POLIMERI: STORIA, POLIMERIZZAZIONE, TIPOLOGIE, PROPRIETÀ - CHIMICA - 2025

I polimeri sono composti molecolari caratterizzati dall'avere un'elevata massa molare (da migliaia a milioni) e sono costituiti da un gran numero di unità, chiamate monomeri, che si ripetono.

Poiché hanno la caratteristica di essere molecole di grandi dimensioni, queste specie sono chiamate macromolecole, il che conferisce loro qualità uniche molto diverse da quelle osservate in quelle più piccole, attribuibili solo a questo tipo di sostanze, come la propensione che hanno per sagomatura di strutture in vetro.

Allo stesso modo, poiché appartengono a un gruppo molto ampio di molecole, è nata la necessità di attribuire loro una classificazione, per la quale si dividono in due tipologie: polimeri di origine naturale, come proteine ​​e acidi nucleici; e quelli di fabbricazione sintetica, come il nylon o la lucite (meglio conosciuti come Plexiglas).

Gli studiosi iniziarono le loro indagini sulla scienza dietro i polimeri negli anni '20, quando osservarono con curiosità e sconcerto come si comportano sostanze come il legno o la gomma. Così gli scienziati dell'epoca iniziarono ad analizzare questi composti così presenti nella vita di tutti i giorni.

Raggiungendo un certo livello di comprensione sulla natura di queste specie, è stato possibile comprenderne la struttura e avanzare nella creazione di macromolecole che potrebbero facilitare lo sviluppo e il miglioramento dei materiali esistenti, nonché la produzione di nuovi materiali.

Allo stesso modo, è noto che numerosi polimeri significativi contengono nella loro struttura atomi di azoto o ossigeno, legati ad atomi di carbonio, facenti parte della catena principale della molecola.

A seconda dei principali gruppi funzionali che fanno parte dei monomeri, verrà loro attribuito il nome; ad esempio, se il monomero è formato da un estere, viene creato un poliestere.

Storia dei polimeri

La storia dei polimeri va affrontata partendo dai riferimenti ai primi polimeri conosciuti.

In questo modo alcuni materiali di origine naturale ampiamente utilizzati fin dall'antichità (come la cellulosa o il cuoio) sono costituiti principalmente da polimeri.

XIX secolo

Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, la composizione dei polimeri era sconosciuta fino a un paio di secoli fa, quando iniziò a determinare come si formavano queste sostanze e cercarono persino di stabilire un metodo per ottenere la fabbricazione artificiale.

La prima volta che il termine "polimeri" fu utilizzato fu nel 1833, grazie al chimico svedese Jöns Jacob Berzelius, che lo utilizzò per riferirsi a sostanze di natura organica che hanno la stessa formula empirica ma hanno masse molari differenti.

Questo scienziato era anche incaricato di coniare altri termini, come "isomero" o "catalisi"; anche se va notato che a quel tempo il concetto di queste espressioni era completamente diverso da quello che significano oggi.

Dopo alcuni esperimenti per ottenere polimeri sintetici dalla trasformazione di specie polimeriche naturali, lo studio di questi composti stava acquisendo maggiore rilevanza.

Lo scopo di queste indagini era di ottenere l'ottimizzazione delle proprietà già note di questi polimeri e l'ottenimento di nuove sostanze che potessero soddisfare scopi specifici in diversi campi della scienza.

XX secolo

Osservando che la gomma era solubile in un solvente di natura organica e quindi la soluzione risultante mostrava alcune caratteristiche insolite, gli scienziati erano preoccupati e non sapevano come spiegarle.

Attraverso queste osservazioni, hanno dedotto che sostanze come questa mostrano un comportamento molto diverso rispetto alle molecole più piccole, come hanno potuto osservare studiando la gomma e le sue proprietà.

Hanno notato che la soluzione studiata aveva un'elevata viscosità, una significativa diminuzione del punto di congelamento e una piccola pressione osmotica; Da ciò si potrebbe dedurre che esistessero diversi soluti di massa molare molto elevata, ma gli studiosi si rifiutarono di credere in questa possibilità.

Questi fenomeni, che si manifestavano anche in alcune sostanze come la gelatina o il cotone, fecero pensare agli scienziati dell'epoca che questi tipi di sostanze fossero costituiti da aggregati di piccole unità molecolari, come C ₅ H ₈ o C ₁₀ H ₁₆ , vincolato da forze intermolecolari.

Sebbene questo pensiero sbagliato sia rimasto per alcuni anni, la definizione che persiste fino ai giorni nostri è stata quella data dal chimico tedesco e vincitore del Premio Nobel per la Chimica, Hermann Staudinger.

XXI secolo

L'attuale definizione di queste strutture come sostanze macromolecolari legate da legami covalenti fu coniata nel 1920 da Staudinger, che insistette nell'ideare e condurre esperimenti finché non trovò prove per questa teoria nei successivi dieci anni.

Inizia lo sviluppo della cosiddetta “chimica dei polimeri” che da allora ha catturato solo l'interesse di ricercatori di tutto il mondo, annoverando tra le pagine della sua storia scienziati molto importanti, tra cui Giulio Natta, Karl Ziegler, Charles Goodyear, tra gli altri, oltre a quelli precedentemente nominati.

Attualmente, le macromolecole polimeriche sono studiate in diverse aree scientifiche, come la scienza dei polimeri o la biofisica, dove vengono studiate sostanze risultanti dal collegamento di monomeri attraverso legami covalenti con metodi e scopi diversi.

Certamente, dai polimeri naturali come il poliisoprene a quelli di origine sintetica come il polistirene, vengono utilizzati molto frequentemente, senza sminuire l'importanza di altre specie come i siliconi, costituiti da monomeri a base di silicio.

Inoltre, gran parte di questi composti di origine naturale e sintetica sono costituiti da due o più classi differenti di monomeri, a queste specie polimeriche è stato dato il nome di copolimeri.

Polimerizzazione

Per approfondire l'argomento dei polimeri, dobbiamo cominciare parlando dell'origine della parola polimero, che deriva dal termine greco polys, che significa "molto"; e mere, che si riferisce alle "parti" di qualcosa.

Questo termine è usato per designare composti molecolari che hanno una struttura composta da molte unità ripetitive, questo causa la proprietà di una massa molecolare relativa elevata e altre caratteristiche intrinseche di questi.

Pertanto, le unità che compongono i polimeri si basano su specie molecolari che hanno una massa molecolare relativa relativamente piccola.

In questo senso, il termine polimerizzazione si applica solo ai polimeri sintetici, più specificamente ai processi utilizzati per ottenere questo tipo di macromolecole.

Pertanto, la polimerizzazione può essere definita come la reazione chimica che viene utilizzata nella combinazione di monomeri (uno alla volta) per, da questi, produrre i polimeri corrispondenti.

Pertanto, la sintesi dei polimeri viene eseguita attraverso due tipi principali di reazioni: reazioni di addizione e reazioni di condensazione, che saranno descritte in dettaglio di seguito.

Polimerizzazione mediante reazioni di addizione

Questo tipo di polimerizzazione ha la partecipazione di molecole insature che hanno doppi o tripli legami nella loro struttura, soprattutto quelle del carbonio-carbonio.

In queste reazioni i monomeri subiscono combinazioni tra loro senza l'eliminazione di nessuno dei loro atomi, dove si possono ottenere le specie polimeriche sintetizzate rompendo o aprendo l'anello senza generare l'eliminazione di piccole molecole.

Da un punto di vista cinetico, questa polimerizzazione può essere vista come una reazione in tre fasi: inizio, propagazione e terminazione.

In primo luogo, si verifica l'inizio della reazione, in cui il riscaldamento viene applicato a una molecola considerata come un iniziatore (indicato come R ₂ ) per generare due specie di radicali come segue:

R ₂ → 2R ∙

Se la produzione di polietilene viene utilizzata come esempio, la fase successiva è la propagazione, in cui il radicale reattivo formato affronta una molecola di etilene e una nuova specie di radicale si forma come segue:

R ∙ + CH ₂ = CH ₂ → R - CH ₂ –CH ₂ ∙

Questo nuovo radicale viene successivamente combinato con un'altra molecola di etilene, e questo processo continua successivamente fino alla combinazione di due radicali a catena lunga per dare finalmente origine al polietilene, nella reazione nota come terminazione.

Polimerizzazione mediante reazioni di condensazione

Nel caso di polimerizzazione mediante reazioni di condensazione, generalmente avviene la combinazione di due diversi monomeri, oltre alla conseguente eliminazione di una piccola molecola, che generalmente è l'acqua.

Allo stesso modo, i polimeri prodotti da queste reazioni hanno spesso eteroatomi, come ossigeno o azoto, come parte della loro spina dorsale. Succede anche che l'unità ripetitiva che rappresenta la base della sua catena non abbia tutti gli atomi che si trovano nel monomero a cui potrebbe essere degradata.

D'altra parte, ci sono metodi che sono stati sviluppati più di recente, tra cui spicca la polimerizzazione al plasma, le cui caratteristiche non concordano perfettamente con nessuno dei tipi di polimerizzazione sopra spiegati.

In questo modo possono avvenire reazioni di polimerizzazione di origine sintetica, sia quelle di addizione che di condensazione, in assenza o in presenza di una specie catalitica.

La polimerizzazione a condensazione è ampiamente utilizzata nella produzione di molti composti che si trovano comunemente nella vita di tutti i giorni, come il dacron (meglio noto come poliestere) o il nylon.

Altre forme di polimerizzazione

Oltre a questi metodi di sintesi di polimeri artificiali, esiste anche la sintesi biologica, che viene definita come l'area di studio responsabile della ricerca dei biopolimeri, che si dividono in tre categorie principali: polinucleotidi, polipeptidi e polisaccaridi.

Negli organismi viventi la sintesi può avvenire in modo naturale, attraverso processi che coinvolgono la presenza di catalizzatori come l'enzima polimerasi nella produzione di polimeri come l'acido desossiribonucleico (DNA).

In altri casi, la maggior parte degli enzimi utilizzati nella polimerizzazione biochimica sono proteine, che sono polimeri formati sulla base di amminoacidi e che sono essenziali nella stragrande maggioranza dei processi biologici.

Oltre alle sostanze biopolimeriche ottenute con questi metodi, ve ne sono altre di grande rilevanza commerciale, come la gomma vulcanizzata che viene prodotta riscaldando gomma di origine naturale in presenza di zolfo.

Pertanto, tra le tecniche utilizzate per la sintesi di polimeri attraverso la modifica chimica di polimeri di origine naturale ci sono la finitura, la reticolazione e l'ossidazione.

Tipi di polimeri

I tipi di polimeri possono essere classificati in base a diverse caratteristiche; ad esempio, sono classificati in termoplastici, termoindurenti o elastomeri in base alla loro risposta fisica al riscaldamento.

Inoltre, a seconda del tipo di monomeri da cui sono formati, possono essere omopolimeri o copolimeri.

Allo stesso modo, a seconda del tipo di polimerizzazione con cui vengono prodotti, possono essere polimeri di addizione o di condensazione.

Allo stesso modo si possono ottenere polimeri naturali o sintetici a seconda della loro origine; oppure organico o inorganico a seconda della sua composizione chimica.

Proprietà

- La sua caratteristica più notevole è l'identità ripetitiva dei suoi monomeri come base della sua struttura.

- Le sue proprietà elettriche variano a seconda del suo scopo.

- Presentano proprietà meccaniche quali elasticità o resistenza alla trazione, che definiscono il loro comportamento macroscopico.

- Alcuni polimeri presentano importanti proprietà ottiche.

- La microstruttura che hanno influenza direttamente le loro altre proprietà.

- Le caratteristiche chimiche dei polimeri sono determinate dalle interazioni attrattive tra le catene che li formano.

- Le sue proprietà di trasporto sono relative alla velocità del movimento intermolecolare.

- Il comportamento dei suoi stati di aggregazione è legato alla sua morfologia.

Esempi di polimeri

Tra il gran numero di polimeri esistenti ci sono i seguenti:

Polistirolo

Utilizzato in contenitori di diverso tipo, nonché in contenitori che vengono utilizzati come isolanti termici (per raffreddare l'acqua o conservare il ghiaccio) e persino nei giocattoli.

Politetrafluoroetilene

Meglio conosciuto come Teflon, viene utilizzato come isolante elettrico, anche nella fabbricazione di rulli e per rivestire utensili da cucina.

Cloruro di polivinile

Utilizzato nella produzione di canali a parete, piastrelle, giocattoli e tubi, questo polimero è commercialmente noto come PVC.

Riferimenti

1. Wikipedia. (Sf). Polimero. Estratto da en.wikipedia.or
2. Chang, R. (2007). Chimica, nona edizione. Messico: McGraw-Hill.
3. LibreTexts. (Sf). Introduzione ai polimeri. Estratto da chem.libretexts.org
4. Cowie, JMG e Arrighi, V. (2007). Polimeri: chimica e fisica dei materiali moderni, terza edizione. Recupero da books.google.co.ve
5. Britannica, E. (nd). Polimero. Estratto da britannica.com
6. Morawetz, H. (2002). Polimeri: le origini e la crescita di una scienza. Recupero da books.google.co.ve