Из чего состоит дерево: химический состав древесины
Химический состав древесины представлен сложной смесью органических полимеров и неорганических соединений. Органическая часть, составляющая почти 99% сухого вещества, базируется на четырех основных элементах: углероде (49–50%), кислороде (43–44%), водороде (6%) и азоте (0,1–0,5%). Эти элементы образуют высокомолекулярные соединения, которые определяют прочность и физические свойства материала.
Классификация химических веществ в древесине
Для понимания химии дерева важно разделять компоненты по их роли в строении клетки. Все вещества делятся на структурные компоненты (из которых построены стенки клеток) и экстрактивные вещества (которые заполняют пустоты).
Структурные компоненты
Это «скелет» дерева, представленный высокомолекулярными полимерами. Они не растворяются в воде и обеспечивают механическую устойчивость растения.
-
Целлюлоза. Главный строительный элемент, составляющий от 31% до 50% сухого веса древесины. Она представляет собой линейный полимер из звеньев глюкозы. Целлюлоза служит матрицей для клеточных стенок и обеспечивает прочность на растяжение.
-
Гемицеллюлозы. Более сложные полимеры, содержание которых варьируется от 19% до 35%. Они включают пентозаны (5–29%) и гексозаны (5–13%). В лиственных породах гемицеллюлоз значительно больше, чем в хвойных.
-
Лигнин. Ароматическое соединение фенольной природы, которое составляет 20–30% массы. Лигнин заполняет промежутки между микрофибриллами целлюлозы и вызывает процесс одревеснения. Он делает клеточные стенки жесткими и устойчивыми к воздействию воды.
Экстрактивные вещества
Эти соединения не входят в состав клеточных стенок, а находятся в межклеточном пространстве или полостях клеток (например, в смоляных ходах). Их массовая доля обычно составляет от 3% до 5%. Несмотря на малый объем, именно они отвечают за запах, вкус и цвет дерева.
Экстракты делят на три группы по способу извлечения:
-
Летучие (эфирные масла), которые легко испаряются с паром.
-
Вещества, растворимые в органических растворителях (смолы).
-
Водорастворимые соединения (таннины, камеди, пектины).
Неорганическая составляющая и зольность
Помимо органики, древесина содержит минеральные вещества, которые поступают из почвы через корневую систему. Их содержание невелико и обычно не превышает 1% по весу. При сжигании древесины эти соединения образуют золу. Точное количество золы является косвенным показателем содержания солей (кальция, калия, магния), но расчет осложняется тем, что часть минералов при прокаливании превращается в оксиды и карбонаты.
Связь химии с физическими свойствами
Химический состав напрямую определяет поведение материала при эксплуатации. Например, высокая концентрация лигнина в хвойных породах делает их более плотными и устойчивыми к гниению.
Анизотропия древесины — различие свойств вдоль волокон и поперек них — обусловлена наноструктурой. Микрофибриллы целлюлозы в стенках клеток имеют определенный угол наклона (обычно 5–15°) относительно оси клетки. Из-за этой ориентации прочность древесины при растяжении вдоль волокон в десятки раз выше, чем поперек.
Влажность также критически зависит от химии. Вода может находиться в свободном виде в полостях клеток или в связанном состоянии внутри клеточных стенок. При достижении предела насыщения клеточных стенок (в среднем 30%) свойства древесины резко меняются: начинается процесс усушки, сопровождающийся изменением линейных размеров и возможным короблением из-за разницы в направлении волокон.