البوليمرات في الكيمياء

في الكيمياء إن البوليمرات هي عبارة عن جزيئات كبيرة ذات كتلة جزيئية عالية، والتي تتكون من وحدات هيكلية متكررة مشتقة من المونومرات، والبوليمرات لها كتلة جزيئية عالية (103-107 ش)، في البوليمر يتم ربط وحدات المونومر المختلفة بروابط تساهمية قوية، من الممكن أن تكون هذه البوليمرات طبيعية وكذلك اصطناعية، البوليثين والمطاط والنايلون، وقد يكون البوليمر غير عضوي أو قد يكون عضوي.

ما المقصود بالبوليمر في الكيمياء

• إن البوليمر عبارة عن جزيء يتواجد بإشكال وأحجام مختلفة، قد يكون كبير أو ضخم، والذي هو بشكل أساسي عبارة عن خليط من الكثير من الوحدات الفرعية، علما أن مصطلح البوليمر في اليونانية يعني “أجزاء متعددة”، من الممكن أن يتم العثور على البوليمرات في كل مكان محيط بنا، من خيط الحمض النووي الخاص بنا، وهو بوليمر حيوي طبيعي، إلى البولي بروبلين الذي يستخدم في جميع أنحاء العالم كبلاستيك.

• قد تتواجد البوليمرات بشكل طبيعي في كلا من النباتات والحيوانات (وتسمى بوليمرات طبيعية) أو قد تكون من صنع الإنسان (وتسمى بوليمرات اصطناعية)، تحتوي البوليمرات المتنوعة على عدد من الخصائص الفيزيائية والكيميائية الفريدة، وذلك بسبب استخدامها في الحياة اليومية، يتم إنشاء جميع البوليمرات من خلال عملية البلمرة.

• حيث تتفاعل عناصر البوليمر المكونة والتي تسمى المونومرات معًا من أجل إنتاج سلاسل بوليمر، أي شبكات ثلاثية الأبعاد تشكل روابط البوليمر، علما أن آلية البلمرة التي تستعمل تعتمد على المجموعات الوظيفية التي ترتبط بالمواد المتفاعلة، أما في السياق البيولوجي، تكون جميع الجزيئات الكبيرة تقريبًا إما بوليمرية بالكامل أو تتكون من سلاسل بوليمرية كبيرة.

تصنيف البوليمرات

لا يمكن أن يتم تصنيف البوليمرات تحت فئة واحدة؛ وذلك بسبب هياكلها المعقدة وسلوكياتها المختلفة وتطبيقاتها الواسعة، لذلك فإنه يمكننا تصنيف البوليمرات بناءً على عدة من الاعتبارات التالية:

تصنيف البوليمرات على أساس مصدر التوافر

هناك ثلاثة أنواع من التصنيف تحت هذه الفئة، وهي البوليمرات الطبيعية والتركيبية وشبه الاصطناعية:

• البوليمرات الطبيعية: حيث تحدث بشكل طبيعي وتوجد في النباتات والحيوانات، على سبيل المثال، البروتينات والنشا والسليلوز والمطاط، للجمع، لدينا أيضًا بوليمرات قابلة للتحلل تسمى البوليمرات الحيوية.

• البوليمرات شبه الاصطناعية: وهي مشتقة من البوليمرات التي تحدث بشكل طبيعي وتخضع لمزيد من التعديلات الكيميائية، على سبيل المثال، نترات السليلوز وخلات السليلوز.

• البوليمرات الاصطناعية: هذه بوليمرات من صنع الإنسان، البلاستيك هو البوليمر الصناعي الأكثر شيوعًا والأكثر استخدامًا، كما ويتم استخدامه في الصناعات ومنتجات الألبان المختلفة، على سبيل المثال، النايلون وبولي إيثر إلخ.

تصنيف البوليمرات على أساس هيكل سلسلة مونومر

هذه الفئة لها التصنيفات التالية:

• البوليمرات الخطية: يندرج هيكل البوليمرات التي تحتوي على سلاسل طويلة ومستقيمة ضمن هذه الفئة، يستخدم (PVC)، أي بولي فينيل كلوريد، بشكل كبير في صناعة الأنابيب والكابلات الكهربائية مثال على البوليمر الخطي.

• بوليمرات متفرعة السلسلة: عندما تشكل السلاسل الخطية للبوليمر فروعًا، فإنه يتم تصنيف هذه البوليمرات على أنها بوليمرات متفرعة السلسلة، على سبيل المثال، البوليثين منخفض الكثافة.

• البوليمرات المتشابكة: وهي تتألف من مونومرات ثنائية الوظيفة وثلاثية الوظائف، لديهم رابطة تساهمية أقوى مقارنة بالبوليمرات الخطية الأخرى، الباكليت والميلامين أمثلة في هذه الفئة.

طرق أخرى لتصنيف البوليمرات

• هناك طرق أخرى للتصنيف على أساس البلمرة: إضافة البلمرة: على سبيل المثال، بولي إيثان، تفلون، بولي فينيل كلوريد (PVC)، بلمرة التكثيف: مثال، نايلون -6 ، 6، بيريلين، بوليستر، التصنيف على أساس المونمرات: (Homomer): في هذا النوع، يوجد نوع واحد من وحدات المونومر، على سبيل المثال، البولي إيثيلين، البوليمر المغاير، والبوليمر المشترك: يتكون من أنواع مختلفة من وحدات المونومر، على سبيل المثال، النايلون -6 ، 6.

• التصنيف على أساس القوى الجزيئية: اللدائن: هذه هي مواد صلبة تشبه المطاط توجد قوى تفاعل ضعيفة، على سبيل المثال، المطاط، الألياف: توجد قوة شد قوية وصلبة وعالية وقوى تفاعل قوية، على سبيل المثال، النايلون -6 ، 6، اللدائن الحرارية: لها قوى جذب وسيطة، على سبيل المثال، كلوريد البوليفينيل.

• البوليمرات المتصلبة بالحرارة: تعمل هذه البوليمرات على تحسين الخواص الميكانيكية للمادة بشكل كبير، يوفر مقاومة عالية للمواد الكيميائية والحرارة، على سبيل المثال، الفينولات والإيبوكسيات والسيليكون.

هيكل البوليمرات

• تتكون معظم البوليمرات من حولنا من عمود فقري هيدروكربوني، العمود الفقري للهيدروكربون عبارة عن سلسلة طويلة من ذرات الكربون والهيدروجين المرتبطة، وهو ممكن بسبب الطبيعة الرباعية التكافؤ للكربون، وبعض الأمثلة على بوليمر العمود الفقري للهيدروكربونات هي البولي بروبيلين والبولي بيوتيلين والبوليستيرين.

• أيضًا، هناك بوليمرات تحتوي على عناصر أخرى في العمود الفقري بدلاً من الكربون، على سبيل المثال، يحتوي النايلون على ذرات نيتروجين في العمود الفقري للوحدة المتكررة.

أنواع البوليمرات

على أساس نوع سلسلة العمود الفقري، فإنه يمكن تقسيم البوليمرات إلى:

• البوليمرات العضوية: العمود الفقري للكربون، والبوليمرات غير العضوية: تتكون العمود الفقري من عناصر أخرى غير الكربون، والبوليمرات القابلة للتحلل، حيث تُعرف البوليمرات التي تتحلل وتتحلل بفعل الكائنات الحية الدقيقة مثل البكتيريا بالبوليمرات القابلة للتحلل، تُستخدم هذه الأنواع من البوليمرات في الضمادات الجراحية وطلاء الكبسولات وفي الجراحة.

• بوليمرات عالية الحرارة: هذه البوليمرات مستقرة في درجات حرارة عالية، نظرًا لوزنها الجزيئي المرتفع، لا يتم تدميرها حتى في درجات الحرارة العالية جدًا، وتستخدم على نطاق واسع في صناعات الرعاية الصحية، من أجل تصنيع معدات التعقيم وفي تصنيع الأجسام المقاومة للحرارة والصدمات، وهناك قليل من البوليمرات المهمة.

• وهي البولي بروبلين: هو نوع من البوليمر ينعم بما يتجاوز درجة حرارة معينة مما يسمح له بالتشكيل، وعند التبريد يتجمد، نظرًا لقدرته على التشكيل بسهولة في أشكال مختلفة، فإنه يحتوي على الكثير من التطبيقات، ويوجد عدد قليل منها في المعدات الثابتة ومكونات السيارات ومكبرات الصوت القابلة لإعادة الاستخدام وغير ذلك الكثير، نظرًا لسطح الطاقة المنخفض نسبيًا، يتم دمج البوليمر في عملية اللحام وليس باستخدام الغراء.

• البولي إيثيلين: هو أكثر أنواع البلاستيك شيوعًا حولنا، تستخدم في الغالب في التعبئة والتغليف من الأكياس البلاستيكية إلى الزجاجات البلاستيكية، وتوجد أنواع مختلفة من البولي إيثيلين، لكن صيغتها المشتركة هي (C2H4) n.

خصائص البوليمرات

• الخواص الكيميائية: بالمقارنة مع الجزيئات التقليدية ذات الجزيئات الجانبية المختلفة، يتم تمكين البوليمر عن طريق الترابط الهيدروجيني والرابط الأيوني مما يؤدي إلى قوة ربط عرضي أفضل، كما تتيح السلاسل الجانبية الرابطة ثنائية القطب للبوليمر مرونة عالية، ومن المعروف أن البوليمرات التي تحتوي على سلاسل ربط قوى فان دير فالس ضعيفة ولكنها تعطي البوليمر نقطة انصهار منخفضة.

• الخواص البصرية: نظرًا لقدرتها على تغيير معامل الانكسار مع درجة الحرارة كما هو الحال في (PMMA و HEMA: MMA)، فإنه يتم استخدامها في الليزر للتطبيقات في التحليل الطيفي والتطبيقات التحليلية، والخصائص الفيزيائية: مع زيادة طول السلسلة والربط المتقاطع، تزداد قوة شد البوليمر، لا تذوب البوليمرات، وتتغير حالتها من بلورية إلى شبه بلورية.

استخدامات البوليمرات

• سنقوم هنا بذكر بعض الاستخدامات المهمة للبوليمرات في حياتنا اليومية، ومنها أنه يستخدم البولي بروبين في مجموعة واسعة من الصناعات مثل المنسوجات والتعبئة والتغليف والقرطاسية والبلاستيك والطائرات والبناء والحبال والألعاب وما إلى ذلك.

البوليسترين هو أحد أكثر أنواع البلاستيك شيوعًا المستخدمة بنشاط في صناعة التعبئة والتغليف، الزجاجات والألعاب والحاويات والصواني والنظارات والأطباق التي تستخدم لمرة واحدة وخزائن التلفزيون والأغطية هي بعض المنتجات المستخدمة يوميًا المصنوعة من البوليسترين، كما أنها تستخدم كعازل.

• أهم استخدامات البولي فينيل كلوريد هو تصنيع أنابيب الصرف الصحي، كما أنها تستخدم كعازل في الكابلات الكهربائية، ويستخدم كلوريد البوليفينيل في الملابس والأثاث وقد أصبح مؤخرًا شائعًا في بناء الأبواب والنوافذ أيضًا، كما أنها تستخدم في أرضيات الفينيل.

• تستخدم راتنجات اليوريا فورمالدهايد في صناعة المواد اللاصقة والقوالب والألواح المصفحة والحاويات غير القابلة للكسر وما إلى ذلك، ويستخدم (Glyptal) في صناعة الدهانات والطلاء واللك، يستخدم الباكليت في صنع المفاتيح الكهربائية ومنتجات المطبخ والألعاب والمجوهرات والأسلحة النارية والعوازل وأقراص الكمبيوتر.