Polímeros, monómeros y estructuras. Estructura y propiedades de los materiales. PDF

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Investigación sobre polímeros, monómeros y estructura. Estructura y propiedades de los materiales....

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Monómeros. Es una molécula de pequeña masa molecular que está unida a otros monómeros, a veces cientos o miles, por medio de enlaces químicos, generalmente covalentes, formando macromoléculas llamadas polímeros. El monómero natural más común es la glucosa, que está unida por enlaces glucosídicos formando polímeros tales como la celulosa y el almidón, formando parte de más del 77 % de la masa seca de toda la materia de la planta. Los monómeros se pueden clasificar de muchas maneras. Se pueden subdividir en dos clases amplias, dependiendo del tipo de polímero que formen. Los monómeros que participan en la polimerización por condensación tienen una estequiometría diferente que los monómeros que participan en la polimerización de adición. La mayoría de los plásticos suelen obtenerse por esta segunda vía. Por regla general, suelen clasificarse más por naturales o sintéticos: Monómeros naturales 

Los aminoácidos son los monómeros de las proteínas.

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Los nucleótidos son los monómeros de los ácidos nucleicos.

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Los monosacáridos son los monómeros de los polisacáridos.

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El isopreno es el monómero del caucho.

Todos estos polímeros obtenidos en la naturaleza suelen denominarse biopolímeros. Características de los monómeros Los monómeros se unen mediante enlaces covalentes Los átomos que participan en la formación de un monómero se mantienen unidos por enlaces fuertes y estables como el enlace covalente. Asimismo, los monómeros polimerizan o se unen con otras moléculas monoméricas mediante estos enlaces, dándole fuerza y estabilidad a los polímeros.

Estos enlaces covalentes entre los monómeros pueden formarse por reacciones químicas que dependerán de los átomos que conforman el monómero, de la presencia de dobles enlaces y de otras características que presenten la estructura del monómero. El proceso de polimerización puede ser por una de las tres reacciones siguientes: por condensación, adición o por radicales libres. Cada una de ellas conlleva sus propios mecanismos y modo de crecimiento. Funcionalidad de los monómeros y estructura del Polímero Un monómero se puede unir con al menos otras dos moléculas monoméricas. Esta propiedad o característica es lo que se conoce como funcionalidad de los monómeros, y es lo que les permite ser las unidades estructurales de las macromoléculas. Bifuncional: Polímero lineal Los monómeros son bifuncionales cuando presentan solo dos sitios de unión con otros monómeros; es decir, el monómero solo puede formar dos enlaces covalentes con otros monómeros y forma únicamente polímeros lineales.

Oligómeros. Los oligómeros son polímeros de bajo peso molecular que comprenden un pequeño número de unidades repetidas o monómeros, cuyas propiedades físicas dependen significativamente de la longitud de la cadena. Los oligómeros son esencialmente intermediarios de la reacción de polimerización que encuentran amplias y directas aplicaciones en la ciencia de los materiales. Los oligómeros pueden agruparse en oligómeros de adición y oligómeros de condensación, según la estructura de la unidad de repetición. En química y bioquímica, un oligómero es una molécula que consiste en unas pocas unidades repetidas similares o idénticas que podrían derivarse, real o conceptualmente, de copias de una molécula más pequeña, su monómero.

Un oligómero con un número específico de unidades se denomina con el prefijo griego que denota ese número con la terminación -mero: por ejemplo, dímero, trímero, tetrámero, pentámero, etc. se refieren a moléculas con dos, tres, cuatro y cinco unidades respectivamente. Las unidades de un oligómero pueden estar dispuestas en una cadena lineal (como el dímero de melamina), un anillo cerrado (como en el trioxano, un trímero cíclico de formaldehído), o una estructura más compleja. Si las unidades son idénticas, se tiene un homo-oligómero; de lo contrario, se puede utilizar un hetero-oligómero. Un ejemplo de proteína homooligomérica es el colágeno, que está compuesta por tres cadenas de proteínas idénticas. En la producción de los polímeros plásticos, un oligómero representa una cadena más corta del mismo polímero y que puede representar una falta de control de la longitud de las cadenas durante la polimerización, esta longitud está directamente relacionada con el peso molecular, la fluidez y varias propiedades físicas, siendo la resistencia al impacto una de las más afectadas. Un buen control de las reacciones de polimerización es el tamaño de las cadenas moleculares y, por ende, es deseable una baja cantidad de oligómeros en la resina que se está produciendo. Las unidades de un oligómero pueden estar conectadas por enlaces covalentes, que pueden ser el resultado de reacciones de reordenación de enlaces o de condensación, o por fuerzas más débiles como los enlaces de hidrógeno. El término multimérico se utiliza en bioquímica para los oligómeros de proteínas que no están unidos covalentemente. La oligomerización es un proceso químico que convierte los monómeros en complejos macromoleculares a través de un grado finito de polimerización. La telomerización es una oligomerización realizada en condiciones que dan lugar a la transferencia en cadena, limitando el tamaño de los oligómeros.

Polímeros. Son un tipo de macromoléculas constituidas por cadenas de unidades más simples, llamadas monómeros, unidas entre sí mediante enlaces covalentes. Generalmente son moléculas orgánicas de enorme importancia tanto en el mundo natural como en el industrial. Entre estas moléculas se incluyen el ADN en nuestras células, el almidón de las plantas, el nailon y la mayoría de los plásticos. Si se clasifican según su origen, los polímeros pueden ser: 

Polímeros naturales. Su origen es biológico.

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Polímeros sintéticos. Son creados enteramente por el ser humano.

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Polímeros semisintéticos. Son creados por transformación de polímeros naturales.

Si se clasifican según su composición, podemos distinguir entre: 

Polímeros orgánicos. Poseen una cadena principal de átomos de carbono.

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Polímeros orgánicos vinílicos. Semejantes a los orgánicos, pero con enlaces dobles carbono-carbono. Incluyen las poliolefinas, es irénicos, vinílicos halogenados y acrílicos.

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Polímeros orgánicos no vinílicos. Poseen átomos de oxígeno y/o nitrógeno en su cadena principal, además de carbonos. Incluyen los poliésteres, las poliamidas y los poliuretanos.

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Polímeros inorgánicos. Basados en otros elementos como el azufre (polisulfuros) o el silicio (la silicona).

Si se clasifican según su reacción al aumentar la temperatura, podemos distinguir entre:

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Polímeros elastómeros. Se deforman al aumentar la temperatura, pero recuperan su forma original.

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Polímeros termoestables. Cuando se elevan, su temperatura se descompone químicamente. No se deforman, es decir, no fluye el material.

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Polímeros termoplásticos. Al elevar la temperatura se derriten y pasan al estado líquido, pero cuando se enfrían, vuelven a pasar al estado sólido.

Macromoléculas. Las macromoléculas son moléculas de enorme tamaño, es decir, que están compuestas por miles o cientos de miles de átomos . Pueden ser de naturaleza biológica, resultado de los procesos que ocurren en los organismos vivientes, o bien sintéticas, producidas por el ser humano en laboratorios químicos o biológicos. Las macromoléculas pueden tener funciones muy diversas, dependiendo de cuál estemos hablando. Por ejemplo, las macromoléculas de la glucosa son una fuente energética para los organismos vivientes. Un ejemplo muy distinto es la macromolécula de ADN, que es básicamente un dispositivo de memoria celular empleado a la hora de sintetizar proteínas o a la hora de la replicación celular. Por otra parte, las proteínas cumplen funciones estructurales, de transporte y también pueden actuar como catalizadores. La macromoléculas sintéticas, como los polímeros polietileno y nylon, son muy usados en la industria química para fabricar plásticos o como aislantes. Las macromoléculas, de forma general, están compuestas por unidades moleculares más pequeñas que están unidas por enlaces covalentes, por puentes de hidrógeno, por fuerzas de Van der Waals o por interacciones hidrofóbicas. En todos los casos, componen grandes estructuras moleculares que contienen miles de átomos ordenados en secuencias fijas, y resultan en compuestos de un altísimo peso molecular.

Además, dependiendo de su estructura, las macromoléculas pueden ser: 

Lineales. Cuando conforman largas cadenas que repiten algún orden de monómeros, unidos entre sí por cabeza y cola.

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Ramificadas. Cuando cada monómero puede unirse a otras cadenas, formando ramas (como los árboles) de diverso tamaño a una distancia determinada de la cadena principal.

Por otro lado, las macromoléculas se pueden clasificar según su composición en: 

Homopolímeros. Están formadas por un único tipo de monómero que se repite a través de toda su estructura molecular.

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Copolímeros. Están formadas por más de un tipo de monómero.

Masa molecular. Masa es una magnitud de carácter físico que refleja cuánta materia se encuentra contenida en un cuerpo. En el Sistema Internacional, su unidad recibe el nombre de kilogramo (kg.). El concepto de masa molecular es sinónimo al de peso molecular, que es la sumatoria de los pesos atómicos que componen la fórmula molecular de un cierto compuesto. En la actualidad, de todas formas, se utiliza la noción de masa molecular y no la de peso molecular. La masa molecular, en otras palabras, es la suma de las masas atómicas en una molécula. Para calcularla, es necesario saber las masas atómicas de cada uno de los elementos que forman parte del compuesto. Comenzando por uno de los lados de la fórmula, hay que multiplicar el subíndice de cada elemento por la masa atómica del mismo. Una vez completadas todas las multiplicaciones, se deben sumar los resultados y de esa manera se obtiene la masa molecular, expresada en unidades de masa atómica (uma).

La masa molecular coincide en número con la masa molar, aunque se trata de cosas diferentes. La masa molecular nos permite conocer la masa de una molécula, mientras que la masa molar refleja la masa de un mol de compuesto. En el caso de la masa molar tenemos que determinar que existen diversas clases de ella. Así, nos encontramos con la masa molar de los compuestos, la de los elementos o la del promedio de mezclas.

Nomenclatura de los polímeros. Al igual que con otros compuestos químicos, el nomenclatura de polímeros está definido por las normas internacionales publicadas por el IUPAC – Unión Internacional de Química Pura y Aplicada, para que no haya duplicación de compuestos en la base de datos científica. Básicamente, las normas indican que la nomenclatura debe comenzar con el prefijo “poli” seguido de la unidad estructural repetitiva (monómero), escrito entre paréntesis, así: poli (tio-1,4fenileno). La nomenclatura de la IUPAC se aplica solo a los polímeros más complejos, que se descubrieron después de la creación de los estándares en 1952. La nomenclatura habitual de los polímeros, que data de la creación de las normas internacionales de la IUPAC, utiliza el prefijo «poli» seguido del nombre habitual del monómero que compone el material, y no siempre entre paréntesis, según ejemplo, polietileno; el acrílico utiliza paréntesis en su nomenclatura habitual: poli (metacrilato de metilo). Es muy común utilizar siglas cuando hablamos de polímeros, en el caso del polietileno la sigla es PE y para acrílico, la sigla que representa a este material es PMMA. En el caso de los copolímeros, es decir, compuestos formados por más de un tipo de polímero, la nomenclatura habitual no utiliza el prefijo «poli», solo los polímeros que componen la cadena polimérica, como ABS (acrilonitrilo – butadieno – estireno), y en los casos de materiales elastoméricos (con características similares al caucho) se utiliza el término caucho de seguido del acrónimo del (de los) polímero (s) que componen el material, por ejemplo, Caucho SBR (estireno – butadieno).

Así, veremos en la siguiente tabla ejemplos de nomenclaturas IUPAC, habituales, comerciales y las siglas de algunos polímeros:

Estructura molecular de los monómeros y polímeros. En los polímeros la unión entre monómeros se realiza siempre mediante enlaces covalentes. Los átomos de carbono que constituyen la cadena principal presentan 3 una configuración sp , por tanto, sus orbitales se dispondrán formando un

tetraedro alrededor del átomo de carbono y el ángulo de enlace de dos carbonos consecutivos será de aproximadamente 109º, aunque en las siguientes representaciones consideraremos que se trata de moléculas planas.

Estructura de diferentes polímeros. Los monómeros son moléculas orgánicas fundamentalmente formadas por átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno entre los cuales se establecen uniones o enlaces

covalentes. Metano (CH4), propano (C2H2) y etileno (C2H4), son algunos ejemplos de moléculas monoméricas. No todos los monómeros son aptos para realizar el proceso de polimerización que permite enlazar en cadena diversos monómeros idénticos. En el caso de monómeros iguales, como el etileno C2H4 con estructura: que permite con el desdoblamiento del doble enlace de carbono unir dos moléculas idénticas. Con el proceso de desdoblamiento del doble enlace nuevos monómeros pueden seguir adicionándose la longitud de la macromolécula.

Procesos de obtención de polímeros. Los polímeros se obtienen gracias a la polimerización, en esta los monómeros se agrupan entre sí y forman el polímero. La polimerización es un proceso químico por el que los reactivos, monómeros (compuestos de bajo peso molecular) se agrupan químicamente entre sí, dando lugar a una molécula de gran peso, llamada polímero, o bien una cadena lineal o una macromolécula tridimensional. 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.

Polimerización por crecimiento en cadena. Los monómeros pasan a formar parte de la cadena de uno en uno. La cadena se incrementa de monómero a monómero. La mayoría de los polimerizaciones por crecimiento en cadena es por poli adición.

Propiedades físicas y mecánicas de los polímeros, y sus aplicaciones. Dureza Dureza un polímero puede ser rígido o flexible. El primer tipo suelen ser resistentes y casi no sufren deformaciones, pero al no ser duros, se quiebran con facilidad; el segundo tipo, por el contrario, aguantan bastante bien la deformación y no se rompe tan fácilmente como los rígidos. Ductilidad La ductilidad es una propiedad que presentan algunos materiales, como las aleaciones metálicas o materiales asfálticos, los cuales, bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse sosteniblemente sin romperse, permitiendo obtener alambres o hilos de dicho material. A los materiales que presentan esta propiedad se les denomina dúctiles. Los materiales no dúctiles se clasifican de frágiles. Aunque los materiales dúctiles también pueden llegar a romperse bajo el esfuerzo adecuado, esta rotura sólo se produce tras producirse grandes deformaciones. Maleabilidad La maleabilidad es la propiedad de la materia, que junto a la ductilidad presentan los cuerpos al ser elaborados por deformación. Se diferencia de aquella en que mientras la ductilidad se refiere a la obtención de hilos, la maleabilidad permite la obtención de delgadas láminas de material sin que éste se rompa. Es una cualidad que se encuentra opuesta a la ductilidad puesto que en la mayoría de los casos no se encuentran ambas cualidades en un mismo material. Densidad

La densidad (simbolizada con la letra griega rho: ρ) es la masa (m) por unidad de volumen (V). La unidad del SI para la densidad es kilogramos por metro cúbico, si bien habitualmente se expresa en gramos por centímetro cúbico. • �= � � Conductividad eléctrica Las propiedades eléctricas de los polímeros industriales están determinadas principalmente, por la naturaleza química del material (enlaces covalentes de mayor o menor polaridad) y son poco sensibles a la microestructura cristalina o amorfa del material, que afecta mucho más a las propiedades mecánicas. Su estudio se acomete mediante ensayos de comportamiento en campos eléctricos de distinta intensidad y frecuencia. Seguidamente se analizan las características eléctricas de estos materiales. Propiedades Térmicas En el área de las propiedades térmicas se pueden mencionar: la cristalinidad que se refiere al ordenamiento de las cadenas del polímero que contrario a lo que se piensa le imparte a la resina opacidad debido a que las moléculas presentan mayor empaquetamiento y por lo tanto impiden el paso de la luz por medio de ellas, es decir, que entre más cristalino sea un polímero menos transparencia. La cristalinidad le imparte al material alta rigidez y temperaturas de fusión elevadas, entre otras propiedades. Aplicaciones de los polímeros El uso diario, útil y acelerado hace ya natural su consumo por todos los satisfactores que genera en los sectores industriales en los que participa. Las aplicaciones y los productos poliméricos se pueden agrupar de acuerdo con su uso en diferentes formas, las más generales se describen a continuación. 

Envase y empaque

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Consumo

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Construcción

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Muebles

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Industrial

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Eléctrico-Electrónico

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Transportación

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Adhesivos y recubrimiento

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Médico

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Agrícola...