

-6.3半纤维素分离及糖基测定

--6.3半纤维素分离及糖基测定

-6.3半纤维素分离及糖基测定--作业

-6.4半纤维素的化学性质

--6.4半纤维素的化学性质

-6.4半纤维素的化学性质--作业

-6.5半纤维素与纸张的关系

--6.5半纤维素与纸张的关系

-6.5半纤维素与纸张的关系--作业

-6.6半纤维素利用

--6.6半纤维素利用

-6.6半纤维素利用--作业

-讨论

-图文

-拓展学习-功能性低聚糖

--功能性低聚糖

--常见功能性低聚糖

--功能性低聚糖的分离

--木糖醇的食用

--讨论:功能性低聚糖还有哪些?并说明其用途。

-本章总结

第七章 木素

-本章思维导图

-7.1 绪论-木素的研究现状

--7.1 绪论-木素的研究现状

-7.1 绪论-木素的研究现状

-7.2 木素的存在及其生物合成

--7.2 木素的存在及其生物合成

-7.2 木素的存在及其生物合成--作业

-7.3 木素概念及化学结构

--7.3 木素概念及化学结构

-7.3 木素概念及化学结构

-7.4 木素的分离

--7.4 木素的分离

-7.4 木素的分离--作业

-7.5 木素碳水化合物复合体

--7.5 木素碳水化合物复合体

-7.5 木素碳水化合物复合体

-7.6 木素化学结构的研究方法

--7.6 木素化学结构的研究方法

-7.6 木素化学结构的研究方法

-7.7 木素的紫外及红外光谱

--7.7 木素的紫外及红外光谱

-7.7 木素的紫外及红外光谱

-7.8 木素的显色反应

--7.8 木素的显色反应

-7.8 木素的显色反应

-7.9 木素化学结构与化学反应的关系

--7.9 木素化学结构与化学反应的关系

-7.9 木素化学结构与化学反应的关系

-7.10 木素的亲核反应1-氢氧化钠脱木素

--7.10 木素的亲核反应1-氢氧化钠脱木

-7.10 木素的亲核反应1-氢氧化钠脱木素

-7.11 木素的亲核反应2-硫酸盐法脱木素

--7.11 木素的亲核反应2-硫酸盐法脱木素

-7.11 木素的亲核反应2-硫酸盐法脱木素

-7.12 木素的亲核反应3-亚硫酸盐法脱木素

--7.12 木素的亲核反应3-亚硫酸盐法脱木素

-7.12 木素的亲核反应3-亚硫酸盐法脱木素

-7.13 木素的亲电反应

--7.13 木素的亲电反应

-7.13 木素的亲电反应

-7.14 木素的物理性质及特性

--7.14 木素的物理性质及特性

-7.14 木素的物理性质及特性

-7.15 木素的利用

--7.15 木素的利用

-7.15 木素的利用

-讨论1

-讨论2

-图文

-植物纤维化学实验资料

--植物纤维化学实验

--科研上用于纤维特性的测定方法

--纤维表面前沿研究技术

--植物中黄酮化合物的提取分离及结构研究

-课程思政——文化自信案例3:中国造纸技术的贡献

--脱木素工艺的发明及原料的选择

--中国造纸术传播及对世界文明的影响

--造纸技术面临困境及发展机遇

--讨论:结合木质素的生物合成,批驳神造万物论

-本章总结

期末考试

-考试

5.4 纤维素晶体结构笔记与讨论

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