Polimery: historia, polimeryzacja, typy, właściwości i przykłady

Polimery są związkami molekularnymi, które charakteryzują się wysoką masą molową (od tysięcy do milionów) i składają się z dużej liczby jednostek, zwanych monomerami, które są powtarzane.

Ponieważ są one charakterystyczne dla dużych cząsteczek, gatunki te nazywane są makrocząsteczkami, co nadaje im wyjątkowe cechy i bardzo różnią się od tych obserwowanych w mniejszych, przypisywanych tylko tego typu substancjom, takich jak skłonność do zgodne struktury szklane.

W ten sam sposób, ponieważ należą one do bardzo dużej grupy molekuł, pojawiła się potrzeba przyznania im klasyfikacji, dlatego są podzielone na dwa typy: polimery pochodzenia naturalnego, takie jak białka i kwasy nukleinowe; oraz te z produkcji syntetycznej, takie jak nylon lub lucyt (lepiej znany jako pleksiglas).

Uczeni rozpoczęli badania nad nauką, która istnieje za polimerami w latach dwudziestych, kiedy z ciekawością i zdumieniem obserwowali, jak niektóre substancje zachowują się jak drewno lub guma. Następnie naukowcy z tamtych czasów poświęcili się analizie tych związków tak obecnych w życiu codziennym.

Osiągając pewien poziom zrozumienia natury tych gatunków, mogliśmy zrozumieć ich strukturę i postęp w tworzeniu makrocząsteczek, które mogłyby ułatwić rozwój i ulepszanie istniejących materiałów, jak również produkcję nowych materiałów.

Podobnie wiadomo, że wiele znaczących polimerów zawiera w swojej strukturze atomy azotu lub tlenu, przyłączone do atomów węgla, tworząc część głównego łańcucha cząsteczki.

W zależności od głównych grup funkcjonalnych, które są częścią monomerów, zostaną nazwane; na przykład, jeśli monomer jest utworzony przez ester, wytwarzany jest poliester.

Historia polimerów

Historia polimerów musi być adresowana od

W ten sposób niektóre materiały pochodzenia naturalnego, które były szeroko stosowane od czasów starożytnych (takie jak celuloza lub skóra), składają się głównie z polimerów.

XIX wiek

W przeciwieństwie do tego, co mogłoby się wydawać, skład polimerów był nieznany do ujawnienia kilka stuleci temu, kiedy zaczęli określać, w jaki sposób te substancje zostały utworzone, a nawet starali się ustalić jakąś metodę osiągnięcia sztucznej produkcji.

Po raz pierwszy użyto terminu „polimery” w roku 1833, dzięki szwedzkiemu chemikowi Jönsowi Jacobowi Berzeliusowi, który użył go do określenia substancji o charakterze organicznym, które mają tę samą formułę empiryczną, ale mają różne masy molowe.

Ten naukowiec był również odpowiedzialny za tworzenie innych terminów, takich jak „izomer” lub „kataliza”; chociaż warto zauważyć, że w tamtym czasie koncepcja tych wyrażeń była zupełnie inna niż obecnie.

Po kilku eksperymentach mających na celu uzyskanie syntetycznych polimerów z transformacji naturalnych gatunków polimerycznych badanie tych związków stało się bardziej istotne.

Celem tych badań było osiągnięcie optymalizacji znanych już właściwości tych polimerów i uzyskanie nowych substancji, które mogłyby spełnić określone cele w różnych dziedzinach nauk.

XX wiek

Obserwując, że kauczuk był rozpuszczalny w rozpuszczalniku o charakterze organicznym, a następnie uzyskany roztwór wykazywał pewne niezwykłe cechy, naukowcom przeszkadzano i nie wiedzieli, jak je wytłumaczyć.

Dzięki tym obserwacjom wywnioskowali, że substancje takie jak ta wykazują zachowanie bardzo odmienne od mniejszych cząsteczek, co można zauważyć podczas badania gumy i jej właściwości.

Zauważyli, że badany roztwór miał wysoką lepkość, znaczny spadek temperatury krzepnięcia i ciśnienie osmotyczne o małej wielkości; z tego można wywnioskować, że było kilka substancji rozpuszczonych o bardzo dużej masie molowej, ale uczeni odmówili wiary w tę możliwość.

Zjawiska te, które ujawniły się również w niektórych substancjach, takich jak żelatyna lub bawełna, skłoniły naukowców do myślenia, że tego typu substancje składają się z agregatów małych jednostek molekularnych, takich jak C ₅ H ₈ lub C ₁₀ H ₁₆, połączone siłami międzycząsteczkowymi.

Chociaż ta błędna myśl pozostała przez kilka lat, definicja, która utrzymuje się do chwili obecnej, została nadana przez niemieckiego chemika i zdobywcę Nagrody Nobla w dziedzinie chemii, Hermanna Staudingera.

XXI wiek

Obecna definicja tych struktur jako substancji makromolekularnych połączonych wiązaniami kowalencyjnymi została ukuta w 1920 r. Przez Staudingera, który nalegał na opracowanie i przeprowadzenie eksperymentów, dopóki nie uda się znaleźć dowodów tej teorii w ciągu następnych dziesięciu lat.

Rozpoczął się rozwój tak zwanej „chemii polimerów” i od tego czasu zdobył zainteresowanie naukowców na całym świecie, zaliczając do stron swojej historii bardzo ważnych naukowców, wśród których wyróżniają się Giulio Natta, Karl Ziegler, Charles Goodyear, oprócz tych wcześniej wymienionych.

Obecnie polimeryczne makrocząsteczki są badane w różnych dziedzinach naukowych, takich jak nauki o polimerach lub biofizyka, gdzie badane są otrzymane substancje łączące monomery poprzez wiązania kowalencyjne z różnymi metodami i celami.

Oczywiście, od naturalnych polimerów, takich jak poliizopren, do syntetycznych, takich jak polistyren, stosuje się je bardzo często, bez uszczerbku dla innych gatunków, takich jak silikony, złożone z monomerów na bazie krzemu.

Ponadto, wiele z tych związków pochodzenia naturalnego i syntetycznego składa się z dwóch lub więcej różnych klas monomerów, tym gatunkom polimerowym nadano nazwę kopolimerów.

Polimeryzacja

Aby zagłębić się w problem polimerów, musimy zacząć od mówienia o pochodzeniu słowa polimer, które pochodzi z greckich polis, co oznacza „dużo”; i zwykły, który odnosi się do „części” czegoś.

Termin ten jest używany do oznaczania związków molekularnych, które mają strukturę składającą się z wielu powtarzających się jednostek, co powoduje właściwość o wysokiej względnej masie cząsteczkowej i innych ich charakterystycznych cechach.

Zatem jednostki tworzące polimery są oparte na gatunkach molekularnych, które mają względną masę cząsteczkową o małej wielkości.

W tej kolejności pomysłów termin polimeryzacja dotyczy tylko polimerów syntetycznych, a dokładniej procesów stosowanych do uzyskania tego typu makrocząsteczek.

Dlatego polimeryzację można zdefiniować jako reakcję chemiczną stosowaną w kombinacji monomerów (po jednym na raz) w celu wytworzenia z nich odpowiednich polimerów.

W ten sposób synteza polimeru jest prowadzona przez dwa rodzaje głównych reakcji: reakcje addycji i reakcje kondensacji, które zostaną opisane szczegółowo poniżej.

Polimeryzacja przez reakcje addycji

Ten typ polimeryzacji ma udział nienasyconych cząsteczek, które mają podwójne lub potrójne wiązania w swojej strukturze, zwłaszcza węgiel-węgiel.

W tych reakcjach monomery ulegają wzajemnym kombinacjom bez eliminacji któregokolwiek z ich atomów, gdzie cząsteczki polimeryczne syntetyzowane przez rozbicie lub otwarcie pierścienia można uzyskać bez generowania eliminacji małych cząsteczek.

Z kinetycznego punktu widzenia ta polimeryzacja może być postrzegana jako reakcja trójstopniowa: inicjacja, propagacja i zakończenie.

Po pierwsze, rozpoczyna się reakcja, w której ogrzewanie przykłada się do cząsteczki uważanej za inicjator (oznaczonej jako R ₂ ), aby wygenerować dwa rodniki w następujący sposób:

R ₂ → 2R ∙

Jeśli produkcja polietylenu jest stosowana jako przykład, następnym krokiem jest propagacja, w której reaktywny rodnik powstaje zbliża się do cząsteczki etylenu, a nowy rodnik tworzy się w następujący sposób:

R '+ CH ₂ = CH ₂ → R-CH ₂ -CH _2'

Ten nowy rodnik jest następnie łączony z inną cząsteczką etylenu, a proces ten jest kontynuowany aż do połączenia dwóch długołańcuchowych rodników, aby ostatecznie uzyskać polietylen, w reakcji znanej jako terminacja.

Polimeryzacja przez reakcje kondensacji

W przypadku polimeryzacji przez reakcje kondensacji występuje zwykle połączenie dwóch różnych monomerów, oprócz konsekwentnej eliminacji małej cząsteczki, którą jest zazwyczaj woda.

Podobnie, polimery wytwarzane w tych reakcjach często mają heteroatomy, takie jak tlen lub azot, tworzące część ich głównej struktury. Zdarza się również, że jednostka powtarzalna, która reprezentuje podstawę swojego łańcucha, nie posiada ogółu atomów znajdujących się w monomerze, do którego mogłaby ulec degradacji.

Z drugiej strony, istnieją ostatnio opracowane sposoby, wśród których wyróżnia się polimeryzacja plazmowa, której właściwości nie zgadzają się idealnie z żadnym z rodzajów polimeryzacji wyjaśnionych powyżej.

W ten sposób reakcje polimeryzacji pochodzenia syntetycznego, zarówno addycji, jak i kondensacji, mogą zachodzić pod nieobecność lub w obecności związków katalizatora.

Polimeryzacja kondensacyjna jest szeroko stosowana w produkcji wielu związków powszechnie występujących w życiu codziennym, takich jak dakron (lepiej znany jako poliester) lub nylon.

Inne formy polimeryzacji

Oprócz tych metod syntezy sztucznych polimerów istnieje również synteza biologiczna, która jest zdefiniowana jako obszar badań odpowiedzialny za badanie biopolimerów, które są podzielone na trzy główne kategorie: polinukleotydy, polipeptydy i polisacharydy.

W organizmach żywych syntezę można prowadzić naturalnie, w procesach, które obejmują obecność katalizatorów, takich jak polimeraza, w produkcji polimerów, takich jak kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA).

W innych przypadkach większość enzymów stosowanych w polimeryzacji biochemicznej to białka, które są polimerami utworzonymi na bazie aminokwasów i które są niezbędne w ogromnej większości procesów biologicznych.

Oprócz substancji biopolimerowych otrzymanych tymi metodami, istnieją inne o dużym znaczeniu na poziomie komercyjnym, takie jak wulkanizowana guma wytwarzana przez ogrzewanie gumy pochodzenia naturalnego w obecności siarki.

Tak więc wśród technik stosowanych do syntezy polimerycznej poprzez chemiczną modyfikację polimerów naturalnego pochodzenia są wykańczanie, sieciowanie i utlenianie.

Rodzaje polimerów

Rodzaje polimerów można klasyfikować według różnych cech; na przykład, są one klasyfikowane do tworzyw termoplastycznych, termoutwardzalnych lub elastomerów zgodnie z ich fizyczną reakcją na ogrzewanie.

Ponadto, w zależności od rodzaju monomerów, z których są utworzone, mogą to być homopolimery lub kopolimery.

W ten sam sposób, w zależności od rodzaju polimeryzacji, w której są wytwarzane, mogą to być polimery addycyjne lub kondensacyjne.

Również, naturalne lub syntetyczne polimery można otrzymać w zależności od ich pochodzenia; lub organiczny lub nieorganiczny w zależności od jego składu chemicznego.

Właściwości

- Jego najbardziej zauważalną cechą jest powtarzalna tożsamość monomerów jako podstawa jego struktury.

- Jego właściwości elektryczne różnią się w zależności od celu.

- Mają właściwości mechaniczne, takie jak elastyczność lub odporność na trakcję, które określają ich zachowanie makroskopowe.

- Niektóre polimery wykazują ważne właściwości optyczne.

- Mikrostruktura, którą posiadają, bezpośrednio wpływa na ich inne właściwości.

- Charakterystyka chemiczna polimerów jest określona przez atrakcyjne interakcje między łańcuchami, które je tworzą.

- Jego właściwości transportowe są związane z prędkością ruchu międzycząsteczkowego.

- Zachowanie jego stanów agregacji jest związane z jego morfologią.

Przykłady polimerów

Wśród dużej liczby polimerów istnieją następujące:

Polistyren

Stosowany w pojemnikach różnych typów, a także w pojemnikach, które są używane jako izolatory termiczne (do chłodzenia wody lub przechowywania lodu), a nawet w zabawkach.