البوليمرات: التاريخ ، البلمرة ، الأنواع ، الخصائص - كيمياء - 2026

و البوليمرات هي مركبات جزيئية تتميز من خلال وجود الكتلة المولية العالية (بدءا من آلاف إلى ملايين) وتتكون من عدد كبير من الوحدات، ودعا أحادية، التي تتكرر.

نظرًا لأن لها خاصية كونها جزيئات كبيرة ، فإن هذه الأنواع تسمى الجزيئات الكبيرة ، مما يمنحها صفات فريدة تختلف تمامًا عن تلك التي لوحظت في الأصغر منها ، والتي تُعزى فقط إلى هذا النوع من المواد ، مثل ميلها إلى تشكيل الهياكل الزجاجية.

وبنفس الطريقة ، نظرًا لأنهم ينتمون إلى مجموعة كبيرة جدًا من الجزيئات ، فقد نشأت الحاجة لمنحهم تصنيفًا ، يتم تقسيمهم إلى نوعين: البوليمرات ذات الأصل الطبيعي ، مثل البروتينات والأحماض النووية ؛ وتلك المصنوعة من المواد التركيبية ، مثل النايلون أو اللوسيت (المعروف باسم زجاجي زجاجي).

بدأ العلماء تحقيقاتهم في العلم وراء البوليمرات في عشرينيات القرن الماضي ، عندما لاحظوا بفضول وذهول كيف تتصرف مواد مثل الخشب أو المطاط. لذلك بدأ العلماء في ذلك الوقت بتحليل هذه المركبات الموجودة في الحياة اليومية.

من خلال الوصول إلى مستوى معين من الفهم حول طبيعة هذه الأنواع ، كان من الممكن فهم هيكلها والتقدم في إنشاء الجزيئات الكبيرة التي يمكن أن تسهل تطوير وتحسين المواد الموجودة ، وكذلك إنتاج مواد جديدة.

وبالمثل ، من المعروف أن العديد من البوليمرات المهمة تحتوي على ذرات نيتروجين أو أكسجين في بنيتها ، مرتبطة بذرات الكربون ، وتشكل جزءًا من السلسلة الرئيسية للجزيء.

اعتمادًا على المجموعات الوظيفية الرئيسية التي تشكل جزءًا من المونومرات ، سيتم إعطاؤهم أسمائهم ؛ على سبيل المثال ، إذا تم تشكيل المونومر بواسطة إستر ، يتم إنشاء بوليستر.

تاريخ البوليمرات

يجب التعامل مع تاريخ البوليمرات بدءًا من الإشارات إلى أول البوليمرات المعروفة.

بهذه الطريقة ، فإن بعض المواد ذات الأصل الطبيعي التي تم استخدامها على نطاق واسع منذ العصور القديمة (مثل السليلوز أو الجلد) تتكون أساسًا من البوليمرات.

القرن التاسع عشر

على عكس ما قد يعتقده المرء ، كان تكوين البوليمرات غير معروف حتى قرنين من الزمان ، عندما بدأت في تحديد كيفية تشكل هذه المواد ، وسعى حتى إلى إنشاء طريقة لتحقيق التصنيع الاصطناعي.

كانت المرة الأولى التي استخدم فيها مصطلح "البوليمرات" في عام 1833 ، وذلك بفضل الكيميائي السويدي يونس جاكوب برزيليوس ، الذي استخدمه للإشارة إلى مواد ذات طبيعة عضوية لها نفس الصيغة التجريبية ولكن لها كتل مولية مختلفة.

كان هذا العالم مسؤولاً أيضًا عن صياغة مصطلحات أخرى ، مثل "أيزومر" أو "تحفيز" ؛ على الرغم من أنه يجب ملاحظة أنه في ذلك الوقت كان مفهوم هذه التعبيرات مختلفًا تمامًا عما تعنيه اليوم.

بعد بعض التجارب للحصول على بوليمرات تركيبية من تحول الأنواع البوليمرية الطبيعية ، اكتسبت دراسة هذه المركبات أهمية أكبر.

كان الغرض من هذه التحقيقات هو تحقيق الاستفادة المثلى من الخصائص المعروفة بالفعل لهذه البوليمرات والحصول على مواد جديدة يمكن أن تفي بأغراض محددة في مختلف مجالات العلوم.

القرن العشرين

لاحظ العلماء أن المطاط كان قابلًا للذوبان في مذيب ذو طبيعة عضوية ، ثم أظهر المحلول الناتج بعض الخصائص غير العادية ، وكان العلماء قلقين ولم يعرفوا كيف يفسرونها.

من خلال هذه الملاحظات ، استنتجوا أن مواد مثل هذه تظهر سلوكًا مختلفًا تمامًا عن الجزيئات الأصغر ، حيث كانوا قادرين على الملاحظة أثناء دراسة المطاط وخصائصه.

وأشاروا إلى أن المحلول المدروس يحتوي على لزوجة عالية ، وانخفاض كبير في درجة التجمد وضغط تناضحي صغير ؛ من هذا يمكن استنتاج أن هناك العديد من المواد المذابة ذات الكتلة المولية العالية جدًا ، لكن العلماء رفضوا الإيمان بهذا الاحتمال.

هذه الظواهر ، التي تجلت أيضًا في بعض المواد مثل الجيلاتين أو القطن ، جعلت العلماء في ذلك الوقت يعتقدون أن هذه الأنواع من المواد كانت مكونة من مجاميع من وحدات جزيئية صغيرة ، مثل C ₅ H ₈ أو C ₁₀ H ₁₆ ، مرتبطة بالقوى بين الجزيئات.

على الرغم من بقاء هذا التفكير الخاطئ لعدة سنوات ، إلا أن التعريف الذي استمر حتى يومنا هذا هو التعريف الذي قدمه له الكيميائي الألماني والفائز بجائزة نوبل في الكيمياء ، هيرمان ستودينجر.

القرن الحادي والعشرون

تم صياغة التعريف الحالي لهذه الهياكل على أنها مواد جزيئية كبيرة مرتبطة بروابط تساهمية في عام 1920 من قبل Staudinger ، الذي أصر على ابتكار وإجراء التجارب حتى وجد دليلاً على هذه النظرية خلال السنوات العشر القادمة.

بدأ تطوير ما يسمى بـ "كيمياء البوليمر" ومنذ ذلك الحين لم تستحوذ إلا على اهتمام الباحثين في جميع أنحاء العالم ، معتبرين من بين صفحات تاريخها علماء مهمين جدًا ، بما في ذلك جوليو ناتا وكارل زيجلر ، تشارلز جوديير ، من بين آخرين ، بالإضافة إلى من سبق ذكرهم.

في الوقت الحاضر ، يتم دراسة الجزيئات البوليمرية الكبيرة في مجالات علمية مختلفة ، مثل علم البوليمر أو الفيزياء الحيوية ، حيث يتم فحص المواد الناتجة عن ربط المونومرات من خلال الروابط التساهمية بطرق وأغراض مختلفة.

بالتأكيد ، من البوليمرات الطبيعية مثل البولي إيزوبرين إلى تلك ذات الأصل الصناعي مثل البوليسترين ، يتم استخدامها بشكل متكرر ، دون التقليل من أهمية الأنواع الأخرى مثل السيليكون ، المكونة من المونومرات القائمة على السيليكون.

أيضًا ، يتكون جزء كبير من هذه المركبات ذات الأصل الطبيعي والاصطناعي من فئتين مختلفتين أو أكثر من المونومرات ، وقد تم تسمية هذه الأنواع البوليمرية باسم البوليمرات المشتركة.

البلمرة

من أجل الخوض في موضوع البوليمرات ، يجب أن نبدأ بالحديث عن أصل كلمة بوليمر ، والتي تأتي من المصطلحات اليونانية polys ، والتي تعني "الكثير" ؛ ومجرد ، التي تشير إلى "أجزاء" من شيء ما.

يستخدم هذا المصطلح لتعيين المركبات الجزيئية التي لها بنية مكونة من العديد من الوحدات المتكررة ، وهذا يسبب خاصية الكتلة الجزيئية النسبية العالية والخصائص الجوهرية الأخرى لهذه.

وبالتالي ، فإن الوحدات التي تتكون منها البوليمرات تعتمد على الأنواع الجزيئية التي لها كتلة جزيئية نسبية صغيرة نسبيًا.

في هذا السياق ، ينطبق مصطلح البلمرة فقط على البوليمرات الاصطناعية ، وبشكل أكثر تحديدًا على العمليات المستخدمة للحصول على هذا النوع من الجزيئات الكبيرة.

لذلك ، يمكن تعريف البلمرة على أنها تفاعل كيميائي يستخدم في توليفة من المونومرات (واحدًا تلو الآخر) من أجل إنتاج البوليمرات المقابلة.

وهكذا ، يتم تصنيع البوليمرات من خلال نوعين رئيسيين من التفاعلات: تفاعلات إضافة وتفاعلات تكثيف ، والتي سيتم وصفها بالتفصيل أدناه.

البلمرة عن طريق تفاعلات الإضافة

يحتوي هذا النوع من البلمرة على مشاركة الجزيئات غير المشبعة التي لها روابط مزدوجة أو ثلاثية في بنيتها ، خاصة تلك الموجودة في الكربون والكربون.

في هذه التفاعلات ، تخضع المونومرات لتوليفات مع بعضها البعض دون القضاء على أي من ذراتها ، حيث يمكن الحصول على الأنواع البوليمرية المُصنَّعة عن طريق كسر الحلقة أو فتحها دون توليد إزالة الجزيئات الصغيرة.

من وجهة نظر حركية ، يمكن النظر إلى هذه البلمرة على أنها تفاعل من ثلاث خطوات: البدء والانتشار والإنهاء.

أولاً ، يحدث بدء التفاعل ، حيث يتم تطبيق التسخين على جزيء يعتبر بادئًا (يُشار إليه بالرمز R ₂) لتوليد نوعين جذريين على النحو التالي:

R ₂ → 2R ∙

إذا تم استخدام إنتاج البولي إيثيلين كمثال ، فإن الخطوة التالية هي التكاثر ، حيث يتعامل الجذور التفاعلية مع جزيء الإيثيلين ويتشكل نوع جذري جديد على النحو التالي:

R ∙ + CH ₂ = CH ₂ → R - CH ₂ –CH ₂ ∙

يتم دمج هذا الجذر الجديد لاحقًا مع جزيء إيثيلين آخر ، وتستمر هذه العملية على التوالي حتى يتم الجمع بين اثنين من الجذور طويلة السلسلة لتكوين البولي إيثيلين في النهاية ، في التفاعل المعروف باسم الإنهاء.

البلمرة عن طريق تفاعلات التكثيف

في حالة البلمرة من خلال تفاعلات التكثيف ، يحدث الجمع بين اثنين من المونومرات المختلفة بشكل عام ، بالإضافة إلى الإزالة اللاحقة لجزيء صغير ، وهو الماء بشكل عام.

وبالمثل ، غالبًا ما تحتوي البوليمرات التي تنتجها هذه التفاعلات على ذرات غير متجانسة ، مثل الأكسجين أو النيتروجين ، كجزء من العمود الفقري لها. يحدث أيضًا أن وحدة التكرار التي تمثل قاعدة سلسلتها لا تحتوي على جميع الذرات الموجودة في المونومر الذي يمكن أن تتحلل إليه.

من ناحية أخرى ، هناك طرق تم تطويرها مؤخرًا ، من بينها بلمرة البلازما ، والتي لا تتوافق خصائصها تمامًا مع أي من أنواع البلمرة الموضحة أعلاه.

بهذه الطريقة ، يمكن أن تحدث تفاعلات البلمرة ذات الأصل التخليقي ، سواء تلك الخاصة بالإضافة أو التكثيف ، في غياب أو في وجود نوع محفز.

تستخدم بلمرة التكثيف على نطاق واسع في تصنيع العديد من المركبات الشائعة في الحياة اليومية ، مثل الداكرون (المعروف باسم البوليستر) أو النايلون.

أشكال البلمرة الأخرى

بالإضافة إلى طرق تخليق البوليمر الاصطناعي هذه ، هناك أيضًا تخليق بيولوجي ، والذي يُعرَّف بأنه مجال الدراسة المسؤول عن البحث عن البوليمرات الحيوية ، والتي تنقسم إلى ثلاث فئات رئيسية: عديد النيوكليوتيدات ، وعديد البيبتيدات والسكريات.

في الكائنات الحية ، يمكن إجراء التخليق بشكل طبيعي ، من خلال العمليات التي تنطوي على وجود محفزات مثل إنزيم البوليميراز في إنتاج البوليمرات مثل الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA).

في حالات أخرى ، تكون معظم الإنزيمات المستخدمة في البلمرة الكيميائية الحيوية عبارة عن بروتينات ، وهي عبارة عن بوليمرات تتكون على أساس الأحماض الأمينية وهي ضرورية في الغالبية العظمى من العمليات البيولوجية.

بالإضافة إلى المواد البوليمرية الحيوية التي يتم الحصول عليها من خلال هذه الطرق ، هناك مواد أخرى ذات أهمية تجارية كبيرة ، مثل المطاط المفلكن الذي يتم إنتاجه عن طريق تسخين المطاط الطبيعي في وجود الكبريت.

وبالتالي ، من بين التقنيات المستخدمة لتخليق البوليمر من خلال التعديل الكيميائي للبوليمرات ذات الأصل الطبيعي ، التشطيب والتشابك والأكسدة.

أنواع البوليمرات

يمكن تصنيف أنواع البوليمرات وفقًا لخصائص مختلفة ؛ على سبيل المثال ، يتم تصنيفها إلى لدائن حرارية أو مواد صلبة حرارية أو إلاستومرات وفقًا لاستجابتها الفيزيائية للتدفئة.

علاوة على ذلك ، اعتمادًا على نوع المونومرات التي تتكون منها ، يمكن أن تكون بوليمرات متجانسة أو بوليمرات مشتركة.

وبالمثل ، وفقًا لنوع البلمرة التي يتم إنتاجها بها ، يمكن أن تكون عبارة عن بوليمرات إضافة أو تكثيف.

وبالمثل ، يمكن الحصول على بوليمرات طبيعية أو اصطناعية حسب أصلها ؛ أو عضوي أو غير عضوي حسب تركيبته الكيميائية.

الخصائص

- أبرز ما يميزه هو تكرار هوية مونومراته كأساس لبنيته.

- تختلف خواصه الكهربائية حسب الغرض منه.

- يقدمون خصائص ميكانيكية مثل المرونة أو المقاومة للجر ، والتي تحدد سلوكهم العياني.

- تظهر بعض البوليمرات خصائص بصرية مهمة.

- تؤثر البنية المجهرية التي تحتويها بشكل مباشر على خصائصها الأخرى.

- يتم تحديد الخصائص الكيميائية للبوليمرات من خلال التفاعلات الجذابة بين السلاسل التي تتكون منها.

- خصائص النقل لها علاقة بسرعة الحركة بين الجزيئات.

- يرتبط سلوك حالاتها التجميعية بمورفولوجيتها.

أمثلة على البوليمرات

من بين العدد الكبير من البوليمرات الموجودة ما يلي:

البوليسترين

تستخدم في حاويات من أنواع مختلفة ، وكذلك في حاويات تستخدم كعوازل حرارية (لتبريد الماء أو تخزين الثلج) وحتى في اللعب.

بولي تترافلورو إيثيلين

يُعرف باسم Teflon ، حيث يتم استخدامه كعازل كهربائي ، وكذلك في صناعة البكرات وتغليف أدوات المطبخ.

البولي فينيل كلورايد

يستخدم هذا البوليمر في إنتاج قنوات الجدران والبلاط والألعاب والأنابيب ، ويُعرف تجاريًا باسم PVC.

المراجع

1. ويكيبيديا. (سادس). بوليمر. تعافى من en.wikipedia.or
2. تشانغ ، ر. (2007). الكيمياء ، الطبعة التاسعة. المكسيك: ماكجرو هيل.
3. LibreTexts. (سادس). مقدمة في البوليمرات. تم الاسترجاع من chem.libretexts.org
4. كوي ، جي إم جي ، وأريغي ، ف. (2007). البوليمرات: كيمياء وفيزياء المواد الحديثة ، الطبعة الثالثة. تعافى من books.google.co.ve
5. بريتانيكا ، إي (بدون تاريخ). بوليمر. تعافى من britannica.com
6. موراويتز ، هـ. (2002). البوليمرات: أصول ونمو العلم. تعافى من books.google.co.ve