Síntesis de algunos polímeros entrecuzados
Objetivo
  • Distinguir macromoléculas, polímeros y plásticos.
  • Llevar a cabo algunas reacciones químicas para sintetizar polímeros y plásticos.
  • Identificar los productos y reactivos implicados en las reacciones realizadas.
Introducción
Los polímeros constituyen la base de una gran parte de los materiales de nuestro entorno cotidiano. Debemos distinguir los conceptos de macromolécula, polímero y plástico que no son sinónimos ya que macrocomolécula es un concepto químico que se aplica a cualquier molécula muy grande, el polímero es una macromolécula formada por la repetición de muchos iguales y los plásticos son productos industriales cuya propiedad característica es precisamente la plasticidad y que, si bien es cierto que su base química es el polímero, contiene además todo un conjuntos de aditivos, como cargas, colorantes, plastificantes etc. Los plásticos están presentes en numerosas actividades cotidianas y han adquirido una importancia tan grande debido a sus numerosas aplicaciones que han desplazado de sus usos a materiales tradicionales como la madera, el vidrio, los metales, etc.
Síntesis del polímero "Slime"
Materiales
Productos
  • Balanza
  • Espátulas
  • Pipetas graduadas
  • Vasos de precipitados
  • Varilla de vidrio
  • Bolsas de polietileno de baja densidad con cierre hermético.
  • Alcohol polivinílico (PVA)
  • Tetraborato de sodio (Borax)
  • Agua
  • Colorantes: azul de metileno, tartracina, ...
Realización práctica
  • 1.- Prepara una disolución de alcohol polivinílico (PVA) al 4% y observa sus propiedades. Pon 10 ml en un vasito de precipitados.
  • 2.- Añade una o dos gotas de colorante a la disolución del PVA.
  • 3.- Prepara una disolución de tetraborato de sodio al 4% y observa sus propiedades. Añade 2,5 ml de ésta a la disolución de PVA y remueve con la varilla hasta que no se produzca ningún cambio.
  • 4.- Saca el polímero del recipiente y déjalo encima de la mesa sobre una lámina de plástico o sobre papel de filtro. Observa las propiedades del producto que has obtenido.
Polímero slime sintetizado
  • 5.- Realiza un estudio de las propiedades mecánicas del polímero obtenido:
    – Estíralo suavemente y después fuertemente. ¿Qué sucede?
    – Prueba si un trozo pequeño se aplana cuando lo aprietas.
    – Prueba si puedes hacer botar un trozo pequeño encima de la mesa. ¿Qué sucede?
  • 6.- Compara las propiedades del producto que has obtenido y las del alcohol polivinílico. ¿En qué se parecen y en qué se diferencian?
  • 7.- Introduce el polímero en la bolsa de plástico y ciérrala.
Precauciones
  • La disolución del alcohol polivinílico debe hacerce con cuidado porque si añadimos el alcohol al agua se forman grumos muy difíciles de disolver. Es conveniente utilizar un agitador magnético con calefacción sin que se llegue a superar los 80-90 ºC (no debe hervir el agua) y añadir el alcohol de poco en poco hasta que este se disuelva. Este proceso lleva un tiempo que puede llegar hasta una media hora. Una vez preparada dejamos enfriar.
  • Una vez formada la disolución separamos las masas gelatinosas que se hayan podido formar y que no se han solubilizado para evitar atascar las pipetas.
  • Una vez que hemos terminado de investigar las propiedades del slime y aunque el polímero resultante no es tóxico, debemos lavarnos bien las manos como siempre que manipulemos productos químicos, y tener mucho cuidado de donde lo dejamos para evitar el riesgo de ingestión por niños pequeños por su aspecto de chuchería.
  • Podemos conservar el slime dentro de una bolsa de polietileno de baja densidad con cierre hermético.
Explicación científica

El alcohol vinílico, H2C=CHOH, se polimeriza originando el alcohol polivinílico PVA, de estructura:

-CH2-CHOH-CH2- CHOH-CH2-CHOH-

que con el borato de sodio forma un polímero entrecruzado. Los polímeros son moléculas muy corrientes: PVC, polietileno, poliestireno, nylon, etc, y en general todas las materias plásticas. Pero el PVA tiene una característica muy interesante y poco corriente en los materiales plásticos que es la de ser soluble en agua.

El tetraborato de sodio NaB(OH)4 se disuelve en agua dando un ion Na+ y un ion tetraborato B(OH)4-. los iones tetraborato enlazan las largas cadenas de PVA mediante enlaces de hidrógeno aprisioando moléculas de agua. Estas tienen tendencia a escapar por simple evaporación, por lo que si queremos conservar el slime no debemos dejarlo demasiado tiempo al aire libre.

Síntesis de un polímero similar al "Silly Putty"
Materiales
Productos
  • Balanza
  • Espátulas o cucharas
  • Pipetas graduadas
  • Cuentagotas
  • Vasos de precipitados
  • Varilla de vidrio
  • Bolsas de polietileno de baja densidad con cierre hermético.
  • Cola blanca polivinílica (Acetato de polivinilo)
  • Tetraborato de sodio (Borax)
  • Agua
  • Colorantes: azul de metileno, tartracina, ...
Realización práctica
  • 1.- Prepara una disolución de cola blanca al 50% y observa sus propiedades. Pon 2 cucharadas en un vasito de precipitados.
  • 2.- Añade una o dos gotas de colorante a la disolución de la cola.
  • 3.- Prepara una disolución de tetraborato de sodio al 4% y añade una cucharada de ésta a la disolución de cola blanca removiendo con la varilla hasta obtener una especie de masilla. (También puede añadirse gota a gota con el cuentagotas para ver los cambios que se van produciendo)
  • 4.- Saca el polímero del recipiente y déjalo encima de la mesa sobre una lámina de plástico o sobre papel encerado. Observa las propiedades del producto que has obtenido.
Polímero silly putty sintetizado
  • 5.- Realiza un estudio de las propiedades mecánicas del polímero obtenido de forma similar a las realizadas con el slime:
    – Estíralo suavemente y después fuertemente. ¿Qué sucede?
    – Prueba si un trozo pequeño se aplana cuando lo aprietas.
    – Prueba si puedes hacer botar un trozo pequeño encima de la mesa. ¿Qué sucede?
  • 6.- Pon una bolita de 1 cm de diámetro del polímero que hacabamos de sintetizar en un vaso y agrega un chorrito de vinagre y agita: la sustancia pasa otra vez al estado líquido. Si neutralizamos el vinagre con un poco de bicarbonato de sodio en polvo (el que se usa para hacer tortas o para curar la acidez de estómago ...), otra vez tendremos un sólido.
  • 7.- Introduce el polímero en la bolsa de plástico y ciérrala.
Precauciones
  • Una vez que hemos terminado de investigar las propiedades del silly putty y aunque el polímero resultante no es tóxico, debemos lavarnos bien las manos como siempre que manipulemos productos químicos, y tener mucho cuidado de donde lo dejamos para evitar el riesgo de ingestión por niños pequeños por su aspecto de chuchería.
  • Podemos conservar el silly putty dentro de una bolsa de polietileno de baja densidad con cierre hermético.
Explicación científica

Muchos pegamentos comunes son polímeros. Por ejemplo, los adhesivos vinílicos que se compran en la ferretería o en la librería para pegar madera, papel, etc., tienen como componente principal al acetato de polivinilo, de estructura:

-CH2-CHOCOCH3-CH2CHOCOCH3-CH2-CHOCOCH3-

que con el borato de sodio forma un polímero entrecruzado. El tetraborato de sodio NaB(OH)4 se disuelve en agua dando un ion Na+ y un ion tetraborato B(OH)4-. Los iones tetraborato enlazan las largas cadenas de acetato de polivinilo también mediante enlaces de hidrógeno aprisioando moléculas de agua. Estas tienen tendencia a escapar por simple evaporación, por lo que si queremos conservar el slime no debemos dejarlo demasiado tiempo al aire libre. Si lo dejamos secar obtenemos una masa endurecida.

Curiosidades y otras cosas
  • Los polímeros están formados por largas cadenas de miles de moléculas pequeñas que se repiten, como las cuentas de un collar. Según el tipo de molécula, la longitud de las cadenas, la unión de esas cadenas entre sí para formar estructuras tridimensionales, etc., tendremos un polímero líquido o sólido, con distintas propiedades.

Tenemos una gran cantidad de polímeros naturales formando parte de los seres vivientes: animales y vegetales, pero también existen docenas y docenas de polímeros sintetizados por los químicos, algunos de los cuales tienen nombres comerciales que todos conocemos: Nylon, Teflon, Dacron, poliamidas, etc.

Los polímeros se pueden clasificar:

  • SEGÚN SU PROCEDENCIA
    • Naturales: se encuentran en la naturaleza, como celulosa, madera, proteínas etc.
    • Artificiales: han sido sintetizados industrialmente.

Sin embargo esta clasificación no es clara, puesto que muchos polímeros naturales o bien pueden reproducirse en el laboratorio o son base de ulteriores manipulaciones.

  • SEGÚN SUS PROPIEDADES TERMODINÁMICAS
    • Termoestables o Termofijos.
    • Termoplásticos.
    • Elastómeros.

Los termoplásticos adquieren plasticidad, de ahí su nombre, al ser calentados lo que permite su conformación por técnicas relacionadas con el calor. Sus cadenas no están ramificadas
Por el contrario, los termoestables no tienen esta propiedad y al calentarse lo más normal es que acaben descomponiéndose. Se trata de cadenas muy ramificadas y entrecruzadas.
Elastómeros son los derivados o sustitutos del caucho. Su propiedad característica es la elasticidad, aunque, como se verá más adelante, desde el punto de vista termodinámico su comportamiento es muy diferente a los resortes metálicos. Mien-tras que en estos la elasticidad es de origen entálpico, en los elastómeros es entrópico. Su elasticidad se debe entre otras razones enlaces secundarios, como interacción de grupos polares.

  • SEGÚN SUS CARACTERES QUÍMICOS
    • Atendiendo a su composición se clasifican en homopolímeros, todos los monómeros son iguales, si no lo son se trata de copolímeros.
    • Atendiendo a la cadena los polímeros pueden se lineales o ramificados, según que las cadenas sean lineales o presenten ramificaciones que les den una estructura de reticulado tridimensiónal.
    • Por otra parte si las cadenas que forman el polímero son de la misma longitud se dice que el polímero es monodisperso, por el contrario, si no ocurre así se dice que el polímero es polidisperso.

En general lo polímeros naturales, sintetizados a través de rígidos mecanismos de catálisis enzimática, son monodispersos, mientras que los artificiales son polidispersos.

  • En algunos hospitales se utilizan bolsas de PVA para depositar la ropa sucia de los enfermos que se introducen directamente en las lavadoras para impedir el contacto de los operarios con la ropa de los enfermos y evitar posibles contagios.
Bibliografía
  • Martínez Pons, J.A. (Sin fecha). Macromoléculas, Polímeros y plásticos. De la teoría al aula. Introducción teórica a su físico-química, sus aplicaciones y su reciclaje. Documento Word.

Librito que recoge diversa información sobre el mundo de las macromoléculas, de los polímeros y de los plásticos. Proporcionado por el autor en el curso "Actividades de Física y Química"

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