Holaa amigos, bueno vengo con un nuevo post, sobre los Polímeros, este post tendrá dos partes en donde hablaremos de los Polímeros Sintéticos y los Polímeros Naturales.
Si te gustan mis aportes puedes seguirme y así te enteraras de los próximos que haré.
Introducción a los Polímeros
1. Características generales de los polímeros
Es difícil poder imaginar que exista alguna relación entre la clara del huevo, el papel, un envase de bebida desechable y el material genético de una célula. Sin embargo, si analizamos detenidamente la estructura de las moléculas que conforman cada uno de los ejemplos señalados, veremos que tienen características comunes. Por ejemplo:
Todas estas moléculas poseen una masa molecular muy alta, mayor a 10 000 unidades, característica por la cual también se llaman macromoléculas (de macro = grande).
Rstán formadas por unidades estructurales que se repiten siguiendo, casi siempre, un patrón determinado. Esta particularidad les confiere el nombre de polímeros , donde cada unidad se conoce como monómero .
En la naturaleza se encuentra una cantidad considerable de polímeros que se denominan polímeros naturales. Algunos se conocen desde la antigüedad, tales como el algodón, la seda y el caucho. Los polisacáridos, las proteínas y los ácidos nucleicos también son polímeros naturales que cumplen funciones biológicas de extraordinaria importancia en los seres vivos, y por ello se les llama biopolímeros.
Muchos de los materiales que utilizamos a diario están hechos de polímeros sintéticos, es decir, macromoléculas creadas en un laboratorio o en la industria. El polietileno de los envases plásticos, el poliuretano de las zapatillas y el rayón de una prenda de vestir son polímeros sintéticos.
2. Clasificación de los polímeros
2.1. Clasificación de los polímeros según la estructura de sus cadenas: lineales y ramificadas
Cuando los monómeros se unen, pueden formarse largas cadenas de diferentes formas y estructuras, generándose polímeros lineales y ramificados.
A. Polímeros lineales. El monómero que los genera presenta dos puntos de ataque, de modo que la polimerización ocurre unidireccionalmente y en ambos sentidos.
B. Polímeros ramificados. El monómero que los origina posee tres o más puntos de ataque, de modo que la polimerización ocurre tridimensionalmente, es decir, en las tres direcciones del espacio.
Muchas de las propiedades de los polímeros dependen de su estructura. Por ejemplo, un material blando y moldeable tiene una estructura lineal con sus cadenas unidas mediante fuerzas intermoleculares débiles; en tanto, un material rígido y frágil posee una estructura ramificada; un polímero duro y resistente tiene cadenas lineales con fuertes interacciones intermoleculares entre las cadenas.
2.2. Clasificación según su origen: polímeros naturales y sintéticos
A. Polímeros naturales. Corresponden a los polímeros que forman parte de los seres vivos, como plantas y animales. Algunos ejemplos son: almidón, caucho natural, proteínas y ácidos nucleicos.
Caucho Natural
B. Polímeros sintéticos o artificiales. Son aquellos polímeros sintetizados a través de procesos químicos en laboratorios o en industrias a partir de materias primas (unidades monoméricas) específicas. Algunos ejemplos son el caucho vulcanizado, el polietileno y el poliéster.
Entre los polímeros naturales y sintéticos no hay grandes diferencias estructurales; ambos están formados por monómeros que se repiten a lo largo de toda la cadena polimérica.
Caucho Vulcanizado
2.3. Clasificación según la composición de sus cadenas: homopolímeros y copolímeros
Tanto los polímeros naturales como los sintéticos están estructuralmente formados por cadenas carbonadas en las que pueden repetirse monómeros iguales o diferentes. De acuerdo con el tipo de monómeros que constituyen la cadena, los polímeros se clasifican en: homopolímeros y copolímeros.
A. Homopolímeros. Son macromoléculas formadas por la repetición de unidades monoméricas idénticas. La celulosa y el caucho son homopolímeros naturales; el polietileno y el PVC son homopolímeros sintéticos.
B. Copolímeros. Son macromoléculas originadas por dos o más unidades monoméricas distintas. La seda es un copolímero natural y la baquelita, uno sintético. Los copolímeros más comunes están formados por dos monómeros diferentes que pueden generar cuatro combinaciones distintas.
Parte 1: Polímeros sintéticos
1. Historia de los polímeros sintéticos
La historia de los polímeros sintéticos es larga. Por mucho tiempo solo se usaron polímeros naturales, como la celulosa, en la fabricación de papel, o algodón, en la confección de prendas de vestir. Sin embargo, con el paso del tiempo, el objetivo fue imitar y sintetizar estos polímeros naturales. Hoy día ni siquiera nos podríamos imaginar un mundo sin ellos: ropa que no se arruga, recubrimientos sintéticos en baños y cocinas, partes de aparatos electrodomésticos y un sinnúmero de otras cosas.
En el pasado, solo disponíamos del caucho natural, que es un polímero del isopreno o poliisopreno que se extrae de la savia o látex de ciertos árboles tropicales nativos de Sudamérica. Este es un material pegajoso, blando cuando se le aplica calor, duro y fácil de quebrar en frío. El caucho natural se produce cuando se enlazan entre sí las moléculas de isopreno (2-metil-1,3-butadieno), mediante la acción de ciertas enzimas que posibilitan que todos los monómeros unidos se conformen en sus isómeros cis.
El norteamericano Charles Goodyear (1800-1860) mezcló accidentalmente en una estufa caliente azufre y caucho, obteniendo así un material que no se fundía ni se ponía pegajoso al calentarlo, y tampoco se quebraba cuando se le sometía a bajas temperaturas. Bautizó a este nuevo material con el nombre de caucho vulcanizado. El proceso se llama vulcanización. En él, el azufre provoca el entrecruzamiento de las cadenas del polímero, a través de reacciones que se producen entre algunos de los dobles enlaces C—C, como se muestra a continuación:
2. Clasificación de los polímeros sintéticos
Aunque ciertos productos sintéticos ocasionan algunos problemas, como por ejemplo su eliminación residual, por otra parte, han mejorado tanto la calidad de vida del ser humano, que actualmente son insustituibles. Por esta razón, es importante saber de dónde provienen, cómo se sintetizan y cuáles son sus propiedades.
2.1. Clasificación de los polímeros sintéticos según el tipo de síntesis
Los polímeros son macromoléculas que se forman a partir de la unión de monómeros. El proceso por el que se unen los monómeros se llama polimerización. La polimerización puede ser por adición o por condensación.
A. Polimerización por adición. Los polímeros se forman por la sucesiva unión de monómeros que tienen uno o más enlaces dobles y triples.
La polimerización comienza cuando el iniciador (catión, radical libre o anión) se adiciona a un doble enlace carbono-carbono de un sustrato insaturado (un monómero vinilo) y forma un intermediario reactivo. Este intermediario reacciona con una segunda molécula del monómero y da un nuevo intermediario; este último reacciona con una tercera unidad monomérica, y así sucesivamente, hasta que la cadena polimérica deja de crecer (si es una polimerización catiónica), o si se destruyen los radicales libres (polimerización radicalaria), o bien, si se neutraliza el carbanión (polimerización aniónica).
B. Polímeros de condensación. Se forman por un mecanismo de reacción en etapas, es decir, a diferencia de la polimerización por adición, la polimerización por condensación no depende de la reacción que la precede; el polímero se forma porque las unidades monoméricas que intervienen son principalmente: diácidos carboxílicos, diaminas y dialcoholes. Además, en este tipo de reacciones, por cada nuevo enlace que se forma entre los monómeros, se libera una molécula pequeña, generalmente de agua.
2.2. Clasificación según propiedades de los polímeros sintéticos
Las propiedades de un polímero son determinantes a la hora de decidir la aplicación que se le dará. Por ejemplo, si deseamos fabricar un objeto que sea elástico, deberá estar hecho de un polímero con propiedades elásticas, es decir, nos interesará principalmente su capacidad de elongación y su resistencia a la flexión. Los polímeros sintéticos se pueden clasificar según sus propiedades físicas y su comportamiento frente al calor.
A. Según propiedades físicas
B. Con relación a su comportamiento frente al calor
3. Polímeros por adición
3.1. Polimerización catiónica: formación del polipropileno
En 1954, Giulio Natta, siguiendo la línea de trabajo de Karl Ziegler, logró obtener polipropileno de estructura muy regular, denominado isotáctico (polímero que tiene todos los grupos metilo del mismo lado del esqueleto hidrocarbonado). Esto se logró seleccionando el catalizador apropiado para la polimerización. La importancia de su trabajo y el empleo de nuevos catalizadores revolucionaron el campo de la química industrial.
El polipropileno es una sustancia parecida al caucho. Se emplea para fabricar recipientes para microondas y alfombras artificiales.
En la polimerización catiónica de un alqueno, el extremo por el que crece la cadena es un catión (electrófilo). A continuación, se presentan las etapas.
Se adiciona un ácido (HA) al propileno. El protón H + (reactivo iniciador) ataca los electrones del enlace doble y termina uniéndose a uno de los átomos de carbono. En esta reacción se genera un ion carbonio o carbocatión (especie deficiente en electrones).
Como existe una muy baja concentración de HA, con respecto al alqueno, es improbable que el ion carbonio se encuentre con el A – y sea neutralizado. En vez de esta reacción, el ion carbonio ataca al doble enlace (alta densidad electrónica) de otra molécula de propileno, formando un nuevo ion carbonio, y así sucesivamente se va alargando la cadena y el polímero sigue creciendo.
La cadena deja de crecer y ahora es posible la reacción entre el ion carbonio y el anión.
3.2. Polimerización aniónica: formación del cloruro de polivinilo (PVC)
El PVC (cloruro de polivinilo) fue descubierto accidentalmente por Henri Victor Regnault en el año 1838, por medio de la exposición directa del cloruro de vinilo a la luz del día. Sin embargo, no advirtió la importancia de su descubrimiento. En 1872, Eugen Baumann fue el primero en sintetizar polímeros derivados de haluros de vinilo con propiedades físicas relacionadas con un plástico.
La polimerización aniónica comienza por medio de un iniciador. En este caso, el iniciador es un anión, es decir, un ion con carga eléctrica negativa. Existe una gran variedad de iniciadores empleados en la polimerización aniónica; sin embargo, el más utilizado es el n-butil-litio (CH 3–CH 2–CH 2–CH 2–Li).
El butil litio se separa para formar un anión butilo y un catión litio. La carga negativa del butilo se localiza sobre un átomo de carbono, lo que genera un carbanión.
Este carbanión reacciona con el cloruro de vinilo, iniciándose así la polimerización.
El carbanión resultante reacciona con otra molécula del monómero, así el proceso se repite muchas veces y de este modo la cadena se va alargando.
La polimerización finaliza con la neutralización del carbanión; esta reacción se logra a través de la adición de un protón proveniente del agua. De este modo se obtiene, finalmente, el cloruro de polivinilo.
3.3. Polimerización radicalaria: formación del polietileno
El polietileno fue sintetizado por primera vez en el año 1898, por el químico alemán Hans von Pechmann, quien, accidentalmente, calentando diazometano (CH 2N2), obtuvo una sustancia blanca similar a la cera.
La polimerización radicalaria se inicia al generarse radicales libres en el medio, especie muy reactiva y que forma intermediarios sin cargas, ya que la reacción genera una ruptura hemolítica del enlace. Por ejemplo, la descomposición de un peróxido origina un radical libre que puede adicionarse a un alqueno, produciéndose un radical carbono.
Veamos el caso de la polimerización radicalaria del etileno con el radical libre obtenido del peróxido de benzoílo (C 6H5COO) 2, para producir el polietileno.
El peróxido de benzoílob se descompone por efecto de la temperatura, liberando dióxido de carbono y dos radicales libres, cada uno actuando como iniciador de la reacción. La ecuación de la izquierda representa la reacción entre el radical libre y el etileno. En este caso, el par electrónico del doble enlace es atacado fácilmente por el radical libre, formando un nuevo radical.
El radical reacciona con otra molécula de etileno, y así el proceso se repite n veces, para ir alargando la cadena.
es decir: –(CH 2–CH 2)n–, donde hemos destacado el monómero correspondiente. Las propiedades del polietileno son muy distintas a las del monómero que lo origina (el etileno).
La cadena termina a través de cualquier reacción en la que se destruyen los radicales libres, dando lugar al polímero llamado polietileno, formado por moléculas con un número n de monómeros.
3.4. Aplicaciones comerciales de algunos polímeros de adición
El siguiente cuadro indica las propiedades y aplicaciones comerciales de algunos polímeros de adición.
4. Polímeros por condensación
En las polimerizaciones de condensación, dos monómeros reaccionan para formar un dímero, el que, a su vez, puede seguir reaccionando (por ambos extremos) con otras moléculas, alargando así indefinidamente la cadena del polímero. Algunos polímeros sintetizados por este método son: poliamidas, poliésteres, siliconas y resinas.
Síntesis del nailon.
A. Poliamidas. Fibra sintética que tiene la propiedad de formar hilos que se estiran bastante sin romperse. Se pueden usar para hilar y hacer tejidos. Una de las poliamidas más conocidas es el nailon. Este polímero se obtiene por la polimerización de un ácido dicarboxílico (1,6-ácido hexanodioico) y una diamina (1,6-hexanodiamina), según muestra la siguiente ecuación
B. Poliésteres. Se sintetizan de manera similar a las poliamidas, condensando un ácido con un alcohol. Por ejemplo, en la formación del polímero llamado polietilentereftalato (PET) reacciona el ácido tereftálico (ácido 1,4–benzodioico) con el etilenglicol (1,2–etanodiol), en presencia de un catalizador o bien por efecto de la presión o del calor. El grupo OH de uno de los grupos carboxilo del ácido reacciona con el átomo de H de uno de los grupos hidroxilo del etilenglicol para formar un éster simple y agua (como subproducto).
Cada unidad del éster simple contiene un grupo carboxilo y un grupo hidroxilo, que pueden reaccionar con otras moléculas y generar otras uniones ésteres y, por tanto, moléculas más grandes, que pueden seguir reaccionando, y así sucesivamente.
El PET fue patentado en 1941 por John Whinfield y James Dickson. Las fuertes atracciones intermoleculares de sus cadenas poliméricas le confieren la capacidad de formar hilos con una alta resistencia.
A continuación, se presenta la ecuación de la formación del PET, en medio ácido:
C. Siliconas. Fueron descubiertas a principios del siglo XX por el químico británico Frederick Kipping. Son los polímeros inorgánicos más comunes, donde el silicio es el átomo central, tetravalente. Su estructura presenta cadenas de átomos de silicio (Si) alternados con átomos de oxígeno (O) y unidos a grupos metilo (–CH 3).
Presentan propiedades físicas similares a las de las resinas y al caucho, pero son más estables frente al calor y a la oxidación. Las siliconas son muy poco reactivas, y por esta razón se emplean en el campo de la medicina, por ejemplo, en la fabricación de corazones artificiales e implantes cosméticos.
D. Resinas. La baquelita fue la primera resina sintetizada por el químico estadounidense de origen belga Leo Baekeland en 1907. Las resinas se caracterizan por sufrir una transformación química cuando se funden, convirtiéndose en un sólido que, si se vuelve a fundir, se descompone. La baquelita resulta de la reacción entre el fenol y el formaldehído (metanal). Es un polímero duro y quebradizo. La polimerización para obtener baquelita ocurre por condensación.
En la próxima entrega vendrá: Polímeros Naturales, espero que les sirva esta informacion y como saben aprender nunca está de más.
Saludos!
