9 UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE
SAN MARCOS
Facultad de Química e Ing. Química Escuela académico profesional de Ing. Química Laboratorio de química orgánica Polímeros Sintéticos Profesora
:
Mg. Olga Chumpitaz
Grupo
:
B sábados 10:00 - 14:00
Integrantes
:
Ruiz Castillo, Deyvi Aldahir Ccoyllo Ccanto, Franklin López Díaz, Alan Saavedra Casco, Yesenia
Fecha de entrega: 21 de junio
2014 Lima – Perú 1 |
ÍNDICE ÍNDICE…………………………………………………………………………………………2 INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………...3 RESUMEN……………………………………………………………………………………..4
PARTE TEÓRICA…………………………………………………………………………….4 DETALLES EXPERIMENTALES…………………………………………………………..10 REACCIONES QUÍMICAS…………………………………………………………….........11 DISCUSIÓN DE RESULTADOS……………………………………………………………11 CONCLUSIONES……………………………………………………………………………12 RECOMENDACIONES……………………………………………………………………..1 2
BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................................13
2 |
INTRODUCCIÓN La materia esta formada por moléculas que pueden ser de tamaño normal o moléculas gigantes llamadas polímeros. Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros que forman enormes cadenas. Algunas son lineales, otras tienen ramificaciones. Los polímeros tienen propiedades físicas y químicas muy diferentes constituidas por moléculas sencillas. Los que se obtienen industrialmente se conocen como plásticos, éstos también pueden ser llamados homopolímeros, que se producen cuando el polímero formado por la polimerización de monómeros iguales. Muchos monómeros también forman polímeros con pérdida simultánea de una pequeña molécula, como la del agua, la del monóxido de carbono o del cloruro de hidrógeno. Estos polímeros se llaman polímeros de condensación y sus productos de descomposición no son idénticos a los de las unidades respectivas de polímero. Así la polimerización de glucosa la celulosa, un polímero natural, va acompañado por pérdida de agua y la celulosa es un polímero típico de condensación. Sin embargo, la mayor parte de los polímeros que usamos en nuestra vida diaria son materiales sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas. Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas. En general, los polímeros tienen una excelente resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen. Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden ser de varias clases.
3 |
RESUMEN En el presente experimento se utilizo la polimerización por adición, esto quiere decir que si la molécula de monómero pasa a formar parte del polímero con pérdida de átomos, es decir, la composición química de la cadena res ultante es igual a la resta de las composiciones químicas de los monómeros que la conforman. En esta práctica vamos a sintetizar la baquelita y vamos a conocer como el estireno forma polímeros al utilizar al peróxido de benzoílo para que rompa el enlace doble y así promover la unión de esas moléculas formando una cadena infinita lo cual nos da de resultado al polímero.
FUNDAMENTO TEORICO Un polímero (del griego poly, muchos; meros, parte, segmento) es una sustancia cuyas moléculas son, por lo menos aproximadamente, múltiplos de unidades de peso molecular bajo. La unidad de bajo peso molecular es el monómero. Si el polímero es rigurosamente uniforme en peso molecular y estructura molecular, su grado de polimerización es indicado por un numeral griego, según el número de unidades de monómero que contiene; hablamos de dímeros, trímeros, tetrámero, pentámero, etc. El término polímero designa una combinación de un número no especificado de unidades. Si el número de unidades es muy grande, se usa también la expresión gran polímero. Un polímero no tiene la necesidad de constar de moléculas individuales todas del mismo peso molecular, y no es necesario que tengan todas las mismas composiciones química y la misma estructura molecular. Hay polímeros naturales como ciertas proteínas globulares y policarbohidratos, cuyas moléculas individuales tienen todos los mismos pesos moleculares y la misma estructura molecular; pero la gran mayoría de los polímeros sintéticos y naturales importantes son mezclas de componentes poliméricos homólogos. La pequeña variabilidad en la composición química y en la estructura molecular es el resultado de la presencia de grupos finales, ramas ocasionales, variaciones en la orientación de unidades monómeros y la ir regularidad en el orden en el que se suceden los diferentes tipos de esas unidades en los copolímeros. Estas variedades en general no suelen afectar a las propiedades del producto final, sin
4 |
embargo, se ha descubierto que en ciertos casos hubo variaciones en copolímeros y ciertos polímeros cristalinos. Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas. En general, los polímeros tienen una muy buena resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen. Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden ser de varias clases. Las más comunes, denominadas Fuerzas de Van der Waals.
CLASIFICACIÓN DE LOS POLÍMEROS: Según su Origen a.
Polímeros naturales: provenientes directamente del vegetal o animal. Por
ejemplo: celulosa, almidón, proteínas, caucho natural, ácidos nucleicos, etc. b.
Polímeros artificiales: son el resultado de modificaciones mediante procesos
químicos, de ciertos polímeros naturales. Ejemplo: nitrocelulosa, etonita, etc. c.
Polímeros sintéticos: son los que se obtienen por procesos de polimerización
controlados por el hombre a partir de materias primas de bajo peso molecular. Ejemplo: nylon, polietileno, cloruro de polivinilo, polimetano, etc.
Según sus Propiedades Físicas
Elastómeros
Termoplásticos
Termoestables.
Los elastómeros y termoplásticos están constituidos por moléculas que forman largas cadenas con poco entrecruzamiento entre sí. Cuando se calientan, se ablandan sin descomposición y pueden ser moldeados. Los termoestables se preparan generalmente a partir de sustancias semifluidas de peso molecular relativamente bajo, las cuales alcanzan, cuando se someten a procesos adecuados, un alto grado de entrecruzamiento molecular formando materiales duros, que funden con descomposición o no funden y son generalmente insolubles en los solventes más usuales.
5 |
Según sus Estructura Cristalinos y amorfos En los sólidos cristalinos, las moléculas se encuentran ordenadas en las tres dimensiones. Esto es lo que se llama ordenamiento periódico y lo pueden tener los sólidos cristalinos constituidos por moléculas pequeñas. En el caso de los polímeros, las cadenas son muy largas y fácilmente se enmarañan y a demás, en el estado fundido se mueven en un medio muy viscoso, así que no puede esperarse en ellos un orden tan perfecto, pero de todas maneras, algunos polímeros exhiben ordenamiento parcial en regiones llamadas cristalitos. Una sola macromolécula no cabrá en uno de esos cristalitos, así que se dobla sobre ella misma y a demás puede extenderse a lo largo de varios cristalitos. Se distinguen regiones de dos clases: las cristalinas, en la que las cadenas dobladas varias veces en zigzag están alineadas formando las agrupaciones llamadas cristalitos; y otras regiones amorfas, en la que las cadenas se enmarañan en un completo desorden. En otros polímeros, como el PVC, el grado de cristalinidad es menor y es más razonable considerarlo como sistemas de dos fases, una ordenada, cristalina, embebida en una matriz amorfa. Finalmente hay otros polímeros totalmente amorfos, como es el caso del poliestireno atáctico. El grado de cristalinidad de los polímeros, que por su estructura regular y por la flexibilidad de sus cadenas tienen mayor tendencia a cristalizar, depende de las condiciones de la cristalización. Si el polímero cristaliza a partir del material fundido, habrá más imperfecciones porque las cadenas se enredan y el medio es muy viscoso, lo cual dificulta el ordenamiento de ellas. En cambio, si el polímero cristaliza de una solución diluida, es posible obtener cristales aislados, con estructuras bien definidas como en el caso del polietileno, de donde se distinguen las llamadas lámelas formada por cadenas dobladas muchas veces sobre sí mismas.
6 |
En estos casos, si la solución contiene menos de 0,1 % de polímero, la posibilidad de que una misma cadena quede incorporada a varios cristales se reduce o se elimina. La cristalización a partir del polímero fundido conduce a la situación descripta anteriormente, en la que se tendrán dos fases: cristalina y amorfa, con algunas cadenas participando en varios cristalitos, actuando como moléculas conectoras. También es frecuente que los cristalitos mismos se agrupen radicalmente a partir de un punto de nucleación y crezcan en él en forma radical, formando esferulitos. Un enfriamiento muy rápido puede reducir considerablemente el grado de cristalinidad. Los cristalitos también pueden agruparse de otras maneras, generando fibrillas; la formación de fibrillas en lugar de esferulitos, dependerá de factores tales como la flexibilidad de la cadena y las interacciones entre ellas, el peso molecular del polímero, la velocidad del enfriamiento y en muchos casos del tipo de esfuerzo del cual se somete al material durante el procesamiento. Los cristales fibrilares pueden producirse en los procesos de inyección o de extrusión, o durante el proceso de estirado de algunos materiales que se emplean en la industria textil (nylon y poliésteres).
TIPOS DE POLIMERIZACIÓN Existen diversos procesos para unir moléculas pequeñas con otras para formar moléculas grandes. Su clasificación se basa en el mecanismo por el cual se unen estructuras monómeros o en las condiciones experimentales de reacción mencionemos las más importantes:
Polimerización por adición:
Adición de moléculas pequeñas de un mismo tipo unas a otras por apertura del doble
enlace sin eliminación de ninguna parte de la molécula (polimerización de tipo vinilo.).
Adición de pequeñas moléculas de un mismo tipo unas a otras por apertura de un
anillo sin eliminación de ninguna parte de la molécula (polimerización tipo epóxi.).
7 |
Adición de pequeñas moléculas de un mismo tipo unas a otras por apertura de un
doble enlace con eliminación de una parte de la molécula (polimerización alifática del tipo diazo.).
Adición de pequeñas moléculas unas a otras por ruptura del anillo con eliminación de
una parte de la molécula (polimerización del tipo a -aminocarboxianhidro.).
Adición de birradicales formados por deshidrogenación (polimerización tipo p-xileno.).
Polimerización por condensación:
Formación de poliésteres, poliamidas, poliéteres, polianhidros, etc., por eliminación de
agua o alcoholes, con moléculas bifuncionales, como ácidos o glicoles, diaminas, diésteres entre otros (polimerización del tipo poliésteres y poliamidas.).
Formación de polihidrocarburos, por eliminación de halógenos o haluros de
hidrógeno, con ayuda de catalizadores metálicos o de haluros metálicos (policondensación del tipo de Friedel-Craffts y Ullmann.).
Formación de polisulfuros o poli-polisulfuros, por eliminación de cloruro de sodio, con
haluros bifuncionales de alquilo o arilo y sulfuros alcalinos o polisulfuros alcalinos o por oxidación de dimercaptanos (policondensación del tipo Thiokol.). Resinas Fenol-formaldehído (Baquelita)
La baquelita fue la primera sustancia plástica totalmente sintética, nombrada así en honor a su creador, el belga Leo Baekeland. La baquelita, sintetizada a partir de fenol y formaldehído entró en la industria en 1907. Se trata de un fenoplástico que aún actualmente tiene aplicaciones de interés. Este producto puede moldearse a m edida que se forma y resulta duro al solidificar. No conduce la electricidad, es resistente al agua y los solventes, pero fácilmente mecanizable. Su permisividad dieléctrica relativa es 0,65. El alto grado de entrecruzamiento de la estructura molecular de la baquelita le da la propiedad de ser un plástico termoestable. Su amplio espectro de uso la hizo aplicable en las nuevas tecnologías de entonces, como carcasas de teléfonos y radios y estructuras de carburadores. En 1910 Baekeland fundó la General Bakelite Company y en 1912 ya se usaban las resinas de fenol-formaldehído para aislamientos eléctricos. Para 1920 se estima que 43 ramas de la industria se beneficiaban directamente de la baquelita. En la década de los 20’s la baquelita era muy apreciada, los más famosos diseñadores de Estados Unidos la utilizaban y llegó a ser el epítome del “Art-Decó” con una gran variedad de formas, no siempre funcionales . En 1927
expiraron las patentes de Baekeland del proceso de fabricación de la baquelita. Para el final de los 30’s muchos otros plásticos entraron en competencia con la baquelita; éstos tenían la gran
ventaja de que podían colorearse fácilmente en cualquier color deseado, a diferencia de la baquelita, que solo podía prepararse en colores oscuros. En 1939 Baekeland vendió la Bakelite Corporation a Union Carbide. Desde 1950 la glamorosa vida cotidiana de la baquelita se fue
8 |
desvaneciendo, opacada por los llamativos colores de otros plásticos, sin embargo, aun hoy la baquelita y otras resinas relacionadas son importantes como aislantes, partes de apagadores, asas de cacerolas, etc. Las resinas de fenol-formaldehído se pueden preparar a partir de fenol y formaldehído mediante polimerización por pasos, con dos métodos. En el primero se usa un catalizador alcalino y exceso de formaldehído, obteniéndose una estructura con enlaces cruzados en un solo paso (resina de “una etapa”). Los metilolfenoles se condensan para dar polímeros de bajo
peso molecular lineales que se llaman resoles. Las estructuras aracterísticas son:
Por calentamiento posterior, los grupos metilol libres se condensan para dar un polímero con enlaces cruzados. Las polimerizaciones con monómeros de funcionalidad mayor de dos son difíciles de visualizar porque los productos son tridimensionales.
POLIESTIRENO:
El poliestireno (ps) es el tercer termoplástico de mayor uso debido a sus propiedades y a la facilidad de su fabricación. Posee baja densidad, estabilidad térmica y bajo costo. El hecho de ser rígido y quebradizo lo desfavorecen. Estas desventajas pueden remediarse copolimerizándolo con el acrilonitrilo (más resistencia a la tensión).
9 |
PARTE EXPERIMENTAL BAQUELITA A. Polímeros por condensación: síntesis de la baquelita Procedimiento: En un tubo de ensayo mezcle 7,5 mL de formaldehido; 2,5g de fenol y 1,2mL de amoníaco. Caliente l tubo en un recipiente con agua hirviente. Observe l desarrollo de una apariencia lechosa en la mezcla y continúe calentando durante 5 minutos. Enfrié y deseche la capa superior por decantación. Caliente la tapa inferior viscosa y añada 1.5mL de ácido acético gota a gota para dar una solución transparente aun después del calentamiento. Caliente durante unos 30 minutos en un recipiente de agua mantenida a 6065°C. En caso necesario prolongue el calentamiento o incremente la temperatura hasta la aparición de una fase sólida o turbidez.
PARTE EXPERIMENTAL POLIESTIRENO PROCEDIMIENTO: 1. EN un embudo de separación se mezclan 10 mL de estireno, 5 mL de NaOH al 10& y 20 mL de agua. 2. Se agita fuertemente por un minuto y luego se dejan separar las fases, descartando la fase inferior alcalina con el estabilizante del monómero. 3. Se lava luego por dos veces consecutivas con 7,5 mL de agua y el estireno se separa del agua y se vierte a un vaso de 50 mL que contengan 0,5 g de CaCl2. 4. Desecado el estireno se vierte al frasco del vidrio transparente, se añade 0,1 g de peróxido de benzoilo. Tapando el frasco sin ajustar mucho, se calienta en baño maría por 30 min. 5. Se observara que mientras la polimerización progresa, la viscosidad del liquido ira aumentando poco apoco. Se retira del calentamiento y luego de destapar se deja enfriar observando que se solidifica. 6. Se anotan las propiedades físicas del polímero.
10 |
REACCIONES
RESULTADOS
En un tubo de separación mezclamos estireno con NaOH y con agua, agitamos fuertemente y dejamos separar las fases lo cual se demuestra por diferencia de densidades y porque son compuestos organicos e inorgánicos los cuales son químicamente inmiscibles, lo lavamos con agua para para que el estabilizante del monómero se valla con la fase alcalina. Lo que queda en el embudo lo vertimos en vaso que contenga 0,5 g de CaCl2
La Formación de baquelita (polimerización) empieza en el momento en que el fenol y formaldehido entran en contacto.
11 |
Conclusión Los polímeros son moléculas grandes que c onsisten en la unión de pequeñas unidades repetitivas moleculares iguales. A estas pequeñas unidades moleculares se les denomina monómeros. A los polímeros se les denomina termoplásticos es decir pueden obtener hilos y moldear cuando son calentados además de poseer la propiedad de termoestabilidad que hace que se estabilicen al ser calentados aumentando así la resistencia de dichos materiales hasta un cierto punto. Estireno_ El uso de reactivos como el estireno es imprescindible para la obtención del polímero. La experiencia permitió comprobar la solubilidad del poliestireno con sus respectivos disolventes. De esta manera constatamos que el poliestireno era so luble solo en los compuestos apolares. Y así en general apreciamos la obtención y comprobación de características de solubilidad del poliestireno. Baquelita: Se sintetizo bakelita a partir de fenol y formaldehido.
RECOMENDACIONES
Usar guantes y ser cuidadoso al manipular el ácido sulfúrico concentrado, el hidróxido sódico, no inhalar sus vapores, y realizar experimento bajo la campana extractora.
Se pueden utilizar moldes descartables de vidrio directamente en vez de tubos de ensayo, para obtener pre diseñados de baquelita.
Se debería de realizar pruebas utilizando diversas relaciones de cantidades entre el fenol, el formaldehido y el tipo de Catalizador para obtener ciertas propiedades convenientes de la baquelita.
Una forma de corregir el impacto ambiental de los polímeros sintéticos al desecharlos, sería promover el reciclaje, y si éste no fuera posible, al menos tratar de conocer los distintos tipos de plásticos reciclables para futuras referencias.
Usar las medidas especificadas en la guía, pues de no hacerlo induciría a no obtener un producto de alta pureza, que es lo que se busca.
12 |
BIBLIOGRAFIA
• Wittcoff, Harold A. y Reuben, Bryan G.; "Productos Químicos Orgánicos Industriales", Vol. 1.
Materias Primas y Fabricación, LIMUSA, 1985, pgs. 95, 113-114. • Wittcoff, Harold A. y Reuben, Bryan G.; "Productos Químicos Orgánicos Industriales", Vol. 2.
Tecnología, Formulaciones y Usos, LIMUSA, 1987, pgs. 74-76, 86, 116-117. • Austin, George T., "Manual de Procesos Químicos en la Industria", 1a. ed., vol. III, McGraw -
Hill/Interamericana de México, 1988, pags 741-749, 758-765. • McGrath, James E.; apunt es del curso "Polymer Synthesis: Fundamentals and Techniques",
American Chemical Society, Virginia Tech, 1993. • Reisch, Marc S.; "Advanced Thermoplastics Producers Regroup", Chemical and Engineering
News, vol. 71, number 35, pags. 24-37, august 30,1993. • Moore, James A. and Dalrymple David L. ; "Experimental Methods in Organic Chemistry",
2nd. Ed., Saunders, 1976, pags. 184, 187.
13 |
