Polímeros: História, Polimerização, Tipos, Propriedades - Ciência - 2023

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o polímeros são os compostos moleculares que se caracterizam por terem uma massa molar elevada (variando de milhares a milhões) e que são formados por um grande número de unidades, chamadas monômeros, que se repetem.

Por terem a característica de serem moléculas grandes, essas espécies são chamadas de macromoléculas, o que lhes confere qualidades únicas muito diferentes das observadas nas menores, atribuíveis apenas a este tipo de substâncias, como a propensão que têm para modelagem de estruturas de vidro.

Do mesmo modo, por pertencerem a um grupo muito grande de moléculas, surgiu a necessidade de lhes atribuir uma classificação, razão pela qual se dividem em dois tipos: polímeros de origem natural, como proteínas e ácidos nucleicos; e os de manufatura sintética, como náilon ou lucite (mais conhecidos como Plexiglas).

Os estudiosos começaram suas investigações sobre a ciência por trás dos polímeros na década de 1920, quando observaram com curiosidade e espanto como substâncias como a madeira ou a borracha se comportavam. Assim, os cientistas da época começaram a analisar esses compostos tão presentes na vida cotidiana.

Ao atingir um certo nível de conhecimento sobre a natureza dessas espécies, foi possível entender sua estrutura e avançar na criação de macromoléculas que poderiam facilitar o desenvolvimento e o aprimoramento de materiais existentes, bem como a produção de novos materiais.

Da mesma forma, sabe-se que inúmeros polímeros significativos contêm em sua estrutura átomos de nitrogênio ou oxigênio, ligados a átomos de carbono, formando parte da cadeia principal da molécula.

Dependendo dos principais grupos funcionais que fazem parte dos monômeros, eles receberão seus nomes; por exemplo, se o monômero é formado por um éster, um poliéster é produzido.

História dos polímeros

A história dos polímeros deve ser abordada começando com referências aos primeiros polímeros conhecidos.

Desta forma, certos materiais de origem natural amplamente utilizados desde a antiguidade (como a celulose ou o couro) são constituídos principalmente por polímeros.

Século XIX

Ao contrário do que se possa pensar, a composição dos polímeros era desconhecida até alguns séculos atrás, quando começou a determinar como essas substâncias se formavam, e eles até procuraram estabelecer um método para conseguir a fabricação artificial.

A primeira vez que o termo "polímeros" foi usado foi em 1833, graças ao químico sueco Jöns Jacob Berzelius, que o usou para se referir a substâncias de natureza orgânica que têm a mesma fórmula empírica, mas têm massas molares diferentes.

Esse cientista também ficou encarregado de cunhar outros termos, como "isômero" ou "catálise"; embora se deva notar que naquela época o conceito dessas expressões era completamente diferente do que significam hoje.

Após alguns experimentos para obtenção de polímeros sintéticos a partir da transformação de espécies poliméricas naturais, o estudo desses compostos foi adquirindo maior relevância.

O objetivo dessas investigações era alcançar a otimização das propriedades já conhecidas desses polímeros e a obtenção de novas substâncias que pudessem cumprir objetivos específicos em diferentes campos da ciência.

Século XX

Observando que a borracha era solúvel em um solvente de natureza orgânica e que a solução resultante apresentava algumas características incomuns, os cientistas ficaram preocupados e não sabiam como explicá-las.

Por meio dessas observações, eles inferiram que substâncias como essa apresentam um comportamento muito diferente das moléculas menores, como puderam ver ao estudar a borracha e suas propriedades.

Eles observaram que a solução estudada apresentava alta viscosidade, diminuição significativa do ponto de congelamento e pequena pressão osmótica; A partir disso, pode-se deduzir que havia vários solutos de massa molar muito alta, mas os estudiosos recusaram-se a acreditar nessa possibilidade.

Esses fenômenos, que também se manifestavam em algumas substâncias como a gelatina ou o algodão, faziam os cientistas da época pensar que esses tipos de substâncias eram constituídos por agregados de pequenas unidades moleculares, como o C₅H₈ ou C₁₀H₁₆, limitado por forças intermoleculares.

Embora esse pensamento equivocado tenha permanecido por alguns anos, a definição que persiste até hoje foi a que lhe foi dada pelo químico alemão Hermann Staudinger, ganhador do Prêmio Nobel de Química.

Século XXI

A definição atual dessas estruturas como substâncias macromoleculares ligadas por ligações covalentes foi cunhada em 1920 por Staudinger, que insistiu em inventar e conduzir experimentos até encontrar evidências para essa teoria durante os dez anos seguintes.

O desenvolvimento da chamada “química de polímeros” começou e desde então só vem atraindo o interesse de pesquisadores de todo o mundo, contando entre as páginas de sua história cientistas muito importantes, entre os quais Giulio Natta, Karl Ziegler, Charles Goodyear, entre outros, além dos anteriormente citados.

Atualmente, macromoléculas poliméricas são estudadas em diferentes áreas científicas, como a ciência dos polímeros ou a biofísica, onde são investigadas substâncias resultantes da ligação de monômeros por ligações covalentes com diferentes métodos e finalidades.

Certamente, desde polímeros naturais como o poliisopreno até os de origem sintética como o poliestireno, eles são usados com muita frequência, sem diminuir a importância de outras espécies como os silicones, compostos por monômeros à base de silício.

Além disso, grande parte desses compostos de origem natural e sintética são formados por duas ou mais classes diferentes de monômeros, essas espécies poliméricas receberam o nome de copolímeros.

Polimerização

Para nos aprofundarmos no assunto polímeros, devemos começar falando sobre a origem da palavra polímero, que vem do grego. polys, que significa "muito"; Y mero, que se refere às "partes" de algo.

Este termo é usado para designar compostos moleculares que possuem uma estrutura composta por muitas unidades repetidas, o que causa a propriedade de uma massa molecular relativa elevada e outras características intrínsecas destes.

Assim, as unidades que compõem os polímeros são baseadas em espécies moleculares que possuem uma massa molecular relativa relativamente pequena.

Nesse sentido, o termo polimerização só se aplica aos polímeros sintéticos, mais especificamente aos processos de obtenção desse tipo de macromoléculas.

Portanto, a polimerização pode ser definida como a reação química que se utiliza na combinação dos monômeros (um de cada vez) para, a partir destes, produzir os polímeros correspondentes.

Assim, a síntese de polímeros é realizada por meio de dois tipos principais de reações: reações de adição e reações de condensação, que serão descritas em detalhes a seguir.

Polimerização por reações de adição

Este tipo de polimerização tem a participação de moléculas insaturadas que possuem ligações duplas ou triplas em sua estrutura, principalmente as de carbono-carbono.

Nessas reações, os monômeros sofrem combinações entre si sem a eliminação de nenhum de seus átomos, onde as espécies poliméricas sintetizadas pela quebra ou abertura do anel podem ser obtidas sem gerar a eliminação de pequenas moléculas.

Do ponto de vista cinético, essa polimerização pode ser vista como uma reação em três etapas: iniciação, propagação e término.

Primeiro, ocorre o início da reação, na qual o aquecimento é aplicado a uma molécula considerada como iniciadora (denotada como R₂) para gerar duas espécies de raízes da seguinte forma:

R₂ → 2R ∙

Se a produção de polietileno for dada como exemplo, a próxima etapa é a propagação, onde o radical reativo formado ataca uma molécula de etileno e uma nova espécie de radical é formada da seguinte forma:

R ∙ + CH₂= CH₂ → R - CH₂-CH₂∙

Esse novo radical é posteriormente combinado com outra molécula de etileno, e esse processo continua sucessivamente até a combinação de dois radicais de cadeia longa para dar origem ao polietileno, na reação conhecida como terminação.

Polimerização por reações de condensação

No caso da polimerização por reações de condensação, geralmente ocorre a combinação de dois monômeros distintos, além da conseqüente eliminação de uma pequena molécula, que geralmente é a água.

Da mesma forma, os polímeros produzidos por essas reações costumam ter heteroátomos, como oxigênio ou nitrogênio, como parte de sua estrutura. Acontece também que a unidade repetitiva que representa a base de sua cadeia não possui todos os átomos que estão no monômero aos quais ela poderia ser degradada.

Por outro lado, existem métodos que foram desenvolvidos mais recentemente, entre os quais se destaca a polimerização por plasma, cujas características não condizem perfeitamente com nenhum dos tipos de polimerização anteriormente explicados.

Assim, as reações de polimerização de origem sintética, tanto de adição quanto de condensação, podem ocorrer na ausência ou na presença de uma espécie de catalisador.

A polimerização por condensação é amplamente utilizada na fabricação de muitos compostos comumente encontrados na vida cotidiana, como o dacron (mais conhecido como poliéster) ou o náilon.

Outras formas de polimerização

Além desses métodos de síntese artificial de polímeros, há também a síntese biológica, que é definida como a área de estudo responsável pela pesquisa de biopolímeros, que se dividem em três categorias principais: polinucleotídeos, polipeptídeos e polissacarídeos.

Em organismos vivos, a síntese pode ser realizada naturalmente, por meio de processos que envolvem a presença de catalisadores como a enzima polimerase na produção de polímeros como o ácido desoxirribonucléico (DNA).

Em outros casos, a maioria das enzimas utilizadas na polimerização bioquímica são proteínas, que são polímeros formados com base em aminoácidos e são essenciais na grande maioria dos processos biológicos.

Além das substâncias biopoliméricas obtidas por esses métodos, existem outras de grande relevância comercial, como a borracha vulcanizada que é produzida por aquecimento de borracha de origem natural na presença de enxofre.

Assim, entre as técnicas utilizadas para síntese de polímeros por modificação química de polímeros de origem natural estão o acabamento, reticulação e oxidação.

Tipos de polímeros

Os tipos de polímeros podem ser classificados de acordo com diferentes características; por exemplo, eles são classificados em termoplásticos, termofixos ou elastômeros de acordo com sua resposta física ao aquecimento.

Além disso, dependendo do tipo de monômeros a partir dos quais são formados, eles podem ser homopolímeros ou copolímeros.

Da mesma forma, de acordo com o tipo de polimerização pela qual são produzidos, podem ser polímeros de adição ou condensação.

Da mesma forma, polímeros naturais ou sintéticos podem ser obtidos dependendo de sua origem; ou orgânico ou inorgânico dependendo de sua composição química.

Propriedades

- Sua característica mais notável é a identidade repetitiva de seus monômeros como base de sua estrutura.

- Suas propriedades elétricas variam de acordo com sua finalidade.

- Possuem propriedades mecânicas como elasticidade ou resistência à tração, que definem seu comportamento macroscópico.

- Alguns polímeros exibem propriedades ópticas importantes.

- A microestrutura que possuem afeta diretamente suas outras propriedades.

- As características químicas dos polímeros são determinadas por interações atrativas entre as cadeias que os formam.

- Suas propriedades de transporte são relativas à velocidade do movimento intermolecular.

- O comportamento dos seus estados de agregação está relacionado com a sua morfologia.

Exemplos de polímeros

Entre o grande número de polímeros que existem são os seguintes:

Poliestireno

Utilizado em recipientes de diversos tipos, bem como em recipientes que servem como isolantes térmicos (para resfriar água ou armazenar gelo) e até mesmo em brinquedos.

Politetrafluoroetileno

Mais conhecido como Teflon, é utilizado como isolante elétrico, inclusive na fabricação de rolos e no revestimento de utensílios de cozinha.

Cloreto de polivinila

Utilizado na produção de canais de parede, ladrilhos, brinquedos e tubos, esse polímero é conhecido comercialmente como PVC.

Referências

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Chang, R. (2007). Química, nona edição. México: McGraw-Hill.
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