POLYMERE: GESCHICHTE, POLYMERISATION, TYPEN, EIGENSCHAFTEN - CHEMIE - 2025

Die Polymere sind molekulare Verbindungen, die durch eine hohe Molmasse (im Bereich von Tausenden bis Millionen) gekennzeichnet sind und aus einer großen Anzahl von Einheiten bestehen, die als Monomere bezeichnet werden und sich wiederholen.

Da sie die Eigenschaft haben, große Moleküle zu sein, werden diese Spezies als Makromoleküle bezeichnet, was ihnen einzigartige Eigenschaften verleiht, die sich stark von denen unterscheiden, die bei kleineren beobachtet werden, und die nur auf diese Art von Substanzen zurückzuführen sind, wie z. B. die Neigung, zu der sie neigen Glasstrukturen formen.

Ebenso wie sie zu einer sehr großen Gruppe von Molekülen gehören, bestand die Notwendigkeit, ihnen eine Klassifizierung zu gewähren, für die sie in zwei Typen unterteilt sind: Polymere natürlichen Ursprungs wie Proteine ​​und Nukleinsäuren; und solche der synthetischen Herstellung, wie Nylon oder Lucite (besser bekannt als Plexiglas).

Wissenschaftler begannen ihre Untersuchungen zur Wissenschaft hinter Polymeren in den 1920er Jahren, als sie neugierig und verwirrt beobachteten, wie sich Substanzen wie Holz oder Gummi verhalten. So begannen die damaligen Wissenschaftler, diese im Alltag vorhandenen Verbindungen zu analysieren.

Durch das Erreichen eines bestimmten Verständnisses für die Natur dieser Arten war es möglich, ihre Struktur zu verstehen und Fortschritte bei der Bildung von Makromolekülen zu erzielen, die die Entwicklung und Verbesserung bestehender Materialien sowie die Herstellung neuer Materialien erleichtern könnten.

Ebenso ist bekannt, dass zahlreiche signifikante Polymere Stickstoff- oder Sauerstoffatome in ihrer Struktur enthalten, die an Kohlenstoffatome gebunden sind und einen Teil der Hauptkette des Moleküls bilden.

Abhängig von den Hauptfunktionsgruppen, die Teil der Monomere sind, erhalten sie ihre Namen; Wenn das Monomer beispielsweise durch einen Ester gebildet wird, wird ein Polyester erzeugt.

Geschichte der Polymere

Die Geschichte der Polymere muss beginnend mit Verweisen auf die ersten bekannten Polymere angegangen werden.

Auf diese Weise bestehen bestimmte Materialien natürlichen Ursprungs, die seit der Antike weit verbreitet sind (wie Zellulose oder Leder), hauptsächlich aus Polymeren.

XIX Jahrhundert

Im Gegensatz zu dem, was man denken könnte, war die Zusammensetzung von Polymeren bis vor einigen Jahrhunderten unbekannt, als sie begann zu bestimmen, wie diese Substanzen gebildet wurden, und sie versuchten sogar, eine Methode zur künstlichen Herstellung zu etablieren.

Der Begriff "Polymere" wurde erstmals 1833 verwendet, dank des schwedischen Chemikers Jöns Jacob Berzelius, der damit Substanzen organischer Natur bezeichnete, die dieselbe empirische Formel, aber unterschiedliche Molmassen aufweisen.

Dieser Wissenschaftler war auch dafür verantwortlich, andere Begriffe wie "Isomer" oder "Katalyse" zu prägen. obwohl anzumerken ist, dass zu dieser Zeit das Konzept dieser Ausdrücke völlig anders war als das, was sie heute bedeuten.

Nach einigen Experimenten, um synthetische Polymere aus der Umwandlung natürlicher polymerer Spezies zu erhalten, gewann die Untersuchung dieser Verbindungen an Bedeutung.

Ziel dieser Untersuchungen war es, die bereits bekannten Eigenschaften dieser Polymere zu optimieren und neue Substanzen zu erhalten, die bestimmte Zwecke in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft erfüllen können.

20. Jahrhundert

Als die Wissenschaftler beobachteten, dass der Kautschuk in einem Lösungsmittel organischer Natur löslich war und die resultierende Lösung einige ungewöhnliche Eigenschaften aufwies, waren sie besorgt und wussten nicht, wie sie diese erklären sollten.

Durch diese Beobachtungen folgerten sie, dass Substanzen wie diese ein ganz anderes Verhalten zeigen als kleinere Moleküle, da sie bei der Untersuchung von Gummi und seinen Eigenschaften beobachten konnten.

Sie stellten fest, dass die untersuchte Lösung eine hohe Viskosität, eine signifikante Abnahme des Gefrierpunkts und einen kleinen osmotischen Druck aufwies; Daraus konnte geschlossen werden, dass es mehrere gelöste Stoffe mit sehr hoher Molmasse gab, aber die Gelehrten weigerten sich, an diese Möglichkeit zu glauben.

Diese Phänomene, die sich auch in einigen Substanzen wie Gelatine oder Baumwolle manifestierten, ließen Wissenschaftler der damaligen Zeit glauben, dass diese Arten von Substanzen aus Aggregaten kleiner molekularer Einheiten wie C ₅ H ₈ oder C _{10 bestehen} H ₁₆ , gebunden durch intermolekulare Kräfte.

Obwohl dieses falsche Denken einige Jahre anhielt, wurde es bis heute vom deutschen Chemiker und Nobelpreisträger für Chemie, Hermann Staudinger, definiert.

XXI Jahrhundert

Die derzeitige Definition dieser Strukturen als makromolekulare Substanzen, die durch kovalente Bindungen verbunden sind, wurde 1920 von Staudinger geprägt, der darauf bestand, Experimente zu entwickeln und durchzuführen, bis er in den nächsten zehn Jahren Beweise für diese Theorie fand.

Die Entwicklung der sogenannten „Polymerchemie“ begann und hat seitdem nur das Interesse von Forschern auf der ganzen Welt geweckt. Zu den Seiten ihrer Geschichte zählen sehr wichtige Wissenschaftler, darunter Giulio Natta, Karl Ziegler, Charles Goodyear unter anderem zusätzlich zu den zuvor genannten.

Gegenwärtig werden polymere Makromoleküle in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen wie der Polymerwissenschaft oder der Biophysik untersucht, in denen Substanzen untersucht werden, die aus der Verknüpfung von Monomeren durch kovalente Bindungen mit verschiedenen Methoden und Zwecken resultieren.

Von natürlichen Polymeren wie Polyisopren bis zu solchen synthetischen Ursprungs wie Polystyrol werden sie sicherlich sehr häufig verwendet, ohne die Bedeutung anderer Spezies wie Silikone zu verringern, die aus Monomeren auf Siliziumbasis bestehen.

Ein großer Teil dieser Verbindungen natürlichen und synthetischen Ursprungs besteht aus zwei oder mehr verschiedenen Klassen von Monomeren. Diese polymeren Spezies wurden als Copolymere bezeichnet.

Polymerisation

Um uns mit dem Thema Polymere zu befassen, müssen wir zunächst über den Ursprung des Wortes Polymer sprechen, das aus den griechischen Begriffen polys stammt und "viel" bedeutet. und bloß, was sich auf die "Teile" von etwas bezieht.

Dieser Begriff wird verwendet, um molekulare Verbindungen zu bezeichnen, deren Struktur aus vielen sich wiederholenden Einheiten besteht. Dies bewirkt die Eigenschaft einer hohen relativen Molekülmasse und andere intrinsische Eigenschaften dieser.

Somit basieren die Einheiten, aus denen Polymere bestehen, auf Molekülspezies, die eine relativ kleine relative Molekülmasse aufweisen.

In diesem Sinne gilt der Begriff Polymerisation nur für synthetische Polymere, insbesondere für die Verfahren, mit denen diese Art von Makromolekülen erhalten wird.

Daher kann Polymerisation als die chemische Reaktion definiert werden, die in der Kombination von Monomeren (einzeln) verwendet wird, um aus diesen die entsprechenden Polymere herzustellen.

Somit wird die Synthese von Polymeren durch zwei Haupttypen von Reaktionen durchgeführt: Additionsreaktionen und Kondensationsreaktionen, die nachstehend ausführlich beschrieben werden.

Polymerisation durch Additionsreaktionen

Bei dieser Art der Polymerisation sind ungesättigte Moleküle beteiligt, deren Struktur Doppel- oder Dreifachbindungen aufweist, insbesondere die von Kohlenstoff-Kohlenstoff.

Bei diesen Reaktionen gehen die Monomere Kombinationen miteinander ein, ohne dass eines ihrer Atome eliminiert wird, wobei die durch Brechen oder Öffnen des Rings synthetisierten Polymerspezies erhalten werden können, ohne die Eliminierung kleiner Moleküle zu erzeugen.

Aus kinetischer Sicht kann diese Polymerisation als dreistufige Reaktion angesehen werden: Initiierung, Vermehrung und Beendigung.

Zunächst erfolgt die Initiierung der Reaktion, bei der ein als Initiator angesehenes Molekül (bezeichnet als R ₂ ) erhitzt wird , um zwei Radikalspezies wie folgt zu erzeugen:

R ₂ → 2R ∙

Wenn die Herstellung von Polyethylen als Beispiel verwendet wird, ist der nächste Schritt die Vermehrung, bei der das gebildete reaktive Radikal ein Ethylenmolekül angreift und eine neue Radikalspezies wie folgt gebildet wird:

R ∙ + CH ₂ = CH ₂ → R - CH ₂ -CH ₂ ∙

Dieses neue Radikal wird anschließend mit einem anderen Ethylenmolekül kombiniert, und dieser Prozess wird nacheinander fortgesetzt, bis zwei langkettige Radikale kombiniert werden, um schließlich Polyethylen in der als Terminierung bekannten Reaktion zu erzeugen.

Polymerisation durch Kondensationsreaktionen

Bei der Polymerisation durch Kondensationsreaktionen tritt im Allgemeinen die Kombination von zwei verschiedenen Monomeren auf, zusätzlich zur konsequenten Eliminierung eines kleinen Moleküls, das im Allgemeinen Wasser ist.

In ähnlicher Weise weisen durch diese Reaktionen hergestellte Polymere häufig Heteroatome wie Sauerstoff oder Stickstoff als Teil ihres Grundgerüsts auf. Es kommt auch vor, dass die Wiederholungseinheit, die die Basis ihrer Kette darstellt, nicht alle Atome enthält, die sich in dem Monomer befinden, zu dem sie abgebaut werden könnte.

Andererseits gibt es in jüngerer Zeit entwickelte Verfahren, unter denen sich die Plasmapolymerisation auszeichnet, deren Eigenschaften mit keiner der oben erläuterten Polymerisationsarten perfekt übereinstimmen.

Auf diese Weise können Polymerisationsreaktionen synthetischen Ursprungs, sowohl der Addition als auch der Kondensation, in Abwesenheit oder in Gegenwart einer Katalysatorspezies auftreten.

Die Kondensationspolymerisation wird häufig bei der Herstellung vieler im Alltag üblicher Verbindungen verwendet, wie Dacron (besser bekannt als Polyester) oder Nylon.

Andere Formen der Polymerisation

Neben diesen Synthesemethoden für künstliche Polymere gibt es auch die biologische Synthese, die als Untersuchungsgebiet für die Erforschung von Biopolymeren definiert ist, die in drei Hauptkategorien unterteilt sind: Polynukleotide, Polypeptide und Polysaccharide.

In lebenden Organismen kann die Synthese auf natürliche Weise durch Verfahren durchgeführt werden, bei denen Katalysatoren wie das Polymeraseenzym bei der Herstellung von Polymeren wie Desoxyribonukleinsäure (DNA) vorhanden sind.

In anderen Fällen sind die meisten bei der biochemischen Polymerisation verwendeten Enzyme Proteine, bei denen es sich um Polymere handelt, die auf der Basis von Aminosäuren gebildet werden und die für die überwiegende Mehrheit der biologischen Prozesse essentiell sind.

Neben den durch diese Verfahren erhaltenen biopolymeren Substanzen gibt es andere von großer kommerzieller Relevanz, wie beispielsweise vulkanisierten Kautschuk, der durch Erhitzen von Kautschuk natürlichen Ursprungs in Gegenwart von Schwefel hergestellt wird.

Zu den Techniken, die für die Polymersynthese durch chemische Modifizierung von Polymeren natürlichen Ursprungs verwendet werden, gehören das Veredeln, Vernetzen und Oxidieren.

Arten von Polymeren

Die Arten von Polymeren können nach verschiedenen Eigenschaften klassifiziert werden; Beispielsweise werden sie entsprechend ihrer physikalischen Reaktion auf Erwärmung in Thermoplaste, Duroplaste oder Elastomere eingeteilt.

Darüber hinaus können sie abhängig von der Art der Monomere, aus denen sie gebildet werden, Homopolymere oder Copolymere sein.

In ähnlicher Weise können sie je nach Art der Polymerisation, durch die sie hergestellt werden, Additions- oder Kondensationspolymere sein.

Ebenso können je nach Herkunft natürliche oder synthetische Polymere erhalten werden; oder organisch oder anorganisch in Abhängigkeit von seiner chemischen Zusammensetzung.

Eigenschaften

- Sein bemerkenswertestes Merkmal ist die sich wiederholende Identität seiner Monomere als Grundlage seiner Struktur.

- Seine elektrischen Eigenschaften variieren je nach Verwendungszweck.

- Sie weisen mechanische Eigenschaften wie Elastizität oder Zugfestigkeit auf, die ihr makroskopisches Verhalten definieren.

- Einige Polymere weisen wichtige optische Eigenschaften auf.

- Die Mikrostruktur, die sie haben, wirkt sich direkt auf ihre anderen Eigenschaften aus.

- Die chemischen Eigenschaften von Polymeren werden durch die attraktiven Wechselwirkungen zwischen den Ketten bestimmt, aus denen sie bestehen.

- Seine Transporteigenschaften sind relativ zur Geschwindigkeit der intermolekularen Bewegung.

- Das Verhalten seiner Aggregatzustände hängt mit seiner Morphologie zusammen.

Beispiele für Polymere

Unter der großen Anzahl von Polymeren, die existieren, sind die folgenden:

Polystyrol

Wird in Behältern verschiedener Typen sowie in Behältern verwendet, die als Wärmeisolatoren (zum Kühlen von Wasser oder zum Speichern von Eis) und sogar in Spielzeug verwendet werden.

Polytetrafluorethylen

Besser bekannt als Teflon, wird es als elektrischer Isolator verwendet, auch bei der Herstellung von Walzen und zum Beschichten von Küchenutensilien.

Polyvinylchlorid

Dieses Polymer wird bei der Herstellung von Wandkanälen, Fliesen, Spielzeug und Rohren verwendet und ist im Handel als PVC bekannt.

Verweise

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