Polimero

Ang polímero ay isang karaniwang katagang ginagamit upang ipaliwanang ang isang napakahabang molekula. Ang mahabang molekulang ito ay binibuo ng mga yunit estruktural at mga yunit na paulit-ulit na pinagdugtong-dugtong sa pamamagitan ng kawing kimikal. Polimerisasyon ang tawag sa proseso ng pagbubuo ng mga yunit nito upang maging isang polímero. Ang mga yunit nito ay binubuo ng mga monómero na karaniwan ay maliliit na molekula na may mababang molekulang bigat.

Maaring magkakamukha ang mga monómero o kaya nama’y may isa or higit pang grupong kimikang may-palit (substituted). Ang pagkakaiba ng iba’t ibang monómero ay nakakaapekto sa mga katangian nito tulad ng katangian nitong matunaw, hutukin, o maging matibay. Sa mga proteina, ang pagkakaibang ito ay nagbibigay ng abilidad sa polímero na umayos sa isang tiyak na kaayusan sa halip na umikaw ng kahit papaano lang. Kahit na ang karamihan ng mga polímero ay organiko (ayon sa kadena ng carbon), mayroon ding mga polímerong inorganiko na kalimitan ay gumagamit ng silicio (silicon) bilang gulugod nito.

Ang katagang polímero ay sumasaklaw sa isang malawak at iba’t ibang grupo ng molekula kasama ang mga proteina hanggang sa napakatibay na hibla ng kevlar. Ang angking katangian ng mga polímero na kakaiba sa ibang mga molekula ay ang pagpapaulit-ulit ng mga yunit ang atomo (monómero) sa kanyang kadena. Ito ay nangyayari sa polimerisasyon na kung saan ang mga molekula ng monómero ay nagkakabit-kabit. Halimbawa, ang pagbuo ng polyethene (na tinatawag ding polyethylene) ay nangangailangan ng libo-libong molekula ng ethene na nagkakawing sa isa’t isa upang makabuo ng paulit-ulit na yunit ng -CH2-:

Kalimitan ang pangalan ng mga polímero ay ayon sa monómero ng yunit nila. Halimbawa, ang polyethylene ay ipinakikita ng:

Dahil sa ang mga polímero ay nakikilala sa kanilang monómero ng bumubuo sa kanila, ang kadena ng polímero sa loob ng isang sustansiya ay karaniwang hindi magkakasinghaba. Hindi ito kamukha ng karaniwang molekula na kung saan ang bawat atomo ay tiyak at ang bawat molekula ay may takdang molekulang bigat. Ang pagkakaiba ng haba ng kadena ng polímero ay nangyayari dahil sa ang kadena ay natatapos matapos ang walang tiyak na pagpapahaba nito habang nagpopolimerisasyon.

Ang mga protina ay mga polímeroo ng mga asidong amino. Mula sa isang dosena hanggang ilang daang mga kumbinasyon ng mga dalawampung iba’t-ibang monómero nito upang makabuo ng kadena, ang pagkasunod-sunod ng mga monómero ang nagtatakda ng hugis at kilos ng resultang proteina. May mga rehiyong aktibo na napalilibutan, na pinaniniwalaan ngayon, ng rehiyong estruktural na kung saan ang kaisang-isang tungkulin nito ay upang ipakita (ipalabas) ang rehiyong aktibo (na maaring higit sa isa sa bawat proteina.) Kaya, hindi mahalaga ang absolutong pagkakasunod-sunod nito hangga’t ang mga rehiyong aktibo ay naipadadama ng maayos (na masusumpungan mula sa labas). Gayundin, kung saan ang pagbubuo ng polyethylene ay nangyayari ng tuloy-tuloy kung ayos ang mga kundisyones, ang pagbubuo ng mga biyopolímero tulad ng mga protina at asidong nukleiko ay nangangailanan ng tulong ng katalisador (sustansiyang nagpapatulin o nagpapadali ng pagsasanib.) Mula pa noong 1950s, ang mga katalisador ay nagpabilis sa pag-unlad ng mga sintetikong polímero. Sa paggamit ng maingat na pagkontrol sa pagsasanib na polimerisasyon, may mga polímerong nalikha na may bagong katangian tulad ng kakayahang mag-palabas ng makulay na liwanag .

Ang pag-uuri at pagkilala ng isang polímero ay nangangailangan ng maraming parametro na kailangang ipaliwanag sa dahilang ang isang polímero ay binubuo ng kalat-kalat na kadena na may iba’t ibang haba at kung saan ang bawat kadena ay binubuo ng latak ng monómero na umaapekto sa katangian nila. Ang ilang parametro ay ipanaliliwanag sa ibaba:

Katangiang pisikal ng mga polímero

Kasama ng mga katangiang pisikal ng mga polímero ay ang tindi ng polimerisasyon at kakalatan ng molang bigat (molar weight).

Pagsasanga-sanga

Habang humahaba ang kadena ng polímero, ang pagsasanga-sanga ay maaring mangyari. Sa polimerisasyong radikal na kung saan ang isang kadena ay kumukulot at kumakawing sa naunang bahagi ng kadena. Kapag napigtas ang kulot, nag-iiwan ito ng maliliit na kadena mula sa pinakamalaking gulugod na carbon. Ang may sangang kadena ng carbon ay hindi makalalapit ng malapit di tulad ng walang sangang kadena. Nagdudulot ito ng madalang na pagniniig ng mga atomo ng iba’t-ibang kadena, at madalang na pagkakataong makabuo o makagawa ng permanenteng dípolo (dipoles). Ang bunga nito ay mababang densidad dahil sa pagkakalayo-layo ng mga kadena. Makikita rin ang mababang temperatura ng pagkatunaw at tensile strength dahil mahina ang mga intermolekulang kawing nito at nangangailangan lamang ng mababang enerhiya upang pagutin ito.

Estereong kaayusan

Ang estereong kaayusan o tacticity ay nagpapaliwanag sa isomerikong kaayusan ng mga grupong punsiyonal sa gulugod ng mga kadenang carbon. Ang mga isotaktikong kadena ay itinatakda kung saan ang mga grupong pumalit ay nakalinya sa isang direksiyon lamang. Mainam ito upang sila ay tumabi nang malapit sa isa’t isa na nagbubunga na isang mala-kristal na lugar at napakatigas na polímero.

Kakaiba rito ang ataktikong kadena na kung saan walang kaayusan ng mga grupong pumalit. Hindi nagkakaakma-akma ang mga kadena ng maayos at kung saan ang intermolekulang pwersa ay mababa. Ito ay nagbubunga ng mababang densidad at mababang tensile strength ngunit may kalambutan. Ang grupong pumalit na sindiyotaktiko ay nagsasalisi sa magkabilang direksiyon. Dahil sa kaayusang ito, naiyaayos ng ang mga sindiyotaktikong kadena ang kanila sarili nang malapit sa isa’t isa ngunit hindi kasinglapit ng mga isotaktikong polímero. Mas mainam ang sindiyotaktikong polímero sa impact strength kaysa mga isotaktikong polímero dahil sa mataas na kalambutan nito na bunga ng kanilang mahinang intermolekulang pwersa.

Ang pagbuo ng mga polímero

Kopolimerisasyon

Ang kopolimerisasyon ay ang polimerisasyon ng dalawa o higit pang makakaibang monómero. Nabanggit na ang monómero ng 20 asidong amino na bumubuo sa kadena ng protina. Nagbubunga ng iba’t-ibang katangian ang kopolimerisasyon ng iba’t-ibang monómero tulad rin ng iba’t-ibang asido amino na nagbubunga ng iba’t ibang hugis ng proteina. Halimbawa, ang kopolimerisasyon ng ethene na may kaunting hex-1-ene ay isang paraan upang makabuo ng tuwid at magkaroon ng mababang densidad na polyethene (LLDPE). Ang mga sanga-sanga mula sa C4 mula sa hexene ang nagpapababa sa densidad at nag-iiwas sa malaking rehiyong kristalina sa loob ng polímero nang tulad ng HDPE. Ang ibig sabihin nito mapagtitiisan ng LLDPE ang malalakas ang pwersa ng pagpilas habang napananatili nito ang pagiging malambot.

Sa sumusunod na larawan makikita ang isang espesipikong uri ng kopolimerisasyon na tinatawag ng hakbang-palaking polimerisasyon o kondensasyong polimerisasyon. Sa partikular na polimerisasyong ito, isang maliit na molekula ang lumilitaw matapos ang polimerisasyon. Sa sumusunod eskemang pagsasanib, tubig ang maliit na bunga at naylon (nylon) ang nabuong polímero. Ang uri ng nylon (pangalan at katangian) ay nasa ilalim ng grupong R at R' sa mga monómero na ginamit.

Mga katangian kimikal ng mga polímero

Pwersang intermolekular

Ang pwersang pang-akit sa pagitan ng kadenang polímero ay nagdudulot ng malaking bahagi upang alamin ang mga katangian ng isang polímero. Dahil sa ang mga kadena ng polímero ay napakahaba, ang pwersa sa pagitan ng bawat kadena ay lalong mas matindi kaysa sa pagitan ng mga karaniwang molekula. Gayundin, mas mahaba ang kadena, mas amorpo ito (walang ayos). Isipin ang mga polímero na pulu-pulupot na kadena ang pansit – mas mahirap hatakin ang isang hibla ng pansit mas gusot ang mga kadena. Ang malakas na pwersang ito ay nagbubunga ng mataas na lakas sa batak (tensile strength) at temperatura ng pagkatunaw.

Ang pwersang intermolekular sa polímero ay inaalam ng mga dipolo ng mga monómero ng yunit. Ang polímero na naglalaman ng grupong amido ay makabubuo ng kawing hidroheno sa mga karatig kadena. Malakas ang pagkaakit ng positibong atomo ng hidroheno ng grupong N-H ng isang kadena sa atomo ng oksiheno sa grupong C=O ng iba. Ang matibay ng kawing hidroheno ang nagdudulot, halimbawa, sa mataas ng tensile strength at temperatura ng katunawan ng kevlar. Ang mga poliester ay may kawing na dipolo-dipolo sa pagitan ng atomo ng oxiheno sa grupong C=O at hidroheno sa grupong H-C. Ang dipolong kawing ay hindi kasing tibay ng kawing hidroheno kaya ang temperatura ng katunawan ng ethene at tibay nito ay mababa kaysa kevlar ngunit mas mainam hutukin ang mga polyester.

Subalit, ang ethene ay walang permanenteng dipolo. Ang pwersa ng pag-akit sa pagitan ng kadena ng mga polyethylene ay dulot ng pwersang van der Waals. Ang mga molekula ay masasabing nababalutan ng ulap ng mga negatibong elektron. Nag-iiwasan ang dalawang molekula kapag sila ay naglalapit sa isa’t-isa. Nagdudulot ito sa paghupa ng densidad ng elektron sa isang tabi ng kadena ng polímero na nagbubunga ng kaunting positibong dipolo sa tabi ito. Ang karga nito ay tama lang upang maakit ang ikalawang kadena ng polímero. Mahina ang mga pwersang Van der Waals kaya natutunaw sa mababang temperatura ang polyethylene.

Pagsusuri ng polímero

Maraming tekniks panglaboratoryo ang ginagamit upang alamin ang katangian ng mga polímero. Ang mga tekniks tulad ng wide angle X-ray scattering, small angle X-ray scattering, and small angle neutron scattering ay ginagamit upang alamin ang estrukturang kristalina ng mga polímero. Gel permeation chromatography naman ang ginagamit upang alamin ang number average molecular weight, weight average molecular weight, at polydispersity. Ang komposisyon ay inaalam sa paggamit ng FTIR. Ang mga katangian sa init tulad ng glass transition temperature at temperatura ng pagkatunaw ay inaalam sa paggamit ng differential scanning calorimetry at dynamic mechanical analysis. Pagkasira sa init na sinusundang ng pagsusuri sa mga pirasong natira ay isa pang teknik upang alamin ang posibleng estruktura ng polímero.