מבוא לפולימרים
מולקולות ענק שבנויות מיחידות קטנות חוזרות - מהטבע ועד לפלסטיק
מונומרים, פולימרים ופילמור
←←←
←
פילמור תוספת (סיפוח)
בפילמור תוספת, מונומרים עם קשר כפול (C=C) מתחברים זה לזה כשהקשר הכפול נפתח. אין מוצר לוואי - כל האטומים נשארים בפולימר.
התנאי: המונומר חייב להכיל קשר כפול (C=C)
מה קורה?
1. הקשר הכפול נפתח (קשר הפאי נשבר)
2. כל מונומר מתחבר לשני שכנים
3. נוצרת שרשרת ארוכה עם קשרים יחידים
מאפיינים:
- אין מוצר לוואי - כל האטומים נכנסים לפולימר
- מסת הפולימר = סכום מסות כל המונומרים
- המונומרים חייבים להיות בלתי רוויים (עם C=C)
הדוגמה הקלאסית:
n(CH₂=CH₂) ← -(CH₂-CH₂)-n
אתילן ← פוליאתילן
הקשר הכפול של האתילן נפתח, ומאות אלפי מולקולות מתחברות לשרשרת אחת ארוכה.
n(CH₂=CH₂) ← -(CH₂-CH₂)n-
מונומר (בלתי רווי) ← פולימר (רווי)
בפילמור תוספת, הקשר הכפול נפתח ומונומרים מתחברים ללא מוצר לוואי. התנאי: מונומר עם קשר כפול.
פילמור עיבוי (דחיסה)
בפילמור עיבוי, מונומרים מתחברים זה לזה תוך שחרור מולקולה קטנה (בדרך כלל מים). הפולימר שנוצר קל יותר מסכום מסות המונומרים.
מה קורה?
1. שני מונומרים מתקרבים
2. קבוצה מאחד מגיבה עם קבוצה מהשני
3. נוצר קשר חדש בין המונומרים
4. משתחררת מולקולה קטנה (בדרך כלל H₂O)
מאפיינים:
- יש מוצר לוואי (מים, HCl, וכו')
- מסת הפולימר קטנה מסכום מסות המונומרים
- המונומרים חייבים להכיל 2 קבוצות פונקציונליות לפחות
דוגמאות חשובות:
קשר פפטידי:
NH₂-R-COOH + NH₂-R'-COOH ← NH₂-R-CO-NH-R'-COOH + H₂O
(חומצות אמינו ← חלבון + מים)
ניילון:
דיאמין + דיחומצה ← ניילון + מים
פוליאסטר:
דיכוהל + דיחומצה ← פוליאסטר + מים
COOH + NH₂ ← CO-NH + H₂O
(קשר פפטידי - בסיס לכל החלבונים)
בפילמור עיבוי, מונומרים מתחברים ומשחררים מולקולה קטנה (בדרך כלל מים). כך נוצרים ניילון, פוליאסטר, וגם חלבונים!
פילמור תוספת מול פילמור עיבוי
פילמור תוספת (סיפוח)
מונומרים עם קשר כפול
אין מוצר לוואי
כל האטומים נכנסים לפולימר
מסת פולימר = סכום מסות מונומרים
דורש מונומרים בלתי רוויים
דוגמה: אתילן ← פוליאתילן
פרופילן ← פוליפרופילן
ויניל כלורי ← PVC
פילמור עיבוי (דחיסה)
מונומרים עם קבוצות פונקציונליות
יש מוצר לוואי (מים)
חלק מהאטומים יוצאים כמים
מסת פולימר < סכום מסות מונומרים
דורש מונומרים עם 2 קבוצות פונקציונליות
דוגמה: חומצות אמינו ← חלבון
דיאמין + דיחומצה ← ניילון
דיכוהל + דיחומצה ← פוליאסטר
שני סוגי הפילמור יוצרים שרשראות ארוכות, אבל המנגנון שונה!
פולימרים נפוצים
| פולימר | מונומר | סוג פילמור | שימושים עיקריים |
|---|---|---|---|
| פוליאתילן (PE) | אתילן (C₂H₄) | תוספת | שקיות, בקבוקים, צינורות |
| פוליפרופילן (PP) | פרופילן (C₃H₆) | תוספת | קופסאות מזון, חבלים, שטיחים |
| PVC | ויניל כלורי | תוספת | צינורות, חלונות, ריצוף |
| פוליסטירן (PS) | סטירן | תוספת | כוסות חד-פעמיות, קלקר |
| טפלון (PTFE) | טטרפלואוראתילן | תוספת | ציפוי מחבתות (לא דביק!) |
| ניילון | דיאמין + דיחומצה | עיבוי | בגדים, חוטי דיג, גרביונים |
| פוליאסטר | דיכוהל + דיחומצה | עיבוי | בדים, בקבוקי PET |
| חלבונים | חומצות אמינו | עיבוי | כל תהליכי החיים! |
* שימו לב: פולימרי תוספת מיוצרים ממונומר אחד, פולימרי עיבוי לרוב מ-2 מונומרים שונים
פולימרים בטבע
פולימרים טבעיים - הטבע המציא ראשון!
עמילן (סטארץ')
פולימר של גלוקוז.
מקור אנרגיה בתפוחי אדמה, אורז, לחם.
נשבר בעיכול לגלוקוז.
תאית (צלולוז)
פולימר של גלוקוז (סידור שונה מעמילן).
דפנות תאי צמח, כותנה, נייר.
הגוף האנושי לא יכול לפרק אותה.
חלבונים
פולימרים של חומצות אמינו (20 סוגים).
אנזימים, שרירים, נוגדנים, קרטין בשיער.
פילמור עיבוי עם קשרי פפטידי.
DNA
פולימר של נוקלאוטידים.
מכיל את המידע הגנטי.
הפולימר הכי מורכב בטבע!
גומי טבעי
פולימר של איזופרן.
מופק מעצי גומי.
גמיש ואלסטי - מושלם לצמיגים.
משי
פולימר חלבוני (פילמור עיבוי).
מיוצר על ידי תולעי משי.
חזק ביותר ביחס למשקלו.
הטבע 'המציא' את הפולימרים הרבה לפנינו! עמילן ותאית (פולימרים של גלוקוז), חלבונים (פולימרים של חומצות אמינו), DNA (פולימר של נוקלאוטידים) - כולם פולימרים טבעיים שקיימים מיליארדי שנים. האדם רק למד לייצר פולימרים סינתטיים במאה ה-20.
תכונות פולימרים
מה קובע את תכונות הפולימר?
אורך השרשרת
שרשרת ארוכה יותר = חומר חזק יותר. פולימרים תעשייתיים מכילים אלפי עד מיליוני מונומרים.
סוג המונומר
מונומרים שונים נותנים תכונות שונות. אתילן נותן PE גמיש, סטירן נותן PS קשיח.
מידת ההסתעפות
שרשראות ישרות נארזות צפוף (HDPE קשיח). שרשראות מסועפות רופפות (LDPE גמיש).
קשרי צלב
קשרי צלב הופכים תרמופלסט לתרמוסט. יותר קשרי צלב = יותר קשיח ועמיד.
תוספים
מרככים, מייצבי UV, צבעים, מעכבי בעירה - תוספים משנים את תכונות הפולימר.
גיבוש
פולימר גבישי (מסודר) = חזק ושקוף פחות. אמורפי (לא מסודר) = גמיש ושקוף.
שאלה לחשיבה
מדוע פוליאתילן נוצר מאתילן (שיש לו קשר כפול) ולא מאתאן (שיש לו רק קשרים יחידים)?
בפילמור תוספת, הקשר הכפול של האתילן נפתח ומאפשר למונומר להתחבר למונומרים נוספים. אתאן אין לו קשר כפול שיכול להיפתח, ולכן הוא לא יכול להשתתף בפילמור תוספת. הקשר הכפול הוא 'הדלת' שדרכה המונומרים מתחברים זה לזה.
שאלה לחשיבה
במפעל ניילון, אוספים את המים שמשתחררים בתהליך. מדוע?
ניילון נוצר בפילמור עיבוי, שבו משתחררים מים כמוצר לוואי. אם המים נשארים באזור התגובה, הם עלולים לגרום לתגובה הפוכה - פירוק הפולימר! לכן מסירים את המים כדי לדחוף את התגובה קדימה ולייצר שרשראות ניילון ארוכות יותר. זהו עקרון לה שטלייה בפעולה.
שאלה לחשיבה
עמילן ותאית שניהם פולימרים של גלוקוז. מדוע אנחנו יכולים לעכל עמילן אבל לא תאית?
למרות שהמונומר זהה (גלוקוז), הקשר בין המונומרים שונה! בעמילן הקשר הוא מסוג אלפא, ולאנזימי העיכול שלנו (אמילאז) יש צורה שמתאימה לשבור אותו. בתאית הקשר הוא מסוג בטא, ולאנזימים שלנו אין את הצורה המתאימה לשבירתו. פרות יכולות לעכל תאית כי לחיידקים בקיבתן יש את האנזים המתאים!
לזכור למבחן
הבדלים חשובים בין סוגי הפילמור:
- פילמור תוספת: מונומר עם קשר כפול, אין מוצר לוואי
- פילמור עיבוי: מונומרים עם קבוצות פונקציונליות, יש מוצר לוואי (מים)
- חלבונים = פילמור עיבוי של חומצות אמינו (קשר פפטידי + מים)
- פוליאתילן = פילמור תוספת של אתילן (קשר כפול נפתח)
- אם שואלים 'איך תזהו את סוג הפילמור?' - בדקו אם יש מוצר לוואי!
ניילון הומצא ב-1935 על ידי וואלאס קרותרס בחברת DuPont. זו היתה המהפכה הגדולה ביותר בתעשיית הטקסטיל!
סיפור הניילון
- הוצג לראשונה ב-1939 כ'גרבי ניילון'
- ביום הראשון למכירה נמכרו 4 מיליון זוגות!
- במלחמת העולם השנייה הופנה הניילון ליצירת מצנחים וחבלים צבאיים
- החליף את המשי (שהיה יקר ומיובא מיפן)
- היום ניילון נמצא בכל מקום: בגדים, שטיחים, חוטי דיג, גלגלי שיניים, שקיות אריזה
קבלר - הפולימר שעוצר כדורים
קבלר (Kevlar) הומצא ב-1965 על ידי סטפני קוולק. זהו פולימר עם שרשראות נוקשות במיוחד.
- חזק פי 5 מפלדה (ביחס למשקל)
- משמש באפודות קרמיות (חדירה-עמיד)
- בצמיגי מרוצים, כבלים, חלקי מטוסים
- פולימר ארומטי (מכיל טבעות בנזן)