Los polímeros son compuestos químicos cuyas moléculas están formadas por la unión de otras moléculas más pequeñas llamadas monómeros, las cuales se enlazan






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POLÍMEROS
1. DEFINICIÓN.

Los polímeros son compuestos químicos cuyas moléculas están formadas por la unión de otras moléculas más pequeñas llamadas monómeros, las cuales se enlazan entre sí como si fueran los eslabones de una cadena. Estas cadenas, que en ocasiones presentan también ramificaciones o entrecruzamientos, pueden llegar a alcanzar un gran tamaño, razón por la cual son también conocidas con el nombre de macromoléculas. Habitualmente los polímeros reciben, de forma incorrecta, el nombre de plásticos, que en realidad corresponde tan sólo a un tipo específico de polímeros, concretamente los que presentan propiedades plásticas (blandos, deformables y maleables con el calor).

Dependiendo de su origen, los polímeros pueden clasificarse en naturales y artificiales. Entre los naturales se hallan sustancias muy comunes de las que suele ignorarse su naturaleza polimérica: Los hidratos de carbono o polisacáridos, como el almidón o la celulosa; la lana, la seda y otras proteínas, constituidas por aminoácidos; los ácidos nucleicos (el ADN y el ARN), responsables de la información genética, cuyos monómeros constituyentes son un azúcar (ribosa o desoxirribosa), ácido fosfórico y las bases nitrogenadas que constituyen las letras del código genético, y otras sustancias tales como el caucho, derivadas de pequeñas moléculas de hidrocarburos.

Con el desarrollo de la tecnología y la industria química el hombre ha aprendido a imitar a la naturaleza, e incluso a mejorarla, sintetizando nuevos polímeros artificiales inexistentes en ella, normalmente a partir de derivados del petróleo. El primero en ser creado de forma totalmente artificial fue, en 1909, la baquelita, aunque con anterioridad se habían obtenido algunos, como el celuloide, mediante la modificación de polímeros naturales, celulosa en este caso. En la actualidad la síntesis y el procesado de materiales poliméricos es una de las más importantes ramas de la industria química, y los polímeros están presentes de forma habitual en nuestra vida cotidiana. Sin pretender ser, ni mucho menos, exhaustivos podemos recordar algunos polímeros tan usuales y frecuentes como el polietileno y el polipropileno, utilizados para la elaboración de bolsas de plástico; el poliestireno, o corcho blanco, para embalajes; el PVC, o policloruro de vinilo, para envases y tuberías; el PET (polietilentereftalato), también para envases; el teflón, como aislante; las poliamidas (nailon) y los poliésteres (tergal), como fibras sintéticas; el metacrilato, como sustitutivo del vidrio; el caucho sintético, para neumáticos... También existen polímeros artificiales de naturaleza inorgánica, como las siliconas, donde el carbono ha sido sustituido por átomos de silicio encadenados con átomos de oxígeno.

Como es fácil apreciar, la vida actual no sería imaginable sin los materiales poliméricos, tal es su implantación en nuestra sociedad. A las aplicaciones beneficiosas de los polímeros sintéticos hay que añadir el grave problema que crea su resistencia a la degradación una vez usados, lo que dificulta su eliminación e incluso su reciclado. Aunque actualmente se está intentando sustituir los polímeros más perniciosos, como el PVC y en general los que contienen flúor y cloro, por otros más inocuos, y se ha comenzado a implantar polímeros biodegradables, todavía hoy un porcentaje muy importante de nuestras basuras está constituido por polímeros de difícil eliminación.
2. HISTORIA.

La noción de molécula es intuitiva, es una consecuencia de la concepción discontinua de la materia y corresponde a la idea de una especie química definida que no puede fragmentarse más allá de cierto límite sin perder sus características propias.

Este concepto se ha caracterizado por diversos métodos analíticos, ya sea por vía húmeda o a través de técnicas instrumentales como, por ejemplo los rayos X, para definir estructuras cristalinas.

Hasta mediados del siglo pasado, existía un buen número de moléculas conocidas de dimensiones finitas y de un número de átomos limitado, en I mayoría de los casos, como el H2O, NH3, CH4, también se encontraban en los estudios de química orgánica, compuestos más elaborados como la sacarosa C12H22O11, el caroteno C40H56 o la triestearina C57H110O6. Sin embargo, el número de átomos de estas substancias no pasaba de una o dos centenas. Por otra parte, se sabia que algunas substancias de origen natural, como la celulosa, el almidón y el hule, que a pesar de corresponder a composiciones moleculares muy simples, sus propiedades físico-químicas eran diferentes de aquellas que tenían fórmulas similares p idénticas, como por ejemplo el hule y la celulosa, cuyas fórmulas obtenidas por análisis elemental son respectivamente C5H8 y C6H10O5, Para explicar estas anomalías se les atribuirla, a la celulosa y al hule, una estructura micelar, es decir, las pequeñas moléculas de C5H8 o C6H10O5 se encontraban, según esta teoría, agrupadas en partículas mucho más voluminosas e indisociables por medio de fuerzas de asociación intensas, pero indeterminadas, lo que era difícil de explicar, ya que éstas debían de ser de la misma magnitud que la de uniones ordinarias entre átomos para que aún en solución mantuvieran sus propiedades de cohesión.

Se sabe que, por ejemplo, las moléculas de jabón al variar la dilución, se cambian las características de éstas, fenómeno que no sucede en el caso de la celulosa.

Ya en 1900, Weber suponía que el hule natural era una verdadera macromolécula, sin embargo, no contó con el apoyo de los investigadores de la época; fue solamente hasta 1922 con lo trabajos de Herman Staudinger que se empezó a debatir seriamente sobre la estructura de estos compuestos. Se requirieron alrededor de 10 años más para lograr convencer total mente sobre la nueva teoría, y a partir de 1933, aproximadamente, se empezó a desarrollar la teoría macromolecular de tal forma que aunque en 1891 se produjo por primera vez el rayón en Francia, y en 1919 se inició la producción de baquelita a partir de resinas fenólicas, fue a partir de los años 30 cuando se produjo un desarrollo explosivo de la industria de los polímeros precedida de una intensa investigación, y así, en 1931 se produce el hule sintético (neopreno), en 1933 se descubre el polietileno (lCl) Inglaterra. En 1935 Carothers descubre el nylon, en 1936 Rohm and Haas comercializa el polimetilmetacrilato, en 1937 sale al mercado el poliestireno, etc. Posteriormente, se desarrollan los catalizadores Ziegler Natta, se estudia la estructura del ácido desoxirribonucleico, en fin, seria difícil enumerar todos los adelantos logrados a la fecha en el estudio de los polímeros, solo se mencionará que su campo de acción es muy amplio ya que abarca los polímeros naturales (los cuales existen en todo ser vivo), como lo son la celulosa el hule, el algodón de origen vegetal y proteínas, seda, ana, ácidos nucleicos provenientes de los seres animales.

En lo referente a polímeros sintéticos se tiene una gran variedad, se obtienen por medio de síntesis de pequeñas moléculas las cuales, la mayoría de ellas, son derivados del petróleo.

Así pues, una vez que se establecieron las bases de la química macro molecular con Staudinger, al comprobarse que estos productos se podrían obtener por síntesis y que había la posibilidad de fabricarlos a diferentes grados de polimerización y, por tanto, pesos moleculares variables, se trató de fijar un criterio para definir el umbral inferior a partir del cual un polímero se puede considerar como tal. Se observó que la temperatura de fusión de las olefinas aumentaba a medida que la longitud de la cadena del hidrocarburo lo hacia.
3. CLASIFICACIÓN.
3. 1. Obtención.

Se pueden clasificar por el medio en el que se obtuvo el polímero y su naturaleza.

  • Naturales: son los que la naturaleza ha creado. Ej. algodón, seda, nosotros, seres vivos. También se conocen como biopolímeros.

  • Artificiales: son los que el hombre produce por medio de reacciones químicas.


3. 2. Tipo de enlace.

Otro tipo de clasificación (aunque no tan utilizada) es la que se realiza con el tipo de enlace con que esta formado.


cabeza a cola

cola a cola

cabeza a cabeza


4. POLIMERIZACIÓN.
El objeto de la polimerización es obtener una sustancia macromolecular con propiedades diferentes a las del monómero, o moléculas aisladas de peso molecular conocido.

Durante la polimerización la cual tiene lugar bajo condiciones variadas como temperatura o presión elevada, acción de la luz, o presencia de aceleradores, las moléculas aisladas o monómeros se ensamblan bajo reacción exotérmica, dando macromoléculas. La capacidad de los compuestos orgánicos de polimerizarse depende de ciertas condiciones de enlazamiento de los átomos de la molécula monómera. Particularmente hacen posible la polimerización los enlaces múltiples, bien dobles enlaces de carbono (átomos de carbono unidos a través de dos valencias) o bien enlaces triples, así como el tipo y posición de átomos o grupos atómicos eficaces.

Fundamentalmente todos los polímeros se forman mediante la creación de enlaces químicos entre moléculas relativa mente pequeñas, o monómeros, para formar moléculas muy grandes (macromoléculas), o polímeros. Los enlaces se forman por medio de un o de una combinación de dos tipos de reacciones: de adición o de condensación.
4. 1. Polimerización por adición.

El proceso de polimerización por adición se caracteriza por la simple combinación de moléculas sin que se generen productos secundarios como resultado de la combinación. Las moléculas originales no se descomponen para producir residuos de reacción que es necesario eliminar del producto. Cuando se enganchan unidades de un solo monómero, el producto resultante es un homopolímero, como el etileno, por ejemplo, que se prepara a partir del monómero etileno. Cuando se utilizan dos o más monómeros en el proceso, como etileno y propileno, por ejemplo, el producto es un copolímero.

La formación de un homopolímero es análoga al enlazamiento de vagones idénticos de un tren. Cada uno de los vagones es análogo a una pequeña molécula llamada mero, que se enlaza a otros meros idénticos para formar una cadena de muchos meros llamada polímero. Al igual que los vagones, el mero debe contar con un medio para engancharse o enlazarse con otros meros por ambos extremos (es decir, debe ser al menos bifuncional).

El proceso mismo de polimerización implica la formación, no de un solo tren (una macromolécula), sino muchos; cada una de las macromoléculas compite por los meros (vagones de la estación de ferrocarril).

Por tanto al término del proceso de polimerización, el producto consiste en muchas macromoléculas de diferente longitud, compuestas de la misma clase de mero.

El proceso de polimerización por adición se lleva a cabo por uno de tres caminos. La primera reacción de adición implica la activación química externa de las moléculas, que las induce a combinarse por una reacción en cadena, como se ilustra con la polimerización del etileno. La reacción inicial de este proceso comprende la ruptura del doble enlace del etileno, seguida de la reacción de propagación y de la reacción de terminación. Los átomos se enlazan directamente dentro de la molécula que reacciona. La segunda forma como se produce una polimerización por adición es mediante una transposición de los átomos dentro de ambas moléculas reaccionantes, como se muestra para el caso de la formación de poliuretano. Un tercer camino para que ocurra una polimerización por adición es por apertura de anillo, en la que una molécula, compuesta de un anillo de átomos, se abre y se enlaza a otras moléculas anulares que también se abren por influjo de activadores catalíticos. En los tres métodos de polimerización por adición se conserva la característica propia de una reacción de polimerización por adición: que no hay productos secundarios ni pérdida de átomos de las moléculas reaccionantes.

En la polimerización de adición se distinguen tres etapas: iniciación, propagación y terminación. Durante la etapa de terminación se forma por reacción de catalizador con una unidad monomérica, un centro activo capaz de propagarse.
Ejemplo. Este proceso se demostró para el polietileno es la repetición de la siguiente reacción:


donde R• representa un iniciador activo y es un electrón desapareado.

La propagación representa el crecimiento lineal de la molécula al unirse entre sí las unidades monoméricas para producir la cadena molecular de polietileno:

El crecimiento de la cadena es relativamente rápido. El tiempo necesario para el crecimiento de una molécula de, por ejemplo, 1000 unidades monoméricas es del orden de 10^-2 a 10^-3s.

La propagación puede terminar por varios caminos. En primer lugar, los extremos activos de dos cadenas que se propagan pueden reaccionar formando una molécula no reactiva:



De este modo termina el crecimiento de las dos cadenas. En segundo lugar, el extremo activo de una cadena puede reaccionar con un iniciador u otra especie química que tiene un enlace activo simple:



y como resultado cesa el crecimiento de la cadena.

Las velocidades relativas de iniciación, propagación y terminación determinan el peso molecular, por lo que normalmente se controlan para obtener un polímero con grado de polimerización predeterminado. Como la polimerización termina al azar, se genera una gran cantidad de variedad de longitudes de cadena, que origina una distribución de pesos moleculares.

4. 2. Polimerización por condensación.

En este proceso, la unión química de dos moléculas sólo se consigue mediante la formación de una molécula secundaria (usualmente pequeña) con átomos de las dos moléculas para crear la unión (de las moléculas), con lo cual la polimerización puede continuar. En estas reacciones el producto secundario residual se extrae inmediatamente del polímero porque puede inhibir la polimerización subsiguiente o permanecer como impureza indeseable en los productos terminados.

Un proceso de este tipo es por ejemplo el que tiene lugar en la fabricación de resinas sintéticas de fenol – formaldehído o baquelitas. En él dos clases diferentes de moléculas con los grupos activos cresol y formaldehído, forman, bajo presión y calentamiento (y si es preciso, en presencia de aceleradores de la reacción) macromoléculas entrecruzadas, separándose agua.

La polimerización por condensación (o reacción por etapas) es la formación de polímeros por mediación de reacciones químicas intermoleculares que normalmente implican más de una especie monomérica y generalmente se origina un subproducto de bajo peso molecular, como el agua, que se elimina. Las substancias reactivas tienen fórmulas químicas diferentes de la unidad que se repite, y la reacción intermolecular ocurre cada vez que se forma una unidad repetitiva. Por ejemplo, al considerar la formación de un poliéster a partir de la reacción entre el etilenglicol y el ácido adípico, la reacción intermolecular es la siguiente:


Este proceso por etapas se repite sucesivamente y se produce, en este caso, una molécula lineal. La química de la reacción específica no es importante, sino el mecanismo de la polimerización por adición.

Los tiempos de reacción para la polimerización por condensación son generalmente mayores que los de la polimerización por adición. Para generar materiales con elevados pesos moleculares se necesitan tiempos de reacción suficientemente largos para completar la conversión de los monómeros reactivos. También se producen varias longitudes de cadena y se genera una distribución de pesos moleculares.

Las reacciones de condensación forman a menudo monómeros trifuncionales capaces de generar polímeros entrecruzados y reticulados.
5. ESTRUCTURA MOLECULAR.
Las técnicas modernas de síntesis de polímeros permiten un gran control sobre varias posibilidades estructurales. Este es un factor del cual depende la característica de un polímero.
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