ما هو البوليمر؟| شرح بسیط ومفهوم

البوليمر

المقدمة

البوليمر هو في الواقع جزيء كبير ومزيج من العديد من الوحدات الصغيرة. كلمة بوليمر في اليونانية تعني “أجزاء كثيرة”. تأتي البوليمرات بأشكال عديدة من حولنا من خيوط الحمض النووي وهو نوع من البوليمر الحيوي إلى البولي بروبلين. يمكن العثور على البوليمرات بشكل طبيعي أو صناعي. البوليمرات المختلفة لها خصائص فيزيائية وكيميائية مختلفة اعتمادًا على التطبيق في حياتنا اليومية.

البوليمرات عبارة عن مواد تتكون من سلاسل طويلة ومتكررة من جزيئات المونومر. اعتمادًا على نوع جزيء الترابط وكيفية ارتباطه يتم إنشاء خصائص خاصة للبوليمر. يمكن ثني بعض البوليمرات مثل المطاط والبوليستر أو شدها بينما يكون البعض الآخر شديد الصلابة.

يمكن العثور على البوليمر في العديد من المعدات في العالم الحديث وقد تعامل الناس مع مواد البوليمر مرة واحدة على الأقل في حياتهم. غالبًا ما يستخدم مصطلح البوليمر للإشارة إلى البلاستيك (البوليمرات الاصطناعية). ومع ذلك ، هناك أيضًا بوليمرات طبيعية بما في ذلك المطاط والتي تحتوي على هيدروكربونات بسيطة. البروتينات والبوليمرات الطبيعية المصنوعة من الأحماض الأمينية والأحماض النووية هي أيضًا بوليمرات النيوكليوتيدات.

يتم إنتاج جميع البوليمرات الاصطناعية من خلال عملية تسمى البلمرة حيث تتفاعل وحدات البناء التي تسمى المونومرات مع بعضها البعض لإنتاج بوليمر. يعتمد نوع آلية البلمرة على المجموعة الوظيفية المرتبطة بالمواد المتفاعلة.

تصنيف البوليمرات

نظرًا لبنيتها المعقدة وتطبيقاتها المتعددة وسلوكياتها المختلفة لا يمكن تجميع البوليمرات في واحدة. نتيجة لذلك يتم تقسيم البوليمرات إلى فئات مختلفة اعتمادًا على ما يلي.

ما هو البوليمر؟

تصنيف البوليمر على أساس المصادر المتاحة

في هذا النوع من التصنيف سيكون لدينا ثلاثة أنواع من البوليمرات وهي كالتالي:

  • البوليمرات الطبيعية: توجد هذه الأنواع من البوليمرات في الطبيعة وبين النباتات. تشمل أمثلة البوليمرات الطبيعية البروتين والنشا والسليلوز والمطاط.
  • البوليمرات شبه الاصطناعية: هذه البوليمرات مشتقة من البوليمرات الطبيعية وتخضع للمعالجة الكيميائية. وتشمل هذه البوليمرات نترات السليلوز وخلات السليلوز.
  • البوليمرات الاصطناعية: بوليمرات اصطناعية يصنعها الإنسان. البلاستيك هو أكثر أنواع البوليمر شيوعًا في العالم ويستخدم في صناعات مختلفة.

تصنيف البوليمر على أساس هيكل سلسلة مونومر

في هذا القسم يمكن النظر في الفئات التالية.

  • البوليمرات الخطية: يتكون هيكل البوليمرات من سلاسل طويلة ومستقيمة ويمكن أن يشار إليها باسم “بولي كلوريد الفينيل PVC” والذي يستخدم بشكل أساسي في تصنيع الأنابيب وكابلات الطاقة.
  • بوليمرات “متفرعة السلسلة”: (Branched Chain) عندما تتفرع سلاسل البوليمرات المتفرعة تُعرف هذه البوليمرات بالبوليمرات المتفرعة بما في ذلك البولي إيثيلين (منخفض الكثافة).
  • البوليمرات المتصالبة: تتكون هذه البوليمرات من مونومرات ثنائية وثلاثية العوامل ولها رابطة تساهمية أقوى من البوليمرات الخطية الأخرى. ومن أمثلة هذا النوع من البوليمر الباكليت والميلامين.

هيكل البوليمر

العديد من البوليمرات حولنا لها بنية هيدروكربونية. يتكون هذا الهيكل من سلاسل طويلة من ذرات الكربون والهيدروجين المستعبدين. تتضمن أمثلة التركيب الهيدروكربوني للبوليمرات البروبيلين والبولي بيوتيلين والبوليستيرين. بالإضافة إلى ذلك هناك بوليمرات تحتوي على عناصر أخرى في هيكلها بدلاً من الكربون. في النايلون على سبيل المثال تتكرر ذرات النيتروجين في وحدة بوليمر.

أنواع البوليمرات

يمكن تقسيم البوليمرات إلى فئتين مختلفتين حسب نوع هيكل السلسلة أو التركيب.

تنقسم البوليمرات إلى النوعين التاليين بناءً على نوع هيكل السلسلة الرئيسية:

  • البوليمرات العضوية: تحتوي على هيكل كربوني.
  • البوليمرات غير العضوية (غير العضوية): تحتوي البنية الرئيسية على عناصر أخرى غير الكربون.

اعتمادًا على نوع التوليف، لدينا أيضًا نوعان من البوليمرات الطبيعية والاصطناعية (الاصطناعية).

هيكل البوليمر

البوليمرات المقاومة للحرارة

هذه البوليمرات مستقرة في درجات حرارة عالية ولا تتحلل حتى في درجات الحرارة العالية بسبب وزنها الجزيئي العالي. تستخدم هذه البوليمرات في الغالب في الصناعة الطبية ومعدات التعقيم وكذلك في تصنيع المعدات المقاومة للحرارة والصدمات.

خصائص البوليمرات

يمكن تقسيم خصائص البوليمرات باختصار إلى ثلاث فئات: الخواص الميكانيكية والكيميائية والبصرية، وسنشرح كل منها فيما يلي.

الخواص الميكانيكية للبوليمر

مع زيادة طول سلسلة البوليمر والوصلة المتقاطعة تزداد قوة الشد للبوليمر. وتجدر الإشارة إلى أن البوليمرات لا تذوب في معظم الحالات ولكنها تتحول من متبلورة إلى شبه بلورية.

الخواص البصرية

نظرًا للتغير في معامل الانكسار مع درجة الحرارة في بعض البوليمرات مثل PMMA تُستخدم هذه البوليمرات في الليزر لاستخدامها في تطبيقات التحليل الطيفي والتحليل.

الترتيب الجزيئي للبوليمرات

لفهم الترتيب الجزيئي للبوليمرات بشكل أفضل يمكنك التفكير في طبق من المعكرونة. يوضح الشكل الناتج كيف يتم ترتيب الجزيئات الخطية في حالة عدم وجود ترتيب معين. سيؤدي التحكم في عمليات البلمرة والتبريد السريع للبوليمرات إلى تكوين بوليمرات غير متبلورة. عادة ما تكون البوليمرات غير المتبلورة شفافة وتستخدم في العديد من المواد مثل حاويات الطعام والنوافذ البلاستيكية والعدسات الطبية ومصابيح السيارات.

بالطبع ليست كل البوليمرات شفافة. سلاسل البوليمر متبلورة في مواد شفافة أو غير شفافة. بحكم التعريف يتكون الترتيب البلوري من ذرات أو أيونات أو جزيئات مرتبة في أنماط محددة. تم تصميم بعض البوليمرات بحيث لا تتبلور. كلما زادت درجة “التبلور”  (Crystalinity) قل الضوء الذي يمر عبر البوليمر. لذلك تتأثر درجة الشفافية أو عتامة البوليمرات ببلورتها.

تتمتع التبلور في البوليمرات بالعديد من المزايا بما في ذلك قوتها وصلابتها ومقاومتها الكيميائية واستقرارها ويحاول المهندسون والعلماء دائمًا إنتاج منتجات ذات خصائص أفضل من خلال الجمع بين الهياكل الجزيئية.

البلمرة (Polymerization)

البلمرة عملية إنتاج بوليمرات اصطناعية عن طريق تحويل جزيئات المونومر الصغيرة إلى سلاسل طويلة يتم ربط هذه المونومرات ببعضها البعض بواسطة روابط تساهمية. الطريقتان الرئيسيتان في البلمرة هما “بلمرة النمو التدريجي” (Step-growth Polymerization)  و “بلمرة النمو المتسلسل” (Chain-growth Polymerization) .

يتمثل الاختلاف الرئيسي بين الطريقتين السابقتين في أنه في البلمرة المتسلسلة تتم إضافة مونومر واحد إلى السلسلة في المرة الواحدة ولكن في البلمرة التدريجية يتم ربط العديد من المونومرات معًا.

إذا نظرت عن كثب إلى سلاسل البوليمر سترى أن هيكل الشكل العام للجزيء يعكس خصائصه الفيزيائية. على سبيل المثال إذا كانت سلسلة البوليمر مكونة من روابط معقدة يصعب كسرها فإن البوليمر الناتج سيكون له أيضًا قوة عالية. في المقابل إذا كانت سلسلة البوليمر تتكون من جزيئات ممدودة فإن البوليمر الناتج سيكون أيضًا مرنًا.

كيفية حساب الكتلة الجزيئية للبوليمرات ومؤشر التشتت

هناك طريقتان عامتان لحساب متوسط ​​الكتلة الجزيئية للبوليمرات:

  • طريقة المتوسط ​​العددي
  • طريقة المتوسط ​​المرجح

المتوسط ​​العددي للكتلة الجزيئية

إذا كانت N1 ، N2 ، N3، … عدد الجزيئات الكبيرة ذات الكتلة الجزيئية تساوي M1 ، M2 ، M3، ترتیب على التوالي عد يُحسب المتوسط ​​العددي للكتلة الجزيئية للبوليمر على النحو التالي:

M\bar{}<em>{n} = \frac{ N</em>{1}M_{1}+ N_{2}M_{2} + N_{2}M_{2} + … + N_{n}M_{n}}{N_{1}+N_{2}+N_{3}+…+N_{n}}

\Rightarrow M\bar{}<em>{n} = \frac{\sum N</em>{i}M_{i}}{\sum N_{i}}

يتم تحديد قيمة M\bar{}_{n} عادةً من خلال الخصائص التجميعية مثل الضغط الاسموزي.

المتوسط ​​المرجح للكتلة الجزيئية

إذا كانت m1m2 و  m3 … هي كتل الجزيئات ذات الكتلة الجزيئية M1 ، M2 ، M3 ترتیب على التوالي يتم الحصول على متوسط ​​الوزن للكتلة الجزيئية للبوليمر من المعادلة التالية.

M\bar{}<em>{w} = \frac{ m</em>{1}M_{1}+ m_{2}M_{2} + m_{2}M_{2} + … + n}{m_{1}+m_{2}+m_{3}+…+n}

\Rightarrow M\bar{}<em>{w} = \frac{\sum N</em>{i}M_{i} \times M_{i}}{\sum N_{i}M_{i}}

مؤشر التشتت

تُعرف النسبة M\bar{}_{w} الی M_{n} بمؤشر التشتت(PDI)  وهذه النسبة هي 1 للبوليمرات الطبيعية.

PDI = \frac{M\bar{}<em>{w}}{M\bar{}</em>{n}}

أسئلة يتكرر طرحها عن البوليمرات

في ما يلي سوف نتناول بعض الأسئلة الشائعة حول البوليمرات.

لماذا البوليمرات لها خصائص مختلفة؟

في البوليمرات ترتبط المونومرات ببعضها البعض عن طريق تفاعلات جزيئية مختلفة. تتسبب طبيعة هذه التفاعلات في مرونة وقوة شد واستقرار حراري وصلابة مختلفة في هذه البوليمرات. البوليمرات ذات الخصائص المختلفة مذكورة أدناه.

تشكل مونومرات ذات الروابط الضعيفة سلاسل خطية. تتمتع هذه الأنواع من البوليمرات بخاصية المرونة وتسمى اللدائن مثل “النيوبرين” (Neoprene)  و “بونا-إس” (Buna-S)  و “بونا-آر” (Buna-R) .

تتمتع البوليمرات ذات التفاعلات القوية بين المونومرات بمقاومة شد عالية وتستخدم كألياف. البولي أميد (النايلون 66) والبوليستر من هذا النوع من البوليمر.

تُعرف البوليمرات التي تكون فيها القوى بين الجزيئات بين الألياف واللدائن اللدائن الحرارية. يمكن إنتاج هذه البوليمرات عدة مرات دون تغيير خصائص البوليمر الخاصة بها. ومن بين هذه البوليمرات البولي إيثيلين والبولي فينيل.

سوف تذوب المونومرات المتفرعة بسبب الحرارة ولا يمكن إعادة استخدامها. تسمى هذه المواد البلاستيك بالحرارة. وتشمل أمثلة هذه البوليمرات الباكليت واليوريا فورمالديهايد.

ماذا تعني عملية الطبخ المطاطي؟

المطاط الطبيعي لديه مرونة عالية جدا واستقرار مادي منخفض. تساعد إضافة 5٪ من الكبريت في تحسين تشابك السلاسل الخطية مما يؤدي في النهاية إلى استخدامها في إطارات السيارات وهي عملية تسمى “تقسية الكبريت”.

ما هو البوليمر القابل للتحلل؟

تشمل هذه الأنواع من البوليمرات مجموعات وظيفية موجودة في البوليمرات الطبيعية التي تتحلل في وجود البكتيريا. من أمثلة هذا النوع من البوليمر “PHBV”.

كيف يتم التعرف على البوليمرات؟

يتم استخدام طرق مختلفة لتحديد البوليمرات بما في ذلك طرق التحليل الطيفي المختلفة مثل التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء والرنين المغناطيسي النووي ومطياف رامان.

منشور ذات صلة
المحلول المشبع وغير المشبع 7 Minutes

المحلول المشبع (Saturated) وغير المشبع (Unsaturated)| شرح بسيط ومفهوم

جاسم ناظري

نظرًا لأن قابلية ذوبان العديد من المواد الصلبة تزداد مع زيادة درجة الحرارة فإن المحلول المشبع المحضر عند درجة حرارة أعلى يكون عادةً مذابًا أكثر من نفس المحلول عند درجة حرارة منخفضة.

الكروماتوغرافيا الورقية 8 Minutes

ما هو الكروماتوغرافيا الورقية؟| شرح بسيط ومفهوم

جاسم ناظري

كروماتوغرافيا الورق هي إحدى أبسط الطرق المستخدمة في معمل الكيمياء لفصل الأصباغ مثل الأصباغ التي تصنع أحبارًا معينة. يمكن أن تتضمن مبادئ الكروماتوغرافيا مبادئ ” الكروماتوغرافيا التقسیمیة” و “كروماتوغرافيا الامتزاز”.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

السلة