Lignin som polymermateriale
Lov på eksamen
- Kalkulator
- CAS
- Graftegner og regneark
- Lærebok, formelsamling og egne notater
Ikke åpent internett, kommunikasjon med andre eller kunstig intelligens.
Kan den løses uten PC?
Kan løses med penn og papir. Du trenger ikke kalkulator.
Fra 2027 er det bare kalkulator og skriftlige hjelpemidler på del 2. Vurderingen er gjort med KI og kan inneholde feil.
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
Plast er et materiale med mange bruksområder, ikke minst som emballasje. Tradisjonelle plasttyper som polyetylen (PE) og polyvinylklorid (PVC) er basert på fossile karbonkilder. De er vanskelige å bryte ned i naturen og skaper store problemer med forsøpling og utslipp av mikroplast.
For å erstatte lite nedbrytbar plast fra fossile kilder forskes det mye på ulike former for bioplast. Et eksempel er plast basert på lignin fra trær. Denne kan brytes ned sakte av bakterier i naturen med karbondioksid, , som produkt. Treverk er et komposittmateriale som består av lange fibre av cellulose bundet sammen med opptil 40 prosent lignin. Stoffet cellulose er vanntiltrekkende, mens stoffet lignin er vannavstøtende og mer motstandsdyktig mot forråtnelse enn hva cellulose er.
Papir er i hovedsak cellulose, og lignin fjernes fra trematerialet i produksjon av papir. Ligninrestene blir regnet som avfall, og det aller meste blir brent opp for å lage varme.
Lignin er en amorf og ikke-systematisk polymer bygget opp av tre komponenter. Disse komponentene er koumarylalkohol, koniferylalkohol og sinapylalkohol. Forholdet mellom komponentene varierer etter hvilken plante som er kilden til ligninen.
Det blir nå forsøkt utviklet ligninbaserte produkter som kan blandes inn i tradisjonell polyeten. En blanding med opp til 38 prosent lignin har tilsvarende egenskaper og bruksområder som vanlig polyeten. En annen fordel med denne polymerblandingen er at en kan bruke det samme produksjonsutstyret som under produksjonen av ren polyeten.
Skriv en kjemifaglig tekst som skal ta utgangspunkt i bruk av lignin som polymermateriale. Du skal bruke kjemikompetansen din til å gjøre rede for og drøfte ett eller flere av punktene nedenfor.
- reaksjonstypene i dannelsen og/eller nedbrytingen av ligninpolymeren
- likheter og forskjeller i strukturen til polymerene polyeten og lignin
- begrunne hvordan bruk av lignin kan være i samsvar med prinsippene for grønn kjemi
- livsløpet til ligninbasert plast sammenlignet med livsløpet til fossil plast
- sammenligning av kjemiske egenskaper til lignin, polyeten og eventuelt cellulose
Svaret ditt bør inneholde reaksjonsligninger, utregninger eller figurer der det er relevant. Svaret bør være på omtrent 250 ord.
Fasit
- Polyeten: addisjonspolymerisasjon av eten, lange upolare kjeder med bare C og H.
- Lignin: radikalkobling av monolignoler til et amorft nettverk med eterbindinger og C–C-bindinger.
- OH-grupper og eterbindinger gjør lignin mer polart og gir angrepspunkter for nedbryting (oksidasjon til og ).
LøsningsforslagKI-generert
Lignin og polyeten er begge polymerer, men de er bygget opp og brytes ned på ulike måter. Her sammenligner jeg strukturen og reaksjonstypene.
Polyeten dannes ved addisjonspolymerisasjon av eten. Dobbeltbindingen åpnes, og monomerene kobles sammen til lange kjeder:
Kjedene består bare av C og H. Polyeten er derfor upolart, og kjedene holdes sammen av van der Waals-krefter.
Lignin dannes fra tre monolignoler, for eksempel koniferylalkohol. Enzymer oksiderer monolignolene til radikaler, og radikalene kobles sammen. Dobbeltbindingen i sidekjeden deltar også, men ved radikalkobling, ikke ved at kjeden vokser ved addisjon slik som i polyeten. Enhetene bindes sammen både med C–C-bindinger og med eterbindinger (C–O–C). Figuren viser at koblingene skjer på mange ulike steder. Resultatet er et uordnet, tredimensjonalt nettverk, ikke lineære kjeder.
Benzenringene og metoksygruppene i lignin er lite polare, slik som polyeten. Det kan forklare at lignin er vannavstøtende og lar seg blande inn i polyeten. Samtidig har lignin mange polare OH-grupper som kan danne hydrogenbindinger. Lignin er derfor mer polart enn polyeten.
Både polyeten og lignin kan til slutt oksideres til og vann. For monomeren koniferylalkohol er fullstendig oksidasjon:
Polyeten har bare C–C- og C–H-bindinger og ingen funksjonelle grupper. Enzymer fra mikroorganismer har få steder å angripe, og nedbrytingen tar svært lang tid. I lignin gir eterbindingene og OH-gruppene angrepspunkter for enzymer fra bakterier og sopp. Lignin brytes derfor ned, men langsomt, fordi nettverket er tett og vannavstøtende.
Strukturen gjør altså lignin både nedbrytbart og forenlig med polyeten. En blanding med lignin kan redusere mengden fossil plast. Polyetendelen i blandingen blir likevel ikke lettere å bryte ned.
Vedlegg
Vedleggene i oppgavesettet til Kjemi 2 H2023. De kunne brukes på hele eksamen, også del 1 (om hjelpemidlene).
Åpne på egen side: Tabeller og formler i kjemi