Polimeros 2j1o46

Los polímeros se definen como macromoléculas compuestas por una o varias unidades químicas (monómeros) que se repiten a lo largo de toda una cadena. La parte básica de un polímero son los monómeros, los monómeros son las unidades químicas que se repiten a lo largo de toda la cadena de un polímero, por ejemplo el monómero del polietileno es el etileno, el cual se repite x veces a lo largo de toda la cadena. Homopolímero - Se le denomina así al polímero que está formado por el mismo monómero a lo largo de toda su cadena, el polietileno, poliestireno o polipropileno son ejemplos de polímeros pertenecientes a esta familia. Copolímero - Se le denomina así al polímero que está formado por al menos 2 monómeros diferentes a lo largo de toda su cadena, el ABS o el SBR son ejemplos pertenecientes a esta familia. La formación de las cadenas poliméricas se producen mediante las diferentes polireacciones que pueden ocurrir entre los monóneros, estas polireacciones se clasifican en:  Polimerización  Policondensación  Poliadición En función de cómo se encuentren enlazadas o unidas (enlaces químicos o fuerzas intermoleculares) y la disposición de las diferentes cadenas que conforma el polímero, los materiales poliméricos resultantes se clasifican en: 

Termoplásticos



Elastómeros



Termoestables

Los polímeros se forman por la unión de un gran número de moléculas de bajo peso molecular, denominadas monómeros. Los plásticos son ejemplo de polímeros. La figura 8.2 muestra una analogía entre un polímero y un tren. Un tren está conformado por la unión de muchos vagones que se repiten. En el caso de un polímero, se repiten estructuras pequeñas denominadas monómeros. Figura 8.2. Analogía entre un polímero y un tren.

Tomado de: “Lawrence Berkeley National Laboratory” (http://www.lbl.gov/MicroWorlds/Kevlar/KevlarClue1.html)

Un polímero, por tanto, es un compuesto orgánico, que puede ser de origen natural o sintético, con alto peso molecular, formado por unidades estructurales repetitivas llamadas monómeros. En la vida diaria les damos el nombre general de “plástico”, porque los plásticos que usamos son polímeros. Sin embargo, debemos tener claro que existen otros tipos de polímeros que no necesariamente tienen el aspecto de un “plástico” común.

En el siguiente enlace podrás encotrar ejemplos de otros polímeros que usamos en nuestra vida diaria: http://www.pslc.ws/mactest/level1.htm

Características generales de un polímero



Bajo punto de fusión, que permite procesarlo fácilmente para darle forma.



Baja densidad, lo cual los hace útiles en industrias como la automóvil por ser productos ligeros.



Pobre conductividad eléctrica y térmica, permite usarlos como aislantes.



Poca reactividad química, permite tenerlos en o con alimentos sin riesgos.

Representación de los polímeros Los polímeros son macromoléculas formadas por la unión de muchas unidades pequeñas, las cuales se llaman unidades repetitivas. Analicemos la estructura del polietileno, el polímero con el que se hacen las bolsas de plástico. Este polímero se forma a partir de etileno, según la siguiente reacción:

El producto final (polietileno) muestra muchas unidades repetitivas similares. Sin embargo, no es necesario dibujar todas las unidades repetitivas, sino sólo una de ellas e indicar que ésta se repite muchas veces. Así, en el caso del polietileno, podemos representar al polímero así:

Los corchetes nos indican que la unidad que está dentro es la que se está repitiendo, y el subíndice “n” nos dice que se repite “n” veces. De forma similar, podemos representar el policloruro de vinilo. Este polímero se forma a partir del cloruro de vinilo:

Nuevamente, la estructura dentro de los corchetes es la que se repite indefinidamente.

Clasificación de los polímeros Los polímeros pueden ser clasificados según muchos parámetros. A continuación veremos las principales clases de polímeros que existen. Según su origen Pueden existir tres tipos de polímeros: naturales, semisintéticos y sintéticos. Los polímeros naturales existen en la naturaleza como tales. Las biomoléculas pueden ser consideradas polímeros naturales. Otro ejemplo es el caucho.

Los polímeros semisintéticos han sido obtenidos mediante la transformación de un polímero natural. El caucho vulcanizado, componente de las llantas, es un ejemplo: se produce al hacer reaccionar caucho con azufre, a altas temperaturas. Los polímeros sintéticos son obtenidos industrialmente, haciendo reaccionar al monómero correspondiente. Ejemplos de polímeros sintéticos son el polietileno, nylon o poliestireno (Tecnoport).

Más sobre estos tres tipos de polímeros: http://www.profesorenlinea.cl/Quimica/PolimerosCeluloA lmid.htm

Según su estructura Un polímero puede clasificarse en lineal o ramificado dependiendo de su estructura. Por ejemplo, el polietileno, componente de las bolsas de plástico, es un polímero lineal. En este caso, los monómeros se enlazan entre sí formando una cadena carbonada continua. Un ejemplo es el polietileno, en su estructura se observa que todos los átomos de carbono están en la cadena principal, enlazados entre sí.

Sin embargo, el policloruro de vinilo o el polipropileno son polímeros ramificados, ya que hay grupos voluminosos fuera de la cadena principal:

En algunos casos, los grupos fuera de la cadena principal pueden ser más grandes que los mostrados, llegan a ser una nueva cadena. Esto ocurre durante la reacción de polimerización, por reacciones paralelas a la que sufren los monómeros.

Figura 8.3. Polímero lineal y ramificado.

Según su comportamiento térmico Se

pueden

clasificar

en

termoplásticos

y

termoestables.

Los

polímeros

termoplásticos pueden ser moldeados al calentarse. Ejemplos son el polietileno y polipropileno,

que

pueden

ser

fácilmente

reciclados.

Otro

ejemplo

es

el

polietilentereftalato (PEt, con el que se hacen las botellas de plástico. ¿Sabes cómo se fabrican y moldena las botellas de plástico hechas con PET? El siguiente vídeo te explicará como se producen: Los polímeros termoestables son aquellos que, al calentarse, se descomponen químicamente. Un ejemplo es la baquelita, polímero usado en la fabricación de asas para ollas. Figura 8.4. La baquelita (polímero termoestable) se usa para fabricar asas para ollas.

Tomado de: “Parsons Techno Gas” (http://parsonstechno.tradeindia.com/Exporters_Suppliers/Exporter12112.169405/BakeliteHandles.html)

Según la unión de sus monómeros Cuando un polímero se forma por la unión de un único monómero, se denomina homopolímero. En un caso general:

Si tenemos dos tipos de monómeros diferentes, el polímero se llama copolímero. Dependiendo del orden en que se distribuyan los dos monómeros en la estructura, podemos tener un copolímero alternado, en bloque o al azar. En un copolímero

alternado, los monómeros se repiten uno a continuación del otro. En un copolímero en bloque, los monómeros de un mismo tipo están agrupaos en una zona de la molécula, al igual que el otro tipo de monómeros. Por último, en un copolímero al azar, no existe ningún orden en la repetición de monómeros.

Los copolímeros son útiles porque combinan las propiedades de ambos monómeros en una misma estructura. Un ejemplo es el caucho estireno butadieno (abreviado, del inglés, SBR o también SBS), donde se combina la elasticidad y la durabilidad de ambos componentes. Un uso de este copolímero es en la fabricación de suelas de zapatillas.

Preparación de un polímero: polimerización Para preparar un polímero, debemos enlazar entre sí una gran cantidad de monómeros de bajo peso molecular. Este proceso se denomina polimerización. Existen dos tipos de reacciones de polimerización: adición y condensación. Consecuentemente, existen dos tipos de polímeros: polímeros de adición y polímeros de condensación. En la polimerización por adición, los monómeros se unen unos con otros, de tal manera que el polímero final contiene todos los átomos del monómero inicial. Figura 8.5. Polimerización por adición.

Tomado de: “Educarchile” (http://www.educarchile.cl/Portal.Base/Web/VerContenido.aspx? GUID=956d0e27-85f4-48ec-bd90-137b6963f06c&ID=136400)

El poliestireno y el policloruro de vinilo son ejemplos de polímeros de adición.

Observación Observa que la unidad repetitiva del polímero tiene el mismo número de átomos que el monómero. La única diferencia es que el doble enlace se ha convertido en un enlace simple. El par de electrones en mención se ha usado para el nuevo enlace con el otro monómero.

En la polimerización por condensación, no todos los átomos del monómero forman parte del polímero final. Para que los monómeros se unan, es necesario que una parte de ellos se pierda. Figura 8.6. Polimerización por condensación.

Tomado de: “Educarchile” (http://www.educarchile.cl/Portal.Base/Web/VerContenido.aspx? GUID=956d0e27-85f4-48ec-bd90-137b6963f06c&ID=136400)

El nylon 6,6 es un ejemplo de un polímero de condensación. Este polímero se prepara a partir de ácido adípico y hexametilendiamina. Para que ambas moléculas se unan, el ácido adípico debe perder un grupo -OH, mientras que la hexametilendiamina debe perder un átomo de hidrógeno.

Estos átomos eliminados se

produciéndose, a su vez, la unión entre ambos monómeros.

unen, formando agua y

Los enlaces químicos se pueden dividir en primarios y secundarios dependiendo de la energía de enlace y de la distancia medida entre los átomos o moléculas. Los enlaces primarios tienen generalmente una energía superior a 50 Kcal/mol y una distancia de enlace de 0.9 a 2 Å (0.09 a 0.2 nm). Los enlaces secundarios tienen una energía menor a las 10 Kcal/mol y la distancia de interacción esta entre los 2.5 y 5 Å (0.25-0.5 nm).

Los enlaces secundarios son fuerzas de atracción débiles entre iones y moléculas o entre moléculas. Se caracterizan por su alcance limitado, lo cual requiere de mayor cercanía entre los átomos involucrados. Aunque su energía de enlace es pequeña contribuyen en forma importante a la unión porque se establecen en gran número.

Puente de hidrógeno: Se establece cuando un átomo de hidrógeno sirve como puente entre dos átomos electronegativos. Su energía de enlace es de 8 – 21 Kilojoules o 2 – 5 Kilocalorías. El ejemplo más típico de la importancia del puente de hidrógeno lo tenemos en el agua, en donde su fuerza de atracción permite que el agua sea líquida a temperatura ambiente.

Fuerzas de Van der Waals: Son fuerzas electrostáticas transitorias que se establecen entre moléculas no cargadas cuyas formas les permiten acercarse entre si. La atracción se establece entre los extremos de dipolos fugaces con cargas opuestas que oscilan en fase (polarizaciones

fluctuantes), es decir cambian de polaridad con el mismo ritmo. Observa como las cargas parciales de las moléculas involucradas son opuestas de suerte que se genera una atracción entre ellas. Para que estas fuerzas se manifiesten se requiere que las moléculas esten muy cerca una de la otra (distancia del radio de Van der Waals). Energía de enlace: 4 Kilojoules, 1 Kilocaloría.

Interacción hidrofóbica: Fuerzas débiles entre solutos no polares que se asocian entre sí en el seno del agua. Por el hecho de ser insolubles en el agua las partes hidrofóbicas de las moléculas no generan interacciones con ella y el movimiento de las moléculas de agua acaba por empujar a las moléculas hidrofóbicas unas contra otras. Alrededor del acúmulo, las moléculas de agua circundantes establecen enlaces entre ellas formando así una especie de caja que encierra a las moléculas hidrofóbicas, a esta caja se le llama clatrato. Energía de enlac: 4 – 8 Kilojoules, 1 – 2 Kilocalorías.

Interacción ión-dipolo: Atracción de un ión por las moléculas de un disolvente polar, (hidratación, solvatación ). Los iones tienen siempre cargas reales positivas o negativas que atraen a las cargas contrarias de las moléculas del solvente de manera que se forma alrededor del ión una atmósfera de moléculas del solvente, llamada atmósfera de solvatación - o de hidratación cuando el solvente es el agua-.

Los átomos se mantienen reunidos en forma de moléculas por medio de varios tipos de enlaces que dependen de los electrones de valencia. Por comparación, las moléculas se atraen unas con otras con enlaces mas débiles, que por lo general resultan de la configuración de electrones en las moléculas individuales. Así, se tienen dos tipos de enlaces; 1) Enlaces primarios, asociados por lo general con la formación de moléculas. *Enlace ionico, covalente y metalico 2) Enlaces secundarios, que se asocian generalmente con la atracción entre moléculas.

*Enlace de Van der Waals Los enlaces primarios son mucho mas fuertes que los secundarios.

ENLACE IONICO El enlace ocurre entre elementos metálicos y no metálicos. El elemento no metálico posee en su capa externa un mayor número de electrones que el elemento metálico. Luego ejerce existe una fuerza motriz importante sobre el electrón del elemento metálico, tendiendo al equilibrio completando el número de electrones necesarios para el nivel respectivo.

Principales Caracteristicas Fisicas:



Conducción Eléctrica: Cuando se encuentra en el estado líquido o disuelto, son conductores de la electricidad. Se produce gracias a la disociación de los iones, quedando estos libres.



En estado sólido, por el contrario, son aislantes eléctricos.



Puntos altos de fusión y ebullición. Es debido a que sus iones están unidos muy fuertemente.



Son generalmente muy fragiles.



Ductilidad: No se observa ya que al aplicar un esfuerzo se produce fractura frágil, debido principalmente a que un corrimiento de planos atómicos necesariamente altera el ordenamiento de la respectiva molécula.



Se usan para soportar ambientes de alta temperatura.



Son duros y Quebradizos



Buenos conductores termicos.



Los Ceramicos son los materiales que surgen de este tipo de enlace.

ENLACE COVALENTE Enlace covalente En un enlace covalente, los dos átomos enlazados comparten electrones. Si los átomos del enlace covalente son de elementos diferentes, uno de ellos tiende a atraer a los electrones compartidos con más fuerza, y los electrones pasan más tiempo cerca de ese átomo; a este enlace se le conoce como covalente polar. Cuando los átomos unidos por un enlace covalente son iguales, ninguno de los átomos atrae a los electrones compartidos con más fuerza que el otro; este fenómeno recibe el nombre de enlace covalente no polar o apolar. Si los átomos enlazados son no metales e idénticos (como en N2 o en O2), los electrones son compartidos por igual por los dos átomos, y el enlace se llama covalente apolar. Si los átomos son no metales pero distintos (como en el óxido nítrico, NO), los electrones son compartidos en forma desigual y el enlace se llama covalente polar — polar porque la molécula tiene un polo eléctrico positivo y otro negativo, y covalente porque los átomos comparten los electrones, aunque sea en forma desigual.

Principales Caracteristicas Fisicas: 

Conducción Eléctrica: No son conductores en estado líquido. Es debido a que, la molécula que se forma es neutra.



Comparten Electrones.



Ductilidad: No se observa, ya que al aplicar un esfuerzo se produce solo fractura frágil, principalmente debido a que un corrimiento de planos atómicos necesariamente conduce a la destrucción el ordenamiento cristalino.



Se caracterizan por tener una temperatura de fusión baja, ya que en este enlace las moléculas son independientes entre sí, y, en consecuencia, sus atracciones desaparecen con el aumento de temperatura.



No son maleables.



De este tipo de enlace se obtienen los Polimeros.

ENLACE METALICO Los elementos metálicos tienen de uno a tres electrones en la capa externa, e esta condición los electrones son “relativamente libres”, y al ordenar una serie de atomos en una estructura, los electrones se deslocalizan formando una “nube o gas de electrones”. Los atomos se convierten en iones (tendiendo a repelerse), pero se mantienen unidos en la estructura, gracias a la atracción existente entre los iones positivos y los electrones negativos. Principales Caracteristicas Fisicas: 

Gran Movilidad de electrones.



Conducción Eléctrica: al aplicar un voltaje a través de un cristal, los electrones de la “nube” débilmente enlazados, se moverán con facilidad produciendo una corriente.



Ductilidad: Si observamos los átomos ordenados y empacados compactamente por planos, es fácil imaginar lo que ocurriría al aplicar un esfuerzo cortante; un plano se deslizara sobre el otro,

sin producir fractura, pues las mismas fuerzas interatómicas operan después del desplazamiento. 

Son altamente maleables.



Conductividad Termica: Las conductividades térmicas y eléctricas son muy elevadas (esto se explica por la enorme movilidad de sus electrones de valencia).



Los materiales metalicos vienen de este tipo de enlace.

ENLACE DE VAN DER WAALS El enlace van der waals, conocido también como fuerzas intermoleculares o fuerzas de dispersión, se observa principalmente en los polímeros y en algunos materiales de carácter no metálico (por ejemplo las arcillas). Se trata de enlaces débiles de carácter electrostático. En los enlaces ionicos o covalentes, siempre existe algún desequilibrio en la carga eléctrica en la molécula (ej. Agua.. positivo en el H+ y negativo en el O-2). Este mismo fenómeno se observa en el polietileno donde se manifiesta en los átomos de C e H. el efecto es particularmente importante en moléculas complejas donde existen diferentes elementos (polímeros: C, H, O, N, F, Cl, S y otros). En los polímeros, se pueden distinguir dos tipos de materiales: termoplaticos y termoestables. Los primeros esta constituidos por cadenas medianamente libres, pero unidas a través de los enlaces de van der waals (funden y deforman), y los termoestables que forman redes tridimensionales (rigidos y estables). Algunas caracteristicas Fisicas: 

Conducción Eléctrica: Escasa o nula, ya que prevalece el enlace original (covalente).



Ductilidad: Si, en el caso de los termoplásticos, facilitado precisamente por las fuerzas de van der waals.



Tipo de enlace secundario. Es mucho mas debil que los tres enlaces primarios principales (ionico, covalente y metalico)

CLASIFICACION DE LOS MATERIALES DE ACUERDO A SU TIPO DE ENLACE. MATERIALES METALICOS. Sustancias inorganicas compuestas de uno o mas elementos metalicos. Los atomos de los materiales metalicos se mantienen unidos gracias a un enlace metalico. Muchos de los metales son ductiles (tienen la capacidad de deformarse). 

Hierro



Cobre



Aluminio



Niquel



Titanio

MATERIALES CERAMICOS. Los atomos de los ceramicos se caracterizan por tener enlaces ionicos. Los ceramicos poseen estructura ya sea cristalina o no cristalina. La mayor parte de los ceramicos tienen estructura cristalina, mientras que el vidrio con base en el silice es amorfo. 

Ladrillos



Vidrio



Losa



Aislantes



Abrasivos

MATERIALES POLIMEROS. Una molecula de polimero consiste en muchos "meros" que forman moleculas muy grandes que se mantienen unidas por medio de enlaces covalentes. Por lo general, los elementos de un polimero consisten en carbono mas uno o mas elementos tales como el hidrogeno, nitrogeno, oxigeno y cloro. Un enlace secundario (de van der waals) mantiene juntas a las moleculas dentro del material agregado (enlace intermolecular). 

Caucho (hule)



Plasticos



Muchos tipos de adhesivos