PolimerypolimerPolimery to duże cząsteczki, utworzone z wielu powtarzających się jednostek strukturalnych, tzw. merówmermerów. Podstawą do otrzymania polimerów są monomerymonomermonomery.

Ze względu na pochodzenie polimery można podzielić na naturalne i sztuczne.

Surowcami do produkcji polimerów naturalnych są zazwyczaj cząsteczki i substancje, które występują naturalnie w środowisku np: kwasy nukleinowe, proteiny, gaz ziemny. Można wyróżnić także polimery naturalnie występujące w środowisku. Są to między innymi kauczuk (naturalny), polisacharydy (np. skrobia i celuloza).

Surowcem wykorzystywanym najczęściej do produkcji organicznych polimerów syntetycznych, takich jak polietylen (PE), polipropylen (PP), polichlorek winylu (PCV), polistyren (PS) – głównie w przemyśle petrochemicznym, jest ropa naftowa.

Ropa naftowa jest złożoną mieszaniną tysięcy składników, dlatego w celu zastosowania jej do produkcji tworzyw, musi zostać odpowiednio przetworzona. W tym celu istotnym procesem jest jej destylacja w rafinerii. Wówczas wydzielają się mieszaniny składników o zbliżonej temperaturze wrzenia, zwane frakcjamifrakcjafrakcjami. Jedna z nich – benzyna ciężka (nafta) – jest dalej wykorzystywana do produkcji tworzyw sztucznych.

Do nieorganicznych polimerów syntetycznych należą np. polikrzemiany, polifosforany.

Tworzywa sztuczne (polimery) wytwarza się w procesach polimeryzacji (polikondensacjipolimeryzacja kondensacyjnapolikondensacji lub polimeryzacji łańcuchowej), przy ewentualnej obecności odpowiednich katalizatorów. W reaktorze polimeryzacyjnym mniejsze cząsteczki (monomery) łączą się ze sobą, tworząc długie łańcuchy polimerowe. Polimery różnią się właściwościami, strukturą i wielkością cząsteczki (tj. długością łańcucha), w zależności od rodzaju monomerów, które zostały wykorzystane w procesie polimeryzacji.

Ciekawostka

Pierwszy w pełni syntetyczny polimer (bakelit) uzyskał w $1909$ roku belgijski chemik, Leo Hendrick Baekeland. Początkowo zamierzał on jedynie znaleźć odpowiednik szelaku (lakieru z żywic naturalnych), ale wkrótce zorientował się, że w reakcji fenolu z formaldehydem powstaje polimer utwardzalny chemicznie, stanowiący doskonały izolator elektryczny, który nazwano bakelitem.

REWX0ZDOMyVyY

Zdjęcie przedstawia stary model suszarki do włosów. Ma kolor biały.

Polimeryzacja addycyjna, zwana też poliaddycją lub polimeryzacją łańcuchową, to proces łączenia się cząsteczek monomeru w większe cząsteczki polimeru bez wydzielania produktów ubocznych.

Polimery winylowe

Polimery winylowe zawierają w łańcuchu głównym tylko atomy węgla, połączone pojedynczymi wiązaniami $—\text{C}—\text{C}—\text{C}—\text{C}—$.

Poliolefiny

To polimery, które w swojej strukturze zawierają jedynie węgiel i wodór.

W odpowiednich warunkach (temperatury, ciśnienia, katalizatora) alkeny ulegają reakcji polimeryzacji.

Przykładowo – polietylen otrzymuje się w wyniku polimeryzacji etenu, jak w poniższym równaniu reakcji.

RFqcwHMgDDGBY

Ilustracja przedstawia równanie reakcji otrzymywania polietylenu. Po lewej stronie równania znajduje się n cząsteczek monomeru, który stanowi propen, zbudowany z dwóch połączonych za pomocą wiązania podwójnego grup metylenowych ${\text{CH}}_2$. Strzałka w prawo, nad strzałką "ciśnienie p, temperatura T oraz katalizator". Za strzałką w nawiasie kwadratowym, względem którego w indeksie dolnym zapisano literę n, znajduje się wzór półstrukturalny polimeru, który stanowią dwie połączone za pomocą wiązania pojedynczego grupy metylenowe ${\text{CH}}_2$, od każdej z nich odchodzi po jednym wiązaniu pojedynczym poza prawy nawias kwadratowy oraz lewy.

Polipropylen natomiast otrzymuje się w wyniku polimeryzacji propenu.

RUw1XzdDSufpM

Ilustracja przedstawia równanie reakcji otrzymywania polipropylenu. Po lewej stronie równania znajduje się n cząsteczek propenu (monomeru), zbudowanego z grupy metylowej ${\text{CH}}_3$ podstawionej grupą $\text{CH}$ połączoną za pomocą wiązania podwójnego z grupą metylenową ${\text{CH}}_2$. Strzałka w prawo, nad strzałką "ciśnienie p, temperatura T oraz katalizator". Za strzałką w nawiasie kwadratowym, względem którego w indeksie dolnym zapisano literę n, znajduje się wzór półstrukturalny polimeru, który stanowi grupa metylowa ${\text{CH}}_3$ podstawiona grupą $\text{CH}$, od której odchodzi wiązanie pojedyncze poza prawy nawias. Ponadto grupa ta, to jest $\text{CH}$ łączy się za pomocą wiązania pojedynczego z grupą metylenową ${\text{CH}}_2$, od której również odchodzi wiązanie pojedyncze wychodzące poza lewy nawias kwadratowy.

Polichloroolefiny

Polichloroolefiny zawierają w swojej strukturze atomy chloru.

Ramy plastikowych okien wykonane są z poli(chlorku winylu) (PCW). Polimer ten otrzymuje się w wyniku polimeryzacji chloroetenu.

RhvYDu2hK59OE

Ilustracja przedstawia równanie reakcji otrzymywania polichloroetylenu. Po lewej stronie równania znajduje się n cząsteczek chloroetenu, zbudowanego z atomu chloru podstawionego grupą $\text{CH}$ połączoną za pomocą wiązania podwójnego z grupą metylenową ${\text{CH}}_2$. Strzałka w prawo, nad strzałką "ciśnienie p, temperatura T oraz katalizator". Za strzałką w nawiasie kwadratowym, względem którego w indeksie dolnym zapisano literę n, znajduje się wzór półstrukturalny polimeru, który stanowi atom chloru podstawiony grupą $\text{CH}$, od której odchodzi wiązanie pojedyncze poza prawy nawias. Ponadto grupa ta, to jest $\text{CH}$ łączy się za pomocą wiązania pojedynczego z grupą metylenową ${\text{CH}}_2$, od której również odchodzi wiązanie pojedyncze wychodzące poza lewy nawias kwadratowy.

Polimery akrylowe

Polimery akrylowe to związki chemiczne, które powstają podczas polikondensacji pochodnych kwasu akrylowego i metakrylowego .

Szkło akrylowe to powszechnie stosowana nazwa poli(metakrylanu metylu) (PMMA). Ze względu na swoją przepuszczalność światła, może zastępować tradycyjne szkło. Poli(metakrylan metylu) otrzymuje się w wyniku polimeryzacji metakrylanu metylu.

RPcW32cq5oSNi

Ilustracja przedstawia równanie reakcji otrzymywania poli(metakrylanu metylu). Po lewej stronie równania znajduje się n cząsteczek metakrylanu metylu, czyli monomeru o wzorze półstrukturalnym zbudowanym z grupy metylenowej ${\text{CH}}_2$ połączonej za pomocą wiązania podwójnego z atomem węgla, który to podstawiony jest grupą metylową ${\text{CH}}_3$ oraz grupą ${\text{COOCH}}_3$. Strzałka w prawo, nad strzałką "ciśnienie p, temperatura T oraz katalizator". Za strzałką w nawiasie kwadratowym, względem którego w indeksie dolnym zapisano literę n, znajduje się wzór półstrukturalny polimeru, który stanowi grupa metylenowa ${\text{CH}}_2$, od której jedno z wiązań odchodzi poza lewy nawias kwadratowy, z kolei drugie wiązanie łączy ją z atomem węgla, od którego jedno wiązanie również odchodzi poza nawias, tym razem prawy i który to podstawiony jest dwiema grupami: metylową ${\text{CH}}_3$ oraz grupą estrową ${\text{COOCH}}_3$.

W poniższej tabeli zawarte zostały niektóre zastosowania polimerów addycyjnych.

Polikondensacja, zwana również polimeryzacją kondensacyjną lub polimeryzacją stopniową, to reakcja, w której łączy się duża liczba cząsteczek monomeru w większe cząsteczki polimeru. Podczas polikondensacji, w odróżnieniu od poliaddycji, może wydzielać się metanol, woda, chlorowodór lub inne związki jako produkty uboczne.

Poliestry

Poliestry to polimery zawierające w swoim łańcuchu głównym wiązanie estrowe.

Do najbardziej rozpowszechnionych poliestrów należy poli(tereftalan etylenu) (PET). Otrzymuje się go z tereftalanu dimetylu w wyniku procesu dwuetapowego.

R1YzLYBg5vQ33

Zdjęcie przedstawia osobę w kraciastej koszuli, krótkich spodenkach, białych sportowych butach i zielonych gumowych rękawiczkach. W jednej ręce osoba trzyma plastikową butelkę, wyjętą ze strumienia. w drugiej ręce trzyma foliowy worek na śmieci.

Poliamidy

Poliamidy to związki wielkocząsteczkowe, zawierające w makrocząsteczce ugrupowania amidowe $—\text{C}\left(\text{O}\right)\text{NH}—$.

Poliamid $66$ (PA $66$), produkowany pod nazwą Nylon, otrzymuje się w wyniku polikondensacji kwasu adypinowego z heksano-$1$,$6$-diaminą.

Żywice

Aldehydy ulegają reakcjom polikondensacji z alkoholami i fenolami, jak na poniższym przykładzie.

RzF3l28tXLFpH

Ilustracja przedstawia równanie reakcji polimeryzacji zachodzącej pomiędzy cząsteczkami fenolu i aldehydu mrówkowego. Po lewej stronie równania znajduje się n moli cząsteczek fenolu, zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego połączonego z grupą hydroksylową. Dodać n moli cząsteczek aldehydu mrówkowego składającego się z atomu węgla połączonego za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązań pojedynczych z dwoma atomami wodoru. Strzałka w prawo, za strzałką w nawiasie kwadratowym, względem którego zapisano literę n, znajduje się wzór półstrukturalny polimeru, który zbudowany jest z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego. W pierścieniu jeden z atomów węgla podstawiony jest grupą hydroksylową, od sąsiadującego z nim atomem węgla odchodzi wiązanie pojedyncze poza lewy nawias. Drugi atom węgla sąsiadujący z podstawionym grupą hydroksylową, łączy z grupą metylenową ${\text{CH}}_2$, od której również odchodzi wiązanie pojedyncze wychodzące poza prawy nawias kwadratowy.

W wyniku reakcji fenolu z aldehydem mrówkowym powstaje tzw. żywica fenolowo‑formaldehydowa – bardzo odporny mechanicznie i termicznie materiał, stosowany m.in. do wyrobu części samochodowych i zabawek.

Słownik

monomer

monomer

(grec. mono „jeden”, meros „część”) związek, którego cząsteczki mogą ulegać polimeryzacji, np.:

RbfMeVKxbLZek

Ilustracja przedstawia równanie reakcji polimeryzacji styrenu. Po lewej stronie równania znajduje się n moli cząsteczek styrenu, zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego grupą $\text{CH}$ połączoną za pomocą wiązania podwójnego z grupą metylenową ${\text{CH}}_2$. Strzałka w prawo, za strzałką znajduje się w nawiasie kwadratowym wzór półstrukturalny polimeru, który stanowi sześcioczłonowy pierścień aromatyczny podstawiony grupą $\text{CH}$, od której odchodzi wiązanie pojedyncze poza lewy nawias. Ponadto grupa ta, to jest grupa $\text{CH}$, łączy się za pomocą wiązania pojedynczego z grupą metylenową ${\text{CH}}_2$, od której również odchodzi wiązanie pojedyncze wychodzące poza prawy nawias kwadratowy. W indeksie dolnym względem nawiasu znajduje się litera n.

Bibliografia

Dudek‑Różycki K., Płotek  M., Wichur T., Węglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Kompendium terminologii oraz nazewnictwa związków organicznych. Poradnik dla nauczycieli i uczniów, Kraków 2020.

Rabek J. F., Polimery i ich zastosowania interdyscyplinarne, t. 1‑2, Warszawa 2020

Rabek J. F., Polimery. Otrzymywanie, metody badawcze, zastosowanie, Warszawa 2013.

Szlezyngier W., Brzozowski Z. K., Tworzywa Sztuczne – tworzywa ogólnego zastosowania, t. 1, Rzeszów 2012.