Química de polímeros para niños
La química de polímeros es una parte de la química que estudia cómo se crean, cómo son por dentro y qué características tienen los polímeros y las macromoléculas. Los polímeros son moléculas muy grandes. Los principios y métodos que se usan en la química de polímeros son los mismos que se usan en otras áreas de la química, como la química analítica y la química física. Muchos materiales tienen estructuras de polímeros, desde metales y cerámicas hasta el ADN y otras moléculas biológicas. Sin embargo, cuando hablamos de química de polímeros, generalmente nos referimos a los polímeros orgánicos sintéticos. Los polímeros sintéticos están por todas partes en los productos que usamos a diario, como los plásticos, las gomas y los compuestos. La química de polímeros también forma parte de campos más grandes como la ciencia de los polímeros o la nanotecnología. Ambos campos incluyen la física de polímeros y la ingeniería de polímeros.
Contenido
¿Qué son los polímeros y cómo funcionan?
Los polímeros son compuestos con un peso molecular muy alto. Se forman a partir de la polimerización de monómeros. Un monómero es una molécula simple que se une repetidamente para formar el polímero. Podemos describir un polímero de muchas maneras. Por ejemplo, por su tamaño, cómo se distribuyen sus partes, su forma, si tiene ramas, o sus propiedades al calor. Algunas de estas propiedades son la temperatura de transición vítrea y la temperatura de fusión.
Cuando los polímeros están en solución, tienen características especiales. Esto incluye cómo se disuelven, su viscosidad (qué tan "espesos" son) y si pueden formar geles. Para entender mejor la química de polímeros, es importante conocer sus pesos moleculares promedio. Estos se llaman 
(promedio en número) y 
(promedio en peso).
Existen muchas teorías que nos ayudan a entender cómo se forman los polímeros y cuáles son sus propiedades. Algunas de ellas son la teoría de Scheutjens-Fleer y la teoría de la solución de Flory-Huggins. También están el mecanismo de Cossee-Arlman y la teoría del campo de polímeros.
Los polímeros se pueden clasificar según su origen. Pueden ser biopolímeros o polímeros sintéticos. Cada una de estas clases se divide en categorías más específicas según su uso y propiedades.
Los biopolímeros son los materiales que forman la mayor parte de la materia viva en los organismos. Una clase muy importante de biopolímeros son las proteínas, que se forman a partir de aminoácidos. Los polisacáridos, como la celulosa, la quitina y el almidón, son biopolímeros que vienen de los azúcares. Los ácidos nucleicos, como el ADN y el ARN, se forman a partir de azúcares con fosfato y nucleótidos. Estos últimos llevan la información genética.
Los polímeros sintéticos son los materiales que vemos en los plásticos, las fibras sintéticas, las pinturas y los materiales de construcción. También están presentes en los muebles, las piezas mecánicas y los adhesivos. Los polímeros sintéticos se dividen en polímeros termoplásticos y plásticos termoestables. Los termoplásticos incluyen el polietileno, el teflón, el poliestireno, el polipropileno, el poliéster, el poliuretano, el poli (metacrilato de metilo), el cloruro de polivinilo, los nylons y el rayón. Los plásticos termoestables incluyen el caucho vulcanizado, la baquelita, el Kevlar y el poliepóxido. Casi todos los polímeros sintéticos se obtienen de productos petroquímicos.
¿Cómo se usan los polímeros en materiales compuestos?
Los polímeros son componentes clave en los materiales compuestos. Un ejemplo es la fibra de carbono combinada con epoxi.
Un vistazo a la historia de los polímeros
El trabajo de Henri Braconnot en 1777 y de Christian Schönbein en 1846 llevó al descubrimiento de la nitrocelulosa. Cuando esta se mezcló con alcanfor, se obtuvo el celuloide. Disuelta en éter o acetona, se convierte en colodión, que se usó para curar heridas. El acetato de celulosa se preparó por primera vez en 1865. Entre 1834 y 1844, se descubrió que las propiedades del caucho ( poliisopreno ) mejoraban mucho al calentarlo con azufre. Este proceso se llamó vulcanización.
En 1884, Hilaire de Chardonnet abrió la primera fábrica de fibra artificial. Esta fibra, hecha de celulosa regenerada o rayón de viscosa, era un sustituto de la seda, pero era muy inflamable. En 1907, Leo Baekeland inventó el primer polímero sintético. Era una resina de fenol - formaldehído termoestable llamada baquelita. Casi al mismo tiempo, Hermann Leuchs informó sobre la creación de aminoácidos N-carboxianhídridos y sus productos de alto peso molecular. Sin embargo, no los llamó polímeros, quizás por las fuertes opiniones de su supervisor, Hermann Emil Fischer, quien no creía que existieran moléculas covalentes de más de 6,000 daltons. El celofán fue inventado en 1908 por Jocques Brandenberger, quien trató láminas de rayón de viscosa con ácido.
- Personas importantes en la química de polímeros
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Hermann Staudinger, considerado el padre de la química de polímeros.
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Wallace Carothers, inventor del nylon.
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Stephanie Kwolek, inventora de Kevlar.
El químico Hermann Staudinger fue el primero en proponer que los polímeros eran largas cadenas de átomos unidos por enlaces covalentes. Él los llamó macromoléculas. Su trabajo ayudó a entender mejor los polímeros y llevó a un gran avance en este campo. Gracias a esto, se inventaron materiales como el neopreno, el nailon y el poliéster. Antes de Staudinger, se pensaba que los polímeros eran grupos de moléculas pequeñas ( coloides ) sin un peso molecular definido, unidas por una fuerza desconocida. Staudinger recibió el Premio Nobel de Química en 1953.
Wallace Carothers inventó el primer caucho sintético llamado neopreno en 1931. También creó el primer poliéster y el nylon en 1935, que fue un verdadero sustituto de la seda. Paul Flory recibió el Premio Nobel de Química en 1974 por su investigación sobre cómo se organizan las cadenas de polímeros en solución. Stephanie Kwolek desarrolló una aramida o nailon aromático llamado Kevlar, patentado en 1966. Karl Ziegler y Giulio Natta recibieron un Premio Nobel por descubrir catalizadores para la polimerización de alquenos. Alan J. Heeger, Alan MacDiarmid y Hideki Shirakawa recibieron el Premio Nobel de Química en 2000 por desarrollar el poliacetileno y otros polímeros que conducen electricidad. Aunque el poliacetileno no tuvo muchas aplicaciones prácticas, los diodos orgánicos emisores de luz (OLED) surgieron como una aplicación importante de los polímeros conductores.
Los programas de enseñanza e investigación en química de polímeros comenzaron en la década de 1940. En 1940, se fundó un Instituto de Química Macromolecular en Friburgo, Alemania, dirigido por Staudinger. En América, Herman Mark estableció el Instituto de Investigación de Polímeros (PRI) en 1941 en el Instituto Politécnico de Brooklyn (ahora parte de la Universidad de Nueva York).
¿Cómo se estudian los polímeros?
Existen varias formas de estudiar los polímeros. Se dividen en métodos indirectos (o relativos) y directos. Los métodos indirectos no dan el peso molecular exacto, pero permiten comparar una muestra con otras de composición similar y peso molecular conocido.
Métodos indirectos para conocer el peso molecular
- Cromatografía de permeación en gel
- Viscosimetría
- Centrifugación
Métodos directos para conocer el peso molecular
- Espectrometría de masas, especialmente MALDI-TOF
- Ósmosis
- Ebullioscopia
- Dispersión de la luz
Al estudiar las macromoléculas, es importante saber que casi siempre tienen una distribución (dispersión) en su peso molecular. Esto significa que no todas las moléculas son idénticas en tamaño. La forma y el tamaño de esta distribución pueden variar mucho. Por eso, muestras con el mismo peso molecular promedio pueden tener propiedades (mecánicas, físicas o químicas) completamente diferentes.
¿Cómo se miden las propiedades físicas de los polímeros?
Como ya mencionamos, los polímeros tienen diferentes propiedades físicas. Estas propiedades se pueden medir con métodos adecuados:
- Viscosimetría/Reología
- Ensayo de tracción con diagramas tensión-deformación
¿Cómo se miden las propiedades térmicas de los polímeros?
Las propiedades térmicas de los polímeros se pueden analizar con métodos específicos. Se pueden medir los cambios en propiedades físicas como la viscosidad, el punto de fusión o los puntos de cambio de fase. También se pueden registrar los cambios químicos, especialmente las reacciones de descomposición, tanto de forma cualitativa como cuantitativa. Los métodos son:
- Calorimetría diferencial de barrido para medir los cambios de fase.
- Análisis termogravimétrico para medir qué tan estables son al calor.
Homopolímeros y copolímeros: ¿cuál es la diferencia?
Homopolímeros
Si un polímero está hecho de un solo tipo de "bloque de construcción" (unidad que se repite), se llama homopolímero. La palabra "homo" viene del griego y significa "igual" o "similar".
Copolímeros
Si un polímero está formado por diferentes tipos de "bloques de construcción" (monómeros), se llama copolímero. Hay copolímeros hechos de monómeros químicamente muy parecidos, como los de eteno y propeno. Pero también hay copolímeros con monómeros muy diferentes, como los de α-olefina / MSA. Normalmente se usan dos monómeros, pero también existen copolímeros con tres o más monómeros distintos. Los copolímeros con tres monómeros se llaman terpolímeros. Un ejemplo son los plásticos ABS, famosos por usarse en los bloques de construcción Lego.
Según cómo se organicen los monómeros, distinguimos entre copolímeros aleatorios, alternantes, gradientes y en bloque. Si se añaden más monómeros a una cadena ya existente, se les llama (co)polímeros de injerto.
La forma en que se unen los monómeros durante la copolimerización se define por los parámetros de copolimerización. Estos se calculan a partir de las velocidades de las posibles reacciones.
Las proteínas, el ADN/ARN y algunos polisacáridos también son formalmente copolímeros. Sin embargo, se forman por mecanismos muy diferentes a los de los copolímeros creados por el ser humano.
Dendrímeros
Los dendrímeros son un tipo especial de moléculas poliméricas. Si se fabrican de una forma específica, todas sus partículas son idénticas, es decir, no hay una distribución de peso molecular. El número de pasos en su fabricación se llama generación. La molécula central se considera la generación cero. Si esta molécula central tiene cuatro grupos que pueden reaccionar y el producto de la reacción (primera generación) tiene dos grupos reactivos por cada grupo original, entonces tendremos ocho grupos, y así sucesivamente.
Los dendrímeros no pueden crecer indefinidamente. Llega un punto en que los "efectos estéricos" (cuando las partes de la molécula se estorban entre sí) impiden que sigan creciendo. La forma de los dendrímeros se vuelve cada vez más parecida a una esfera.
¿Cómo crecen las cadenas de polímeros?
La polimerización por crecimiento en cadena es un proceso en el que el polímero de alto peso molecular se forma al principio de la reacción. La cantidad de polímero que se produce (el porcentaje de monómero que se convierte en polímero) aumenta poco a poco con el tiempo. En este tipo de polimerización, las moléculas de monómero se van añadiendo una a una al extremo activo de una cadena de polímero que está creciendo. Este proceso tiene cuatro pasos:
(i) Iniciación de la cadena: Es la reacción que crea un "portador de cadena" (como radicales o iones) que iniciará el crecimiento.
(ii) Propagación de la cadena: Es el paso en el que el extremo activo de la molécula de polímero en crecimiento añade una molécula de monómero. Así, la cadena se alarga una unidad y se crea un nuevo extremo activo.
(iii) Transferencia de cadena: En este paso, el extremo activo de un polímero (A) recibe un átomo de otro compuesto (B) y se detiene. Luego, la molécula B forma un nuevo extremo activo. Es decir, el punto activo solo se mueve a otra molécula, no desaparece. Esto puede ocurrir en polimerizaciones de coordinación, iónicas y de radicales libres.
(iv) Terminación de la cadena: Significa que el extremo activo desaparece, deteniendo el crecimiento de la cadena.
El proceso de crecimiento de la cadena se puede clasificar en polimerización por adición y polimerización por apertura de anillo. Es importante conocer la velocidad y el crecimiento de la cadena para controlar el peso molecular y cómo aumenta con la conversión. La conversión se refiere a la rapidez con la que los materiales iniciales se transforman en el producto. En la polimerización por crecimiento en cadena, la conversión es lenta porque los monómeros solo reaccionan con los extremos activos de la cadena. Sin embargo, el crecimiento de la cadena hasta alcanzar un peso molecular alto es rápido. Así, en una polimerización típica por crecimiento en cadena, las moléculas presentes son parte de un polímero grande o monómeros. La polimerización por radicales libres funciona de manera similar. Por eso, casi al final de la polimerización, cuando la velocidad de reacción disminuye, todavía hay monómero presente. Es muy difícil consumir todos los monómeros durante la polimerización. La polimerización por crecimiento escalonado funciona de forma opuesta.
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Ver también
Véase también
En inglés: Polymer chemistry Facts for Kids
