Guía de Estudio: Los Polímeros en Química

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1 Los Polímeros 1. Los Polímeros Las macromolècules están constituidas por la unión de muchas otras moléculas sencillas. Si estas moléculas sencillas son unidades estructurales idénticas que se van repetiendo, entonces hablamos de polímeros, y cada una de las unidades estructurales de las cuales deriva el polímero la llamamos monómero. Las propiedades de las macromoléculas o polímeros son totalment diferentes de las de los monómeros de los cuales derivan. 2.

La polimerización La polimerización es un proceso químico por el que los reactivos, monómeros (compuestos de bajo peso molecular) se agrupan químicamente entre sí, dando lugar a una molécula de gran peso, llamada polímero, o bien una cadena lineal o una macromolécula tridimensional. En las reacciones de polimerización, los monómeros pueden ser iguales (homopolímeros) o de diferente tipo (copolímeros) , se adicionan entre sí, a gran escala para formar un polímero. Los monómeros que lo integran provienen de compuestos insaturados, como: alcanos, alcadienos o sus derivados. Proves d'accés a la universitat (Química) Figura 1. Estructura de un polímero.

Fuente: https://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2013/07/polimerizacion.html 2 Figura 2. La polimerización. Fuente: https://espanol.libretexts.org/Quimica/Qu%C3%ADmica_Introductoria%2C_Conceptual_y_GOB/Qu%C3%A Dmica_para_Tiempos_Cambiantes_%28Hill_y_McCreary%29/10%3A_Pol%C3%ADmeros/10.01%3A_Polime rizaci%C3%B3n_-_Hacer_Grandes_con_los_Peque%C3%B1os Las Reacciones de polimerización las podemos clasificar en dos tipos: 1. Reacciones de adición, o de polimerización con crecimiento de cadena. 2. Reacciones de Condensación, o Polimerización por crecimiento en etapas. Polimerización por adición Figura 3. Polimerización por adición.

Fuente: https://poliuriel.blogspot.com/2017/11/la-palabra-polimero-puede-definirse.html Una polimerización por adición se da cuando la molécula de monómero pasa a formar parte del polímero sin pérdida de átomos, es decir, la composición química de la cadena resultante es igual a la suma de las composiciones químicas de los monómeros que la conforman. Por lo cual, durante la polimerización por adición no se generan subproductos. Este tipo de polimerización se da entre monómeros de la misma especie, se llaman homopolímeros. Un ejemplo para ilustrar este punto podría ser la síntesis del polietileno.

Cuando se polimeriza el etileno para obtener polietileno (PE), cada átomo de la molécula de etileno se transforma en parte del polímero. El monómero es adicionado al polímero en su totalidad. 3 1. Poliestireno: la polimerización de n unidades de estireno conduce a la formación de poliestireno, donde n es un número entero muy elevado. Esta reacción de polimerización transcurre a través de un proceso de formación de radicales libres. 2. Policloruro de vinilo (PVC): el cloruro de vinilo CH =CHCI con la colaboración de un peróxido como iniciador origina policloruro de vinilo o PVC, reacción que queda representada así: 3.

Polietileno: l polietileno es un polímero que se obtiene a partir de etileno CH2=CH2. En este caso, la polimerización por adición también es por vía radical. Para ello requiere la utilización de pequeñas cantidades de oxígeno como iniciador de la reacción y el empleo de altas presiones, del orden de 1000 - 2000 atm, y temperaturas de alrededor de 2000C. De esta forma se obtiene: 4. Teflón o politetrafluoroetileno (PTFE): se obtiene por polimerización de tetrafluoroetileno. Es también una adición radicalaria.

La reacción es: El teflón constituye un material plástico similar al polietileno, pero con una estructura atómica diferente, pues en lugar de combinar átomos de carbono (C) y de hidrógeno (H), estos últimos se sustituyen por átomos de flúor (F). 4 Los átomos de flúor que forman parte de la estructura atómica del teflón (CF2–CF2)n crean una barrera prácticamente impenetrable al ataque de otras moléculas de diferente composición química, impidiendo que reaccionen con el carbono (C).

La fuerte fuerza de cohesión que se establece entre el flúor y el carbono convierten al teflón en un material inerte (uno de los más inertes que se conocen) al que, prácticamente, ninguna otra molécula diferente se le adhiere, excepto otras moléculas iguales de teflón. Por ello no reacciona ni con ácidos ni con bases ni con la mayoría de los agentes oxidantes y no se disuelve en la mayor parte de los disolventes orgánicos. Se usa como recubrimiento antiadherente de útiles de cocina y para el sellado de piezas de fontanería. Sin embargo, al ser tan inerte se degrada con dificultad por medios naturales, lo que lo convierte en un riesgo medioambiental.

Su incineración produce derivados que dañan la capa de ozono. Figura 4. Los princiaples polímeros por adición. Fuente: https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/16883/1/Tema_1._Estructura_y_propiedades_de_los_polimero s.pdf 5 Polimerización por condensación polímeros de condensación. Figura 6. Polimerización por condensación. Fuente: https://es.slideshare.net/carmenandreina500/polimerizacin-por-condensacin-75417920 En una policondensación, la molécula de monómero pierde átomos cuando pasa a formar parte del polímero. Por lo general, se pierde una molécula pequeña. Por lo cual, en las polimerizaciones por condensación se generan subproductos.

Los polímeros obtenidos por esta vía se los denomina Figura 5. Polimerización por condensación. Fuente: https://slideplayer.es/slide/1032267/ 6 Figura 7 . Los principales polímeros por condensación. Fuente: https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/16883/1/Tema_1._Estructura_y_propiedades_de_los_polimero s.pdf 7 3. Estructura de los polímeros interacciones hidrofóbicas. homólogos. Figura 8 . Estructura de diferentes tipos de polímeros.

Fuente: https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/16883/1/Tema_1._Estructura_y_propiedades_de_los_polimero s.pdf Los polímeros son muy grandes sumas de moléculas, con masas moleculares que puede alcanzar incluso los millones de Umas (unidad de masa atómica), que se obtienen por la repeticiones de una o más unidades simples llamadas "monómeros" unidas entre sí mediante enlaces covalentes. Estos forman largas cadenas que se unen entre sí por fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrógeno o Un polímero no tiene la necesidad de constar de moléculas individuales del mismo peso molecular, y no es necesario que tengan la misma composición química y la misma estructura molecular.

Hay polímeros naturales como ciertas proteínas globulares y policarbohidratos, cuyas moléculas individuales tienen el mismo peso molecular y la misma estructura molecular; pero la gran mayoría de los polímeros sintéticos y naturales importantes son mezclas de componentes poliméricos 8 Figura 9. Enlace de puente de hidrógeno entre los oxígenos del carbonilo y los hidrógenos de la amida Fuente: https://tecnologiadelospolimeros.wordpress.com/2017/06/27/reacciones-de-polimerizacion-por- condensacion/ 4. Propiedades de los polímeros térmica, resistencia química y características ópticas. funcionan con corriente o la transportan.

A pesar de que los distintos polímeros presentan grandes diferencias en su composición y estructura, hay una serie de propiedades comunes a todos ellos y que los distinguen de otros materiales. Un ejemplo de alguna de estas propiedades es la densidad, conducción eléctrica y Densidad El rango de densidades de los plásticos es relativamente bajo y se extiende desde 0.9 hasta 2.3 g/cm3. Entre los plásticos de mayor consumo se encuentran el PE y el PP, ambos materiales con densidad inferior a la del agua. La densidad de otros materiales a los que los polímeros sustituyen en algunas aplicaciones es varias veces mayor, como es el caso del aluminio o del acero.

Conductividad térmica y eléctrica Por otra parte, el valor de la conductividad térmica de los polímeros es sumamente pequeño. Los metales, por ejemplo, presentan conductividades térmicas 2000 veces mayores que los plásticos; esto se debe a la ausencia de electrones libres en el material plástico. Igualmente los polímeros conducen muy mal la corriente eléctrica. Presentan resistencias muy elevadas, y por tanto, baja conductividad eléctrica. La resistencia eléctrica es función de la temperatura, y a elevadas temperaturas conducen mejor.

Gracias a su elevada resistencia eléctrica los polímeros se utilizan frecuentemente como aislantes eléctricos de aparatos y conducciones que 9 Resistencia química 6. Clasificación de los polímeros Hay diferentes criterios para classificar los polímeros: Si se clasifican por el tipo de monómero, distinguimos: Homopolímeros: son los polímeros en los cuales solo hay un tipo de monómero. Por ejemplo el almidón, está formado por un solo tipo de monómero: la glucosa Copolímeros: son polímeros que están formados por dos tipus de monómeros Si se clasifican según su origen, los polímeros pueden ser: Polímeros naturales. Su origen es biológico. Polímeros sintéticos.

Son creados enteramente por el ser humano. Polímeros semisintéticos. Son creados por transformación de polímeros naturales. Si se clasifican según su composición, podemos distinguir entre: Polímeros orgánicos. Poseen una cadena principal de átomos de carbono. Polímeros orgánicos vinílicos. Semejantes a los orgánicos, pero con enlaces dobles carbono-carbono. Incluyen las poliolefinas, estirénicos, vinílicos halogenados y acrílicos. Polímeros orgánicos no vinílicos. Poseen átomos de oxígeno y/o nitrógeno en su cadena principal, además de carbonos. Incluyen los poliésteres, las poliamidas y los poliuretanos. Polímeros inorgánicos.

Basados en otros elementos como el azufre (polisulfuros) o el silicio (la silicona). Propiedades ópticas En cuanto a las propiedades ópticas, los polímeros que no contienen aditivos son por lo general bastante traslúcidos, aunque esta propiedad está fuertemente influenciada por la cristalinidad del material. La resistencia química de los polímeros también está fuertemente influenciada por el grado de cristalinidad. En los polímeros cristalinos los disolventes pueden atacar ligeramente la superficie del polímero, que tiene una menor cristalinidad. 10 Si se clasifican según su reacción al aumentar la temperatura, podemos distinguir entre: Polímeros elastómeros.

Se deforman al aumentar la temperatura, pero recuperan su forma original. Polímeros termoestables. Una vez moldeados en caliente, quedan rígidos al ser enfriados por formar nuevos enlaces y no pueden volver a ser moldeados. Polímeros termoplásticos. Se reblandecen y recuperan sus propiedades al enfriar. Se moldean en caliente de forma repetida. Tienen bajos puntos de fusión y son solubles en disolventes orgánicos. Al elevar la temperatura se derriten y pasan al estado líquido, pero cuando se enfrían, vuelven a pasar al estado sólido. Polímeros naturales Los polímeros naturales también se conocen como biopolímeros.

Los polímeros naturales son macromoléculas que se encuentran en la naturaleza y están compuestos por unidades repetitivas de monómeros que se unen mediante enlaces químicos. Estos polímeros se producen de manera natural en los organismos de todos los reinos de los seres vivos y desempeñan una gran variedad de funciones biológicas vitales. Algunos polímeros de importancia que podemos encontrar en animales, plantas y hongos son: Animales: o Ácido poliglutámico: un polímero de ácido glutámico que se encuentra en las cáscaras de los huevos de algunos animales. o Actina y miosina: proteínas que se encuentran en los músculos de los animales.

o Condroitín sulfato: un polisacárido que se encuentra en el cartílago y otros tejidos conectivos de los animales. o Elastina: presente en los tejidos elásticos del cuerpo, como la piel y los vasos sanguíneos. o Fibrina: una proteína que forma coágulos sanguíneos. Proteínas de seda de araña: producidas por ciertas especies de arañas para construir sus telarañas. o Queratina: se encuentra en el pelo, las uñas, las plumas y las escamas de los animales. o Seda: producida por ciertos insectos y arácnidos para construir sus telarañas o capullos. En plantas: o Cutina: un polímero que recubre las hojas y tallos de las plantas y ayuda a reducir la pérdida de agua.

o Goma arábiga: un polisacárido utilizado como emulsionante y estabilizador en la industria alimentaria. o Hemicelulosa: presente en las paredes celulares de las plantas y actúa como un agente de unión para la celulosa y la lignina. o Inulina: un polisacárido de reserva que se encuentra en las raíces de ciertas plantas. 11 o Latex: una emulsión acuosa que contiene proteínas y polisacáridos que se encuentra en ciertas plantas. o Lignina: un polímero complejo que fortalece las paredes celulares de las plantas y las hace más rígidas. o Pectina: presente en las paredes celulares de las plantas y actúa como un agente espesante y gelificante.

o Zeína: una proteína que se encuentra en el maíz y se utiliza como un material biodegradable. En hongos: o Ácido fúlvico: un polímero que se encuentra en algunos hongos y tiene propiedades antioxidantes y antiinflamatorias. o Ergosterol: un esterol presente en la membrana celular de los hongos y es esencial para su supervivencia. o Glucanos: polisacáridos que se encuentran en las paredes celulares de los hongos y se utilizan en la industria alimentaria y farmacéutica. o Mannano: un polisacárido que se encuentra en las paredes celulares de algunos hongos. o Melanina: un polímero que se encuentra en la pared celular y en los cuerpos fructíferos de los hongos y tiene propiedades antioxidantes.

o Micelio: una red de filamentos que forman la estructura de los hongos y actúan como una fuente de nutrientes. o Polihidroxialcanoatos (PHA): polímeros que se encuentran en algunos hongos y se utilizan como materiales biodegradables. o Quitosano: derivado de la quitina y se utiliza como una alternativa natural al plástico. 7. Polímeros Naturales A. Glúcidos Los monosacáridos son moléculas orgánicas. Contienen átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno. Algunos ejemplos son la glucosa, la fructosa, la galactosa, la ribosa (presente en el ARN) y la desoxirribosa (presente en el ADN). Cuando los monosacáridos se unen, forman polímeros que se denominan polisacáridos (glúcidos).

Por esta razón, los monosacáridos son los monómeros de glúcidos, como el almidón y la celulosa. Los polisacáridos son polímeros compuestos por múltiples monosacáridos. Tres ejemplos de polisacáridos son: almidón, glucógeno y celulosa. Los tres están compuestos por unidades repetidas de glucosa. 12 Figura 10. Polisacárido de celulosa. Fuente: https://www.ejemplos.co/30-ejemplos-de-monosacaridos-disacaridos-y-polisacaridos/ Otros polisacáridos son: - Algodón: son fibres de cel·lulosa pura. Se extrae de la planta del algodón Se utiliza frecuentemente para la fabricación de la ropa iterior, camisa, etc. Es el tejido natural más utilizado. - Lino: también son fibres de cel·lulosa pura.

Se extrae de la planta del lino. Se utiliza para la fabricación de ropa. - Rayón: son fibres de cel·lulosa previamente disuelta y otra vez obtenida, es la cel·lulosa regenerada. Se utiliza en la creación de forros de abrigos y vestidos. B. Proteínas Los aminoácidos son los componentes básicos de los polipéptidos (proteínas). Por ello, los aminoácidos son los monómeros de proteínas como la hemoglobina y la insulina. Los aminoácidos también son moléculas orgánicas. Contienen carbono e hidrógeno, pero también oxígeno y nitrógeno.

Los aminoácidos están formados por: un átomo de carbono central (carbono alpha) un grupo amino un grupo carboxilo un grupo R orgánico, que es único para cada aminoácido Los polipéptidos están compuestos por monómeros de aminoácidos. Las proteínas son polipéptidos. Algunos ejemplos de polipéptidos son la hemoglobina, la insulina y la queratina. 13 Figura 11. Niveles de organización de las proteïnes. Fuente: https://www.genome.gov/es/genetics-glossary/Proteina C.

Ácidos Nucleicos El ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN) también son polímeros, compuestos por cadenas largas de tres partes que consisten en grupos fosfato, azúcares con 5 átomos de C (ribosa o desoxirribosa) y anillos que contienen N denominados bases. Cada combinación de las tres partes se llama nucleótido. El ADN en nuestras células es un polímero de nucleótidos, cada uno de los cuales está compuesto por un grupo fosfato, un azúcar y una base que contiene N. Figura 12. Niveles de organización de las proteïnes. Fuente: https://theory.labster.com/es/structure-dna/ 14 8.

Polímeros sintéticos Los polímeros sintéticos pueden ser definidos como macromoléculas que se forman por la unión de monómeros obtenidos de manera artificial, es decir, son aquellos polímeros obtenidos en laboratorio, creados por el hombre a partir de elementos naturales. Son creados para cubrir una serie de necesidades, ofrecer unas funciones específicas y poseer unas características concretas. Los principales ejemplos de polímeros sintéticos pueden ser el polietileno o el nylon. Debido a su bajo coste de producción y resistencia, son muy utilizados en diferentes sectores. Entre sus ventajas, cabe destacar su baja densidad, resistencia, acabado, durabilidad y versatilidad.

Se pueden classificar en cuatro grupos: - Resinas - Elastómeros - Fibras - Plásticos A. Resinas Las resines son polímeros de condensación en los cuales el monómero tiene dos grupos funcionales o más. Por ejemplo tenemos la baquelita que uno de los primeros polímeros sintéticos que se sintentizó en el año 1909. Los monómeros que se utilizan son el fenol y el metanal o formaldehido. Se utiliza para la fabricación de los enchufes, interruptores y otros materiales eléctricos por su propiedad aislante. Figura 13. Formación de la baquelita.

Fuente: https://www.lifeder.com/baquelita/ 15 Otro ejemplo de resina son las resinas epoxídicas que son polímeros termoestables obtenidos mediante una reacción de condensación entre epiclorhidrina y bisfenol A (BPA). Se caracterizan por su alta adherencia, resistencia química y térmica, y rigidez. Se utilizan ampliamente como adhesivos industriales, recubrimientos protectores y materiales aislantes en electrónica. Monómeros: Epiclorhidrina: contiene un anillo epóxido (tres átomos, uno de oxígeno). Bisfenol A (BPA): compuesto aromático con dos grupos –OH. 16 B. Elastómeros Los cauchos sintéticos o elastómeros son polímeros de adición y los monómeros son molècules que tienen enlaces dobles.

Tienen la propiedad de la elasticidad. Vulgarmente se llaman gomes. El caucho sintético se començo a produir durante la Primera Guerra Mundial El caucho natural se extrae del làtex de diferentes plantes, es un polímero del isopreno (2-metil-1,3- butadieno) Figura 14. Formula del isopreno (2-metil-1,3-butadieno) Fuente: https://www.sigmaaldrich.com/ES/es/product/aldrich/110930 carbono-azufre, alterando la estructura y características del caucho natural. construcción, la atención médica Figura 15. Proceso de vulcanización del caucho.

Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Vulcanizaci%C3%B3n El caucho vulcanizado se refiere al caucho natural que ha sido modificado químicamente para mejorar sus propiedades y hacerlo más práctico para aplicaciones industriales. El proceso de vulcanización es el responsable de esta transformación y fue introducido por primera vez por Charles Goodyear en 1839. Consiste en tratar el caucho con azufre y someterlo a altas temperaturas. Esta intervención crea enlaces cruzados entre las cadenas poliméricas del caucho a través de enlaces El material resultante, el caucho vulcanizado, muestra una durabilidad y elasticidad superiores en comparación con el caucho convencional o sin procesar.

Como resultado, el caucho vulcanizado ha encontrado un amplio uso en numerosas industrias, incluidas la fabricación de automóviles, la 17 C. Fibras Las fibres sintéticas son polímeros de condensación en los cuales los monómeros que los forman pueden ser: Moléculas con dos o más grupos carboxílicos (-COOH) que reaccionan con dos o más grupos amino (-NH2) formando una amida, produciéndose largas cadenes llamadas poliamides. Por ejmplo: Nylon 66 Figura 16. Formación del Nylon 66.

Fuente: https://espanol.libretexts.org/Quimica/Qu%C3%ADmica_Org%C3%A1nica/Mapa%3A_Qu%C3%AD mica_Org%C3%A1nica_%28Wade%29/22%3A_Derivados_de_%C3%A1cido_carbox%C3%ADlico_y_ nitrilos/22.10%3A_Poliamidas_y_Poli%C3%A9steres- _Pol%C3%ADmeros_de_Crecimiento_por_Paso Moléculas con dos o más grupos carboxílicos (-COOH) que reaccionan con dos o más grupos hidroxilo (-OH) formando un éster, a partir de aquí se formaran largas cadenes conocidas como poliésteres. Por ejemplo: tereftalato de poletileno (PET) Figura 16. Formación del Nylon 66.

Fuente: https://espanol.libretexts.org/Quimica/Qu%C3%ADmica_Org%C3%A1nica/Mapa%3A_Qu%C3%AD mica_Org%C3%A1nica_%28Wade%29/22%3A_Derivados_de_%C3%A1cido_carbox%C3%ADlico_y_ nitrilos/22.10%3A_Poliamidas_y_Poli%C3%A9steres- _Pol%C3%ADmeros_de_Crecimiento_por_Paso 18 Existen otras fibres sintèticas o semisintéticas como son: - Acrilicas (fibres parecidas a la lana) - Olefínicas (p.e. polietileno y polipropileno) - Cloradas (p.e. policloruro de vinilo) - Poliuretánicas (p. E. Licra, perlón) - Celulósicas (p.e. rayón) - Otras como el PBI que es inífuga, el PLA que es biodegradable, etc. D.

Plásticos Los plásticos son polímeros que al calentarse se ablandan y, de esta forma, se les puede dar forma por medio de la presión. Si conservan la forma al enfriarse , se llaman termoplásticos. Otros plásticos, llamados termoestables ,cuando se calientan mucho se degradan y se destruyen 19 Figura 17. Diferentes tipos de pláticos, nombres y uso. Fuente: https://www.udocz.com/apuntes/404720/tabla-de-plasticos-tipos E. POLÍMEROS INORGÁNICOS: Las Siliconas Todos los polímeros vistos hasta aquí eran orgánicos, basados en cadenas de átomos de carbono. Pero los químicos también han obtenido polímeros muy útiles a partir de átomos de silicio, en lugar de carbono.

Por ejemplo, monómeros del tipo R2Si(OH)2, donde R es un grupo hidrocarbonado (CH3, C2H5, C3H7 o similares), pueden sufrir reacciones de condensación para formar polímeros de cadenas lineales o entrecruzadas, conocidos como siliconas. Las siliconas son muy estables frente al calor, hidrófobas y muy resistentes al ataque químico. Dependiendo de la naturaleza del monómero R2Si(OH)2 y del grado de polimerización, se obtienen siliconas similares a los aceites, las grasas o el caucho. Decimos que las siliconas son polímeros inorgánicos porque no contienen átomos de carbono en su cadena principal. Esta es una cadena alternada de átomos de silicio y de oxígeno.

20 Los aceites de silicona, a diferencia de los aceites de hidrocarburos, a temperaturas altas no se descomponen y, por tanto, no pierden su viscosidad. Su elevada resistencia al calor permite emplearlas como sustituyentes del caucho y de los lubricantes para motores que deban operar a temperaturas extremas cuando éstos pierden sus propiedades a causa de la temperatura. Las siliconas son hidrófobas, esto es, repelen las moléculas de agua. Por esta razón, se utilizan para sellar juntas e impedir que entre el agua. También son muy utilizadas en tejidos impermeables para evitar la humedad.

Resisten la oxidación y el ataque químico mucho mejor que el caucho natural o los cauchos sintéticos hidrocarbonados. Otra ventaja es que retienen su elasticidad a temperaturas muy bajas, por lo que se utilizan en naves espaciales que deben operar a dichas temperaturas. Se cuenta que en el frío invierno del 1942, los norteamericanos facilitaron lubricantes a base de siliconas para que los carros de combate de sus aliados soviéticos pudieran emprender una ofensiva contra las tropas alemanas. Son también muy buenos aislantes eléctricos. En la construcción permiten aislar y restaurar edificios y monumentos.

Las metilsiliconas se emplean en cirugía ya que son biológicamente inertes y, además, no provocan la coagulación de la sangre ni se adhieren sobre los tejidos corporales. El primer implante de silicona se hizo en 1955, colocando un by-pass en un niño. En 1961 se empezó a estudiar su uso en implantes de mama. Se usan también en cosmética (cremas antisolares y de afeitar, dentífricos, lacas, etc.) y en imprenta (soporte etiquetas adhesivas).