פולימרים: היסטוריה, פילמור, סוגים, תכונות - כִּימִיָה - 2025

הפולימרים הם תרכובות מולקולריות המאופיינות על ידי בעל מסה גבוהה טוחנת (החל אלפים למיליון) וכוללים מספר רב של יחידות, מונומרים שנקראו, אשר חוזרים על עצמם.

מכיוון שיש להם את המאפיין של להיות מולקולות גדולות, מינים אלה נקראים מקרומולקולות, מה שנותן להם תכונות ייחודיות השונות מאוד מאלו שנצפו אצל קטנות יותר, וניתן לייחס רק לסוג זה של חומרים, כמו הנטייה שיש להם עיצוב מבני זכוכית.

באותו אופן, בהיותם שייכים לקבוצה גדולה מאוד של מולקולות, נוצר הצורך להעניק להם סיווג, שבגינו הם מחולקים לשני סוגים: פולימרים ממוצא טבעי, כמו חלבונים וחומצות גרעין; וכאלו מייצור סינטטי, כמו ניילון או לוסיט (הידוע יותר בשם פרספקס).

חוקרים החלו בחקירת המדע העומד מאחורי פולימרים בשנות העשרים, כאשר הם התבוננו בסקרנות ובמבוכה כיצד מתנהגים חומרים כמו עץ ​​או גומי. אז מדענים של אז החלו לנתח את התרכובות הללו שנמצאות כל כך בחיי היומיום.

על ידי הגעה לרמה מסוימת של הבנה לגבי טיבם של מינים אלה, ניתן היה להבין את מבנהם ולהתקדם ביצירת מקרומולקולות שיכולות להקל על פיתוח ושיפור חומרים קיימים, כמו גם ייצור חומרים חדשים.

כמו כן, ידוע כי פולימרים משמעותיים רבים מכילים אטומי חנקן או חמצן במבנהם, המקושרים לאטומי פחמן, המהווים חלק מהשרשרת העיקרית של המולקולה.

בהתאם לקבוצות התפקודיות העיקריות המהוות חלק מהמונומרים, יקבלו את שמם; לדוגמה, אם המונומר נוצר על ידי אסטר, נוצר פוליאסטר.

תולדות הפולימרים

יש לגשת להיסטוריה של הפולימרים החל מהפניות לפולימרים הידועים הראשונים.

באופן זה, חומרים מסוימים ממקור טבעי אשר היו בשימוש נרחב מאז ימי קדם (כמו תאית או עור) מורכבים בעיקר מפולימרים.

המאה ה- XIX

בניגוד למה שניתן לחשוב, הרכב הפולימרים לא היה ידוע עד לפני כמה מאות שנים, אז התחיל לקבוע כיצד נוצרים חומרים אלה, והם אף ביקשו להקים שיטה להשגת ייצור מלאכותי.

הפעם הראשונה שבה נעשה שימוש במונח "פולימרים" הייתה בשנת 1833, בזכות הכימאי השבדי ג'ונס ג'ייקוב ברזליוס, שהשתמש בו בכוונה לחומרים בעלי אופי אורגני שיש להם אותה נוסחה אמפירית אך בעלי מסות טוחנות שונות.

מדען זה היה אחראי גם על נטבע של מונחים אחרים, כמו "איזומר" או "קטליזה"; אם כי יש לציין כי באותה תקופה המושג של ביטויים אלה היה שונה לחלוטין ממה שהם מתכוונים כיום.

לאחר כמה ניסויים להשגת פולימרים סינתטיים מהטרנספורמציה של מינים פולימריים טבעיים, המחקר של תרכובות אלה זכה לרלוונטיות רבה יותר.

מטרת החקירות הללו הייתה להשיג אופטימיזציה של המאפיינים הידועים שכבר של פולימרים אלה והשגת חומרים חדשים שיכולים לממש מטרות ספציפיות בתחומי מדע שונים.

המאה העשרים

כשהבחינו בכך שהגומי מסיס בממס בעל אופי אורגני ואז הפיתרון שהתקבל הציג כמה מאפיינים חריגים, המדענים דאגו ולא ידעו כיצד להסביר אותם.

באמצעות תצפיות אלה, הם הסיקו כי חומרים כמו אלה מפגינים התנהגות שונה מאוד ממולקולות קטנות יותר, שכן הם הצליחו לצפות בזמן חקר הגומי ותכונותיו.

הם ציינו כי התמיסה הנחקרת הייתה בעלת צמיגות גבוהה, ירידה משמעותית בנקודת ההקפאה ולחץ אוסמוטי קטן; מכאן ניתן להסיק כי היו כמה מומסים בעלי מסה טוחנת גבוהה מאוד, אך חוקרים סירבו להאמין באפשרות זו.

תופעות אלה, שבאו לידי ביטוי גם בחומרים מסוימים כמו ג'לטין או כותנה, גרמו למדענים באותה תקופה לחשוב כי סוגים אלו של חומרים היו מורכבים מצבירים של יחידות מולקולריות קטנות, כמו C ₅ H ₈ או C ₁₀ H ₁₆ , כבול בכוחות בין-מולקולריים.

למרות שחשיבה שגויה זו נותרה במשך כמה שנים, ההגדרה שנמשכת עד היום הייתה זו שניתנה לה על ידי הכימאי הגרמני וזוכה פרס נובל לכימיה, הרמן שטאדינגר.

המאה XXI

ההגדרה הנוכחית של מבנים אלה כחומרים מקרומולקולריים המקושרים באמצעות קשרים קוולנטיים, נטבעה בשנת 1920 על ידי סטאדינגר, שהתעקש להמציא ולבצע ניסויים עד שמצא עדות לתאוריה זו בעשר השנים הבאות.

התפתחותה של מה שמכונה "כימיה פולימרית" החלה ומאז היא רק תפסה את העניין של חוקרים ברחבי העולם, והיא סופרת בין דפי ההיסטוריה שלה מדענים חשובים מאוד, כולל ג'וליו נטטה, קארל ציגלר, צ'רלס גודייר, בין היתר, בנוסף לאלו ששמו בעבר.

נכון להיום נחקרים מקרומולקולות פולימריות בתחומים מדעיים שונים, כמו מדע פולימרים או ביופיזיקה, שם נבדקים חומרים הנובעים מקשירת מונומרים באמצעות קשרים קוולנטיים בשיטות שונות ומטרות שונות.

בהחלט, מפולימרים טבעיים כמו פוליסופרן לאלו שמקורם סינתטי כמו קלקר, הם משמשים לעתים קרובות מאוד, מבלי להפחית מחשיבותם של מינים אחרים כמו סיליקון, המורכבים ממונומרים על בסיס סיליקון.

כמו כן, חלק גדול מתרכובות אלו ממקור טבעי וסינתטי מורכב משני סוגים שונים או יותר של מונומרים, למינים פולימריים אלה ניתן שם קופולימרים.

פילמור

כדי להתעמק בנושא הפולימרים, עלינו להתחיל לדבר על מקור המילה פולימר, שמקורו במונחים היווניים polys שמשמעותו "הרבה"; ורק המתייחס ל"חלקים "של משהו.

מונח זה משמש לייעוד תרכובות מולקולריות שיש להן מבנה המורכב מיחידות חוזרות רבות, זה גורם לתכונה של מסה מולקולרית יחסית גבוהה ומאפיינים מהותיים אחרים של אלה.

לפיכך, היחידות המרכיבות פולימרים מבוססות על מינים מולקולריים שיש להם מסה מולקולרית יחסית יחסית.

בעורק זה המונח פילמור חל רק על פולימרים סינתטיים, ליתר דיוק על התהליכים המשמשים להשגת סוג זה של מקרומולקולות.

לפיכך, ניתן להגדיר את הפולימור כתגובה כימית המשמשת בשילוב של מונומרים (אחד בכל פעם) לייצר מהם הפולימרים המתאימים.

כך, סינתזת הפולימרים מתבצעת באמצעות שני סוגים עיקריים של תגובות: תגובות הוספה ותגובות עיבוי, אשר יתוארו בהרחבה להלן.

פילמור על ידי תגובות תוספת

לפילמור מסוג זה יש השתתפות של מולקולות בלתי רוויות שיש להן קשרים כפולים או משולשים במבנה שלהם, במיוחד אלה של פחמן-פחמן.

בתגובות אלה המונומרים עוברים שילובים זה עם זה מבלי לבטל אף אחד מהאטומים שלהם, כאשר ניתן להשיג את המינים הפולימריים המסונתזים על ידי שבירה או פתיחת הטבעת מבלי לייצר חיסול של מולקולות קטנות.

מנקודת מבט קינטית ניתן לראות בפולימריזציה זו תגובה של שלושה שלבים: התחלה, התפשטות והפסקה.

ראשית, התחלת התגובה מתרחשת, ובמסגרתה מוחל חימום על מולקולה הנחשבת כיזם (המכונה R ₂ ) ליצירת שני מינים קיצוניים כדלקמן:

R ₂ → 2R ∙

אם הפקת פוליאתילן ניתנת כדוגמה, אז השלב הבא הוא התפשטות, שם נוצר הרדיקל התגובה פונה למולקולת אתילן ומין רדיקלי חדש נוצר באופן הבא:

R ∙ + CH ₂ = CH ₂ → R - CH ₂ –CH ₂ ∙

לאחר מכן משולב רדיקל חדש זה עם מולקולת אתילן אחרת, ותהליך זה ממשיך ברציפות עד לשילוב של שני רדיקלים ארוכי שרשרת שמקורם בסופו של דבר בפוליאתילן, בתגובה המכונה סיום.

פולימריזציה על ידי תגובות עיבוי

במקרה של פילמור באמצעות תגובות עיבוי, השילוב של שני מונומרים שונים מתרחש בדרך כלל, בנוסף לחיסול הנגרם של מולקולה קטנה, שהיא בדרך כלל מים.

באופן דומה, לפולימרים המיוצרים על ידי תגובות אלה לרוב הטרואטומים, כמו חמצן או חנקן, כחלק מהעמוד השדרה שלהם. זה קורה גם כי ליחידה החוזרת המייצגת את בסיס השרשרת שלה אין את כל האטומים שנמצאים במונומר שאליו היא יכולה להיות מושברת.

מצד שני, ישנן שיטות שפותחו לאחרונה יותר, ביניהן בולטת פילמור הפלזמה, שתכונותיה אינן מסכימות בצורה מושלמת עם אחד מסוגי הפולימור שהוסבר לעיל.

בדרך זו, תגובות פילמור ממקור סינטטי, הן של תוספת והן עיבוי, יכולות להתרחש בהעדר או בנוכחות מין זרז.

פילמור של עיבוי נעשה שימוש נרחב בייצור תרכובות רבות הנמצאות בדרך כלל בחיי היומיום, כמו דקרון (הידוע יותר בשם פוליאסטר) או ניילון.

צורות אחרות של פילמור

בנוסף לשיטות סינתזת פולימרים מלאכותיים אלו, קיימת גם סינתזה ביולוגית, המוגדרת כאזור המחקר האחראי על מחקרם של ביו-פולימרים, המחולקים לשלוש קטגוריות עיקריות: פולינוקלאוטידים, פוליפפטידים ופוליסכרידים.

באורגניזמים חיים ניתן לבצע סינתזה באופן טבעי, באמצעות תהליכים הכרוכים בנוכחות זרזים כמו האנזים הפולימראז בייצור פולימרים כמו חומצה deoxyribonucleic (DNA).

במקרים אחרים, מרבית האנזימים המשמשים בפולימיזציה ביוכימית הם חלבונים, שהם פולימרים הנוצרים על בסיס חומצות אמינו ואשר חיוניים ברוב המוחלט של התהליכים הביולוגיים.

בנוסף לחומרים הביופולימריים המתקבלים בשיטות אלה, ישנם אחרים בעלי רלוונטיות מסחרית רבה, כמו גומי מוגני המיוצר על ידי חימום גומי ממקור טבעי בנוכחות גופרית.

לפיכך, בין הטכניקות המשמשות לסינתזה פולימרית באמצעות שינוי כימי של פולימרים ממקור טבעי הם גימור, חיבור מקשר וחמצון.

סוגי פולימרים

ניתן לסווג את סוגי הפולימרים לפי מאפיינים שונים; לדוגמה, הם מסווגים לתרמופלסטים, תרמוסטים או אלסטומרים בהתאם לתגובה הפיזית שלהם לחימום.

יתר על כן, תלוי בסוג המונומרים מהם הם נוצרים, הם יכולים להיות הומופולימרים או קופולימרים.

באופן דומה, בהתאם לסוג הפולימריזציה שבאמצעותה הם מיוצרים, הם יכולים להיות פולימרים תוספת או עיבוי.

כמו כן, ניתן להשיג פולימרים טבעיים או סינתטיים בהתאם למקורם; או אורגני או אורגני בהתאם להרכבו הכימי.

נכסים

- המאפיין הבולט ביותר שלה הוא הזהות החוזרת על עצמן של מונומרים שלה כבסיס למבנה שלה.

- תכונותיו החשמליות משתנות בהתאם למטרתו.

- הם מציגים תכונות מכניות כמו גמישות או התנגדות למתיחה, המגדירים את התנהגותם המקרוסקופית.

- ישנם פולימרים שמציגים תכונות אופטיות חשובות.

- מבנה המיקרו שיש להם משפיע ישירות על תכונותיהם האחרות.

- המאפיינים הכימיים של פולימרים נקבעים על ידי האינטראקציות האטרקטיביות בין השרשראות היוצרות אותם.

- תכונות ההובלה שלו ביחס למהירות התנועה הבין-מולקולרית.

- התנהגות מצבי צבירה קשורה למורפולוגיה שלה.

דוגמאות לפולימרים

בין המספר הגדול של פולימרים שקיימים ניתן למנות את הבאים:

קלקר

משמש במכולות מסוגים שונים, כמו גם במכולות המשמשות כבידוד תרמי (לקירור מים או לאחסון קרח) ואפילו בצעצועים.

פוליטראפלואורואילן

הידוע יותר כטפלון, הוא משמש כמבודד חשמל, גם בייצור רולים וכדי ציפוי כלי מטבח.

פוליוויניל כלוריד

משמש בייצור תעלות קיר, אריחים, צעצועים וצינורות, פולימר זה ידוע באופן מסחרי בשם PVC.

הפניות

1. ויקיפדיה. (sf). פּוֹלִימֵר. התאושש מ- en.wikipedia.or
2. צ'אנג, ר '(2007). כימיה, מהדורה תשיעית. מקסיקו: מקגרו-היל.
3. LibreTexts. (sf). מבוא לפולימרים. נשלח מ- chem.libretexts.org
4. Cowie, JMG ו- Arrighi, V. (2007). פולימרים: כימיה ופיזיקה של חומרים מודרניים, מהדורה שלישית. התאושש מ- books.google.co.ve
5. בריטניקה, א '(נ'). פּוֹלִימֵר. נשלח מ- britannica.com
6. Morawetz, H. (2002). פולימרים: מקורו וצמיחתו של מדע. התאושש מ- books.google.co.ve