SEGUNDA UNIDAD: EL MUNDO DE LOS POLÍMEROS

¿Qué son los polímeros y por qué son tan importantes?

La materia está formada por moléculas que pueden ser de tamaño normal o moléculas gigantes llamadas polímeros.Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros que forman enormes cadenas de las formas más diversas. Algunas parecen fideos, otras tienen ramificaciones. Algunas más se asemejan a las escaleras de mano y otras son como redes tridimensionales.Podríamos simplificar la composición de un polímero diciendo que el mismo es una unión de miles de moléculas conocidas como monómeros (moléculas más pequeñas y menos pesadas). Estos monómeros se unen a través de enlaces químicos que les confiere estabilidad y que hace que permanezcan en su calidad de moléculas más complejas o polímeros. La palabra polímeros proviene del griego, idioma en el cual el prefijo poli significa muchos y el sufijo mero significa parte.

La importancia de los polímeros reside especialmente en la variedad de utilidades que el ser humano le puede dar a estos compuestos. Así, los polímeros están presentes en muchos de los alimentos o materias primas que consumimos, pero también en los textiles (incluso pudiéndose convertir en polímeros sintéticos a partir de la transformación de otros), en la electricidad, en materiales utilizados para la construcción como el caucho, en el plástico y otros materiales cotidianos como el poliestireno, el polietileno, en productos químicos como el cloro, en la silicona, etc. Todos estos materiales son utilizados por diferentes razones ya que brindan propiedades distintas a cada uso: elasticidad, plasticidad, pueden ser adhesivos, resistencia al daño, etc.

¿Cómo es la estructura química de los polímeros?

La estructura química hace referencia a la construcción de la molécula original, en el cual se estudia el efecto de la naturaleza de los átomos que constituyen en la cadena principal y los sustituyentes de la mismas, las uniones entre los monómeros, el peso molecular y su distribución; así como, el efecto de las ramificaciones o entrecruzamientos en la cadena principal. De igual manera las diferentes configuraciones que pueden adoptar los sustituyentes de la cadena principal condicionan las propiedades de los polímeros y son parte de su estructura química.

a.      Estructura molecular

Las técnicas modernas de síntesis de polímeros permiten un gran control sobre varias posibilidades estructurales.

Algunos polímeros no pertenecen a un solo grupo, por ejemplo un polímero predominantemente lineal puede tener algún número limitado de ramas y de entrecruzamientos o de reticulación bidimensional.

b.      Tipo de átomo en la cadena principal y sustituyentes

En los polímeros la unión de monómeros se realiza siempre mediante enlaces covalente. Por lo tanto, sus orbitales se dispondrán formando un tetraedro en torno al átomo de carbono y el ángulo de enlace de dos carbonos consecutivos será de aprox. de 109º.

La fuerza de cohesión entre cadenas diferentes puede ser de naturaleza diferente y condicionada por las características de los átomos y de los sustituyentes de la cadena principal.                                         

La polaridad y el volumen de estos átomos afectaran a la fuerza de cohesión entre cadenas que afectaran de forma significativa la flexibilidad del material, temperatura de transición vítrea, temperatura de fusión y capacidad de cristalización entre otros.

A continuación se ilustra los diferentes polímeros referido a la fuerza de cohesión aplicada, en cada uno:

Polietileno(PE)

Polivinilo de cloruro (PVC)

Poli(óxido de metileno) o acetal POM

Molécula no polar Molécula polarMoléculas altamente polares

Fuerzas intermoleculares débiles de tipo London(dipolo inducido – dipolo inducido)

Fuerzas intermoleculares(dipolo - dipolo)

Puente de hidrógenoMaterial blanco y temperatura de fusión es relativamente baja

Material rígido.

A medida que aumenta la fuerza de cohesión entre las cadenas, tanto más rígido resultara el polímero y tanto mayor será la temperatura de fusión en el caso de los polímeros cristalinos o la temperatura de reblandecimiento en el caso de polímeros no cristalinos. Por ejemplo en el caso de las poliamidas las fuerzas de cohesión entre las moléculas son el resultado de una combinación de enlaces por puente de hidrogeno, fuerzas dipolo – dipolo y fuerzas de tipo London, lo que le confiere una elevada temperatura de fusión al polímero.

La introducción en la cadena principal de grupos aromáticos (grupos voluminosos y fácilmente polarizables) aumenta la rigidez como es el caso del Polietilentereftalato (PET), así como la introducción de grupos voluminosos como el caso del polipropileno (PP) y poliestireno (PS).

¿Cómo se obtienen o se sintetizan los polímeros sintéticos?

Los polímeros se obtiene gracias a la polimerización, en esta los monómeros se agrupan entre si y forman el polímero.

a) Por condensación: son polímeros obtenidos como consecuencia de la unión de monómeros propiciada por una eliminación molecular.

b) Por adición: son polímeros que resultan de la unión de monómeros por medio de enlaces múltiples.

Métodos de síntesis

Los métodos de síntesis más habituales de los polímeros conductores son:

1. Por síntesis directa2. Por oxidación química del monómero3. Por oxidación electroquímica4. Por oxidación en plasma

Cada tipo de polímero tiene una síntesis diferente, ya que sus propiedades no son las mismas y requieren de diferentes métodos para llevar a cabo tal acción.

¿Por qué los polímeros tienen tan diversas propiedades?

La mayoría de los polímeros están constituidos de tal manera que sus moléculas conforman miles de átomos dispuestos en largas cadenas lineales. Pero no tienen por qué ser necesariamente cadenas rectas. Los polímeros pueden presentar también muchos otros ordenamientos.

De acuerdo a las propiedades de los polímeros, estos se pueden clasificar de diferentes formas: reticulares y lineales, de alta y baja densidad, termoplásticos y termoestables (resistencia al calor y temperatura de fusión).

¿Existen diferencias entre los polímeros naturales y los sintéticos?

Los polímeros naturales. Existen en la naturaleza. Por ejemplo, las proteínas, los ácidos nucleicos, los polisacáridos (como la celulosa y la quitina), el hule o caucho natural, la lignina, etc.

Los polímeros naturales reúnen, entre otros, al almidón cuyo monómero es la glucosa y al algodón, hecho de celulosa, cuyo monómero también es la glucosa. La diferencia entre ambos es la forma en que los monómeros se encuentran dispuestos dentro del polímero. Otros polímeros naturales de destacada importancia son las proteínas, cuyo monómero son los aminoácidos. Por otro lado, la lana y la seda son dos de las miles de proteínas que existen en la naturaleza, éstas utilizadas comos fibras y telas. 

Todo lo que nos rodea son polímeros. Los tejidos de nuestro cuerpo, la información genética se transmite mediante un polímero llamado ADN, cuyas unidades estructurales son los ácidos nucleicos. Mientras que:

Los polímeros semisintéticos. Se obtienen por transformación de polímeros naturales. Por ejemplo, la nitrocelulosa, el caucho vulcanizado, etc.

Durante la Segunda Guerra Mundial, Japón cortó el suministro de caucho natural proveniente de Malasia e Indonesia a los aliados. La búsqueda de un sustituto dio como origen el caucho sintético, y con ello surgió la industria de los polímeros sintéticos y plásticos. El polibutadieno, un elastómero sintético, se fabrica a partir del monómero butadieno, que no posee un metil en el carbono número dos, siendo esta la diferencia con el isopreno.

Impacto socioeconómico y ambiental del uso de los polímeros

La producción de los pol ímeros dentro de las distintas  industrias es una gran fuente de trabajo, y esta aumenta en medida de que la elaboración de estos genera menos gastos, pero la producción de estos causa distintos daños sobre el ambiente. A   c o n t i n u a c i ó n   h a b l a r e m o s   d e l   i m p a c t o   a m b i e n t a l   q u e   g e n e r a n   u n o   d e  l o s principales tipos de polímeros, los plásticos. El impacto en la extracción y utilización de las materias primas de los plásticos ese m i s m o q u e s e p r o d u c e e n l a i n d u s t r i a d e l a e x t r a c c i ó n y r e f i n a m i e n t o d e l petróleo. Este tipo de industria es una de las más contaminantes que existen. No está convenientemente demostrado que algunos de los plásticos utilizados comoe n v a s e s   y   e m b a l a j e s   s e a n   m a t e r i a l e s   i n e r t e s ,   q u e   e n   n i n g ú n  c a s o   c e d a n componentes a los alimentos. Los envases de plástico no son biodegradables, no son reutilizables y cuestan mucho de reciclar. El envase de plástico procedente de la basura doméstica es un material que muchas veces no se puede reciclar por  p r o c e s o s   m e c á n i c o s   p o r q u e :   L a   d i v e r s i d a d   d e   p l á s t i c o s   e x i s t e n t e s   d i f i c u l t a  muchísimo su reciclaje tanto a nivel del coste de la recuperación como de la identificación del plástico (por ejemplo, para separar el PVC del PET, como tienen densidades muy similares, se tiene que utilizar un aparato de rayos X que detecte los átomos de cloro del PVC). La suciedad con la que llegan los materiales de la basura impide, en la práctica, que el reciclaje del plástico se pueda llevar a cabo.A d e m á s ,   c o n   e l   p l á s t i c o   d o m é s t i c o   r e c i c l a d o   n o r m a l m e n t e   s ó l o   s e  f a b r i c a n m a t e r i a l e s   d e   b a j a   c a l i d a d   c o m o   m a c e t a s   p a r a   p l a n t a s ,   b o l s a s   d e  b a s u r a , escobas, etc. Por otro lado, el reciclaje químico actualmente está en fase de desarrollo y, por lo tanto, hay poca información fiable (los EUA y Alemania son los países que más investigan en este campo); a pesar de todo, parece ser que este t ipo de reciclaje no está exento de problemas ambientales. Si los envases de plástico se llevan a un vertedero, lo llenarán fácilmente debido al gran volumenq u e   t i e n e n ,   y   p e r m a n e c e r á n   a l l í   d u r a n t e   m u c h í s i m o s   a ñ o s  p o r q u e   n o   s e degradarán; además, los aditivos que contienen se pueden desprender fácilmente y migrar hacia las aguas subterráneas. Si en lugar del vertedero se l levan a incinerar, hay que tener en cuenta todas las emisiones contaminantes que se producen al incinerar cualquier plástico (aunque se pongan los filtros adecuados): desde grandes cantidades de CO2 hasta metales pesados, o en algunos casos substancias más peligrosas que las que se han incinerado