Reacţii de polimerizare

Până nu demult, obiectele care ne înconjurau erau fabricate din metal, lemn și fibre vegetale și cam atât.

Astăzi, polimerii sintetici, pe care ne-am obișnuit să-i denumin cu un singur termen generic și anume materiale plastice, sunt peste tot în jurul nostru.

Materialele plastice au schimbat nu numai felul în care arată lucrurile, dar și felul în care le simțim la atingere.

Așadar, una din cele mai evidente schimbări aduse de chimie în viețile noastre este textura obiectelor.

Polimerizarea e reația care a făcut posibilă această schimbare.

În limba greacă, cuvântul polimer s-ar traduce prin părți numeroase.

Polimerizarea e reația prin care o număr mare de molecule ale aceluiași reactant, numit monomer, se unesc pentru a forma o macromoleculă numită polimer.

Aceasta este o reprezentare schematică a reacției. Reacțiile de polimerizare sunt, de fapt, reacții de adiție repetată.

Gradul de polimerizare, N, reprezintă numărul moleculelor de monomer care se unesc pentru a forma o macromoleculă.

Poate fi vorba de câteva sute de monomeri, de câteva mii sau chiar de câteva sute de mii de monomeri care intră în compoziția unui polimer.

Condițiile de reacție sunt foarte diverse și diferă în funcție de monomer și de proprietățile pe care vrem să le aibă polimerul respectiv.

Poate avem nevoie de un material elastic sau, din contră, vrem să fie dur sau compact.

Sau poate vrem să fie transparent sau opac sau poate chiar colorat.

Dar mai ales ar fi de preferat ca polimerul nostru să fie reciclabil.

Pentru a obține diverse proprietăți, variem condițiile de reacție și anume temperatura, presiunea, catalizatorii, inițiatorii reacției și procedeul de polimerizare.

Polimerii se formează prin legarea monomerilor fie în lanțuri lungi, fie în rățele vaste.

Astfel, polietilenea este un lanț format prin adiția succesivă a fiecărui molecule de etenă la molecula vecină.

Procesul decurge cu ruperea legăturii pi din dubla legătură și cu formarea unei loi legături sigma-carbon-carbon.

Există două procedee de polimerizare prin care monomerii se polegă între ei pentru a forma polimerii.

Un procedeu implică utilizarea radicalilor liberi. Aceasta este polimerizarea radicalică, când avem nevoie de radicali liberi drept inițiatori ai reacției.

Celălalt procedeu implică eliminarea unor molecule mici la legarea a doi monomeri. Aceasta este reacția de condensare, despre care vom vorbi cu altă ocazie.

Polietilena și celelalți polimerii rudici sunt formați prin polimerizarea radicalică.

Molecula de etenă conține o legătură covalentă dublă, care e formată dintre o legătură sigma și o legătură pi.

După cum bine știm, o legătură pi este mult mai stabilă decât o legătură sigma.

Cele două perechi de electroni care țin împreună atomii de carbon se zbat pentru a ocupa cea mai bună poziție, iar electronii au tendința de a se înghionti unul pe altul în afara locației ideale pentru legătură.

Una din consecințele acestui comportament al electronilor e că molecul ar cheltui mai puțină energie dacă ar renunța la una din perechile de electroni,

și dacă ar forma astfel mai multe legături simple cu alții atomi.

Cu alte cuvinte, ca în orice moleculă care conține o legătură dublă, și în cazul moleculei de etenă, legătura dublă este locația principală unde va avea loc o reacție chimică.

Să vedem acum și ce sunt radicalii liberi.

Radicalii liberi sunt atomi, ioni sau molecule care au un electron fără pereche.

Acest electron face ca radicalii liberi să fie incredibil de instabili.

E ca și cum ar avea numai jumătate de legătură covalentă.

Oriunde poate forma o legătură, își va lua electronul necesar și va forma o legătură.

Pentru ca reacția de poliaditie să înceapă, e suficientă prezența unui astfel de radical liber, care se numește inițiator.

Acum că știm toate aceste detalii, e ușor să ne dăm seama cam ce se întâmplă în vasul de reacție.

Așadar, în cazul reacției de poliaditie, radicalul liber atacă legătura dublă și se leagă de unul din atomii de carbon.

Între timp, celălalt atom de carbon rămâne el cu un electron neîmperecheat.

Astfel, molecula obținută este ea însă și un radical liber nou format,

care va reacționa în continuare cu un om unomen.

Și tot așa, procesul poate continua până când doi astfel de radicali se întâlnesc în vasul de reacție,

consumându-și fiecare electron neîmperecheat într-o legătură covalentă.

În acest fel, se va încheia polimerizarea.

Cei patru atomi de hidrogen a etenei nu joacă nici o rol important în reacție,

deci nu se poate întâmpla nimic rău dacă unul sau mai mulți atomi de hidrogen vor fi substituiți cu tot felul de alte molecule sau atom.

Acest lucru a dus la formarea tot felul de polimerii rudiți cu polietilena.

De exemplu, în cazul polistirenului, un atom de hidrogen a fost înlocuit cu un nucleu benzenic.

PVC-ul, adică policlorura de vinil, a fost obținut prin înlocuirea unui atom de hidrogen cu un atom de clor.

Iar în cazul politetrafluoroetenei, toți cei patru atomi de hidrogen au fost înlocuiti cu atom de flor.

Politetrafluoroetena este comercializată sub numele de teflon.

Este un material extrem de stabil, chiar și la temperaturi indicate, motiv pentru care e utilizat chiar și pentru obiecte de bucătărie.

Monomerii din care sunt formați acești trei polimeri sunt tirenul, clorura de vinil și tetrafluoroetena.

Acești polimeri obținuți din etenă sau din etenă substituită se numesc generic polimerii vinilici.

Polimerii vinilici au nenumărate aplicații practice importante în viața noastră cotidiană.

În unele cazuri putem utiliza două sau mai multe tipuri de monomeri pentru a forma un polimer.

În acest fel putem obține materiale care conțin alternativ mai multe tipuri de molecule.

Acestea se numesc copolimeri, iar reacția prin care iau naștere se numește reacție de copolimerizare.

Butadiena are capacitatea de a participa la reacții de polimerizare cu monomerii vinilici.

Aceasta este schema generală a reacției de copolimerizare.

Structura acestor copolimeri este complexă, iar raportul molar-butadienă-monomer vinilic nu e neapărat unul la unul.

Copolimerii obținuți astfel din butadienă și un polimer vinilic au proprietăți de elastomer.

Similare cu cele ale cauciucului natural, fiind astfel cele mai utilizate cauciucuri sintetice.

Prex. prin reacția de copolimerizare dintre butadienă și stiren, se obține cauciucul butadien stirenic,

cauciuc care are proprietăți asemănătoare cu cele ale cauciucului natural.