Los polímeros
Prof. G. Arriagada B.Septiembre de 2014
1.
Definición
Los polímeros son macromoléculas que se forman por la unión de moléculas más pequeñas. llamadas
monómeros.
¿En forma más simple? Los polímeros son moléculas grandes formadas por unidades más simples y pequeñas (los monómeros) que se repiten de cientos a miles de veces. Estos monómeros que se unen entre si formando cadenas pueden ser iguales o diferentes.
Una cosa interesante es que las características de un polímero dado, son diferentes de las propiedades de los monómeros que los forman. ¿Un ejemplo? El polímero plástico llamado polietileno es el sólido con el que se fabrican las bolsas plásticas en que embala la leche, pero se origina cuando reaccionan entre sí muchísimas moléculas de etileno gaseoso. Este último es un gas incoloro e insaboro.
Las propiedades que caracterizan a un polímero (como resistencia al estiramiento, flexibilidad o rigidez, resistencia al calentamiento o su repelencia al agua, etc.) tienen que ver con el tamaño de las macromolé-culas que lo forman y con la manera en que se unen los monómeros. Por ello, conviene tener una idea de las estructuras generales y de las maneras en que se asocian los monómeros de algunos de ellos.
2.
Clasificación de los polímeros
Para efectos de estudiarlos, se los puede agrupar de acuerdo distintos parámetros. A continuación lo haremos de según su origen o su estructura.
2.1. Clasificación por su origen
Polímeros naturales. Son los sintetizados por los seres vivos, y normalmente tienen una función biológica. Ejemplos de estos son los polisacáridos, el caucho natural, las proteínas (insulina) y ácidos nucleicos (ADN y ARN).
Polímeros artificiales o semisintéticos. Son los que se obtienen por la transformación parcial de los polí-meros naturales. Por ejemplo, a partir de la celulosa del algodón se fabrica rayón.
Polímeros sintéticos. Son la mayoría de los polímeros empleados en la industria, que se obtienen por síntesis y tienen como base estructural a los átomos de carbono. Ejemplos son el polietileno (cuerdas plásticas), el poliéster y el poliestireno (plumavit). sin embargo, también hay polímeros cuyo esqueleto no está formado por carbono sino por otros elementos, por ello son llamados polímeros inorgánicos.
Figura 1: Polimerización por adición. Formación del teflón.
2.2. Clasificación por su estructura
De acuerdo a la complejidad de la cadena del polímero, pueden ser divididos en polímeros de cadena lineal, ramificada o reticulada1.
Polímeros de estructuras lineales. Estos polímeros se forman cuando los monómeros que se unen solamente tienen dos puntos de enlace.
Polímeros de estructuras ramificadas. Se forman cuando los monómeros que se asocian tienen más de dos puntos de enlace, lo que da lugar a cadenas laterales.
Polímeros de estructuras reticuladas. Provienen cuando se producen enlaces de átomos de cadenas dis-tintas.
La estructura de la cadena determina en gran medida las características físicas y químicas del polímero (respuestas a la presión, efecto del calor sobre el polímero, etc.)
Los polímeros con cadenas lineales o solamente poco ramificadas se ablandan fácilmente al calentarse y se endurecen al enfriarse. En otras palabras, calentándolos pasan de sólido a líquido, se funden, pero de manera reversible, por ello se denominantermoplásticos.
Por otro lado, los polímeros de cadena altamente reticulada presentan una gran resistencia al calor pero también una baja elasticidad y cierta fragilidad mecánica. Se mantienen duros al calentarse (incluso algunos se endurecen más) y por lo mismo se los califica de termoestables. Ejemplos comunes de estos compuestos son el material con el que se fabrican los mangos de las ollas y sartenes.
3.
Cuándo de uno se pasa a muchos: reacciones de polimerización
Los polímeros se forman mediante reacciones químicas que se clasifican en función al mecanismo o proceso que sucede enpolimerización por adición o enpolimerización por condensación.
3.1. Polimerización por adición
La polimerización por adición tiene lugar entre monómeros que contienen enlaces dobles o triples. En este tipo de reacciones, los monómeros que contienen los enlaces dobles o triples se agregan uno a continuación del otro hasta formar cadenas largas. Algo que permite distinguirlos es que el producto de una polimerización por adición contiene todos los átomos de los monómeros iniciales, pero sus enlaces múltiples2 se rompen y solamente quedan como enlaces simples. Un ejemplo es la formación de teflón a partir de moléculas de tetrafluoretileno o tetrafluoeteno (CF2=CF2).
1
Retículo. Tejido en forma de red.
Figura 2:
El resultado de todo esto es una cadena saturada de gran longitud denominada politetrafluoroetileno o
politetrafluoroeteno o PTFE (Figura 1). La siguiente ecuación describe al teflón, en ella el tetrafluoretileno (CF2−CF2)se repite “n” veces, y “R” representa a los radicales3:
R−(CF2−CF2)n−R
Debido a que los enlaces C −F son excepcionalmente fuertes y resistentes al calor (sin problemas hasta 260 ºC) y a los agentes químicos, el teflón es un material resistente, poco reactivo y no inflamable. Este polímero se utiliza para fabricar aislantes eléctricos, rodamientos, cintas de sellado y también como revestimiento para ollas y sartenes para darles propiedades antiadherentes (la comida no se pegará... ). 3.1.1. Homopolímeros y copolímeros
Los polímeros de adición preparados a partir del mismo monómero son denominados homopolímeros, y cuando se preparan mezclando monómeros diferentes se llamancopolímeros.
3.1.2. Elastómeros
La polimerización de monómeros con dobles enlaces produce cadenas con un doble enlace por monómero inicial. Esto facilita la formación de puentes entre cadenas, lo que además es una condición para que el material resultante sea elástico.
De esta forma, cuando se ejerce una fuerza sobre el material, los puentes intermoleculares actúan como resortes y el material se deforma, pero si la fuerza deformante deja de actuar, el material recupera su forma inicial.
3.2. Polimerización por condensación
En este caso, los monómeros se adicionan unos a otros para formar cadenas, pero cada vez que se forma un nuevo enlace de monómeros algunos de sus átomos forman una molécula menor que ya no es parte de la estructura principal. ¿Cómo dijo? Una parte del monómero no se incorpora al polímero y se va separando a medida que se alarga la cadena.Muchas veces, esta molécula que se pierde es agua, por lo que la polimerización provoca una deshidratación4.
Para que sucedan este tipo de polimerización en los extremos de cada monómero deben existir unas terminaciones que sean capaces de asociarse químicamente con los extremos de los otros monómeros para formar las cadenas. A estos átomos se los llama radicales. Específicamente en las polimerizaciones por condensación dónde hay deshidratación, un átomo de hidrógeno (H) de un extremo del monómero se combina con un grupo hidroxilo (−OH) del otro extremo para formar la molécula de agua.
3
En el modelo tridimensional corresponden a las esferas blancas, que son átomos de hidrógeno. Las azules son F y las grises C.
4
Los reactivos pueden ser dos monómeros diferentes con grupos funcionales iguales (ejemplos: diami-nas, diácidos), o también un único tipo de monómero con dos grupos funcionales diferentes (ejemplo: aminoácidos).
Los principales polímeros por condensación son los poliésteres, las poliamidas y los poliuretanos. Poliésteres. Los poliésteres son un enorme conjunto de polímeros formados por la reacción de ácido
dicar-boxílico con un alcohol diol.
Poliamidas y poliaramidas. Las poliamidas se forman por la reacción de un ácido dicarboxílico y una amida. Por su parte, las poliaramidas son un tipo de poliamida que tienen un anillo de benceno entre las amidas. Esto último les da gran resistencia a estos materiales (ejemplo: el plástico llamado “kevlar” se usa para fabricar fibras muy resistentes, con las que se elaboran chalecos antibalas y cascos militares y de seguridad, etc.)
Poliuretanos. Los poliuretanos se obtienen por reacción entre un isocianato(−N =C =O)y un alcohol diol (OH− − −HO). (Ejemplo: muy posiblemente las plantas de “goma” de tus zapatillas deportivas sean de poliuretano. También hay guantes para la cocina hechos con este plástico, y cuando tiene la forma de espuma, se usa para rellenar grietas y como revestimiento térmico de muros y techos)
4.
Polímeros naturales
Los polímeros naturales se clasifican de acuerdo a la naturaleza química de las biomoléculas que los forman en: polisacáridos, polipéptidos y ácidos nucleicos.
4.1. Polisacáridos
Un monosacárido o azúcar simple es un compuesto que contiene carbono, hidrógeno, oxígeno en forma de grupos hidroxilo (−OH) y carbonilo(−CO).
Según el número de átomos de carbono.
Por ejemplo, la glucosa y la fructosa son monosacáridos encadenados mediante una reacción de con-densación entre dos grupos hidroxilo(−OH) que forman unenlace glucosídico.
Algunos polisacáridos, como el almidón de los vegetales y elglucógeno de los animales, cumplen una función de reserva de energía en los organismos. Otros poseen una función estructural, como es el caso de la quitina que compone a los esqueletos externos de los insectos y la celulosa de la célula vegetal.
A su vez, a partir de la celulosa se obtienen polímeros semisintéticos por la sustitución de algunos grupos hidroxilo de la cadena por otros grupos funcionales. Por ejemplo si se usan grupos acetato(−O−CO−CH3) se produce acetato de celulosa, el material de las monturas de anteojos de acetato; pero si se intercambian por grupos xantato(O−CS−SH) se obtiene una fibra bastante común: rayón o viscosa.
4.2. Polipéptidos
Un “alfa aminoácido” es un ácido carboxílico que tiene un grupo amino unido al átomo de carbono contiguo al carbono del grupo carboxilo (mirar tabla de aminoácidos).
La unión de dos aminoácidos se produce por reacción entre el grupo carboxilo de uno y el grupo amino del otro. De esta reacción se desprende una molécula de agua y se forma un enlace amida denominado
enlace peptídico.
Una gran número de aminoácidos unidos entre sí por enlaces peptídicos forman un polipéptido, de entre éstos, se llama “proteínas” a los más grandes y complejos. Son proteínas el colágeno de la piel o lo
huesos, lafibroína que es la “seda” del hilo con que los insectos envuelven sus capullos (seda), laqueratina
con la que están hechos el pelo y lana, muchas de lasenzimas que actúan en el funcionamiento biológico, o la hemoglobina de los glóbulos rojos.
4.3. Ácidos nucleicos
Un ácido nucleico es un polímero complejo. Contiene la información que controla la actividad metabó-lica de las células a través de la formación de las proteínas.
Las piezas de las moléculas son cadenas de moléculas de azúcares de cinco átomos de carbono (pen-tosas) que están unidas entre sí por grupos fosfato y que llevan incorporadas a otras moléculas, las bases nitrogenadas. A su vez, estas bases nitrogenadas pueden ser delbases púricas (Adenina y Guanina) ybases pirinidínicas (Timina, Citosina y Uracilo).
Fuentes bibliográficas
Hill J. y Kolb D. 1999. Química para el nuevo milenio. 8a edición. Prentice Hall, México D.F. Fontànet À. 2012. Química. Vicens Vives, Barcelona.
