معلومات حول مادة البوليمر
ما هي مادة البوليمر يا ترى؟ وكيف تتركّب؟ أمامك صورة تظهر التركيب الكيميائي لأحد المركبات العضوية اسمه الإيثين أو الإيثلين (Ethylene)، يحتوي تركيبه كما ترى على ذرتي كربون (C) ترتبطان معًا برابطةٍ ثنائيةٍ، وترتبط كل واحدةٍ من ذرتي الكربون بذرتي هيدروجين (H) عبر رابطةٍ أحاديةٍ بين ذرة الكربون وكل من ذرتي الهيدروجين.
تعال نضع مجموعةً من جزيئات الإيثين إلى جوار بعضها، ونعرضها للضغط والحرارة والعوامل المحفزة للتفاعل. حينها ستنكسر إحدى الرابطتين بين ذرتي الكربون وتصبح كل ذرةٍ منهما مجهزةً لتكوين رابطةٍ جديدةٍ، ذلك لأن الكربون يرتبط عبر أربع روابطَ نظرًا لاحتواء مستوى طاقته الرئيسي الأخير على أربعة إلكتروناتٍ. ما ستفعله الجزيئات المتجاورة حينئذ أنها ستكون روابطَ جديدةً بينها وبعض (بالتحديد بين ذرات الكربون) على النحو التالي.
توضح الصورة السابقة عملية البلمرة (Polymerization)، وهي العملية التي يتكون عبرها البوليمر (Polymer) الذي هو في حالتنا هذه بولي إيثلين (PE)، وهو المادة المستخدمة لصناعة الأكياس والزجاجات البلاستيكية.
نتج البولي إيثلين عبر كسر إحدى الرابطتين بين ذرتي الكربون داخل الجزيء الواحد ليصبح لكل ذرة إلكترونٍ حر، وعن طريق هذه الإلكترونات الحرة ترتبط ذرات الكربون في الجزيئات المتجاورة بروابطَ تساهمية أحادية، لنحصل في النهاية على السلسلة التي ترونها في الصورة والتي نسميها البوليمر. بالنسبة للجزيئات الصغيرة التي تتحد مع بعضها لتكون البوليمر، وهي في المثال السابق جزيئات الإيثين (الإيثلين) فنسمي الواحد منها مونومر (Monomer).
نستخلص من هذا المثال أن البوليمر يتكون من عددٍ من الجزيئات الأصغر عبر عملية البلمرة، وفي بقية المقال سنقف عند تلك المفاهيم وغيرها، ولنبدأ بوضع تعريفٍ واضحٍ للبوليمرات وللبلمرة..
مادة البوليمر والبلمرة
البوليمرات هي موادٌ طبيعيةٌ أو صناعيةٌ تتركب من عددٍ هائلٍ من الجزيئات الصغيرة (مونومرات)، ويمكن أن تكون موادًا عضويةً كالبولي إيثلين المذكور سابقًا أو غير عضويةٍ كالماس والجرافيت، لكن تبقى البوليمرات العضوية هي الأكثر عددًا وانتشارًا، ومنها البروتين والسليلوز والأحماض النووية والورق والبلاستيك. البوليمر ربما يتكون من وحداتٍ متكررةٍ من مونومر واحد وهذا غالبًا في البوليمرات الطبيعية، أو يتكون من مونومرات مختلفة كما في أغلب البوليمرات الصناعية.
أشرنا مسبقًا إلى أن عملية اتحاد المونمرات لتكوين البوليمر تعرف بعملية البلمرة، وتتطلب العملية 100 جزيءٍ على الأقل من جزيئات المونومر لتكون البوليمر، وهذه الجزيئات قد تكون كلها متماثلة أو تكون جزيئاتٍ نوعين أو ثلاثة أو حتى أكثر من المواد الكيميائية.
نوعا البلمرة
- البلمرة بالتكاثف (Condensation Polymerization): تُنزع في كل خطوةٍ من خطوات العملية ذرات من جزيئات المونومرات لتكوين جزيء بسيط يكون عادةً جزيء ماء، وتستخدم البلمرة بالتكاثف عند اتحاد مونومرات مختلفة.
- البلمرة بالإضافة (Addition Polymerization): تضاف المونومرات إلى بعضها دون نزع جزيء صغير، وجزيئات المونومر في هذه الحالة تكون لمركبٍ واحدٍ، والمثال في بداية المقال (تكوين البولي إيثلين عبر بلمرة مونومرات من الإيثلين) هو مثالٌ على عملية البلمرة بالإضافة..
تصنيف البوليمرات
توجد عدة تصنيفاتٍ للبوليمرات نظرًا لتعقيد تركيبها واختلاف سلوكها الكيميائي والفيزيائي وتطبيقاتها المختلفة. نورد هنا بعض التصنيفات المختلفة للبوليمرات:
تصنيف البوليمرات حسب مصدرها
- بوليمرات طبيعية (Natural Polymers): توجد في الطبيعة في النباتات والحيوانات، من أمثلتها البروتينات والنشا والسيليلوز والمطاط.
- بوليمرات شبه صناعية (Semi-synthetic Polymers): هي بوليمرات طبيعية بالأساس تُعدل صناعيًّا، منها بوليمر نترات السليلوز وبوليمر أسيتات السليلوز.
- بوليمرات صناعية (Synthetic Polymers): تُصنع هذه البوليمرات عبر عمليات البلمرة، البلاستيك هو أشهر تلك البوليمرات الصناعية.
تصنيف البوليمرات حسب تركيب سلسلة المونومرات
- بوليمرات خطية (Linear Polymers): تكون السلسلة طويلةً ومستقيمةً كما في مثال البولي إيثلين، هنالك بوليمرات أخرى تندرج تحت هذا التصنيف منها البولي بروبلين (PP)، والبولي فينيل كلوريد (PVC) المعروف باستخداماته في صناعة المواد البلاستيكية المرنة كالمواسير والخراطيم والعبوات البلاستيكية.
- بوليمرات ذات سلسلة متفرعة (Branched-Chain Polymers): في هذه البوليمرات تخرج فروع من السلسلة الخطية.
- بوليمرات متشابكة (Cross-Linked Polymers): ترتبط فيها سلسلتان أو أكثر من المونومرات معًا بروابطَ تساهميةٍ أو أيونية.
تصنيف البوليمرات حسب نوع البلمرة
- بوليمرات ناتجة عن البلمرة بالإضافة: منها البولي إيثلين والبولي فينيل كلوريد والتفلون.
- بوليمرات ناتجة عن البلمرة بالتكاثف: منها النيلون والبولي إسترات.
تصنيف البوليمرات حسب القوى بين الجزيئات
- بوليمرات مرنة (Elastomers): لديها قوى تداخل ضعيفة، وتمتاز بالمرونة، عادةً ما يكون المقصود بالبوليمرات المرنة المطاط.
- ألياف (Fibers): قوى التداخل الجزيئية قوية، وتمتاز الألياف بالقوة والمتانة وقوة الشد، من أمثلة الألياف النيلون والبولي إسترات.
- لدائن حرارية (Thermoplastics): لديها قوى تداخل مؤقتة، يعد البولي فينيل كلوريد من اللدائن الحرارية.
- لدائن صلبة بالحرارة (Thermosetting polymers): تتصلب هذه البوليمرات بالحرارة، منها السيليكون والايبوكسي..
خصائص مادة البوليمر
- المقاومة الكميائية: تعبر عن مقاومة مادةٍ ما لتأثير المواد الكيميائية الأخرى. في حالة البوليمرات نجدها تظهر تفاوتًا كبيرًا في مقاومتها للمواد الكيميائية، فالبولي إيثلين لا يتأثر بالماء في حين يذوب بولي فينيل الكحول (Poly vinyl alcohol) في الماء. هنالك تأثيران آخران للمواد الكيميائية المختلفة على البوليمرات، حيث يمكن أن تتسب المواد الكميائية في تليين البوليمر كما يفعل الماء في النيلون والأسيتون في البولي فينيل كلوريد، ويمكن أن تتفاعل المواد الكميائية مع البوليمر وينتج عن ذلك مادة جديدة كما يحدث عند تفاعل حمض النيتريك (حمض الآزوت) مع والسيليلوز لينتج النيتروسيليلوز.
- الخصائص الحرارية: تذوب أغلب البوليمرات عند درجات حرارة تفوق 200 درجةٍ مئويةٍ، ويتوقف ذلك على الثبات الحراري للمادة، والذي يعتمد بدوره على طاقة الروابط، حيث تبدأ حالة المادة في التغير مع وصول درجة الحرارة إلى الحد الذي يتسبب في تكسر الروابط.
- الخصائص الكهربية: معظم البوليمرات غير موصلةٍ للتيار الكهربي بسبب احتوائها على الروابط التساهمية، لكن بتعريضها للاجهاد الكهربي تسمح بمرور التيار، ويختلف ذلك من بوليمر لآخر.
- الخصائص الضوئية: تتفاعل بعض البوليمرات مع الضوء على عكس بعضها الآخر، ويتوقف ذلك على التركيب الجزيئي للبوليمر..
استخدمات مادة البوليمر
| البوليمر | الاستخدامات |
|---|---|
| بولي إيثلين (PE) | الأكياس، العبوات البلاستيكية، الأغلفة البلاستيكية |
| بولي بروبلين (PP) | الحبال، السجاد، الصناديق، الدلاء |
| بولي فاينيل كلوريد (PVC) | عازل لأسلاك الكهرباء، الأنابيب، المواسير |
| تفلون | مادة غير لاصقة لتبطين أواني الطهي |