Polyme: Lịch sử, trùng hợp, loại, tính chất và ví dụ

Polyme là các hợp chất phân tử được đặc trưng bởi có khối lượng mol cao (từ hàng ngàn đến hàng triệu) và bao gồm một số lượng lớn các đơn vị, được gọi là monome, được lặp lại.

Bởi vì chúng có đặc điểm là các phân tử lớn, những loài này được gọi là các đại phân tử, mang lại cho chúng những phẩm chất độc đáo và rất khác biệt so với những gì được quan sát thấy ở những hạt nhỏ hơn, chỉ do loại chất này, chẳng hạn như xu hướng mà chúng có cấu trúc kính phù hợp.

Theo cùng một cách, vì chúng thuộc về một nhóm rất lớn các phân tử, nên cần phải phân loại cho chúng, vì lý do chúng được chia thành hai loại: polyme có nguồn gốc tự nhiên, chẳng hạn như protein và axit nucleic; và những sản phẩm tổng hợp, chẳng hạn như nylon hoặc lucite (được gọi là Plexiglas).

Các học giả đã bắt đầu các cuộc điều tra về khoa học tồn tại đằng sau các polyme vào những năm 1920, khi họ quan sát thấy sự tò mò và hoang mang về cách một số chất hoạt động như gỗ hoặc cao su. Sau đó, các nhà khoa học của thời gian dành hết tâm trí để phân tích các hợp chất này hiện diện trong cuộc sống hàng ngày.

Bằng cách đạt đến một mức độ hiểu biết nhất định về bản chất của các loài này, chúng ta có thể hiểu cấu trúc của chúng và tiến bộ trong việc tạo ra các đại phân tử có thể tạo điều kiện cho sự phát triển và cải tiến các vật liệu hiện có, cũng như sản xuất vật liệu mới.

Tương tự như vậy, người ta biết rằng nhiều polyme có ý nghĩa chứa trong các nguyên tử nitơ hoặc oxy cấu trúc của chúng, gắn liền với các nguyên tử carbon, tạo thành một phần của chuỗi chính của phân tử.

Tùy thuộc vào các nhóm chức năng chính là một phần của các đơn phân, chúng sẽ được đặt tên; ví dụ, nếu monome được hình thành bởi este, polyester được sản xuất.

Lịch sử của polyme

Lịch sử của các polyme phải được giải quyết bắt đầu với

Theo cách này, một số vật liệu có nguồn gốc tự nhiên đã được sử dụng rộng rãi từ thời cổ đại (như cellulose hoặc da) chủ yếu được tạo thành từ các polyme.

Thế kỷ 19

Trái với những gì người ta có thể nghĩ, thành phần của các polyme là một ẩn số chưa được tiết lộ cho đến một vài thế kỷ trước, khi họ bắt đầu xác định cách thức các chất này được hình thành, và thậm chí tìm cách thiết lập một số phương pháp để đạt được sản xuất nhân tạo.

Lần đầu tiên thuật ngữ "polyme" được sử dụng là vào năm 1833, nhờ nhà hóa học người Thụy Điển Jöns Jacob Berzelius, người đã sử dụng nó để chỉ các chất có tính chất hữu cơ có cùng công thức thực nghiệm nhưng có khối lượng mol khác nhau.

Nhà khoa học này cũng chịu trách nhiệm đặt ra các thuật ngữ khác, như "đồng phân" hoặc "xúc tác"; mặc dù đáng chú ý là vào thời điểm đó, khái niệm về các biểu thức này hoàn toàn khác với ý nghĩa của chúng hiện nay.

Sau một số thí nghiệm để thu được các polyme tổng hợp từ sự biến đổi của các loại polymer tự nhiên, nghiên cứu về các hợp chất này đã trở nên phù hợp hơn.

Mục đích của các cuộc điều tra này là để đạt được sự tối ưu hóa các tính chất đã biết của các polyme này và thu được các chất mới có thể đáp ứng các mục đích cụ thể trong các lĩnh vực khác nhau của khoa học.

Thế kỷ 20

Khi quan sát thấy cao su hòa tan trong dung môi có tính chất hữu cơ và sau đó dung dịch thu được biểu hiện một số đặc điểm khác thường, các nhà khoa học đã băn khoăn và không biết giải thích chúng như thế nào.

Thông qua những quan sát này, họ đã suy ra rằng các chất như thế này thể hiện một hành vi rất khác với các phân tử nhỏ hơn, vì chúng có thể nhận thấy trong khi nghiên cứu cao su và tính chất của nó.

Họ lưu ý rằng dung dịch được nghiên cứu có độ nhớt cao, giảm đáng kể điểm đóng băng và áp suất thẩm thấu ở cường độ nhỏ; từ đó có thể suy ra rằng có một số chất hòa tan có khối lượng mol rất cao, nhưng các học giả đã từ chối tin vào khả năng này.

Những hiện tượng này, cũng được biểu hiện ở một số chất như gelatin hoặc bông, khiến các nhà khoa học thời đó nghĩ rằng loại chất này được tạo thành từ các tập hợp của các đơn vị phân tử nhỏ, như C ₅ H ₈ hoặc C ₁₀ H ₁₆, liên kết bởi các lực liên phân tử.

Mặc dù suy nghĩ sai lầm này vẫn tồn tại trong một số năm, nhưng định nghĩa vẫn tồn tại cho đến thời điểm hiện tại là do nhà hóa học người Đức và người đoạt giải thưởng Nobel về hóa học, Hermann Staudinger.

Thế kỷ 21

Định nghĩa hiện tại của các cấu trúc này là các chất cao phân tử được liên kết bởi các liên kết cộng hóa trị được đặt ra vào năm 1920 bởi Staudinger, người đã khăng khăng nghĩ ra và thực hiện các thí nghiệm cho đến khi tìm thấy bằng chứng của lý thuyết này trong mười năm sau đó.

Sự phát triển của cái gọi là "hóa học polymer" đã bắt đầu và kể từ đó nó chỉ thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới, trong số các trang lịch sử của các nhà khoa học rất quan trọng, trong đó nổi bật là Giulio Natta, Karl Ziegler, Charles Goodyear, trong số những người khác, ngoài những người được đặt tên trước đó.

Hiện nay, các đại phân tử polymer được nghiên cứu trong các lĩnh vực khoa học khác nhau, chẳng hạn như khoa học polymer hoặc vật lý sinh học, trong đó các chất kết quả của liên kết monome thông qua liên kết cộng hóa trị với các phương pháp và mục đích khác nhau được nghiên cứu.

Chắc chắn, từ các polyme tự nhiên như polyisoprene đến các chất có nguồn gốc tổng hợp như polystyrene, chúng được sử dụng rất thường xuyên, không làm mất đi các loài khác như silicones, được tạo thành từ các monome dựa trên silicon.

Ngoài ra, nhiều hợp chất có nguồn gốc tự nhiên và tổng hợp được tạo thành từ hai hoặc nhiều loại monome khác nhau, những loại polymer này đã được đặt tên là copolyme.

Phản ứng trùng hợp

Để đi sâu vào vấn đề về polyme, chúng ta phải bắt đầu bằng cách nói về nguồn gốc của từ polymer, xuất phát từ các polys của Hy Lạp, có nghĩa là "rất nhiều"; và chỉ, trong đó đề cập đến "các phần" của một cái gì đó.

Thuật ngữ này được sử dụng để chỉ định các hợp chất phân tử có cấu trúc bao gồm nhiều đơn vị lặp lại, điều này gây ra tính chất của khối lượng phân tử tương đối cao và các đặc tính nội tại khác của chúng.

Do đó, các đơn vị tạo nên các polyme dựa trên các loại phân tử có khối lượng phân tử tương đối có cường độ nhỏ.

Theo thứ tự các ý tưởng này, thuật ngữ trùng hợp chỉ áp dụng cho các polyme tổng hợp, cụ thể hơn là các quá trình được sử dụng để thu được loại đại phân tử này.

Do đó, trùng hợp có thể được định nghĩa là phản ứng hóa học được sử dụng trong sự kết hợp của các monome (mỗi lần một) để tạo ra các polyme tương ứng từ chúng.

Theo cách này, quá trình tổng hợp polymer được thực hiện thông qua hai loại phản ứng chính: phản ứng cộng và phản ứng ngưng tụ, sẽ được mô tả chi tiết dưới đây.

Phản ứng trùng hợp bằng phản ứng cộng

Loại trùng hợp này có sự tham gia của các phân tử chưa bão hòa có liên kết đôi hoặc ba trong cấu trúc của chúng, đặc biệt là carbon-carbon.

Trong các phản ứng này, các monome trải qua sự kết hợp với nhau mà không loại bỏ bất kỳ nguyên tử nào của chúng, trong đó các loại polyme được tổng hợp bằng cách phá vỡ hoặc mở vòng có thể thu được mà không tạo ra các phân tử nhỏ.

Từ quan điểm động học, sự trùng hợp này có thể được xem như là một phản ứng ba bước: bắt đầu, lan truyền và chấm dứt.

Ở nơi đầu tiên, bắt đầu phản ứng xảy ra, trong đó gia nhiệt được áp dụng cho một phân tử được coi là chất khởi đầu (ký hiệu là R ₂ ) để tạo ra hai loài gốc theo cách sau:

R ₂ → 2R

Nếu việc sản xuất polyetylen được sử dụng làm ví dụ, thì bước tiếp theo là nhân giống, trong đó gốc phản ứng được hình thành tiếp cận một phân tử ethylene và một loại gốc mới được hình thành như sau:

R ∙ + CH ₂ = CH ₂ → R-CH ₂ -CH ₂

Gốc mới này sau đó được kết hợp với một phân tử ethylene khác, và quá trình này tiếp tục liên tục cho đến khi sự kết hợp của hai gốc chuỗi dài để cuối cùng tạo ra polyetylen, trong phản ứng được gọi là chấm dứt.

Phản ứng trùng hợp bằng phản ứng ngưng tụ

Trong trường hợp trùng hợp bằng các phản ứng ngưng tụ, sự kết hợp của hai monome khác nhau thường xảy ra, ngoài việc loại bỏ một phân tử nhỏ, thường là nước.

Tương tự, các polyme được tạo ra bởi các phản ứng này thường có các dị hợp, chẳng hạn như oxy hoặc nitơ, tạo thành một phần của cấu trúc chính của chúng. Nó cũng xảy ra rằng đơn vị lặp đi lặp lại đại diện cho cơ sở của chuỗi của nó không sở hữu tổng số các nguyên tử có trong monome mà nó có thể bị biến chất.

Mặt khác, có những phương pháp đã được phát triển gần đây, trong đó nổi bật là trùng hợp plasma, có đặc điểm không phù hợp hoàn hảo với bất kỳ loại trùng hợp nào được giải thích ở trên.

Theo cách này, các phản ứng trùng hợp có nguồn gốc tổng hợp, cả bổ sung và ngưng tụ, có thể xảy ra khi không có hoặc có mặt của một loại chất xúc tác.

Trùng hợp ngưng tụ được sử dụng rộng rãi trong sản xuất nhiều hợp chất thường có trong cuộc sống hàng ngày, chẳng hạn như dacron (còn được gọi là polyester) hoặc nylon.

Các hình thức trùng hợp khác

Ngoài các phương pháp tổng hợp polyme nhân tạo này còn có tổng hợp sinh học, được định nghĩa là lĩnh vực nghiên cứu chịu trách nhiệm điều tra các biopolyme, được chia thành ba loại chính: polynucleotide, polypeptide và polysacarit.

Ở các sinh vật sống, quá trình tổng hợp có thể được thực hiện một cách tự nhiên, thông qua các quá trình liên quan đến sự có mặt của các chất xúc tác như enzyme polymerase trong quá trình sản xuất các polyme như axit deoxyribonucleic (DNA).

Trong các trường hợp khác, hầu hết các enzyme được sử dụng trong trùng hợp sinh hóa là protein, là các polymer được hình thành trên cơ sở các axit amin và không thể thiếu trong phần lớn các quá trình sinh học.

Ngoài các chất biopolymeric thu được bằng các phương pháp này, còn có các chất khác có liên quan lớn ở cấp độ thương mại, chẳng hạn như cao su lưu hóa được sản xuất thông qua việc nung cao su có nguồn gốc tự nhiên với sự hiện diện của lưu huỳnh.

Vì vậy, trong số các kỹ thuật được sử dụng để tổng hợp polyme thông qua sửa đổi hóa học các polyme có nguồn gốc tự nhiên là hoàn thiện, liên kết ngang và oxy hóa.

Các loại polymer

Các loại polymer có thể được phân loại theo các đặc điểm khác nhau; ví dụ, chúng được phân loại thành nhựa nhiệt dẻo, nhiệt hoặc chất đàn hồi theo phản ứng vật lý của chúng để sưởi ấm.

Ngoài ra, tùy thuộc vào loại monome mà chúng được hình thành mà chúng có thể là homopolyme hoặc copolyme.

Theo cùng một cách, theo loại trùng hợp mà chúng được sản xuất, chúng có thể là các polyme bổ sung hoặc ngưng tụ.

Ngoài ra, polyme tự nhiên hoặc tổng hợp có thể thu được tùy thuộc vào nguồn gốc của chúng; hoặc hữu cơ hoặc vô cơ tùy thuộc vào thành phần hóa học của nó.

Thuộc tính

- Đặc điểm đáng chú ý nhất của nó là bản sắc lặp đi lặp lại của các đơn phân của nó làm cơ sở cho cấu trúc của nó.

- Tính chất điện của nó thay đổi tùy theo mục đích của nó.

- Chúng có các tính chất cơ học như độ đàn hồi hoặc khả năng chống lực kéo, xác định hành vi vĩ mô của chúng.

- Một số polyme thể hiện tính chất quang học quan trọng.

- Cấu trúc vi mô mà chúng sở hữu ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất khác của chúng.

- Các đặc tính hóa học của polyme được xác định bởi các tương tác loại hấp dẫn giữa các chuỗi tạo thành chúng.

- Tính chất vận chuyển của nó liên quan đến tốc độ di chuyển giữa các phân tử.

- Hành vi của các trạng thái tập hợp của nó có liên quan đến hình thái của nó.

Ví dụ về polyme

Trong số lượng lớn các polyme tồn tại như sau:

Polystyren

Được sử dụng trong các thùng chứa các loại khác nhau, cũng như trong các thùng chứa được sử dụng làm chất cách nhiệt (để làm mát nước hoặc lưu trữ nước đá) và thậm chí trong đồ chơi.