شارح الدرس: البلمرة الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف تكوين أنواع مختلفة من البوليمرات، ونُدرِج الأمثلة الشائعة والاستخدامات.

البوليمر هو أحد أنواع المواد الكيميائية. وهو مادة كيميائية يُمكن تكوينها من خلال ربط العديد من الوحدات المنفردة معًا. وتُجمَّع المواد الكيميائية التي تَشترِك في هذه الخاصية معًا؛ لأن لها العديد من السمات المُشترَكة. تتكوَّن كلمة «بوليمر» من مقطعين؛ الأول «بوليـ»، ويَعني «متعدِّدًا»، والثاني «ـمر» ويعني «أجزاءً».

الوحدات التي تتكوَّن منها البوليمرات تُسمَّى «مونمرات».

يُمكننا أن نتخيَّل أن هذا مونمر واحد:

وهذه خمسة مونمرات منفصلة:

وهذا بوليمر مُكوَّن من خمسة مونمرات:

لا يُوجَد حدٌّ أدنى مُمِكن لعدد المونمرات اللازمة لتسمية مادة كيميائية بوليمرًا، لكنْ بصفةٍ عامَّةٍ، نحن نتوقَّع وجود أكثر من 10 مونمرات في البوليمر الواحد. وعلى الرغم من ذلك، فلا يُوجَد حدٌّ أعلى؛ لذا يُمكن أن يكون طول البوليمرات آلاف الوحدات.

في بعض الأحيان، نَستخدِم كلمة «مونمر» للإشارة إلى وحدة البوليمر، وأحيانًا نَستخدِمها للإشارة إلى الوحدة التي يتكوَّن منها البوليمر. عندما تتجمَّع المونمرات معًا، فإنها تتغيَّر كيميائيًّا، لكنها عادةً ما تبدو مُتشابِهة جدًّا قبل التفاعُل وبعده.

تُوجَد عدَّة أمثلة على البوليمرات؛ وهي السليولوز والنايلون والنشا والبوليستايرين، ونحو ذلك. وتُوجَد بعض البوليمرات بشكلٍ طبيعي، وبعضها الآخَر يكون مُصنَّعًا بالكامل.

بصفةٍ عامَّةٍ، يُوجَد نوعان من البوليمرات.

هناك البوليمرات التي يُمكن أن تتكوَّن عندما تتغيَّر الروابط الداخلية للمونمرات، وتترابَط المونمرات معًا.

يُعرَف هذا النوع من البوليمرات باسم «بوليمرات الإضافة».

هناك أيضًا بوليمرات تتكوَّن عندما تَنفصل أجزاء من المونمرات ويترابَط الباقي معًا.

يُعرَف هذا النوع من البوليمرات باسم «بوليمرات التكثيف».

يَنتُج دائمًا عن تفاعُل البلمرة بالإضافة أو بالتكثيف مادة كتلتها الجزيئية أكبر من المونمرات. بالنسبة إلى البلمرة بالإضافة، فإن الكتلة الجزيئية للنواتج تساوي مجموع الكُتَل الجزيئية للمونمرات (إذا تجاهَلنا المواد الكيميائية التي تبدأ البلمرة، وربما تكون متَّصِلة بطرفَيْ سلسلة المونمرات).

تُكتَب عادةً أسماء البوليمرات على النحو الآتي:

ومن ثَمَّ، فإن البوليمر المكوَّن من الستايرين يُسمَّى بولي (ستايرين). وفي بعض الأحيان، لا تُوضَع أقواس، ولا بأس في ذلك.

بعض البوليمرات لها عدَّة أسماء مختلفة: أسماء رسمية، وأسماء شائعة، وأسماء تجارية.

فيما يأتي بعض أسماء البولي (تيترا فلورو إيثين).

تَشمَل أهم بوليمرات الإضافة:

• بولي (ستايرين) (PS)
• بولي (بروبين) (PP)
• بولي (إيثين).

لتكوين بوليمر إضافة، نحتاج إلى مونمر واحد ذي رابطة غير مُشبَّعة (يُمكننا تكوين بوليمرات عن طريق فتْح الحلقات وربطها معًا، لكننا لن نتناول هذا هنا).

على سبيل المثال، يُمكننا استخدام رابطة كربون-كربون مزدوجة:

إذا كان لدينا هذا النوع من الروابط في مادة كيميائية، فيُمكننا استخدام هذه المادة الكيميائية لتكوين بوليمر من خلال «فتح» رابطة الكربون-كربون المزدوجة لتكوين رابطتَيْ كربون-كربون أحاديتين:

في هذا التفاعُل، نلاحِظ تفكُّك رابطة ( - ) وتكوُّن رابطتَيْ .

لنتناول بالتفصيل أبسط بوليمر بالإضافة، وهو البولي (إيثين)، ويُعرَف عادةً باسم «البوليثين».

لدينا هنا المونمر، وهو الإيثين:

في وجود عامل حفَّاز وكمية كافية من الحرارة والضغط، يُمكن بلمرة الإيثين.

يتفاعَل جزيئا الإيثين ليتبقَّى ذرات كربون لها ثلاث روابط فقط عند كل من طرفَيْها، اللذين يكونان غير مستقرَّين:

ولكنْ في وجود العوامل الحفَّازة المناسبة والمواد الكيميائية الأخرى، يُمكن إنتاج بوليمرات مستقرَّة:

يُمكننا تمثيل سلسلة المونمرات باستخدام دوائر لتُساعِدنا على تصوُّر ذلك:

ماذا يَحدُث في طرفَيِ السلسلة؟ هذا خارج نطاق هذا الشارح، لكنه يَعتمد على كيفية إجراء عملية البلمرة. بصفةٍ عامَّةٍ، ما يُوجَد في طرف سلسلة طويلة من البوليمر ليس له تأثير كبير على سلوك البوليمر.

فيما يأتي بعض بوليمرات الإضافة الشائعة الاستخدام، إلى جانب المونمرات التي تتكوَّن منها والاستخدامات الشائعة لها.

مثال ١: تحديد المونمر المحتمل الذي يُمكن استخدامه لتكوين بوليمر بمعلومية بنيته

بالنظر إلى البوليمر الآتي:

أيُّ الهيدروكربونات الهالوجينية الآتية مسئولٌ عن تكوينه؟

الحل

تتكوَّن بنية البوليمر المُعطَى من وحدة تكرارية مكوَّنة من ذرتَيْ كربون وثلاث ذرات هيدروجين وذرة كلور واحدة. يتكرَّر هذا النمط عدد n من المرَّات، مُكوِّنًا جزيء البوليمر بالكامل (يُمكننا بوجْهٍ عامٍّ تجاهل ما يَحدُث في طرفَيِ السلسلة).

يُوجَد العديد من الطُّرق لتكوين هذا النوع من البوليمرات، لكن أكثر الطُّرق مباشرة وكفاءة تتضمَّن بلمرة مونمر يحتوي على الذرات الموجودة في نهاية البوليمر فقط بالنسبة الصحيحة.

كلُّ خيار من الخيارات يحتوي على كربون وكلور، لكن الخيار (ب) لا يحتوي على أيِّ هيدروجين على الإطلاق؛ لذا يُمكننا استبعاده.

لتكوين بوليمر من مونمر، لا بدَّ أن يكون المونمر قادرًا على تكوين روابط فردية إضافية (على سبيل المثال، من خلال وجود روابط مزدوجة أو ثلاثية يُمكن أن «تُفتَح»)، أو لا بدَّ أن تُفقَد أجزاء من المونمر حتى يتَّصِل المونمر التالي بالسلسلة. المونمرات في الخيارين (هـ)، (أ) مُشبَّعة تمامًا؛ لذا يُمكننا استبعاد هذين الخيارين.

المونمرات المحتملة المتبقِّية هي المُمثَّلة في الخيارين (ج)، (د). يحتوي الخيار (ج) على ذرتَيْ كلور بدلًا من ذرة واحدة، إذن البوليمر الناتج لا يُطابق البوليمر المُعطَى.

في حالة بلمرة المونمرات الممثَّلة في الخيار (د)، ستتفكَّك رابطة الكربون-كربون المزدوجة، وتتكوَّن روابط أحادية بين نهايات المونمرات، ويَنتُج عن ذلك سلسلة بالنسبة الصحيحة من الكربون والكلور والهيدروجين.

إذن الإجابة هي الخيار (د).

مثال ٢: تحديد المونمر من اختصار البوليمر

املأ الفراغ: يَنتُج بوليمر PVC عن البلمرة بالإضافة لـ .

الحل

PVC اختصار لبولي (كـلوريد الڤينيل). وبولي (كلوريد الڨينيل) هو البوليمر المصنوع من مونمر كلوريد الڨينيل. تُشير كلمة «ڨينيل» إلى مجموعة الإيثينيل:

يتكوَّن كلوريد الڨينيل من مجموعة ڨينيل متَّصِلة بذرة كلور:

اسم هذه المادة الكيميائية وفقًا للاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية هو كلورو الإيثين.

إذن الإجابة هي الكلورو إيثين.

تشمل أهم بوليمرات التكثيف:

• الحمض النووي (DNA)
• النشا
• السليلوز
• البولي إستر، مثل بولي (إيثيلين تيرفثالات) (PET)
• البولي أميد، مثل النايلون.

يُمكن أن تكون بوليمرات التكثيف قابلة للتحلُّل أكثر من بوليمرات الإضافة، وبالأخصِّ إذا كانت الجزيئات الصغيرة التي استُبعِدت عند تكوُّنها موجودة في الوَسَط المحيط.

النوع الأكثر شيوعًا للبلمرة بالتكثيف يتضمَّن إنتاج الماء باعتباره ناتجًا ثانويًّا.

على سبيل المثال، تفاعُل مونمرين مختلفين يَنتُج عنه بولي (إيثيلين تيرفثالات)، أو المعروف بالاختصار PET. ويُستخدَم هذا النوع من البلاستيك في صناعة زجاجات المياه البلاستيكية القابلة للاستخدام مرَّة واحدة. في أحد التفاعُلات المُمكنة، يتفاعَل الديول (مادة كيميائية تحتوي على مجموعتَيْ كحول) مع حمض ثنائي الكربوكسيل (مادة كيميائية تحتوي على مجموعتين من الحمض الكربوكسيلي).

موضَّح فيما يأتي تفاعُل التكثيف الذي يَنتُج عنه بولي (إيثيلين تيرفثالات) وماء:

يُمكننا تبسيط ذلك من خلال توضيح الأجزاء المُشترَكة في التفاعُل:

عند النظر جيدًا، نلاحِظ أن هذا البوليمر مكوَّن باستخدام روابط إستر؛ لذا يُعرَف بولي (إثيلين تيرفثالات) باسم «بولي إستر». وموضَّح فيما يأتي مجموعة الإستر التي تربط المونمرات معًا:

يُمكننا تبسيط الصورة أكثر وملاحَظة أن المونمرين يتناوبان بطول السلسلة:

هذا النوع من البوليمرات يُعرَف باسم «البوليمر المُشترَك».

يُمكن إنتاج بولي (إثيلين تيرفثالات) من مونمر واحد فقط، لكن هذه الطريقة أكثر تكلفة.

مثال ٣: تحديد البنية الصحيحة لبوليمر تكثيف عام

ما البنية الصحيحة لبوليمر التكثيف المُتكوِّن بين المونمرين الآتيين؟

الحل

لدينا هنا نوعان من المونمرات: مستطيل به المجموعة على كلٍّ من الطرفين، وشكل بيضوي به المجموعة على كلا الطرفين.

بوليمر التكثيف نوعٌ من البوليمرات يَنتُج عن تفاعُل البلمرة مع تكوين نواتج ثانوية صغيرة الجزيئات. وهذا يعني أنه لا بدَّ من فقْد جزء من هذين المونمرين عند تكوين البوليمر.

عمليًّا ستكون النواتج الثانوية الصغيرة الجزيئات مكوَّنة من أجزاء من المونمرين (على سبيل المثال، و، وهو ما يكوِّن ، أو و، وهو ما يكوِّن ). ولذلك نتوقَّع وجود ناتج من المونمرين عندما يتكوَّن البوليمر.

يُمكن فصل المجموعتين ، ، وهو ما يكوِّن الناتج الثانوي . وبذلك يتبقَّى بوليمر مكوَّن من مستطيلات وأشكال بيضوية مُتبادَلة.

وهذا يتوافَق مع الخيار (ج).

فيما يأتي بعض بوليمرات التكثيف الشائعة الاستخدام، إلى جانب المونمرات التي تتكوَّن منها والاستخدامات الشائعة لها:

لنلخِّص ما تناولناه عن البلمرة.