POLYMEREN: GESCHIEDENIS, POLYMERISATIE, TYPEN, EIGENSCHAPPEN - CHEMIE - 2025

De polymeren zijn moleculaire verbindingen die worden gekenmerkt door een hoge molaire massa (variërend van duizenden tot miljoenen) en bestaan ​​uit een groot aantal eenheden, monomeren genaamd, die worden herhaald.

Omdat ze de eigenschap hebben dat ze grote moleculen zijn, worden deze soorten macromoleculen genoemd, wat ze unieke eigenschappen geeft die heel anders zijn dan die waargenomen bij kleinere, alleen toe te schrijven aan dit soort stoffen, zoals de neiging die ze hebben voor vormgeven van glasstructuren.

Op dezelfde manier, omdat ze tot een zeer grote groep moleculen behoren, ontstond de behoefte om ze een classificatie te geven, waarvoor ze in twee soorten zijn onderverdeeld: polymeren van natuurlijke oorsprong, zoals eiwitten en nucleïnezuren; en die van synthetische fabricage, zoals nylon of luciet (beter bekend als plexiglas).

Geleerden begonnen hun onderzoek naar de wetenschap achter polymeren in de jaren twintig, toen ze met nieuwsgierigheid en verbijstering observeerden hoe stoffen zoals hout of rubber zich gedragen. Dus begonnen wetenschappers van die tijd deze verbindingen te analyseren die zo aanwezig zijn in het dagelijks leven.

Door een bepaald niveau van begrip te bereiken over de aard van deze soorten, was het mogelijk om hun structuur te begrijpen en vooruitgang te boeken bij het creëren van macromoleculen die de ontwikkeling en verbetering van bestaande materialen zouden kunnen vergemakkelijken, evenals de productie van nieuwe materialen.

Evenzo is bekend dat talrijke significante polymeren stikstof- of zuurstofatomen in hun structuur bevatten, gehecht aan koolstofatomen, die deel uitmaken van de hoofdketen van het molecuul.

Afhankelijk van de belangrijkste functionele groepen die deel uitmaken van de monomeren, krijgen ze hun naam; Als het monomeer bijvoorbeeld wordt gevormd door een ester, ontstaat er een polyester.

Geschiedenis van polymeren

De geschiedenis van polymeren moet worden benaderd te beginnen met verwijzingen naar de eerste bekende polymeren.

Op deze manier bestaan ​​bepaalde materialen van natuurlijke oorsprong die al sinds de oudheid veel worden gebruikt (zoals cellulose of leer) voornamelijk uit polymeren.

XIX eeuw

In tegenstelling tot wat je misschien zou denken, was de samenstelling van polymeren een onbekende tot een paar eeuwen geleden, toen het begon te bepalen hoe deze stoffen werden gevormd, en ze probeerden zelfs een methode vast te stellen om kunstmatige productie te bereiken.

De eerste keer dat de term "polymeren" werd gebruikt was in 1833, dankzij de Zweedse chemicus Jöns Jacob Berzelius, die het gebruikte om te verwijzen naar stoffen van organische aard die dezelfde empirische formule hebben maar verschillende molaire massa's hebben.

Deze wetenschapper was ook verantwoordelijk voor het bedenken van andere termen, zoals "isomeer" of "katalyse"; hoewel opgemerkt moet worden dat het concept van deze uitdrukkingen in die tijd totaal anders was dan wat ze vandaag betekenen.

Na enkele experimenten om synthetische polymeren te verkrijgen uit de transformatie van natuurlijke polymeersoorten, werd de studie van deze verbindingen steeds relevanter.

Het doel van deze onderzoeken was om de reeds bekende eigenschappen van deze polymeren te optimaliseren en om nieuwe stoffen te verkrijgen die specifieke doeleinden in verschillende wetenschapsgebieden zouden kunnen vervullen.

Twintigste eeuw

Toen ze zagen dat de rubber oplosbaar was in een oplosmiddel van organische aard en dat de resulterende oplossing enkele ongebruikelijke eigenschappen vertoonde, waren de wetenschappers bezorgd en wisten ze niet hoe ze die moesten verklaren.

Door deze waarnemingen leidden ze af dat stoffen als deze een heel ander gedrag vertonen dan kleinere moleculen, zoals ze konden observeren tijdens het bestuderen van rubber en zijn eigenschappen.

Ze merkten op dat de bestudeerde oplossing een hoge viscositeit had, een aanzienlijke daling van het vriespunt en een kleine osmotische druk; Hieruit kon worden afgeleid dat er verschillende opgeloste stoffen met een zeer hoge molmassa waren, maar geleerden weigerden in deze mogelijkheid te geloven.

Deze verschijnselen, die zich ook manifesteerden in sommige stoffen zoals gelatine of katoen, deden wetenschappers uit die tijd denken dat dit soort stoffen waren samengesteld uit aggregaten van kleine moleculaire eenheden, zoals C ₅ H ₈ of C ₁₀ H ₁₆ , gebonden door intermoleculaire krachten.

Hoewel deze verkeerde denkwijze een aantal jaren bleef bestaan, was de definitie die tot op de dag van vandaag blijft gelden de definitie die eraan is gegeven door de Duitse chemicus en winnaar van de Nobelprijs voor de scheikunde, Hermann Staudinger.

XXI eeuw

De huidige definitie van deze structuren als macromoleculaire stoffen gebonden door covalente bindingen werd in 1920 bedacht door Staudinger, die erop stond experimenten te bedenken en uit te voeren totdat hij in de komende tien jaar bewijs voor deze theorie vond.

De ontwikkeling van de zogenaamde "polymeerchemie" begon en sindsdien heeft het alleen de interesse gewekt van onderzoekers over de hele wereld, die tot de bladzijden van zijn geschiedenis zeer belangrijke wetenschappers rekende, waaronder Giulio Natta, Karl Ziegler, Charles Goodyear, naast de eerder genoemde.

Momenteel worden polymere macromoleculen bestudeerd in verschillende wetenschappelijke gebieden, zoals polymeerwetenschap of biofysica, waar stoffen die het resultaat zijn van het koppelen van monomeren via covalente bindingen met verschillende methoden en doeleinden, worden onderzocht.

Zeker, van natuurlijke polymeren zoals polyisopreen tot polymeren van synthetische oorsprong zoals polystyreen, ze worden zeer vaak gebruikt, zonder het belang van andere soorten zoals siliconen, bestaande uit monomeren op basis van silicium, te verminderen.

Ook bestaat een groot deel van deze verbindingen van natuurlijke en synthetische oorsprong uit twee of meer verschillende klassen monomeren, deze polymeersoorten hebben de naam copolymeren gekregen.

Polymerisatie

Om ons te verdiepen in het onderwerp polymeren, moeten we beginnen met te praten over de oorsprong van het woord polymeer, dat afkomstig is van de Griekse termen polys, wat "veel" betekent; en louter, wat verwijst naar de "delen" van iets.

Deze term wordt gebruikt om moleculaire verbindingen aan te duiden die een structuur hebben die bestaat uit vele herhalende eenheden, dit veroorzaakt de eigenschap van een hoge relatieve molecuulmassa en andere intrinsieke kenmerken hiervan.

De eenheden waaruit polymeren bestaan, zijn dus gebaseerd op moleculaire soorten die een relatief kleine relatieve molecuulmassa hebben.

In deze geest is de term polymerisatie alleen van toepassing op synthetische polymeren, meer bepaald op de processen die worden gebruikt om dit type macromoleculen te verkrijgen.

Daarom kan polymerisatie worden gedefinieerd als de chemische reactie die wordt gebruikt in de combinatie van monomeren (één tegelijk) om daaruit de overeenkomstige polymeren te produceren.

De synthese van polymeren wordt dus uitgevoerd door middel van twee hoofdtypen reacties: additiereacties en condensatiereacties, die hieronder in detail zullen worden beschreven.

Polymerisatie door additiereacties

Dit type polymerisatie heeft de deelname van onverzadigde moleculen die dubbele of drievoudige bindingen in hun structuur hebben, vooral die van koolstof-koolstof.

Bij deze reacties ondergaan de monomeren combinaties met elkaar zonder de eliminatie van een van hun atomen, waarbij de polymeersoort die wordt gesynthetiseerd door het breken of openen van de ring kan worden verkregen zonder de eliminatie van kleine moleculen te genereren.

Vanuit kinetisch oogpunt kan deze polymerisatie worden gezien als een reactie in drie stappen: initiatie, voortplanting en beëindiging.

Ten eerste, de initiatie van de reactie, waarbij het verwarmen wordt toegevoerd aan een molecuul beschouwd als initiator (aangeduid als R ₂ ) twee soorten voorstelt als volgt verkregen:

R ₂ → 2R ∙

Als de productie van polyethyleen als voorbeeld wordt gebruikt, dan is de volgende stap vermeerdering, waarbij de gevormde reactieve radicaal een ethyleenmolecuul aanpakt en een nieuwe radicale soort als volgt wordt gevormd:

R ∙ + CH ₂ = CH ₂ → R - CH ₂ –CH ₂ ∙

Dit nieuwe radicaal wordt vervolgens gecombineerd met een ander ethyleenmolecuul, en dit proces gaat achtereenvolgens door totdat de combinatie van twee lange-ketenradicalen uiteindelijk polyethyleen oplevert, in de reactie die bekend staat als terminatie.

Polymerisatie door condensatiereacties

Bij polymerisatie door condensatiereacties treedt in het algemeen de combinatie van twee verschillende monomeren op, naast de daaruit voortvloeiende eliminatie van een klein molecuul, dat meestal water is.

Evenzo hebben polymeren die door deze reacties worden geproduceerd, vaak heteroatomen, zoals zuurstof of stikstof, als onderdeel van hun ruggengraat. Het komt ook voor dat de herhalende eenheid die de basis van zijn keten vertegenwoordigt, niet alle atomen heeft die in het monomeer zitten waarnaar het zou kunnen worden afgebroken.

Aan de andere kant zijn er methoden die recenter zijn ontwikkeld, waaronder plasmapolymerisatie opvalt, waarvan de eigenschappen niet perfect overeenkomen met de hierboven uiteengezette soorten polymerisatie.

Op deze manier kunnen polymerisatiereacties van synthetische oorsprong, zowel die van additie als condensatie, plaatsvinden in afwezigheid of in aanwezigheid van een katalysatorsoort.

Condensatiepolymerisatie wordt veel gebruikt bij de vervaardiging van veel verbindingen die in het dagelijks leven voorkomen, zoals dacron (beter bekend als polyester) of nylon.

Andere vormen van polymerisatie

Naast deze kunstmatige polymeersynthesemethoden is er ook biologische synthese, die wordt gedefinieerd als het studiegebied dat verantwoordelijk is voor het onderzoek van biopolymeren, die zijn onderverdeeld in drie hoofdcategorieën: polynucleotiden, polypeptiden en polysacchariden.

In levende organismen kan synthese op natuurlijke wijze worden uitgevoerd door middel van processen waarbij katalysatoren zoals het polymerase-enzym aanwezig zijn bij de productie van polymeren zoals deoxyribonucleïnezuur (DNA).

In andere gevallen zijn de meeste enzymen die bij biochemische polymerisatie worden gebruikt eiwitten, dit zijn polymeren die worden gevormd op basis van aminozuren en die essentieel zijn in de overgrote meerderheid van biologische processen.

Naast de biopolymere stoffen die met deze methoden worden verkregen, zijn er nog andere die van groot commercieel belang zijn, zoals gevulkaniseerd rubber dat wordt geproduceerd door rubber van natuurlijke oorsprong te verhitten in aanwezigheid van zwavel.

Tot de technieken die worden gebruikt voor polymeersynthese door chemische modificatie van polymeren van natuurlijke oorsprong behoren dus afwerking, verknoping en oxidatie.

Soorten polymeren

De soorten polymeren kunnen worden geclassificeerd op basis van verschillende kenmerken; ze worden bijvoorbeeld ingedeeld in thermoplasten, thermoharders of elastomeren op basis van hun fysieke reactie op verwarming.

Bovendien kunnen ze, afhankelijk van het type monomeren waaruit ze zijn gevormd, homopolymeren of copolymeren zijn.

Evenzo kunnen het, afhankelijk van het soort polymerisatie waarmee ze worden geproduceerd, additie- of condensatiepolymeren zijn.

Evenzo kunnen natuurlijke of synthetische polymeren worden verkregen, afhankelijk van hun oorsprong; of organisch of anorganisch, afhankelijk van de chemische samenstelling.

Eigendommen

- Het meest opvallende kenmerk is de zich herhalende identiteit van zijn monomeren als basis van zijn structuur.

- De elektrische eigenschappen variëren naargelang het doel.

- Ze vertonen mechanische eigenschappen zoals elasticiteit of weerstand tegen tractie, die hun macroscopisch gedrag bepalen.

- Sommige polymeren vertonen belangrijke optische eigenschappen.

- De microstructuur die ze hebben, heeft rechtstreeks invloed op hun andere eigenschappen.

- De chemische eigenschappen van polymeren worden bepaald door de aantrekkelijke interacties tussen de ketens die ze vormen.

- De transporteigenschappen zijn gerelateerd aan de snelheid van intermoleculaire beweging.

- Het gedrag van zijn aggregatietoestanden is gerelateerd aan zijn morfologie.

Voorbeelden van polymeren

Onder het grote aantal polymeren dat bestaat, zijn de volgende:

Polystyreen

Gebruikt in verschillende soorten containers, maar ook in containers die worden gebruikt als thermische isolatoren (om water te koelen of ijs op te slaan) en zelfs in speelgoed.

Polytetrafluorethyleen

Beter bekend als Teflon, wordt het gebruikt als elektrische isolator, ook bij de vervaardiging van rollen en om keukengerei te coaten.

Polyvinylchloride

Dit polymeer wordt gebruikt bij de productie van muurkanalen, tegels, speelgoed en buizen en staat in de handel bekend als PVC.

Referenties

1. Wikipedia. (sf). Polymeer. Hersteld van en.wikipedia.or
2. Chang, R. (2007). Chemistry, negende editie. Mexico: McGraw-Hill.
3. LibreTexts. (sf). Inleiding tot polymeren. Opgehaald van chem.libretexts.org
4. Cowie, JMG en Arrighi, V. (2007). Polymers: Chemistry and Physics of Modern Materials, Third Edition. Opgehaald van books.google.co.ve
5. Britannica, E. (zd). Polymeer. Opgehaald van britannica.com
6. Morawetz, H. (2002). Polymeren: de oorsprong en groei van een wetenschap. Opgehaald van books.google.co.ve