INTRODUCCIÓN
Los compuestos orgánicos son en general sustancias de constitución simple, porque se forman por moléculas con un número muy reducido de átomos.
La polimerización es una reacción química realizada mayormente en presencia de un catalizador que se combina para formar moléculas gigantes.
Los polímeros tienen propiedades físicas y químicas muy diferentes constituidas por moléculas sencillas. Los que se obtienen industrialmente se conocen como plásticos, éstos también pueden ser llamados homopolímeros, que se producen cuando el polímero formado por la polimerización de monómeros iguales.
Muchos monómeros también forman polímeros con pérdida simultánea de una pequeña molécula, como la del agua, la del monóxido de carbono o del cloruro de hidrógeno. Estos polímeros se llaman polímeros de condensación y sus productos de descomposición no son idénticos a los de las unidades respectivas de polímero. Así la polimerización de glucosa la celulosa, un polímero natural, va acompañado por pérdida de agua y la celulosa es un polímero típico de condensación.
POLÍMEROS
Los Polímeros, provienen de las palabras griegas Poly y Mers, que significa muchas partes, son grandes moléculas o macromoléculas formadas por la unión de muchas pequeñas moléculas: sustancias de mayor masa molecular entre dos de la misma composición química, resultante del proceso de la polimerización.
Cuando se unen entre sí más de un tipo de moléculas (monómeros), la macromolécula resultante se denomina copolímero.
Como los polímeros se forman usualmente por la unión de un gran número de moléculas menores, tienen altos pesos moleculares. No es infrecuente que los polímeros tengan pesos moleculares de 100.000 o mayores.
Los polímeros se caracterizan a menudo sobre la base de los productos de su descomposición. Así si se calienta caucho natural (tomado del árbol Hevea del valle del Amazonas), hay destilación de hidrocarburo, isopreno.
Los polímeros pueden ser de tres tipos:
a. Polímeros naturales: provenientes directamente del reino vegetal o animal. Por ejemplo: celulosa, almidón, proteínas, caucho natural, ácidos nucleicos, etc.
b. Polímeros artificiales: son el resultado de modificaciones mediante procesos químicos, de ciertos polímeros naturales. Ejemplo: nitrocelulosa, etonita, etc.
c. Polímeros sintéticos: son los que se obtienen por procesos de polimerización controlados por el hombre a partir de materias primas de bajo peso molecular. Ejemplo: nylon, polietileno, cloruro de polivinilo, polimetano, etc.
Muchos elementos (el silicio, entre otros), forman también polímeros, llamados polímeros inorgánicos.
Propiedades Físicas de los Polímeros
· Estudios de difracción de rayos X sobre muestras de polietileno comercial, muestran que este material, constituido por moléculas que pueden contener desde 1.000 hasta 150.000 grupos CH2 – CH2 presentan regiones con un cierto ordenamiento cristalino, y otras donde se evidencia un carácter amorfo: a éstas últimas se les considera defectos del cristal.
· En este caso las fuerzas responsables del ordenamiento cuasicristalino, son las llamadas fuerzas de van de Waals.
· En otros casos (nylon 66) la responsabilidad del ordenamiento recae en los enlaces de H.
· La temperatura tiene mucha importancia en relación al comportamiento de los polímeros.
· A temperaturas más bajas los polímeros se vuelven más duros y con ciertas características vítreas debido a la pérdida de movimiento relativo entre las cadenas que forman el material.
· La temperatura en la cual funden las zonas cristalinas se llama temperatura de fusión (Tf)
· Otra temperatura importante es la de descomposición y es conveniente que la misma sea bastante superior a Tf.
Clasificación de los Polímeros según sus Propiedades Físicas
Desde un punto de vista general se puede hablar de tres tipos de polímeros:
· Elastómeros
· Termoplásticos
· Termoestables.
Los elastómeros y termoplásticos están constituidos por moléculas que forman largas cadenas con poco entrecruzamiento entre sí. Cuando se calientan, se ablandan sin descomposición y pueden ser moldeados.
Los termoestables se preparan generalmente a partir de sustancias semifluidas de peso molecular relativamente bajo, las cuales alcanzan, cuando se someten a procesos adecuados, un alto grado de entrecruzamiento molecular formando materiales duros, que funden con descomposición o no funden y son generalmente insolubles en los solventes más usuales.
Polimerización
Es un proceso químico por el cual, mediante calor, luz o un catalizador, se unen varias moléculas de un compuesto generalmente de carácter no saturado llamado monómero para formar una cadena de múltiples eslabones, moléculas de elevado peso molecular y de propiedades distintas, llamadas macromoléculas o polímeros.
Tipos de Reacciones de Polimerización
Hay dos reacciones generales de polimerización: la de adición y la condensación.
En las polimerizaciones de adición, todos los átomos de monómero se convierten en partes del polímero.
En las reacciones de condensación algunos de los átomos del monómero no forman parte del polímero, sino que son liberados como H2O, CO2, ROH, etc.
Algunos polímeros (ejemplo: polietilén glicol) pueden ser obtenidos por uno u otro tipo de reacción.
Polimerización por Adición
Las polimerizaciones por adición ocurren por un mecanismo en el que interviene la formación inicial de algunas especies reactivas, como radicales libres o iones. La adición de éstas especies reactivas a una molécula del monómero convierte a la molécula en un radical o Ion libre. Entonces procede la reacción en forma continua. Un ejemplo típico de polimerización por adición de un radical libre es la polimerización de cloruro de vinilo, H:C = CHCl, en cloruro de polivinilo (PVC).
Polietileno
Cuando se calienta eteno (etileno) con oxígeno bajo presión, se obtiene un compuesto de elevada masa molar (alrededor de 20 mil) llamado Polietileno, el cual es un alcano de cadena muy larga. Monómero: CH2 = CH2.. La reacción se presenta de la forma siguiente:
Condiciones experimentales de polimerización
En fase gaseosa a altas temperaturas y presiones, a presión media utilizando catalizadores heterogéneos y a baja presión en presencia de trietilo de aluminio como catalizador.
Propiedades: Los polietilenos de alta presión tienen pesos moleculares entre 10.000 y 40.000. Son muy elásticos, flexibles y termoplásticos. Los polietilenos de fusión media presentan alta cristalinidad y son duros y rígidos y los de fusión baja menor cristalinidad, siendo también duros y poco elásticos.
Todos los polietilenos son muy resistentes a los agentes químicos.
Usos: Para la fabricación de tubos, planchas, materiales aislantes, para cables eléctricos, recubrimientos para protección contra la corrosión, hojas y láminas para embalaje, protección de cultivos, aislamiento térmico, recubrimientos sobre papel, en el moldeo por inyección para obtener recipientes de todo tipo, artículos del hogar, tuberías que sustituyen a los de hierro galvanizado, etc.
Poliestireno
Venil Benceno Poliestireno
Mecanismos: Radicales libres o iónicos
Condiciones experimentales de polimerización
Emulsión, suspensión o en bloque
Propiedades: Por los procedimientos de emulsión o suspensión se obtienen disoluciones de distintas viscosidades según el grado de polimerización alcanzado.
Usos: Plastificado se utiliza en la industria de pinturas y barnices. Con elevado grado de polimerización en la industria transformadora de plásticos principalmente en procesos de moldeo por inyección.
En la industria eléctrica encuentra gran aplicación debido a su excelente poder aislante.
Cloruro de Polivinilo (PVC)
Mecanismos: Radicales libres por acción de la luz o de catalizadores peróxidos.
Condiciones experimentales de polimerización: El proceso puede llevarse a cabo a fusión, en emulsión o en bloque obteniéndose en cada caso un producto de propiedades peculiares.
Propiedades: Polvo blanco que comienza a reblandecer cerca de los 80ºC y se descompone sobre los 140ºC. Es muy resistente a los agentes mecánicos y químicos y es de fácil pigmentación.
Usos: Materiales aislantes para la industrias química, eléctrica.
Polimerización por Condensación
La polimerización por condensación es el proceso mediante el cual se combinan monómeros con pérdida simultánea de una pequeña molécula, como la del agua, la del monóxido de carbono, o cloruro de hidrógeno. Estos polímeros se llaman polímeros de condensación y sus productos de descomposición no son idénticos a los de las unidades respectivas del polímero.
Casi todos los polímeros de condensación son en realidad copolímeros; es decir, que están formados por dos o más clases de monómeros. Así, una diamina reacciona con un ácido dicarboxílico para formar nylon.
Entre los polímeros naturales por condensación tenemos la celulosa, las proteínas, la seda, el algodón, la lana y el almidón.
Poliésteres
El intercambio de éster es una de las útiles reacciones para preparar polímeros lineales.
Para ver el grafico seleccione la opción "Descargar" del menú superior
Polímeros termoestables pueden ser preparados a partir de anhídridos de ácido polibásicos con polialcoholes. Ejemplo: glicerol con anhídrido ftálico.
Nylon
Una gran variedad puede obtenerse calentando diaminas con ácidos dicarboxílicos.
Ejemplo: nylon (66)
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Bakelitas:
Los productos de partida son el fenol y el formaldehído.
Condiciones experimentales de polimerización
a. Polimerización en fase gaseosa a presión normal, reducida o elevada. El procedimiento más importante de este tipo es la polimerización del etileno.
b. Polimerización de uno o más monómeros en fase líquida pura (polimerización en bloque). Muchas polimerizaciones del tipo vinilo se realizan de esta manera, especialmente si se desean obtener trozos grandes, transparentes, del producto final. Ejemplos: la formación de poliésteres y poliamidas, los productos de adición fenol-úrea y melamina formaldehído.
c. Polimerización de uno o más monómeros por dispersión en forma de gotitas de diversos tamaños en un líquido no disolvente (polimerización en suspensión, en perlas o glóbulos). El estireno, el metacrilato de metilo y otros monómeros se polimerizan de esta manera para obtener gránulos de tamaño y calidad muy uniformes para el moldeo por inyección y compresión.
Impacto Social y Ambiental generado por el uso de los Polímeros
Aspectos positivos
Un gran número de materiales están construidos por polímeros y muchos de ellos son irremplazables en el actual mundo tecnológico.
Aspectos negativos
1. La inadecuada eliminación de los polímeros contribuye en buena parte a la degradación ambiental por acumulación de basura.
2. Muchos artículos de plástico son peligrosas armas destructivas. Por ejemplo, las bolsas plásticas pueden ser causantes de asfixia si se recubre la cabeza con ellas y no se logra retirarlas a tiempo.
3. Especies como la tortura gigante, mueren al ingerir bolsas plásticas que flotan en el mar, confundiéndolas con esperma de peces, su alimento habitual.
4. La no biodegradación impide su eliminación en relleno sanitario y además disminuye notablemente la presencia de colonias bacterianas en torno a los plásticos.
5. La incineración puede generar compuestos venenosos. Por ejemplo, HCl (g) y HCN (g)
6. Los envases plásticos empleados para alimentos no pueden volver a usarse ya que no existen métodos efectivos de esterilización.
Los compuestos orgánicos son en general sustancias de constitución simple, porque se forman por moléculas con un número muy reducido de átomos.
La polimerización es una reacción química realizada mayormente en presencia de un catalizador que se combina para formar moléculas gigantes.
Los polímeros tienen propiedades físicas y químicas muy diferentes constituidas por moléculas sencillas. Los que se obtienen industrialmente se conocen como plásticos, éstos también pueden ser llamados homopolímeros, que se producen cuando el polímero formado por la polimerización de monómeros iguales.
Muchos monómeros también forman polímeros con pérdida simultánea de una pequeña molécula, como la del agua, la del monóxido de carbono o del cloruro de hidrógeno. Estos polímeros se llaman polímeros de condensación y sus productos de descomposición no son idénticos a los de las unidades respectivas de polímero. Así la polimerización de glucosa la celulosa, un polímero natural, va acompañado por pérdida de agua y la celulosa es un polímero típico de condensación.
POLÍMEROS
Los Polímeros, provienen de las palabras griegas Poly y Mers, que significa muchas partes, son grandes moléculas o macromoléculas formadas por la unión de muchas pequeñas moléculas: sustancias de mayor masa molecular entre dos de la misma composición química, resultante del proceso de la polimerización.
Cuando se unen entre sí más de un tipo de moléculas (monómeros), la macromolécula resultante se denomina copolímero.
Como los polímeros se forman usualmente por la unión de un gran número de moléculas menores, tienen altos pesos moleculares. No es infrecuente que los polímeros tengan pesos moleculares de 100.000 o mayores.
Los polímeros se caracterizan a menudo sobre la base de los productos de su descomposición. Así si se calienta caucho natural (tomado del árbol Hevea del valle del Amazonas), hay destilación de hidrocarburo, isopreno.
Los polímeros pueden ser de tres tipos:
a. Polímeros naturales: provenientes directamente del reino vegetal o animal. Por ejemplo: celulosa, almidón, proteínas, caucho natural, ácidos nucleicos, etc.
b. Polímeros artificiales: son el resultado de modificaciones mediante procesos químicos, de ciertos polímeros naturales. Ejemplo: nitrocelulosa, etonita, etc.
c. Polímeros sintéticos: son los que se obtienen por procesos de polimerización controlados por el hombre a partir de materias primas de bajo peso molecular. Ejemplo: nylon, polietileno, cloruro de polivinilo, polimetano, etc.
Muchos elementos (el silicio, entre otros), forman también polímeros, llamados polímeros inorgánicos.
Propiedades Físicas de los Polímeros
· Estudios de difracción de rayos X sobre muestras de polietileno comercial, muestran que este material, constituido por moléculas que pueden contener desde 1.000 hasta 150.000 grupos CH2 – CH2 presentan regiones con un cierto ordenamiento cristalino, y otras donde se evidencia un carácter amorfo: a éstas últimas se les considera defectos del cristal.
· En este caso las fuerzas responsables del ordenamiento cuasicristalino, son las llamadas fuerzas de van de Waals.
· En otros casos (nylon 66) la responsabilidad del ordenamiento recae en los enlaces de H.
· La temperatura tiene mucha importancia en relación al comportamiento de los polímeros.
· A temperaturas más bajas los polímeros se vuelven más duros y con ciertas características vítreas debido a la pérdida de movimiento relativo entre las cadenas que forman el material.
· La temperatura en la cual funden las zonas cristalinas se llama temperatura de fusión (Tf)
· Otra temperatura importante es la de descomposición y es conveniente que la misma sea bastante superior a Tf.
Clasificación de los Polímeros según sus Propiedades Físicas
Desde un punto de vista general se puede hablar de tres tipos de polímeros:
· Elastómeros
· Termoplásticos
· Termoestables.
Los elastómeros y termoplásticos están constituidos por moléculas que forman largas cadenas con poco entrecruzamiento entre sí. Cuando se calientan, se ablandan sin descomposición y pueden ser moldeados.
Los termoestables se preparan generalmente a partir de sustancias semifluidas de peso molecular relativamente bajo, las cuales alcanzan, cuando se someten a procesos adecuados, un alto grado de entrecruzamiento molecular formando materiales duros, que funden con descomposición o no funden y son generalmente insolubles en los solventes más usuales.
Polimerización
Es un proceso químico por el cual, mediante calor, luz o un catalizador, se unen varias moléculas de un compuesto generalmente de carácter no saturado llamado monómero para formar una cadena de múltiples eslabones, moléculas de elevado peso molecular y de propiedades distintas, llamadas macromoléculas o polímeros.
Tipos de Reacciones de Polimerización
Hay dos reacciones generales de polimerización: la de adición y la condensación.
En las polimerizaciones de adición, todos los átomos de monómero se convierten en partes del polímero.
En las reacciones de condensación algunos de los átomos del monómero no forman parte del polímero, sino que son liberados como H2O, CO2, ROH, etc.
Algunos polímeros (ejemplo: polietilén glicol) pueden ser obtenidos por uno u otro tipo de reacción.
Polimerización por Adición
Las polimerizaciones por adición ocurren por un mecanismo en el que interviene la formación inicial de algunas especies reactivas, como radicales libres o iones. La adición de éstas especies reactivas a una molécula del monómero convierte a la molécula en un radical o Ion libre. Entonces procede la reacción en forma continua. Un ejemplo típico de polimerización por adición de un radical libre es la polimerización de cloruro de vinilo, H:C = CHCl, en cloruro de polivinilo (PVC).
Polietileno
Cuando se calienta eteno (etileno) con oxígeno bajo presión, se obtiene un compuesto de elevada masa molar (alrededor de 20 mil) llamado Polietileno, el cual es un alcano de cadena muy larga. Monómero: CH2 = CH2.. La reacción se presenta de la forma siguiente:
Condiciones experimentales de polimerización
En fase gaseosa a altas temperaturas y presiones, a presión media utilizando catalizadores heterogéneos y a baja presión en presencia de trietilo de aluminio como catalizador.
Propiedades: Los polietilenos de alta presión tienen pesos moleculares entre 10.000 y 40.000. Son muy elásticos, flexibles y termoplásticos. Los polietilenos de fusión media presentan alta cristalinidad y son duros y rígidos y los de fusión baja menor cristalinidad, siendo también duros y poco elásticos.
Todos los polietilenos son muy resistentes a los agentes químicos.
Usos: Para la fabricación de tubos, planchas, materiales aislantes, para cables eléctricos, recubrimientos para protección contra la corrosión, hojas y láminas para embalaje, protección de cultivos, aislamiento térmico, recubrimientos sobre papel, en el moldeo por inyección para obtener recipientes de todo tipo, artículos del hogar, tuberías que sustituyen a los de hierro galvanizado, etc.
Poliestireno
Venil Benceno Poliestireno
Mecanismos: Radicales libres o iónicos
Condiciones experimentales de polimerización
Emulsión, suspensión o en bloque
Propiedades: Por los procedimientos de emulsión o suspensión se obtienen disoluciones de distintas viscosidades según el grado de polimerización alcanzado.
Usos: Plastificado se utiliza en la industria de pinturas y barnices. Con elevado grado de polimerización en la industria transformadora de plásticos principalmente en procesos de moldeo por inyección.
En la industria eléctrica encuentra gran aplicación debido a su excelente poder aislante.
Cloruro de Polivinilo (PVC)
Mecanismos: Radicales libres por acción de la luz o de catalizadores peróxidos.
Condiciones experimentales de polimerización: El proceso puede llevarse a cabo a fusión, en emulsión o en bloque obteniéndose en cada caso un producto de propiedades peculiares.
Propiedades: Polvo blanco que comienza a reblandecer cerca de los 80ºC y se descompone sobre los 140ºC. Es muy resistente a los agentes mecánicos y químicos y es de fácil pigmentación.
Usos: Materiales aislantes para la industrias química, eléctrica.
Polimerización por Condensación
La polimerización por condensación es el proceso mediante el cual se combinan monómeros con pérdida simultánea de una pequeña molécula, como la del agua, la del monóxido de carbono, o cloruro de hidrógeno. Estos polímeros se llaman polímeros de condensación y sus productos de descomposición no son idénticos a los de las unidades respectivas del polímero.
Casi todos los polímeros de condensación son en realidad copolímeros; es decir, que están formados por dos o más clases de monómeros. Así, una diamina reacciona con un ácido dicarboxílico para formar nylon.
Entre los polímeros naturales por condensación tenemos la celulosa, las proteínas, la seda, el algodón, la lana y el almidón.
Poliésteres
El intercambio de éster es una de las útiles reacciones para preparar polímeros lineales.
Para ver el grafico seleccione la opción "Descargar" del menú superior
Polímeros termoestables pueden ser preparados a partir de anhídridos de ácido polibásicos con polialcoholes. Ejemplo: glicerol con anhídrido ftálico.
Nylon
Una gran variedad puede obtenerse calentando diaminas con ácidos dicarboxílicos.
Ejemplo: nylon (66)
Para ver el grafico seleccione la opción "Descargar" del menú superior
Bakelitas:
Los productos de partida son el fenol y el formaldehído.
Condiciones experimentales de polimerización
a. Polimerización en fase gaseosa a presión normal, reducida o elevada. El procedimiento más importante de este tipo es la polimerización del etileno.
b. Polimerización de uno o más monómeros en fase líquida pura (polimerización en bloque). Muchas polimerizaciones del tipo vinilo se realizan de esta manera, especialmente si se desean obtener trozos grandes, transparentes, del producto final. Ejemplos: la formación de poliésteres y poliamidas, los productos de adición fenol-úrea y melamina formaldehído.
c. Polimerización de uno o más monómeros por dispersión en forma de gotitas de diversos tamaños en un líquido no disolvente (polimerización en suspensión, en perlas o glóbulos). El estireno, el metacrilato de metilo y otros monómeros se polimerizan de esta manera para obtener gránulos de tamaño y calidad muy uniformes para el moldeo por inyección y compresión.
Impacto Social y Ambiental generado por el uso de los Polímeros
Aspectos positivos
Un gran número de materiales están construidos por polímeros y muchos de ellos son irremplazables en el actual mundo tecnológico.
Aspectos negativos
1. La inadecuada eliminación de los polímeros contribuye en buena parte a la degradación ambiental por acumulación de basura.
2. Muchos artículos de plástico son peligrosas armas destructivas. Por ejemplo, las bolsas plásticas pueden ser causantes de asfixia si se recubre la cabeza con ellas y no se logra retirarlas a tiempo.
3. Especies como la tortura gigante, mueren al ingerir bolsas plásticas que flotan en el mar, confundiéndolas con esperma de peces, su alimento habitual.
4. La no biodegradación impide su eliminación en relleno sanitario y además disminuye notablemente la presencia de colonias bacterianas en torno a los plásticos.
5. La incineración puede generar compuestos venenosos. Por ejemplo, HCl (g) y HCN (g)
6. Los envases plásticos empleados para alimentos no pueden volver a usarse ya que no existen métodos efectivos de esterilización.
