12.8: Polímeros

Objetivos de aprendizaje

• Comprender las diferencias entre polímeros sintéticos y biológicos.

La mayoría de los sólidos discutidos hasta ahora han sido moléculas o iones con bajas masas moleculares, que van desde decenas a cientos de unidades de masa atómica. Muchos de los materiales moleculares en los bienes de consumo actuales, sin embargo, tienen masas moleculares muy altas, que van desde miles hasta millones de unidades de masa atómica, y se forman a partir de una serie de reacciones cuidadosamente controladas que producen moléculas gigantes llamadas polímeros Una molécula gigante que consiste en muchas unidades estructurales básicas (monómeros) conectadas en una cadena o red por enlaces covalentes. (del griego poli y meros, que significa “muchas partes”). Los polímeros se utilizan en lentes correctivas oculares, recipientes de plástico, ropa y textiles, y dispositivos de implantes médicos, entre muchos otros usos. Consisten en unidades estructurales básicas llamadas monómeros La unidad estructural básica de un polímero. , que se repiten muchas veces en cada molécula. Como se muestra esquemáticamente en la Figura 12.8.1, polimerización Un proceso mediante el cual los monómeros se conectan en cadenas o redes mediante enlaces covalentes. es el proceso mediante el cual los monómeros se conectan en cadenas o redes mediante enlaces covalentes. Los polímeros se pueden formar a través de una reacción de condensación, en la que dos moléculas de monómero se unen por un nuevo enlace covalente y se elimina una molécula pequeña como el agua, o mediante una reacción de adición, una variante de una reacción de condensación en la que se agregan los componentes de una especie AB a átomos adyacentes de un enlace múltiple. (Para mayor información sobre las reacciones de condensación y adición, consulte la Sección 7.5.) Mucha gente confunde los términos plásticos y polímeros. Plástico La propiedad de un material que permite que se moldee en casi cualquier forma. es la propiedad de un material que le permite ser moldeado en casi cualquier forma. Aunque muchos plásticos son polímeros, muchos polímeros no son plásticos. En esta sección, presentamos las reacciones que producen polímeros naturales y sintéticos.

Figura 12.8.1 Formación de Polímeros Durante una reacción de polimerización, un gran número de monómeros se conectan por enlaces covalentes para formar una sola molécula larga, un polímero.

Tenga en cuenta el patrón

Los polímeros se forman a través de reacciones de condensación o adición.

Polímeros de origen natural: péptidos y proteínas

Los polímeros que ocurren naturalmente son componentes cruciales de todos los organismos y forman el tejido de nuestras vidas. El cabello, la seda, la piel, las plumas, los músculos y el tejido conectivo están compuestos principalmente por proteínas, el tipo más familiar de polímero natural o biológico. Los monómeros de muchos polímeros biológicos son los aminoácidos, cada uno llamado residuo de aminoácido. Los residuos están unidos entre sí por enlaces amida, también llamados enlaces peptídicos, a través de una reacción de condensación donde se elimina H ₂ O:

En la ecuación anterior, R representa un grupo alquilo o arilo, o hidrógeno, dependiendo del aminoácido. Escribimos la fórmula estructural del producto con el grupo amino libre a la izquierda (el extremo N) y el grupo carboxilato libre a la derecha (el extremo C). Por ejemplo, la fórmula estructural para el producto formado a partir de los aminoácidos glicina y valina (glicil-valina) es la siguiente:

La diferencia más importante entre polímeros sintéticos y naturales es que los primeros suelen contener muy pocos monómeros diferentes, mientras que los polímeros biológicos pueden tener hasta 20 tipos diferentes de residuos de aminoácidos dispuestos en muchos órdenes diferentes. Las cadenas con menos de aproximadamente 50 residuos de aminoácidos se denominan péptidos Polímeros biológicos con menos de aproximadamente 50 residuos de aminoácidos. , mientras que aquellos con más de aproximadamente 50 residuos de aminoácidos se denominan proteínas Polímeros biológicos con más de 50 residuos de aminoácidos unidos entre sí por enlaces amida. . Muchas proteínas son enzimas Catalizadores que ocurren de forma natural en los organismos vivos y que catalizan reacciones biológicas. , que son catalizadores que incrementan la velocidad de una reacción biológica.

Tenga en cuenta el patrón

Los polímeros sintéticos generalmente contienen solo unos pocos monómeros diferentes, mientras que los polímeros biológicos pueden tener muchos tipos de monómeros, como los aminoácidos dispuestos en diferentes órdenes.

Muchos péptidos pequeños tienen potentes actividades fisiológicas. Las endorfinas, por ejemplo, son potentes analgésicos naturales que se encuentran en el cerebro. Otros péptidos importantes son las hormonas vasopresina y oxitocina. Aunque sus estructuras y secuencias de aminoácidos son similares, la vasopresina es un regulador de la presión arterial, mientras que la oxitocina induce el parto en mujeres embarazadas y la producción de leche en madres lactantes. La oxitocina fue el primer péptido biológicamente activo preparado en el laboratorio por Vincent du Vigneaud (1901—1978), quien fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 1955.

Polímeros sintéticos

Muchos de los polímeros sintéticos que utilizamos, como los plásticos y cauchos, tienen ventajas comerciales sobre los polímeros naturales porque se pueden producir de manera económica. Además, muchos polímeros sintéticos son realmente más deseables que sus homólogos naturales porque los científicos pueden seleccionar unidades monoméricas para adaptar las propiedades físicas del polímero resultante para fines particulares. Por ejemplo, en muchas aplicaciones, la madera ha sido reemplazada por plásticos que son más duraderos, más ligeros y más fáciles de moldear y mantener. Los polímeros también se utilizan cada vez más en aplicaciones de ingeniería donde se requiere reducción de peso y resistencia a la corrosión. Las varillas de acero utilizadas para soportar estructuras de concreto, por ejemplo, suelen estar recubiertas con un material polimérico cuando las estructuras están cerca de ambientes oceánicos donde el acero es vulnerable a la corrosión (Para obtener más información sobre la corrosión, consulte la Sección 19.6.) De hecho, el uso de polímeros en aplicaciones de ingeniería es un área de investigación muy activa.

Probablemente el ejemplo más conocido de un polímero sintético es el nylon (Figura 12.8.2). Sus monómeros están unidos por enlaces amida (que se denominan enlaces peptídicos en polímeros biológicos), por lo que sus propiedades físicas son similares a las de algunas proteínas debido a su unidad estructural común: el grupo amida. El nylon se dibuja fácilmente en fibras sedosas Una partícula de un polímero sintético que es más de 100 veces más larga de lo que es ancha. que son más de cien veces más largas que anchas y se pueden tejer en telas. Las fibras de nylon son tan ligeras y fuertes que durante la Segunda Guerra Mundial, todo el nylon disponible fue comandado para su uso en paracaídas, cuerdas y otros artículos militares. Con cadenas de polímero que están completamente extendidas y corren paralelas al eje de la fibra, las fibras de nylon resisten el estiramiento, al igual que las fibras de seda naturales, aunque las estructuras del nylon y la seda son por lo demás diferentes. Reemplazar las unidades flexibles —CH ₂ — en nylon por anillos aromáticos produce un polímero más rígido y fuerte, como el polímero muy fuerte conocido como Kevlar. Las fibras de Kevlar son tan fuertes y rígidas que se utilizan en cascos ligeros del ejército, chalecos antibalas e incluso cascos de velero y canoa, todos los cuales contienen múltiples capas de tela Kevlar.

Figura 12.8.2 La Síntesis de Nylon El nailon es un polímero de condensación sintético creado por la reacción de un ácido dicarboxílico y una diamina para formar enlaces amida y agua.

Un tapete de fibra de vidrio (izquierda) y un chaleco de Kevlar (derecha).

No todos los polímeros sintéticos están unidos por enlaces amida, por ejemplo, los poliésteres contienen monómeros que están unidos por enlaces éster. Los poliésteres se venden bajo nombres comerciales como Dacron, Kodel y Fortrel, que se utilizan en la ropa, y Mylar, que se usa en cinta magnética, globos llenos de helio y velas de alta tecnología para veleros. Aunque las fibras son flexibles, las películas Mylar preparadas adecuadamente son casi tan fuertes como el acero.

Los polímeros basados en esqueletos con solo carbono son todos sintéticos. La mayoría de estos están formados a partir de etileno (CH ₂ =CH ₂), un bloque de construcción de dos carbonos y sus derivados. Las longitudes relativas de las cadenas y cualquier rama controlan las propiedades del polietileno. Por ejemplo, un mayor número de ramas produce un polímero más suave, más flexible y de bajo punto de fusión llamado polietileno de baja densidad (LDPE), mientras que el polietileno de alta densidad (HDPE) contiene pocas ramas. Sustancias como el vidrio que se funden a temperaturas relativamente bajas también se pueden conformar en fibras, produciendo fibra de vidrio.

Debido a que la mayoría de las fibras sintéticas no son solubles ni de bajo punto de fusión, se requieren procesos multietapa para fabricarlas y convertirlas en objetos. Las fibras de grafito se forman calentando un polímero precursor a altas temperaturas para descomponerlo, un proceso llamado pirólisis Una reacción de descomposición a alta temperatura que puede usarse para formar fibras de polímeros sintéticos. . El precursor habitual del grafito es el poliacrilonitrilo, más conocido por su nombre comercial: Orlon. Un enfoque similar se utiliza para preparar fibras de carburo de silicio utilizando un precursor organosilícico como el polidimetilsilano {[— (CH ₃) ₂ Si—] _n}. Un nuevo tipo de fibra que consiste en nanotubos de carbono, cilindros huecos de carbono de un solo átomo de grosor, es ligera, fuerte y resistente a los impactos. Su desempeño ha sido comparado con el del Kevlar, y está siendo considerado para su uso en armaduras antibalas, paneles solares flexibles y contenedores de basura a prueba de bombas, entre otros usos.

Debido a que no hay buenos precursores poliméricos para el boro elemental o el nitruro de boro, estas fibras tienen que prepararse por métodos indirectos costosos y que consumen mucho tiempo. A pesar de que las fibras de boro son aproximadamente ocho veces más fuertes que el aluminio metálico y 10% más ligeras, son significativamente más caras. En consecuencia, a menos que una aplicación requiera una mayor resistencia del boro a la oxidación, estas fibras no pueden competir con fibras de grafito menos costosas.

Ejemplo 12.8.1

El polietileno se utiliza en una amplia variedad de productos, incluyendo pelotas de playa y las botellas de plástico duro que se utilizan para almacenar soluciones en un laboratorio de química. ¿Cuál de estos productos está formado a partir del polietileno más ramificado?

Dado: tipo de polímero

Preguntado por: aplicación

Estrategia:

Determinar si el polímero es LDPE, que se utiliza en aplicaciones que requieren flexibilidad, o HDPE, que se utiliza por su resistencia y rigidez.

Solución:

Un polímero altamente ramificado es menos denso y menos rígido que un polímero relativamente no ramificado. Así, los objetos duros y fuertes de polietileno como las botellas están hechos de HDPE con relativamente pocas ramas. En contraste, una pelota de playa debe ser flexible para que pueda inflarse. Por lo tanto, está hecho de LDPE altamente ramificado.

Ejercicio

¿Qué productos se fabrican a partir de LDPE y cuáles a partir de HPDE?

1. marcos de sillas de césped
2. cuerda
3. jeringas desechables
4. cubiertas protectoras del automóvil

Contestar

1. HDPE
2. LDPE
3. HDPE
4. LDPE

Resumen

Los polímeros son moléculas gigantes que consisten en largas cadenas de unidades llamadas monómeros conectados por enlaces covalentes. La polimerización es el proceso de unir monómeros para formar un polímero. El plástico es propiedad de un material que permite moldearlo. Los polímeros biológicos formados a partir de residuos de aminoácidos se denominan péptidos o proteínas, dependiendo de su tamaño. Las enzimas son proteínas que catalizan una reacción biológica. Una partícula que es más de cien veces más larga que ancha es una fibra, que puede formarse por una reacción de descomposición a alta temperatura llamada pirólisis.

Llave para llevar

• Los polímeros son moléculas gigantes formadas a partir de reacciones de adición o condensación y pueden clasificarse como polímeros biológicos o sintéticos.

Problemas conceptuales

1. ¿Cómo se relacionan los aminoácidos y las proteínas con los monómeros y polímeros? Dibujar la estructura general de un enlace amida que une dos residuos de aminoácidos.

2. Aunque tanto las proteínas como los polímeros sintéticos (como el nylon) contienen enlaces amida, se utilizan términos diferentes para describir los dos tipos de polímeros. Comparar y contrastar la terminología utilizada para

   1. unidad repetitiva más pequeña.
   2. enlace covalente que conecta las unidades.

Colaboradores

• Anonymous