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Polímeros entrecruzados o
reticulados
Centro Nacional de Recursos para la Educación Tecnológica de Materiales, DUE 140061 9
Center for Nanotechnology Education
Este material está basado en trabajo apoyado por la Fundación Nacional de Ciencia bajo la Concesión Número 0802323 y 1204918. Cualquier opinión, hallazgos, conclusiones o recomendaciones expresadas en este material son las del autor(es) y no necesariamente representan las opiniones de la Fundación Nacional de Ciencias. Este trabajo está licenciado por “Creative Commons Attribution- NonComercial-ShareAlike 3.0 Unported License”. Basado en un trabajo en www.nano-link.org.
Polímeros entrecruzados o reticulados
Abstracto
Este módulo les permite a los estudiantes investigar las fuerzas e interacciones a escala molecular mezclando diferentes líquidos con un polímero entrecruzado/reticulado. Este polímero (poliacrilato de sodio) comparte similitudes estructurales con la celulosa y el colágeno. Las interacciones dependen de la distribución de cargas en el líquido y de la temperatura. Observando los diferentes resultados obtenidos con los diferentes líquidos, los estudiantes pueden comparar y contrastar las interacciones basadas en los diferentes tipos de enlaces atómicos y moleculares.
Resultados
Los estudiantes adquirirán un conocimiento básico de la estructura atómica y los enlaces intermoleculares en los materiales poliméricos.
Prerrequisitos
Ciencias a nivel de octavo grado.
Correlación
Conceptos Científicos
Interacciones electroestáticas entre los átomos en una molécula. La naturaleza de los polímeros. Distribución de cargas en las moléculas (uniforme y no uniforme).
Conceptos de Nanociencia
Las fuerzas que actúan a escala nanométrica resultan en fenómenos macroscópicos observables.
Estructura polimérica
Términos
Mero – unidad química repetitiva en una cadena polimérica. Monómero – un solo mero o una sola unidad (n=1). Polímero – muchos meros o muchas unidades en la cadena (n = 10^3 o mayor). Grado de polimerización – el promedio de meros o unidades en una cadena.
Monómeros
Un polímero está compuesto de muchas moléculas simples que son unidades estructurales repetitivas llamadas monómeros. Un polímero puede consistir de cientos hasta millones de monómeros que se pueden arreglar de forma lineal, ramificada o en red. Los enlaces covalentes mantienen unidos a los átomos en las moléculas poliméricas (el polímero). Adicional, hay enlaces secundarios que mantienen a los grupos de cadenas poliméricas unidas para formar el material polimérico. Los copolímeros son polímeros compuestos de dos o más diferentes tipos de monómeros. Polímeros entrecruzados o reticulados Al polímero utilizado en esta actividad (una variedad de poliacrilato de sodio) se le conoce como un polímero entrecruzado o reticulado porque tienen cadenas de átomos más cortas que sirven como conectores
entre las cadenas poliméricas más largas.
Esta estructura es similar a la de celulosa y el colágeno. Es también la estructura de la goma (caucho) fortalecida. Las cadenas de polímero q
Un mero en el polímero (goma).
Mero: un grupo de átomos (molécula). Polímero: un grupo de “meros” repetitivos.
Cadenas poliméricas
Reticulación / “Cross link”
ue se encuentran en la goma natural son bien flexibles y al calentarse el material se vuelve fluido. Se descubrió que, al introducir azufre a la goma natural, el azufre forma enlaces entre las cadenas largas del polímero en la goma y mejora significativamente su respuesta al aumento en la temperatura. Esto quiere decir que la goma utilizada en las llantas de los automóviles en un polímero entrecruzado o reticulado. Los enlaces entre los átomos del polímero al igual que los enlaces en las cadenas cortas tienen fuerzas específicas. Cuando un material como un líquido (en el caso de esta actividad) es añadido al polímero, pueden ocurrir cambios en el mismo si las fuerzas de atracción entre el fluido (líquido) con los átomos en las cadenas cortas (las reticulaciones o “cross links system”) es mayor o más fuerte que los enlaces entre los átomos de las cadenas cortas con los del polímero. Para esta actividad, el fluido inicial que se añadirá al polímero entrecruzado o reticulado seco será agua. El agua es naturalmente una molécula dipolar, ya que una región tiene carga parcialmente negativa y la otra región de la molécula tiene carga parcialmente positiva. Como las cargas opuestas se atraen y las cargas iguales se repelen, la naturaleza dipolo del agua forma enlaces entre las moléculas individuales. Estos enlaces se conocen como enlaces o puentes de hidrógeno. Las moléculas de agua tienden a tener una forma triangular, donde el extremo parcialmente negativo está localizado cercano al oxígeno (la punta del triángulo) y el extremo parcialmente positivo está localizado cercano al hidrógeno (la base del triángulo).
Azufre
Polímero (goma)
Polímero (goma fortalecida)
Cadenas poliméricas Reticulación / “Cross link”
En la goma, introducir el azufre forma reticulaciones que la fortalecen significativamente. Al cambiar el arreglo de los átomos, cambian las propiedades físicas.
El polímero
entrecruzado o reticulado es una
gran molécula.
Cuando el agua se calienta, se introducen en el sistema de moléculas de agua vibraciones inducidas de manera termal. A cierta temperatura, las vibraciones inducidas termalmente serán más fuertes que los puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua, ocasionando que los enlaces se rompan o separen. Como consecuencia, habrá mayor cantidad de moléculas de agua con regiones cargadas disponibles para interaccionar con los átomos del polímero. Al colocar la misma cantidad del polímero en dos placas Petri y añadirle la misma cantidad de agua – una caliente y una fría – se observará una drástica diferencia en el tiempo que le toma al polímero expandirse. Ref.: glogster.com
Actividad de aprendizaje: Polímeros entrecruzados o reticulados
Flujograma de la actividad
Video de la actividad
https://www.youtube.com/watch?v=bhQv57PbkQM
- Coloca una pequeña cantidad del polímero en la placa Petri, tócalo y observa sus propiedades físicas.
- Utilizando una pipeta plástica desechable vierte agua u otro líquido al material.
- Observa lo que ocurre.
- Toca el material resultante, ¿cómo han cambiado sus propiedades físicas?
Resultado
1. ¿Qué observaste?
2. ¿Por qué piensas que esto ocurrió?
Respuesta: Si el líquido utilizado fue agua; el agua, una molécula dipolar, interactúa y
afecta los enlaces entre el entrecruzamiento o reticulación (“cross-linking”) y el
polímero. Al cambiar el arreglo a nivel atómico las propiedades físicas del material
cambian.
Trasfondo opcional: Polímeros termoplásticos y termoendurecibles
Un polímero es un material orgánico y la base de todo material orgánico es una cadena de átomos de carbono. El átomo de carbono tiene cuatro electrones de valencia. Cada uno de estos electrones puede formar un enlace covalente con otro átomo de carbono o con un átomo de otro elemento. La clave para la estructura del polímero es que dos átomos de carbono pueden tener hasta tres enlaces comunes y aún así pueden enlazarse con otros átomos. Los elementos que frecuentemente se encuentran en los polímeros y sus números de valencia son: hidrógeno, flúor, cloro, boro y iodo con un electrón de valencia; oxígeno y azufre con dos electrones de valencia; nitrógeno con tres electrones de valencia; carbono y silicón con cuatro electrones de valencia.
La habilidad de las moléculas para formar cadenas largas es vital para producir un polímero. Considera el material polietileno, el cual está formado por el monómero etileno, C 2 H 4. Etileno es un gas con dos átomos de carbono en la cadena y cada uno de los dos átomos de carbono comparten dos electrones de valencia uno con el otro. Si dos moléculas de etileno se unen, uno de los enlaces de carbono en cada molécula se rompe y ambas moléculas se unen con un enlace de carbono-carbono. Luego de que los monómeros se unen, quedan dos electrones de valencia libres a cada extremo de la cadena para unirse con otros monómeros o cadenas de polímeros. El proceso puede continuar uniendo más monómeros y polímeros hasta que se detiene por la adición de otro químico llamado el terminador, el cual llena el enlace disponible a cada extremo de la molécula. Esto se conoce como polímero lineal y es la base (o el bloque de construcción) para los polímeros termoplásticos. La cadena del polímero usualmente es ilustrada en dos dimensiones, pero es una estructura tridimensional. Cada enlace carbono-carbono está a 109˚ del próximo y, por tanto, el esqueleto o base de carbono se extiende en el espacio como una cadena retorcida. Cuando se les aplica estrés a las cadenas, estas se estiran y la elongación del polímero puede ser mil veces mayor de lo que es en su estructura cristalina como en la sílice o el hierro. La longitud de la cadena del polímero es de gran importancia. Mientras el número de átomos de carbono en la cadena aumenta en los cientos, el material atravesará su estado líquido y será un sólido ceroso. Cuando el número de átomos de carbono en la cadena sea sobre los 1,000 se obtiene el material sólido polietileno, con sus características de fuerza, flexibilidad y dureza. El cambio en estado ocurre porque mientras la longitud de la molécula aumenta, las fuerzas totales de enlace entre las moléculas también aumentan. Las moléculas de los polímeros generalmente no se encuentran en una estructura de línea recta; su estado natural es similar a una masa enredada. Los materiales termoplásticos, como el polietileno, pueden imaginarse como una masa de gusanos enredados al azar dentro de un cubo. Las fuerzas de enlace son el resultado de las fuerzas van der Waals entre las moléculas y el enredo mecánico de las cadenas. Cuando los materiales termoplásticos se calientan, hay mayor movimiento molecular y los enlaces entre las moléculas pueden romperse fácilmente. Esta es la razón por la cual los materiales termoplásticos pueden derretirse y moldear en diferentes formas, volverse a derretir y reutilizarse muchas veces.
Fuerzas elásticas Fuerza Casimir Las distintas fuerzas e interacciones tendrán distinta prioridad a diferentes escalas. A nivel de átomos y moléculas la fuerza más importante es el electromagnetismo. Esta fuerza domina la interacción entre los átomos mientras se enlazan con otros átomos para formar moléculas y, por tanto, es la responsable por todo lo que llamamos química. Los enlaces químicos tienen un impacto a nanoescala. El tipo de enlace químico que une a dos átomos afectará la estabilidad, organización y estructura cristalina de un material. Lo mismo ocurre cuando las moléculas se enlazan, las fuerzas electromagnéticas dan lugar a interacciones conocidas como dipolo/dipolo, dipolo inducido/dipolo inducido, fuerza de van der Waals, fuerza London, etc. Algo que es absolutamente crítico en la discusión de fuerzas e interacciones en todas las escalas es que todas estas fuerzas e interacciones están presentes todo el tiempo independientemente de la escala que estemos observando. La gravedad no desaparece en la nanoescala, de la misma forma las vibraciones en un polímero no dejan de ocurrir en la macroescala. Todas estas interacciones ocurren todo el tiempo, la diferencia está en la prioridad con la que afecta nuestra conciencia de la misma y capacidad para medirla (la fuerza o interacción). Veremos que a diferentes escalas la prioridad en términos de importancia de la fuerza o interacción va a cambiar. Cuando observamos objetos en nanoescala, estamos observando la lista de fuerzas con diferente prioridad; por ejemplo, la fuerza gravitacional no es de gran importancia en nanoescala. Le estamos pidiendo a los estudiantes que observen fuerzas que son mucho menos familiares que las fuerzas clásicas que pueden haber aprendido en las clases introductorias de ciencias.
Preguntas
- ¿Cuáles son algunas de las fuerzas que actúan en toda la materia?
- ¿Cuáles de esas fuerzas son las más importantes en la nanoescala?
- ¿Qué son polímeros? Describe su estructura molecular.
- ¿Cuál es la diferencia entre los polímeros termoplásticos y termoendurecibles? Específicamente, describe sus diferencias en términos de a. comportamiento bajo calor y
b. sus estructuras moleculares.
- ¿Cuál es la estructura molecular del poliacrilato de sodio?
- ¿Qué se observa al verter agua líquida a una muestra de poliacrilato de sodio?
- Explica las observaciones realizadas en términos de fuerzas e interacciones a nanoescala.
Usos presentes y aplicaciones futuras
Los usos presentes de los polímeros son múltiples y diversos. Esto es especialmente cierto para los polímeros lineales y reticulados. Es probable que cualquier habitación en la que estés sentado tenga muchos tipos de polímeros, desde las pinturas y barnices en las paredes hasta los hilos de poliéster en la ropa y la goma sintética en las suelas de los zapatos. Las aplicaciones futuras de poliacrilato de sodio sin duda se basarán en su capacidad para absorber grandes cantidades de agua.
Recursos multimedia
Videos
http://www.youtube.com/watch?v=Vais8pL0w8U&feature=player_embedded
Simulaciones
www.nanohub.org mw.concord.org
Artículos
- “History of Polymers and Plastics for Students”, en “American Chemistry Council”. Sitio web: http://plastics.americanchemistry.com/Education-Resources/Hands-on- Plastics/Introduction-to-Plastics-Science-Teaching-Resources/History-of-Polymer-and- Plastics-for-Students.html (recuperado el 09/03/2014).
- “Plastics”, en “ExplainThatStuff!. Sitio web: www.explainthatstuff.com/plastics.html (recuperado el 09/03/2014).
