Přírodní a syntetické makromolekuly: přehled a využití

Typ úkolu: Analýza

Přidáno: dnes v 13:45

Přírodní a syntetické makromolekulární sloučeniny

Téma makromolekulárních sloučenin je proto důležité nejen pro chemii jako vědu, ale i pro praktický život. Ukazuje, jak úzce spolu souvisejí přírodní procesy a lidská technická činnost. Na jedné straně obdivujeme dokonalost přírodních polymerů, které mají přesně danou funkci v organismech. Na straně druhé člověk vytvořil obrovské množství syntetických materiálů, které dokážou nahradit dřevo, kov, sklo nebo přírodní vlákna. Současně však právě u syntetických polymerů narážíme na problém odpadu, dlouhé životnosti a zátěže pro životní prostředí. Přírodní i syntetické makromolekulární sloučeniny tedy mají v chemii i v praxi nezastupitelné místo, liší se původem, vlastnostmi i dopady na okolí, ale obě skupiny jsou pro současnou společnost zásadní.

Co jsou makromolekulární sloučeniny

Pro pochopení vlastností polymerů je důležitý pojem opakující se jednotka. Jde o část struktury, která se v řetězci znovu a znovu opakuje. Čím delší řetězec je, tím vyšší bývá stupeň polymerace, tedy počet těchto jednotek v jedné makromolekule. Už ze samotné stavby je zřejmé, že malé změny ve struktuře mohou výrazně ovlivnit výsledné vlastnosti látky.

Polymerní řetězce navíc nemusí být uspořádány jen jedním způsobem. Mohou být lineární, tedy přibližně „rovné“, dále rozvětvené, nebo vzájemně propojené do prostorové sítě, čemuž říkáme zesíťování. Právě toto uspořádání významně rozhoduje o tom, zda bude materiál pružný, tvrdý, křehký, zda půjde tavit, jak bude odolávat chemikáliím nebo jak snadno se rozpustí. Například lineární polymery bývají často lépe tavitelné a zpracovatelné, zatímco silně zesíťované látky jsou pevné a tepelně stálé, ale už je nelze po zahřátí jednoduše znovu tvarovat.

Rozlišování mezi přírodními a syntetickými makromolekulami je důležité nejen podle původu, ale také kvůli jejich funkci a chování v prostředí. Přírodní makromolekuly vznikají biologickými procesy a jsou součástí živých soustav. Naproti tomu syntetické polymery vyrábí člověk cílenou chemickou cestou. Mívají často výborné technické vlastnosti, ale bývají také velmi odolné vůči rozkladu, a právě to představuje jeden z velkých ekologických problémů dnešní doby.

Přírodní makromolekulární sloučeniny

Mezi nejvýznamnější přírodní makromolekuly patří polysacharidy. Ve středoškolské chemii se nejčastěji probírají škrob a celulóza. Obě látky jsou složeny z jednotek odvozených od glukózy, ale jejich struktura se liší, a tím se liší i jejich vlastnosti. Škrob je zásobní látka rostlin. Najdeme ho například v bramborách, obilí nebo kukuřici. Pro člověka je významným zdrojem energie a ve výuce chemie i biologie se často uvádí jako důležitá součást potravy. Naproti tomu celulóza je základní stavební složkou buněčných stěn rostlin. Tvoří dřevo, bavlnu nebo papír. Člověk ji běžně nestráví, protože postrádá enzymy potřebné k jejímu štěpení. Tato zdánlivě drobná změna ve vazbách mezi jednotkami glukózy krásně ukazuje, jak rozhodující je struktura makromolekuly pro její funkci.

Další základní skupinou jsou bílkoviny neboli proteiny. Ty jsou tvořeny aminokyselinami spojenými peptidovou vazbou. Bílkoviny mají v organismech neobyčejně široké uplatnění. Některé plní stavební funkci, například kolagen v pojivových tkáních nebo keratin ve vlasech a nehtech. Jiné bílkoviny působí jako enzymy a řídí chemické děje v těle. Další zajišťují transport látek, obranyschopnost nebo pohyb. Když se v běžném životě mluví o „denaturaci bílkovin“, můžeme si představit třeba srážení vaječného bílku při vaření. Chemicky jde o změnu prostorového uspořádání bílkoviny, která vede ke ztrátě původní funkce. To je opět důkaz, že u makromolekul nestačí znát jen složení; stejně důležitý je jejich tvar.

Velmi významnou skupinu tvoří nukleové kyseliny, tedy DNA a RNA. Tyto makromolekuly jsou nositeli genetické informace a umožňují dědičnost i syntézu bílkovin. V hodinách chemie se zde přirozeně propojuje učivo s biologií. DNA uchovává informaci o stavbě organismu a RNA se podílí na jejím přepisu a využití při tvorbě bílkovin. Bez těchto makromolekul by nebyl možný život v podobě, jakou známe.

Zajímavým příkladem přírodního polymeru je i přírodní kaučuk. Získává se z latexu některých tropických rostlin, především kaučukovníku. Jeho hlavní vlastností je pružnost, díky níž se stal důležitou surovinou pro technické využití. Ještě před širokým rozvojem syntetických elastomerů měl zásadní význam například pro výrobu pneumatik nebo různých těsnicích součástek. Dnes bývá často nahrazován umělými pryžemi, ale v některých případech si přírodní kaučuk své místo stále zachovává.

Přírodní makromolekuly mají několik společných znaků. Mnohé z nich jsou biologicky rozložitelné, protože v přírodě existují organismy nebo enzymy, které je dokážou rozštěpit. Zároveň bývají citlivé na teplotu, pH nebo působení chemických látek. To může být výhoda i nevýhoda. Zatímco v organismu umožňuje tato citlivost jemné řízení procesů, v technické praxi někdy omezuje použitelnost.

Pro člověka jsou přírodní polymery naprosto zásadní. Ve výživě představují sacharidy a bílkoviny základní složky potravy. V průmyslu je důležitá celulóza pro výrobu papíru, textilních vláken nebo některých derivátů. V medicíně se využívají například kolagenové materiály, biologické membrány nebo analýza nukleových kyselin při diagnostice. Velkou výhodou přírodních polymerů je i to, že často vycházejí z obnovitelných zdrojů, což je v době environmentálních problémů zvlášť důležité.

Syntetické makromolekulární sloučeniny

Syntetické makromolekulární látky se vyrábějí levně, často z ropných surovin nebo zemního plynu, dobře se tvarují a mají nízkou hustotu. To znamená, že jsou lehké, což je důležité například v dopravě. Mnohé z nich odolávají vlhkosti, nehnijí, nerezaví a dobře snášejí působení řady chemikálií. U velkého množství plastů je výhodou i elektrická nevodivost, a proto se používají v elektrotechnice. Zároveň však platí, že mnoho syntetických polymerů se v přírodě rozkládá velmi pomalu. Když se s nimi nezachází správně, vzniká dlouhodobý odpad a později i mikroplasty.

Podle vlastností rozlišujeme několik hlavních skupin syntetických polymerů. První jsou termoplasty. Ty při zahřátí měknou a dají se opakovaně tvarovat. Patří sem polyethylen, polypropylen, polystyren nebo PVC. S termoplasty se setkáváme v domácnosti neustále: v obalech, fóliích, lahvích, nádobách, hračkách, trubkách i spotřebním zboží. Jejich zpracování bývá relativně snadné, a proto mají v průmyslu velký význam.

Druhou skupinou jsou duroplasty. Ty jsou pevné, tvrdé a po vytvrzení je už nelze znovu roztavit. Mají zesíťovanou strukturu, která jim dodává rozměrovou stálost a vyšší tepelnou odolnost. Známým příkladem je bakelit, historicky velmi významný materiál, nebo epoxidové pryskyřice. Duroplasty se využívají v elektroinstalaci, při výrobě lepidel, laků nebo jako součást kompozitů.

Třetí skupinu tvoří elastomery. Ty jsou velmi pružné a po deformaci se vracejí do původního tvaru. Patří sem různé syntetické pryže, které se uplatňují při výrobě pneumatik, těsnění, hadic, rukavic nebo sportovních potřeb. Jejich význam je obrovský například pro automobilový průmysl, který je v českém prostředí mimořádně důležitý.

Výroba syntetických polymerů

Dalším způsobem je polykondenzace. Při ní se monomery spojují tak, že se zároveň odštěpuje malá molekula, nejčastěji voda. Tímto způsobem vznikají například polyestery nebo polyamidy. Tyto materiály bývají mechanicky odolné a často se z nich vyrábějí vlákna či technické součásti. Rozdíl oproti polymeraci není jen v přítomnosti vedlejšího produktu, ale také ve stavbě výchozích látek.

Třetím typem je polyadice. I zde dochází ke spojování monomerů bez odštěpení malé molekuly, ale mechanismus reakce je jiný než u běžné polymerace. Významným příkladem jsou polyurethany. Ty se používají na výrobu pěn, izolačních materiálů, matrací, výplní, laků nebo pružných součástek. V českých domácnostech se s nimi setkáme například v nábytku, tepelných izolacích nebo některých typech obuvi.

Příklady využití syntetických polymerů

V dopravě a stavebnictví jsou syntetické polymery ceněny hlavně pro nízkou hmotnost a odolnost. V automobilech se používají na palubní desky, nárazníky, izolace, těsnění i různé konstrukční prvky. To je důležité i pro český průmysl, kde automobilová výroba představuje významné odvětví. Ve stavebnictví polymery zlepšují tepelnou izolaci budov, snižují nároky na údržbu a umožňují výrobu lehkých a trvanlivých prvků.

Zdravotnictví by se bez syntetických polymerů dnes neobešlo. Jednorázové rukavice, stříkačky, infuzní soupravy, ochranné obaly, některé implantáty nebo speciální biokompatibilní materiály jsou toho jasným důkazem. Zvlášť po zkušenosti s epidemií covidu-19 si mnoho lidí uvědomilo, jak významné jsou polymery pro hygienu a bezpečnost.

Také textilní průmysl je s nimi úzce spojen. Polyester a polyamid se používají samostatně i ve směsích s přírodními vlákny. Výhodou je pevnost, nemačkavost a snadná údržba. Nevýhodou ovšem zůstává uvolňování drobných syntetických vláken při praní, která se mohou dostávat do odpadních vod.

Srovnání přírodních a syntetických makromolekul

Přesto mají obě skupiny i mnoho společného. V obou případech jde o látky s vysokou molekulovou hmotností, tvořené opakujícími se jednotkami. U obou rozhoduje o vlastnostech struktura řetězce, jeho délka, větvení nebo prostorové uspořádání. Není tedy správné dívat se na syntetické polymery pouze negativně. Samy o sobě nejsou „špatné“. Problém nastává tehdy, když se vyrábějí a používají bez rozumné míry, když se z nich tvoří zbytečný jednorázový odpad a když chybí kvalitní systém nakládání s použitými materiály.

Ekologické souvislosti

Vedle materiálové recyklace existuje i energetické využití, tedy spalování odpadu za získání energie. Ani to ale není univerzální řešení. Stále více se proto mluví o omezení jednorázových výrobků, o opakovaném používání obalů a o promyšlenějším designu výrobků.

Zvláštní problém představují mikroplasty. Ty vznikají rozpadem větších plastových předmětů nebo uvolňováním drobných částic, například z textilií či pneumatik. Dostávají se do vody, půdy a postupně i do potravních řetězců. Nejde o vzdálený problém oceánů, ale také o téma, které se týká evropských i českých podmínek, vodních toků, městského prostředí a každodenní spotřeby.

Naději přinášejí bioplasty, polymery z obnovitelných zdrojů nebo nové materiály lépe recyklovatelné. Je však důležité nepodlehnout jednoduché představě, že všechno „bio“ je automaticky bezproblémové. Udržitelnější budoucnost bude spíše výsledkem kombinace více přístupů: rozumné výroby, kvalitní recyklace, technického vývoje, legislativy i odpovědného chování spotřebitelů.

Makromolekulární sloučeniny ve škole a v praxi

Důležité je, aby si žák odnesl nejen definice, ale i schopnost přemýšlet v souvislostech. Měl by umět vysvětlit rozdíl mezi monomerem a polymerem, znát základní typy vzniku polymerů a chápat, že struktura určuje vlastnosti. Stejně podstatný je ale i kritický pohled na jejich používání.

V českém prostředí je téma velmi aktuální. Třídění plastů řeší domácnosti i školy, polymery se využívají v obalovém průmyslu, ve stavebnictví, v automobilkách i ve výrobě zdravotnických pomůcek. Chemické vzdělání tak není jen součást učiva k maturitě, ale také nástroj, který pomáhá člověku lépe se orientovat v běžném životě a rozhodovat se odpovědněji.

Závěr

Zároveň ale platí, že technický pokrok bez odpovědnosti může přinášet nové problémy. U syntetických makromolekul je tímto problémem především odpad, dlouhá životnost a vznik mikroplastů. Budoucnost proto nebude spočívat v úplném odmítnutí polymerů, ale spíše v jejich chytřejším využívání, lepší recyklaci a hledání materiálů, které budou funkční i šetrné k prostředí.

Pochopení makromolekulárních sloučenin nám nakonec nepomáhá jen zvládnout chemii jako školní předmět, ale také lépe rozumět světu kolem nás a tomu, jak s ním zacházet zodpovědně.