Polímeros naturales y sintéticos

Transcripción

1 Polímeros naturales y sintéticos Es difícil poder imaginar que exista alguna relación entre la clara del huevo, el papel, un envase de bebida desechable y el material genético de una célula. Sin embargo, si analizamos con detención la estructura de las moléculas que conforman cada una de estas cosas, veremos que tienen rasgos comunes. Todas estas moléculas poseen una masa molecular muy alta, mayor a unidades, característica por la cual se llaman macromoléculas (de macro = grande). Están formadas por unidades estructurales que se repiten siguiendo, casi siempre, un patrón determinado. Esta particularidad les confiere el nombre de polímeros, donde cada unidad se conoce como monómero. Basándonos en estas características, reconocemos que los términos polímero y macromolécula se usan para designar las mismas estructuras químicas. En la naturaleza se encuentra una cantidad considerable de polímeros. Algunos se conocen desde la antigüedad, tales como el algodón, la seda y el caucho. Los polisacáridos, las proteínas y los ácidos nucleicos son polímeros naturales que cumplen funciones biológicas de extraordinaria importancia en los seres vivos y por eso se llaman biopolímeros. Los polímeros naturales son aquellos que proceden de los seres vivos. Muchos de los materiales que utilizamos están hechos de polímeros sintéticos, es decir, macromoléculas creadas artificialmente en un laboratorio o en la industria. El polietileno de los envases plásticos, el poliuretano de las zapatillas y el rayón de una prenda de vestir son polímeros sintéticos. Los polímeros sintéticos son aquellos que se obtienen por síntesis ya sea en una industria o en un laboratorio. Entre los polímeros naturales y sintéticos no hay grandes diferencias estructurales, ambos están formados por monómeros que se repiten a lo largo de toda la cadena.

2 Homopolímeros y copolímeros De acuerdo al tipo de monómeros que forman la cadena, los polímeros se clasifican en: homopolímeros y copolímeros. Homopolímeros. Son macromoléculas formadas por la repetición de unidades monómeras idénticas. La celulosa y el caucho son homopolímeros naturales. El polietileno y el PVC son homopolímeros sintéticos. Copolímeros. Son macromoléculas constituidas por dos o más unidades monómeras distintas. La seda es un copolímero natural y la baquelita, uno sintético. Los copolímeros más comunes están formados por dos monómeros diferentes que pueden formar cuatro combinaciones distintas. Si los monómeros se agrupan en forma azarosa, el polímero se llama copolímero al azar. Si se ubican de manera alternada, se obtiene un copolímero alternado. Si se agrupan en bloque, por ejemplo, dos monómeros de un tipo y tres monómeros del otro, en forma alternada, se forma un copolímero en bloque. Si se parte de una cadena lineal formada por un monómero y se agregan ramificaciones de otro monómero, se obtiene un copolímero injertado. El puntapié inicial en la síntesis de polímeros fue en 1869, con la obtención de un nuevo material a partir de la celulosa: el celuloide, y con ello, el nacimiento del cine. Años más tarde, el descubrimiento de la estructura de la seda, un polímero natural, permitió comprender sus asombrosas propiedades y poder sintetizar la seda artificial, a la que se llamó nylon. En la actualidad, durante la fabricación de un polímero se pueden añadir determinadas sustancias que mejoran las propiedades del polímero, por ejemplo, aumentando su flexibilidad y resistencia; por ello los polímeros sintéticos constituyen un continuo aporte de nuevos materiales con los que se pueden fabricar multitud de objetos con propiedades diferentes. Veamos a continuación las reacciones de polimerización que dan origen a los polímeros sintéticos.

3 Polimerización: síntesis de polímeros Los polímeros son macromoléculas que se forman a partir de la unión de moléculas pequeñas o monómeros. El proceso por el que se unen los monómeros se llama polimerización. La polimerización puede llevarse a cabo por adición o por condensación. Polímeros de adición. Se forman por la unión sucesiva de monómeros, que tienen uno o más enlaces dobles y triples. En esta fórmula, R puede ser un átomo de hidrógeno, un grupo alquilo o algún grupo funcional como halógeno, ácido carboxílico, éster u otro. Los monómeros utilizan el enlace doble o triple para unirse entre sí. En el proceso de polimerización de este tipo se distinguen tres etapas: iniciación, en la que participa como reactivo una molécula llamada iniciador; propagación, en la que la cadena comienza a alargarse por repetición del monómero y terminación, en la que se interrumpe el proceso de propagación y la cadena deja de crecer ya que se han agotado los monómeros. Polímeros de condensación. Se forman por un mecanismo de reacción en etapas, es decir, a diferencia de la polimerización por adición, la polimerización por condensación no depende de la reacción que la precede: el polímero se forma porque los monómeros que intervienen tienen más de un grupo funcional capaz de reaccionar con el grupo de otro monómero. Los grupos ácido carboxílico, amino y alcohol son las funciones más utilizadas en estos fines. En este tipo de reacción, por cada nuevo enlace que se forma entre los monómeros, se libera una molécula pequeña. Un polímero es una molécula de elevada masa molecular, constituida por unidades estructurales menores, llamadas monómeros. Los polímeros pueden tener un origen natural o sintético. La polimerización es el proceso mediante el cual un número de monómeros se unen para formar un polímero. Según el tipo de polimerización por la cual se obtienen, hay polímeros de adición y de condensación. De acuerdo a su composición, los polímeros pueden estar formados por monómeros iguales u homopolímeros y por dos o más monómeros distintos o copolímeros.

4 Polímeros de adición: el polipropileno Los polímeros de adición pueden obtenerse a través de un proceso de polimerización catiónica, aniónica o radicalaria, según sea el reactivo iniciador que se emplee para ello. La polimerización catiónica de un alqueno es el proceso en el que el extremo por el que crece la cadena es un catión (electrófilo). Veamos el caso de la polimerización catiónica del propileno para obtener el polipropileno. 1. Iniciación. Se adiciona un ácido (HA) al propileno. El protón H+ (reactivo iniciador) ataca los electrones del enlace doble y termina uniéndose a uno de los átomos de carbono. En esta reacción se genera un ion carbonio (especie deficiente en electrones). 2. Propagación. Como existe una muy baja concentración de HA, con respecto al alqueno, es improbable que el ion carbonio se encuentre con el A- y sea neutralizado. En vez de esta reacción, el ion carbonio ataca al doble enlace (alta densidad electrónica) de otra molécula de propileno, formando un nuevo ion carbonio y así sucesivamente se va alargando la cadena y el polímero sigue creciendo. 3. Terminación. La cadena deja de crecer y ahora es posible la reacción entre el ion carbonio y el anión.

5 Polímeros de adición: el polietileno La polimerización radicalaria transcurre para las adiciones en cadena de radicales libres, es decir, los intermediarios que se forman en una reacción por ruptura homolítica y que no tienen carga. La descomposición de un peróxido origina un radical libre que puede adicionarse a un alqueno produciendo un radical carbono. Veamos el caso de la polimerización radicalaria del etileno con el radical libre obtenido del peróxido de benzoílo, (C6H5COO)2, para producir el polietileno. 1. Iniciación. El peróxido de benzoílo se descompone por efecto de la temperatura, liberando dióxido de carbono y un radical libre, que actúa como iniciador de la reacción. La siguiente ecuación representa la reacción entre el radical libre y el etileno. En este caso, el par electrónico del doble enlace es atacado fácilmente por el radical libre, formando un nuevo radical. 2. Propagación. El radical reacciona con otra molécula de etileno y así el proceso se repite n veces para ir alargando la cadena. 3. Terminación. La cadena termina a través de cualquier reacción en la que se destruyen los radicales libres, dando lugar al polímero llamado polietileno, formado por moléculas con un número n de monómeros. La síntesis del polietileno por adición se puede resumir como: es decir: (CH2 CH2) n, donde para destacarlo hemos sombreado el monómero correspondiente. Las propiedades del polietileno son muy distintas a las del monómero que lo forma (el etileno).

6 Polímeros de condensación: el polietilentereftalato Las fibras textiles llamadas nylon y poliéster son polímeros que se sintetizan por condensación. En esta reacción, dos monómeros reaccionan para formar un dímero, que a su vez, puede seguir reaccionando con otras moléculas por ambos extremos, alargando así indefinidamente la cadena del polímero. Por ejemplo, en la formación del polímero llamado polietilentereftalato (PET) reacciona el ácido tereftálico (ácido 1,4-bencenodicarboxílico) con el etilenglicol (1,2-etanodiol), en presencia de un catalizador o bien por efecto de la presión o del calor. El grupo OH de uno de los grupos carboxilo del ácido reacciona con el H de uno de los grupos hidroxilo del etilenglicol para formar un éster simple y agua (como subproducto). Cada unidad del éster simple contiene aún un grupo carboxilo y un grupo hidroxilo, que pueden reaccionar con otras moléculas y generar otras uniones ésteres y, en consecuencia, moléculas más grandes, que pueden seguir reaccionando y así sucesivamente. A continuación se presenta la ecuación de la formación del polietilentereftalato (PET), en medio ácido.

7 Codificando los polímeros Con el propósito de conocer los distintos polímeros y favorecer su clasificación, se ha difundido entre los fabricantes un código de identificación internacional. El sistema identifica solamente los seis polímeros más usados que corresponden a los que se emplean en la fabricación de casi todos los productos conocidos. Se los identifica con un número dentro de un triángulo con flechas, indicando así que el material es reciclable. La tabla muestra estos seis polímeros, con sus características, usos y código. En cualquier caso, y dada la versatilidad de estos materiales, es posible encontrar un mismo tipo de polímero con aplicaciones muy diferentes. Como vemos en la tabla, existen, además, distintas variedades de algunos de ellos, por ejemplo el polietileno de baja densidad y de alta densidad.

8 Estructura y propiedades de los polímeros Cuando los monómeros se unen para ir conformando los polímeros pueden dar origen a diferentes formas o estructuras de polímeros. Los polímeros se clasifican según su forma en lineales y ramificados. Un polímero lineal se forma cuando el monómero que lo origina tiene dos puntos de ataque, de modo que la polimerización ocurre unidireccionalmente y en ambos sentidos. Un polímero ramificado se forma porque el monómero que lo origina posee tres o más puntos de ataque, de modo que la polimerización ocurre tridimensionalmente, en las tres direcciones del espacio. Muchas de las propiedades de los polímeros dependen de su estructura. Por ejemplo, un material blando y moldeable tiene una estructura lineal con las cadenas unidas mediante fuerzas débiles; un material rígido y frágil tiene una estructura ramificada; un polímero duro y resistente posee cadenas lineales con fuertes interacciones entre las cadenas.

9 Propiedades y usos de los polímeros Las propiedades de un polímero son determinantes a la hora de decidir la aplicación que se le dará. Por ejemplo, si deseamos construir un objeto que sea elástico, deberá estar hecho de un polímero con propiedades elásticas, es decir, nos interesará principalmente su capacidad de elongación y su resistencia a la flexión. Sus propiedades de dureza o ductilidad tendrán escasa importancia. Estas características se llaman propiedades mecánicas y las más importantes son: resistencia, dureza y elongación. Resistencia de un polímero. Los polímeros pueden ser resistentes a la compresión o al estiramiento. Es decir, pueden tener la capacidad de soportar la presión ejercida sobre ellos, sin alterar su estructura, o en el segundo caso, capacidad para no estirarse con facilidad. Por ejemplo, las fibras, usadas para fabricar cordeles de ropa, deben tener una buena resistencia al estiramiento porque normalmente están sujetas a tensión y necesitamos que no se extiendan cuando son sometidas a un esfuerzo. También hay polímeros que tienen resistencia al impacto: no se destruyen al ser golpeados; a la flexión: se doblan con facilidad y, a la torsión: recuperan su estructura después de estar sometidos a la torsión. La capacidad de resistencia es la medida de cuánta tensión se necesita para romper un polímero. Dureza de un polímero. Los polímeros pueden ser rígidos, como el poliestireno, o flexibles, como el polietileno y el polipropileno. Los primeros tienden a ser resistentes, prácticamente no sufren deformación, pero no son duros, se quiebran con facilidad. Los segundos, soportan muy bien la deformación y no se rompen fácilmente. Elongación de un polímero. Los llamados polímeros elastómeros pueden estirarse entre un 500% y un 1.000% y volver a su longitud original sin romperse. Por ejemplo, el poliisopreno, poliisobutileno y polibutadieno son elastómeros que pueden ser estirados varias veces desde su tamaño original y una vez que cede el estímulo recuperan su forma y tamaño inicial, es decir, poseen una gran elongación reversible. La elongación es el cambio de forma que experimenta un polímero cuando se le somete a tensión, es decir, cuánto es capaz de estirarse sin romperse.

10 A qué llamamos plásticos En el lenguaje cotidiano, llamamos plásticos a materiales con los que se fabrican objetos tales como vasijas, juguetes o bolsas, pero no llamamos plásticos a otros materiales, como la espuma utilizada en colchones o las láminas de corcho, que también lo son. En el sentido amplio, la palabra plástico describe a todo material capaz de ser moldeado, que se deforma ante la aplicación de fuerzas relativamente débiles a temperaturas moderadas. Así, son plásticos los de origen natural, como el caucho, los de origen semisintético, como el celuloide y todos los polímeros sintéticos, como el polietileno. En un sentido más limitado, los plásticos son polímeros sintéticos que pueden ser moldeados en alguna de las fases de su elaboración. Si un material puede fundirse y moldearse varias veces, se habla de termoplástico; mientras que, si puede hacerlo solo una vez, se llama termoestable. Los termoplásticos son materiales rígidos a temperatura ambiente, pero se vuelven blandos y moldeables al elevar la temperatura; pueden fundirse y moldearse varias veces, sin que por ello cambien sus propiedades; son reciclables. Los termoestables son materiales rígidos, frágiles y con cierta resistencia térmica. Una vez moldeados no pueden volver a cambiar su forma, ya que no se ablandan cuando se calientan, por ello no son reciclables. Estas propiedades también dependen de la estructura del polímero. Son termoplásticos porque sus cadenas, ya sean lineales o ramificadas, no están unidas: presentan entre sus cadenas fuerzas intermoleculares, que se debilitan al aumentar la temperatura, por eso se reblandecen. Son termoestables porque sus cadenas están interconectadas por medio de ramificaciones, que son más cortas que las cadenas principales. El calor es el principal responsable del entrecruzamiento que da una forma permanente a este tipo de plásticos y no pueden volver a procesarse. Los polímeros pueden clasificarse según el tipo de reacción de síntesis por la que se obtienen (adición o condensación). También según: el tipo de monómeros que los forman (homopolímeros y copolímeros); la estructura que presentan (lineales y ramificados), y el comportamiento frente al calor (termoplásticos y termoestables).

11 Termoplásticos de uso cotidiano Los termoplásticos o simplemente plásticos son polímeros que pueden fundirse y moldearse varias veces sin que cambien y sin que experimenten descomposición. Entre los más conocidos están el polietileno y el poliestireno. El etileno (eteno) es la materia prima de estos plásticos. El etileno puede polimerizarse por adición obteniéndose el polietileno, según la siguiente ecuación: El polietileno es un polímero de cristalinidad baja que contiene de 100 a unidades del monómero. Es un material traslúcido y resistente frente al ataque de los productos químicos, propiedad que lo hace muy adecuado para la fabricación de envases. También se utiliza en la elaboración de implementos de escritorio, juguetes y bolsas para compras. Si en la molécula de etileno se remplaza uno de los átomos de hidrógeno por un anillo de benceno (más precisamente, un grupo fenilo: C6H5) se obtiene una molécula de estireno. El estireno puede polimerizarse por adición para obtener el poliestireno, según la siguiente ecuación: El poliestireno es un polímero inalterable a la humedad y aislante de la corriente eléctrica. En forma de espuma, se utiliza para fabricar embalajes y aislamientos. En su variedad transparente, se usa para fabricar lentes.

12 Otros termoplásticos: las fibras textiles Las fibras textiles son polímeros que tienen la propiedad de formar hilos que se estiran bastante sin romperse y pueden usarse para hilar y hacer tejidos con los que se confeccionan diversas prendas de vestir. En este grupo entran las fibras naturales, como la seda, la lana o el algodón y fibras sintéticas, como las poliamidas y poliésteres. Una de las poliamidas más conocidas es el nylon, que se emplea en la elaboración de fibras muy resistentes a la tracción. Es un polímero de condensación, que se obtiene por la polimerización de un ácido dicarboxílico y una diamina, según la siguiente ecuación: Los poliésteres se forman de manera similar a las poliamidas, condensando un ácido con un éster. Un caso típico es el tergal, que se obtiene por la polimerización del ácido terftálico y el etanodiol (etilenglicol), según la siguiente ecuación: El tergal se emplea en la elaboración de fibras de resistencia relativamente alta. Los tejidos de tergal se caracterizan por ser inarrugables. En la estructura de un polímero, la presencia de grupos funcionales amida o éster le dan propiedades superiores a las de otros materiales que podrían encontrarse en la naturaleza.

13 Resinas: los polímeros termoestables Estos polímeros se caracterizan por sufrir una transformación química cuando se funden, convirtiéndose en un sólido que, al volverse a fundir, se descompone. Algunos ejemplos son el PVC, la baquelita y el plexiglás. El PVC o cloruro de polivinilo es un polímero de adición que resulta de la polimerización del cloruro de vinilo o cloroeteno. Este polímero tiene buena resistencia a la electricidad y a la llama. El PVC es tan rígido que se utiliza en la fabricación de cañerías, paneles y otros objetos moldeados. La polimerización del cloroeteno ocurre por adición según la siguiente ecuación: La baquelita resulta de la reacción entre el fenol y el formaldehído (metanal). Es un polímero duro y quebradizo. Los mangos de algunas herramientas eléctricas, y los conmutadores y enchufes eléctricos se fabrican con resinas entrecruzadas termoestables como la baquelita. La polimerización para obtener baquelita ocurre por condensación, según la siguiente ecuación: El plexiglás se sintetiza a través de la polimerización del metacrilato de metilo. Es un material transparente con excelentes propiedades ópticas, por lo que su uso es muy variado, desde lentes de contacto hasta láminas transparentes para ventanas. La polimerización ocurre por adición del metacrilato de metilo, según esta ecuación:

14 Cauchos natural y sintético En el lenguaje cotidiano, los cauchos corresponden a los materiales que llamamos gomas y cuya principal característica es su elasticidad; son también polímeros termoestables. La propiedad de ser elásticos se explica por la estructura de estos polímeros: son moléculas de largas cadenas carbonadas y flexibles, que tienden a enrollarse de forma desordenada, pero que se desenrollan al someter el material a una tensión. En el pasado solo disponíamos del caucho natural, el polímero del isopreno o poliisopreno que se extrae de la savia o látex de ciertos árboles tropicales, nativos de Sudamérica. Este es un material pegajoso, blando en caliente y duro y fácil de quebrar en frío. El caucho natural se forma cuando se enlazan unas moléculas de isopreno (2-metil-1,3- butadieno) con otras, mediante la acción de ciertas enzimas que posibilitan que todos los monómeros unidos se conformen en su isómero cis. La ecuación de polimerización es: Hacia el año 1820 se vio que el caucho servía para fabricar ropa impermeable pero el problema era que el calor volvía las prendas pegajosas y el frío las endurecía. Unos 20 años después, Charles Goodyear ( ) mezcló accidentalmente azufre y caucho en una estufa caliente y obtuvo un material que no se fundía ni se ponía pegajoso al calentarlo, tampoco se quebraba cuando se lo sometía a bajas temperaturas. Bautizó a este nuevo material con el nombre de caucho vulcanizado, en honor a Vulcano, dios del fuego. El proceso se llama vulcanización y lo que hace el azufre es unir las diferentes cadenas del polímero hasta que todas ellas quedan unidas. El proceso de vulcanización lo representamos según la siguiente ecuación:

15 Ventajas y desventajas de los polímeros En la actualidad hay tantos polímeros artificiales para otros tantos propósitos diferentes que es difícil imaginar nuestro mundo sin los plásticos. Los plásticos son populares porque son: Económicos. Más livianos y pueden sustituir la madera, la piedra o el metal. Muy resistentes a la oxidación y al ataque de ácidos y bases. Inalterables a los agentes atmosféricos como la luz, el agua y el aire. Muy versátiles. Se fabrican con ellos objetos con gran diversidad de formas, texturas y colores; pueden ser suaves como las plumas y más resistentes que el mismo acero. Son aislantes de la corriente eléctrica. Sin embargo, como en todas las cosas, estas mismas ventajas pueden ser sus peores inconvenientes. La alta resistencia a la corrosión, al agua y a la descomposición bacteriana, los convierte en residuos difíciles de eliminar y, consecuentemente, en un grave problema ambiental.

16

17

18 Polímeros inorgánicos Implantes de siliconas en el cuerpo No todos los polímeros son orgánicos, también existen los polímeros inorgánicos, es decir, los que no poseen átomos de carbono en su cadena principal. Las siliconas son los polímeros inorgánicos más comunes, donde el silicio es el átomo central, tetravalente. Su estructura presenta cadenas de átomos de silicio (Si) alternados con átomos de oxígeno (O) y unidos a grupos metilo (-CH3). Las siliconas tienen algunas propiedades físicas similares a las de las resinas y el caucho, pero son más estables frente al calor y a la oxidación. Hoy en día los cirujanos plásticos utilizan las siliconas como implantes para aumentar el volumen y mejorar la forma de determinadas partes del cuerpo, sin embargo, esta técnica no deja de ser controvertida, ya que se ha investigado que habría una relación directa entre los implantes de siliconas y ciertas enfermedades autoinmunes y neurológicas. GLOSARIO Cauchos: Polímeros que se caracterizan por su elasticidad. Copolímero: Polímero formado por la unión de dos o más tipos diferentes de monómeros. Fibras: Polímeros que pueden formar filamentos o hilos de gran resistencia. Homopolímero: Polímero formado por un solo tipo de monómero. Monómero: Unidad básica a partir de la cual se obtiene un polímero. Plásticos: Material capaz de ser moldeado y que se deforma ante la aplicación de una fuerza. Polímero: Macromolécula (molécula gigante) compuesta de unidades que se repiten. Polímeros de adición: Macromoléculas producidas por la unión de dos o más alquenos o alquinos diferentes. Polímeros de condensación: Macromoléculas formadas por dos o más monómeros diferentes en donde, por cada enlace que se forma, se desprende una molécula pequeña. Polímeros termoestables: Macromoléculas cuyas estructuras son entrecruzadas y que no se modifican por efecto del calor. Polímeros termoplásticos: Macromoléculas que pueden fundirse y moldearse varias veces. Radical: Cualquier fragmento de una molécula que tenga un electrón desapareado. Resinas: Plásticos que se descomponen por efecto de la temperatura. Silicona: Polímero inorgánico cuyo esqueleto principal está formado por el elemento silicio. Vulcanización: Proceso mediante el cual se trata la goma natural con azufre para mejorar sus propiedades.