Polimeri: istorie, polimerizare, tipuri, proprietăți și exemple

Polimerii sunt compușii moleculari caracterizați prin faptul că au o masă mare molară (variind de la mii la milioane) și constau dintr-un număr mare de unități, numiți monomeri, care se repetă.

Deoarece au caracteristica de a fi molecule mari, aceste specii se numesc macromolecule, ceea ce le conferă calități unice și foarte diferite de cele observate în cele mai mici, care pot fi atribuite numai acestui tip de substanțe, cum ar fi înclinația pe care o au conform structurilor de sticlă.

În același mod, deoarece aparțin unui grup foarte mare de molecule, a apărut nevoia de a le acorda o clasificare, motiv pentru care sunt împărțite în două tipuri: polimeri de origine naturală, cum ar fi proteine și acizi nucleici; și cele de fabricare sintetică, cum ar fi nylon sau lucite (mai bine cunoscut sub numele de plexiglas).

Cercetătorii au început cercetările științei care există în spatele polimerilor în anii 1920, când au observat cu curiozitate și uimire cum se comportă unele substanțe ca lemn sau cauciuc. Apoi, oamenii de știință ai timpului s-au dedicat analizei acestor compuși atât de prezenți în viața de zi cu zi.

Prin atingerea unui anumit nivel de înțelegere cu privire la natura acestor specii, am putea înțelege structura și avansul acestora în crearea de macromolecule care ar putea facilita dezvoltarea și îmbunătățirea materialelor existente, precum și producerea de noi materiale.

De asemenea, se cunoaște că numeroși polimeri semnificativi conțin în structura lor atomi de azot sau oxigen, atașați la atomii de carbon, care fac parte din lanțul principal al moleculei.

În funcție de principalele grupuri funcționale care fac parte din monomeri, acestea vor fi numite; de exemplu, dacă monomerul este format dintr-un ester, se produce un poliester.

Istoria polimerilor

Istoria polimerilor trebuie abordată începând cu

În acest fel, anumite materiale de origine naturală care au fost utilizate pe scară largă din cele mai vechi timpuri (cum ar fi celuloza sau pielea) sunt alcătuite în principal din polimeri.

Secolul al XIX-lea

Contrar a ceea ce s-ar putea crede, compoziția polimerilor a fost necunoscută pentru a se dezvălui până acum câteva secole, când au început să determine modul în care s-au format aceste substanțe și chiar a căutat să stabilească o metodă de realizare a fabricării artificiale.

Prima dată când termenul "polimeri" a fost folosit a fost în anul 1833, datorită chimistului suedez Jöns Jacob Berzelius, care la folosit pentru a se referi la substanțe de natură organică care au aceeași formulă empirică, dar au mase moleculare diferite.

Acest om de stiinta a fost, de asemenea, responsabil de coining alte termeni, cum ar fi "izomer" sau "cataliza"; deși este de remarcat că la acel moment conceptul acestor expresii era complet diferit de ceea ce înseamnă în prezent.

După câteva experimente pentru obținerea polimerilor sintetici din transformarea speciilor polimerice naturale, studiul acestor compuși devenea tot mai relevant.

Scopul acestor cercetări a fost de a realiza optimizarea proprietăților deja cunoscute ale acestor polimeri și obținerea de noi substanțe care ar putea îndeplini scopuri specifice în diferite domenii ale științelor.

Secolul XX

Când observăm că cauciucul este solubil într-un solvent de natură organică și apoi soluția rezultată prezintă unele caracteristici neobișnuite, oamenii de știință au fost deranjați și nu știau cum să le explice.

Prin aceste observații, au dedus că substanțe precum acestea prezintă un comportament foarte diferit de moleculele mai mici, așa cum au observat-o în timp ce studiau cauciucul și proprietățile acestuia.

Ei au menționat că soluția studiată a avut vâscozitate ridicată, o scădere semnificativă a punctului de îngheț și o presiune osmotică de mărime mică; de aici se putea deduce că există mai mulți dizabili cu o masă molară foarte mare, dar cărturarii au refuzat să creadă în această posibilitate.

Aceste fenomene, care s-au manifestat și în anumite substanțe, cum ar fi gelatina sau bumbacul, au determinat oamenii de știință să creadă că acest tip de substanțe sunt alcătuite din agregate cu unități moleculare mici, cum ar fi C5H8 sau _C10 H ₁₆, legat de forțele intermoleculare.

Deși acest gând eronat a rămas de câțiva ani, definiția care persistă până în prezent era cea acordată de chimistul german și de câștigătorul Premiului Nobel pentru Chimie, Hermann Staudinger.

Secolul XXI

Definiția actuală a acestor structuri ca substanțe macromoleculare legată de legături covalente a fost creată în 1920 de către Staudinger, care a insistat asupra elaborării și efectuării de experimente până la găsirea dovezilor acestei teorii în următorii zece ani.

Dezvoltarea așa-numitei "chimie a polimerilor" a început și de atunci a captat doar interesul cercetătorilor din întreaga lume, numărând printre paginile din istoria sa oameni de știință foarte importanți, printre care Giulio Natta, Karl Ziegler, Charles Goodyear, printre altele, în plus față de cei menționați anterior.

În prezent, macromoleculele polimerice sunt studiate în diferite domenii științifice, cum ar fi știința polimerilor sau biofizica, unde substanțele care rezultă din legarea monomerilor prin legături covalente cu diferite metode și scopuri sunt investigate.

Desigur, de la polimeri naturali, cum ar fi poliizoprenul, la cei de origine sintetică, cum ar fi polistirenul, aceștia sunt utilizați foarte des, fără a scădea de la alte specii, cum ar fi siliconii, compuși din monomeri pe bază de siliciu.

De asemenea, mulți dintre acești compuși de origine naturală și sintetică sunt compuși din două sau mai multe clase diferite de monomeri, aceste specii polimerice au primit denumirea de copolimeri.

polimerizare

Pentru a aborda problema polimerilor, trebuie să începem să vorbim despre originea cuvântului polimer, care provine de la polisul grecesc, ceea ce înseamnă "o mulțime"; și simplu, care se referă la "părțile" cevaului.

Acest termen este utilizat pentru a desemna compuși moleculari care au o structură constând din mai multe unități repetate, aceasta determină proprietatea unei mase moleculare relativ ridicate și a altor caracteristici intrinseci ale acestora.

Astfel, unitățile care alcătuiesc polimerii se bazează pe specii moleculare care au o masă moleculară relativă de mărime mică.

În această ordine de idei, termenul de polimerizare se aplică numai polimerilor sintetici, mai precis procedeelor utilizate pentru obținerea acestui tip de macromolecule.

Prin urmare, polimerizarea poate fi definită ca reacția chimică utilizată în combinația de monomeri (una câte una) pentru a produce polimerii corespunzători din acestea.

În acest mod, sinteza polimerului se realizează prin două tipuri de reacții principale: reacții de adiție și reacții de condensare, care vor fi descrise în detaliu mai jos.

Polimerizarea prin reacții de adiție

Acest tip de polimerizare are participarea moleculelor nesaturate care au legături duble sau triple în structura lor, în special carbon-carbon.

În aceste reacții, monomerii se supun combinațiilor fără a elimina oricare dintre atomii lor, unde speciile polimerice sintetizate prin rupere sau deschiderea inelului pot fi obținute fără a genera eliminarea moleculelor mici.

Din punct de vedere cinetic, această polimerizare poate fi văzută ca o reacție în trei etape: inițierea, propagarea și terminarea.

În primul rând, apare începutul reacției, în care încălzirea este aplicată unei molecule considerate inițiator (denumită R2) pentru a genera două specii radicale în modul următor:

R2 → 2R ∙

Dacă se utilizează exemplul producției de polietilenă, atunci următoarea etapă este propagarea, unde radicalul reactiv format se apropie de o moleculă de etilenă și se formează o nouă specie radicală după cum urmează:

R * + CH2 = CH2- R-CH2-CH2

Acest nou radical este ulterior combinat cu o altă moleculă de etilenă și acest proces continuă succesiv până când combinația a doi radicali cu catenă lungă provine în final din polietilena, în reacția cunoscută ca terminare.

Polimerizarea prin reacții de condensare

În cazul polimerizării prin reacții de condensare, se produce de obicei combinația a doi monomeri diferiți, în plus față de eliminarea în consecință a unei molecule mici, care este, în general, apă.

În mod similar, polimerii produși de aceste reacții au adesea heteroatomi, cum ar fi oxigenul sau azotul, care fac parte din structura lor principală. De asemenea, se întâmplă ca unitatea repetitivă care reprezintă baza lanțului său să nu posede totalitatea atomilor din monomer la care ar putea fi degradată.

Pe de altă parte, există metode care au fost dezvoltate mai recent, dintre care se evidențiază polimerizarea în plasmă, ale cărei caracteristici nu sunt de acord perfect cu oricare dintre tipurile de polimerizare explicate mai sus.

În acest mod, pot apărea reacții de polimerizare de origine sintetică, atât adiție cât și condensare, în absența sau în prezența unei specii de catalizator.

Polimerizarea prin condensare este folosită pe scară largă în fabricarea multor compuși frecvent prezenți în viața de zi cu zi, cum ar fi dacron (mai bine cunoscut sub numele de poliester) sau nailon.

Alte forme de polimerizare

În plus față de aceste metode de sinteză a polimerilor artificiali, există și sinteza biologică, care este definită ca aria de studiu care este responsabilă pentru cercetarea biopolimerilor, care sunt împărțite în trei categorii principale: polinucleotide, polipeptide și polizaharide.

La organismele vii, sinteza poate fi efectuată în mod natural, prin procese care implică prezența catalizatorilor, cum ar fi enzima polimerazei, în producerea de polimeri cum ar fi acidul dezoxiribonucleic (ADN).

În alte cazuri, majoritatea enzimelor utilizate în polimerizarea biochimică sunt proteinele, care sunt polimeri formați pe bază de aminoacizi și care sunt indispensabili în marea majoritate a proceselor biologice.

În plus față de substanțele biopolimerice obținute prin aceste metode, există și altele de mare importanță la nivel comercial, cum ar fi cauciucul vulcanizat care este produs prin încălzirea cauciucului de origine naturală în prezența sulfului.

Astfel, printre tehnicile utilizate pentru sinteza polimerică prin modificarea chimică a polimerilor de origine naturală se numără finisarea, reticularea și oxidarea.

Tipuri de polimeri

Tipurile de polimeri pot fi clasificate în funcție de caracteristici diferite; de exemplu, ele sunt clasificate în termoplastice, termorezistente sau elastomeri în funcție de răspunsul lor fizic la încălzire.

În plus, în funcție de tipul de monomeri din care sunt formați, pot fi homopolimeri sau copolimeri.

În același mod, în funcție de tipul de polimerizare prin care sunt produse, ele pot fi aditivi sau polimeri de condensare.

De asemenea, polimerii naturali sau sintetici pot fi obținuți în funcție de originea acestora; sau organic sau anorganic în funcție de compoziția sa chimică.

proprietăţi

- Caracteristica cea mai notabilă este identitatea repetitivă a monomerilor săi ca bază a structurii sale.

- Proprietățile sale electrice variază în funcție de scopul său.

- Au proprietăți mecanice cum ar fi elasticitatea sau rezistența la tracțiune, care definesc comportamentul lor macroscopic.

- Unii polimeri prezintă proprietăți optice importante.

- Microstructura pe care o posedă afectează direct celelalte proprietăți.

- Caracteristicile chimice ale polimerilor sunt determinate de interacțiunile tip atractiv dintre lanțurile care le formează.

- Proprietățile sale de transport sunt legate de viteza mișcării intermoleculare.

- comportamentul stărilor sale de agregare este legat de morfologia sa.

Exemple de polimeri

Printre numărul mare de polimeri care există există următoarele:

polistiren

Folosit în recipiente de diferite tipuri, precum și în recipiente care sunt utilizate ca termoizolatoare (pentru a răci apa sau pentru depozitarea gheții) și chiar în jucării.

politetrafluoretilenă

Mai bine cunoscut sub numele de Teflon, este folosit ca un izolator electric, de asemenea în fabricarea rolelor și pentru acoperirea ustensilelor de bucătărie.