Química escolar — Años 1 a 12 · Grades 1–12

49Polímeros

Un forro polar puede hilarse a partir de botellas de bebida fundidas; una cuerda de escalada está hecha de nailon; esta página es celulosa, fabricada por los árboles. Los tres son polímeros: moléculas de miles de átomos de longitud, construidas repitiendo una y otra vez una pequeña unidad. Sus propiedades —blandos o rígidos, elásticos o quebradizos, fusibles o no— dependen menos de los átomos que contienen que de la forma en que se disponen sus largas cadenas.

Lo que ya sabes

Los plásticos están formados por moléculas muy largas; los termoplásticos se reblandecen al calentarlos y los termoestables no (Capítulo 15). Los grupos alcohol, ácido, éster, amina y amida (Capítulo 33). Una adición une dos moléculas en una sola sin perder ningún átomo (Capítulo 40).

Botellas de bebida usadas y un forro polar: el mismo polímero, con dos formas.

49.1 Monómeros, polímeros, unidades de repetición

Definición 49.1 (Polímero, monómero, polimerización)

Un polímero es una sustancia formada por moléculas muy grandes, las macromoléculas, cada una construida a partir de muchas unidades pequeñas enlazadas una tras otra. Las moléculas pequeñas a partir de las que se fabrica son sus monómeros; la reacción que las une es una polimerización.

Definición 49.2 (Unidad de repetición, grado de polimerización)

La unidad de repetición de un polímero es el grupo de átomos más pequeño cuya repetición da la cadena; se escribe entre corchetes con un subíndice $n$ . El número $n$ de unidades de repetición de una cadena es su grado de polimerización.

La polimerización del eteno: n moléculas de monómero dan una cadena de polietileno, cuya unidad de repetición -CH2-CH2- se escribe entre corchetes. — La polimerización del eteno: $n$ moléculas de monómero dan una cadena de polietileno, cuya unidad de repetición $\ce{-CH2-CH2-}$ se escribe entre corchetes.

Proposición 49.3 (Masa molar de un polímero)

Una cadena de grado de polimerización $n$ tiene una masa molar

M(\text{polímero}) \approx n \times M(\text{unidad de repetición}) ,

ya que los dos extremos de la cadena son despreciables para $n$ grande.

Demostración. La cadena son $n$ unidades de repetición más dos grupos terminales de unos pocos átomos cada uno; para $n$ del orden de miles, los grupos terminales pesan menos de una milésima parte del total. ∎

Ejemplo 49.4 (Una cadena de polietileno)

Una cadena de polietileno de masa molar $280\,000\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ tiene $n = 280000/28.0 = 10000$ unidades de repetición, es decir, veinte mil átomos de carbono en fila. En una muestra real, las cadenas no tienen todas la misma longitud: $n$ es un promedio.

49.2 Polímeros de adición

Definición 49.5 (Polímero de adición, polímero de condensación)

Un polímero de adición se forma por adiciones de monómeros que llevan un doble enlace $\ce{C=C}$ , sin ningún otro producto: su unidad de repetición tiene los mismos átomos que el monómero. Un polímero de condensación se forma por reacciones entre dos grupos funcionales que unen dos monómeros y liberan una molécula pequeña, normalmente agua, en cada enlace.

monómero	polímero	unidad de repetición	usos
eteno $\ce{CH2=CH2}$	polietileno (PE)	$\ce{-CH2-CH2-}$	bolsas, botellas
cloroeteno $\ce{CH2=CHCl}$	poli(cloruro de vinilo) (PVC)	$\ce{-CH2-CHCl-}$	tuberías, marcos
fenileteno $\ce{CH2=CH-C6H5}$	poliestireno (PS)	$\ce{-CH2-CH(C6H5)-}$	vasos, espuma
tetrafluoroeteno $\ce{CF2=CF2}$	PTFE	$\ce{-CF2-CF2-}$	sartenes antiadherentes

Cuatro polímeros de adición. En cada uno, el doble enlace del monómero se abre y sus dos carbonos se unen a la cadena.

Método 49.6 (Hallar el monómero a partir de un polímero)

Busca la unidad de repetición: el grupo más pequeño cuya repetición da la cadena.
Si la cadena principal solo contiene átomos de carbono, es un polímero de adición: vuelve a poner un doble enlace entre los dos carbonos de la cadena principal de la unidad de repetición. Ese es el monómero.
Si la cadena principal contiene enlaces éster o amida, es un polímero de condensación: corta cada enlace y devuelve a cada lado los átomos de la molécula pequeña liberada ( $\ce{-OH}$ al $\ce{C=O}$ , $\ce{-H}$ al $\ce{O}$ o al $\ce{N}$ ). Esos son los monómeros.

Ejemplo 49.7 (El monómero del PVC)

La cadena $\ce{-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-}$ repite $\ce{-CH2-CHCl-}$ ; solo contiene carbonos en su cadena principal, así que el monómero es $\ce{CH2=CHCl}$ , el cloroeteno.

49.3 Polímeros de condensación

Un monómero con un solo grupo reactivo solo puede enlazarse una vez: termina una cadena. Para construir una cadena por condensación, cada monómero necesita dos grupos, uno en cada extremo.

Ejemplo 49.8 (El PET, un poliéster)

El etano-1,2-diol, $\ce{HO-CH2-CH2-OH}$ , lleva dos grupos alcohol; el ácido benceno-1,4-dicarboxílico, $\ce{HOOC-C6H4-COOH}$ , dos grupos ácido. Cada grupo ácido forma un éster con un grupo alcohol y libera agua: la cadena crece por los dos extremos. El polímero es el poli(tereftalato de etileno), PET, el material de las botellas de bebida y de las fibras de poliéster. Su unidad de repetición, $\ce{C10H8O4}$ , tiene una masa molar de $192.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , es decir, los dos monómeros ( $62.0 + 166.0$ ) menos dos moléculas de agua ( $36.0$ ).

El PET a partir de sus dos monómeros: cada enlace éster (los grupos -CO-O-) libera una molécula de agua. — El PET a partir de sus dos monómeros: cada enlace éster (los grupos $\ce{-CO-O-}$ ) libera una molécula de agua.

Ejemplo 49.9 (El nailon 6,6, una poliamida)

La hexano-1,6-diamina, $\ce{H2N-(CH2)6-NH2}$ , y el ácido hexanodioico, $\ce{HOOC-(CH2)4-COOH}$ , se unen mediante enlaces amida, cada uno de los cuales libera una molécula de agua:

\cdots\ce{-NH-(CH2)6-NH-CO-(CH2)4-CO-}\cdots

Los dos seises del nombre cuentan los átomos de carbono de cada monómero. Los enlaces amida de cadenas vecinas se atraen por enlaces de hidrógeno, lo que hace resistentes las fibras de nailon.

Historia — Carothers y el nailon

El químico Wallace Carothers, que dirigía un laboratorio de investigación de una empresa química, se propuso demostrar que los polímeros eran auténticas moléculas gigantes y fabricarlos a propósito. Su equipo hizo primero poliésteres, que fundían con demasiada facilidad para ser útiles; en 1934 pasaron a las aminas y fabricaron poliamidas, entre ellas la fibra que más tarde se llamaría nailon. El nailon empezó a producirse en 1939, primero en forma de medias que causaron sensación en una Exposición Universal, y después en paracaídas, cuerdas y cerdas de cepillos de dientes.

49.4 Estructura y propiedades

Dos muestras del mismo polímero pueden comportarse de forma muy distinta: lo que cuenta es la longitud de las cadenas, su forma y cómo están empaquetadas.

Proposición 49.10 (Cadenas y propiedades)

Las cadenas más largas se enredan más: el material es más resistente y funde a una temperatura más alta.
Las cadenas lineales pueden alinearse unas junto a otras en regiones ordenadas, cristalinas; las cadenas ramificadas no pueden, y quedan desordenadas, amorfas. Las regiones cristalinas hacen un polímero más denso, más rígido y menos transparente.
Las cadenas unidas lado a lado solo por fuerzas intermoleculares se deslizan unas sobre otras al calentarlas: el polímero es un termoplástico. Las cadenas unidas por entrecruzamientos covalentes no pueden: el polímero es un termoestable o, con pocos entrecruzamientos, un sólido elástico de tipo caucho.

Demostración. Calentar da a las cadenas energía suficiente para vencer las fuerzas intermoleculares que hay entre ellas (Capítulo 30), más débiles que los enlaces covalentes; cuanto más contacto hay entre cadenas, más energía hace falta. Los entrecruzamientos son covalentes: romperlos destruye el material en lugar de fundirlo. ∎

Cuatro disposiciones de cadenas de polímero. Los entrecruzamientos (en naranja) son enlaces covalentes entre cadenas.

Ejemplo 49.11 (Dos polietilenos)

El polietileno fabricado a muy alta presión tiene muchas ramificaciones cortas: sus cadenas se empaquetan mal, y da películas blandas y transparentes para bolsas. Fabricado con un catalizador a baja presión, sus cadenas son casi lineales y se empaquetan en regiones cristalinas: es más denso y más rígido, y da botellas de leche y cajas. El mismo monómero, la misma unidad de repetición, distinta arquitectura.

49.5 Polímeros naturales

Los seres vivos fabricaron polímeros mucho antes que los químicos.

La celulosa y el almidón son cadenas de unidades de glucosa, $\ce{C6H10O5}$ por unidad, unidas de forma distinta: la celulosa forma fibras rectas y resistentes (madera, algodón, papel); el almidón forma espirales que el cuerpo digiere.
Las proteínas son cadenas de aminoácidos unidos por enlaces amida, los enlaces peptídicos del dipéptido del Capítulo 48.
El ADN es una cadena de nucleótidos; el orden de sus cuatro tipos de unidad almacena la información genética.
El caucho natural es un polímero de adición del isopreno, $\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2}$ , que se recoge como un líquido lechoso, el látex, de la corteza del árbol del caucho. Calentado con azufre, sus cadenas quedan unidas por puentes de azufre: el caucho se vuelve más duro y conserva su forma, como en un neumático.

Sangrado de un árbol del caucho: el látex fluye de un corte en la corteza a una taza.

Observación 49.12 (Hacer y deshacer)

Un termoplástico puede fundirse y moldearse de nuevo: es el reciclado mecánico. Un polímero de condensación también puede descomponerse en sus monómeros mediante la reacción inversa, una hidrólisis, y los monómeros pueden convertirse en polímero nuevo: es el reciclado químico. Un termoestable no admite fácilmente ninguno de los dos.

49.6 Ejercicios

Ejercicio 49.1 ★

Da el monómero del polipropileno, cuya unidad de repetición es $\ce{-CH2-CH(CH3)-}$ .

Solución

Solución de Ejercicio 49.1.

El propeno, $\ce{CH2=CH-CH3}$ .

Ejercicio 49.2 ★

Escribe la unidad de repetición del polímero fabricado a partir del tetrafluoroeteno, $\ce{CF2=CF2}$ . ¿Es un polímero de adición o de condensación?

Solución

Solución de Ejercicio 49.2.

$\ce{-CF2-CF2-}$ ; un polímero de adición: el monómero tiene un enlace $\ce{C=C}$ y no se forma ningún otro producto.

Ejercicio 49.3 ★

Clasifica como polímeros de adición o de condensación: polietileno, PET, nailon, PVC, poliestireno.

Solución

Solución de Ejercicio 49.3.

De adición: polietileno, PVC, poliestireno. De condensación: PET (un poliéster), nailon (una poliamida).

Ejercicio 49.4 ★

¿Cuáles de estos polímeros son naturales: celulosa, nailon, almidón, PVC, caucho del látex, proteínas?

Solución

Solución de Ejercicio 49.4.

La celulosa, el almidón, el caucho del látex y las proteínas. El nailon y el PVC son sintéticos.

Ejercicio 49.5 ★

¿Por qué cada monómero de un polímero de condensación debe llevar dos grupos reactivos?

Solución

Solución de Ejercicio 49.5.

Cada enlace usa un grupo de cada monómero; con dos grupos, un monómero puede enlazarse por ambos lados y la cadena sigue creciendo. Un monómero con un solo grupo detendría la cadena.

Ejercicio 49.6 ★★

Una muestra de PVC tiene una masa molar media de $125\,000\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . Calcula su grado de polimerización.

Solución

Solución de Ejercicio 49.6.

$M(\ce{C2H3Cl}) = 24.0 + 3.0 + 35.5 = 62.5\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $n = 125000/62.5 = 2000$ .

Ejercicio 49.7 ★★

Una cadena de poliestireno tiene un grado de polimerización de 2500. Calcula su masa molar.

Solución

Solución de Ejercicio 49.7.

$M(\ce{C8H8}) = 104.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $M = 2500 \times 104.0 = 2.60 \times 10^{5}\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

Ejercicio 49.8 ★★

El ácido láctico, $\ce{CH3-CH(OH)-COOH}$ , lleva un grupo alcohol y un grupo ácido. Demuestra que puede formar por sí solo un poliéster, escribe su unidad de repetición y nombra la molécula pequeña liberada.

Solución

Solución de Ejercicio 49.8.

El grupo ácido de una molécula forma un éster con el grupo alcohol de la siguiente, que todavía tiene un grupo ácido libre: la cadena crece. Unidad de repetición $\ce{-O-CH(CH3)-CO-}$ ; en cada enlace se libera agua.

Ejercicio 49.9 ★★

Explica, con la figura de las disposiciones de las cadenas, por qué las películas de las bolsas son blandas y transparentes, mientras que las botellas de leche son rígidas y opacas.

Solución

Solución de Ejercicio 49.9.

Las películas de las bolsas están hechas de cadenas ramificadas, que no pueden empaquetarse: el material es amorfo, blando y transparente. Las botellas de leche están hechas de cadenas casi lineales, que se empaquetan en regiones cristalinas: más densas, más rígidas, y las regiones cristalinas dispersan la luz.

Ejercicio 49.10 ★★

El mango de una sartén es un termoestable, y el pomo de plástico de su tapa también. Describe sus cadenas. ¿Por qué no pueden fundirse y reciclarse?

Solución

Solución de Ejercicio 49.10.

Sus cadenas están unidas por muchos entrecruzamientos covalentes. Al calentar no se consigue que las cadenas se deslicen; se rompen enlaces y el material se destruye en lugar de fundirse.

Ejercicio 49.11 ★★

Una cadena de nailon 6,6 tiene una masa molar de $22\,600\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . Calcula la masa molar de su unidad de repetición $\ce{C12H22N2O2}$ , y después su grado de polimerización.

Solución

Solución de Ejercicio 49.11.

$M(\ce{C12H22N2O2}) = 144.0 + 22.0 + 28.0 + 32.0 = 226.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $n = 22600/226.0 = 100$ .

Ejercicio 49.12 ★★★

Escribe la reacción entre una molécula de hexano-1,6-diamina y una de ácido hexanodioico, que da el primer enlace amida. ¿Por qué el producto puede seguir reaccionando por los dos extremos?

Solución

Solución de Ejercicio 49.12.

\ce{H2N(CH2)6NH2 + HOOC(CH2)4COOH -> H2N(CH2)6NHCO(CH2)4COOH + H2O} .

El producto todavía lleva un grupo amina libre en un extremo y un grupo ácido libre en el otro: cada uno puede reaccionar con otro monómero.

Ejercicio 49.13 ★★★

¿Qué masa de agua se libera al fabricar $1.0\,\mathrm{kg}$ de nailon 6,6?

Solución

Solución de Ejercicio 49.13.

Dos moléculas de agua por unidad de repetición. $n = 1000/226.0 = 4.42\,\mathrm{mol}$ de unidades de repetición, así que $8.85\,\mathrm{mol}$ de agua: $8.85 \times 18.0 = 159\,\mathrm{g}$ .

Ejercicio 49.14 ★★★

El caucho natural es blando y pegajoso cuando está caliente; calentado con azufre, se convierte en el caucho elástico y resistente de los neumáticos. Explícalo con las cadenas. ¿Por qué es tan difícil reciclar un neumático?

Solución

Solución de Ejercicio 49.14.

El caucho natural caliente está formado por cadenas que se deslizan unas sobre otras. Los puentes de azufre unen las cadenas: se estiran, pero recuperan su forma, y ya no fluyen. Al estar entrecruzado, un neumático no puede fundirse y volver a moldearse.

Ejercicio 49.15 ★★★

El almidón y la celulosa tienen la misma fórmula por unidad, $\ce{C6H10O5}$ . Una cadena de celulosa tiene una masa molar de $1.6 \times 10^{6}\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . ¿Cuántas unidades de glucosa contiene? ¿Qué longitud tiene, si cada unidad añade $0.5\,\mathrm{nm}$ a su longitud?

Solución

Solución de Ejercicio 49.15.

$M(\ce{C6H10O5}) = 162.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $n = 1.6 \times 10^{6}/162.0 = 9900$ unidades; longitud $9900 \times 0.5 = 4900\,\mathrm{nm}$ , unos $5\,\text{µ}\mathrm{m}$ .

49.7 Problema: de la botella al forro polar

Problema 49.1

Problema de fin de semana — ¿cuántas botellas de 25 g hacen falta para un forro polar?

Un forro polar está hecho con $300\,\mathrm{g}$ de fibra de PET. Se recogen botellas usadas de $25\,\mathrm{g}$ cada una, que se clasifican, se lavan, se trituran, se funden y se hilan; en este proceso, el $80\,\%$ de la masa de las botellas acaba como fibra en el forro.

Parte I — El polímero.

Nombra los dos monómeros del PET y los grupos funcionales que llevan.
¿Qué enlace se forma entre ellos? ¿Qué molécula pequeña se libera?
¿Es el PET un polímero de adición o de condensación?
Calcula las masas molares de los dos monómeros.
Deduce la masa molar de la unidad de repetición $\ce{C10H8O4}$ y compruébala con su fórmula.

Parte II — Las cadenas.

El PET de una botella tiene cadenas de masa molar media $38\,400\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . Calcula el grado de polimerización.
¿Cuántos enlaces éster contiene, aproximadamente, una cadena?
El PET de las botellas es en parte cristalino. ¿Qué dice eso de sus cadenas?
¿Por qué se puede fundir el PET e hilarlo en forma de fibra?

Parte III — El reciclado.

¿Qué masa de botellas hace falta para un forro polar?
¿Cuántas botellas son?
¿Qué ocurre con el resto de la masa?
¿Qué principio de la química verde aplica este reciclado?

Parte IV — Vuelta a los monómeros.

Escribe, para una unidad de repetición, la hidrólisis del PET en sus monómeros.
¿Qué cantidad de unidades de repetición hay en $1.00\,\mathrm{kg}$ de PET?
¿Qué masas de cada monómero da la hidrólisis completa de $1.00\,\mathrm{kg}$ de PET?
¿Qué masa de agua consume? Comprueba la conservación de la masa.
Da una ventaja de este reciclado químico frente a la fusión.
Da la respuesta final: ¿cuántas botellas de $25\,\mathrm{g}$ hacen falta para un forro polar?

Solución

Solución de Problema 49.1.

1. El etano-1,2-diol (dos grupos alcohol) y el ácido benceno-1,4-dicarboxílico (dos grupos ácido carboxílico).

2. Un enlace éster; se libera agua.

3. Un polímero de condensación.

4. $M(\ce{C2H6O2}) = 62.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $M(\ce{C8H6O4}) = 166.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

5. $62.0 + 166.0 - 2 \times 18.0 = 192.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; y $10 \times 12.0 + 8 \times 1.0 + 4 \times 16.0 = 192.0$ .

6. $n = 38400/192.0 = 200$ .

7. Dos enlaces éster por unidad de repetición: unos 400.

8. Sus cadenas son mayoritariamente lineales, y partes de ellas se alinean en regiones ordenadas.

9. Es un termoplástico: sus cadenas no están entrecruzadas y se deslizan unas sobre otras en caliente.

10. $300/0.80 = 375\,\mathrm{g}$ .

11. $375/25 = 15$ botellas.

12. Los tapones, las etiquetas, la suciedad y los recortes se eliminan o se pierden durante la clasificación, el lavado y el hilado.

13. Prevenir los residuos (principio 1): un objeto usado se convierte en materia prima.

14. $\ce{C10H8O4 + 2H2O -> C2H6O2 + C8H6O4}$ .

15. $1000/192.0 = 5.21\,\mathrm{mol}$ .

16. Diol: $5.21 \times 62.0 = 323\,\mathrm{g}$ ; ácido: $5.21 \times 166.0 = 865\,\mathrm{g}$ .

17. $2 \times 5.21 \times 18.0 = 188\,\mathrm{g}$ de agua; $1000 + 188 = 323 + 865 = 1188\,\mathrm{g}$ : la masa se conserva.

18. Los monómeros pueden purificarse y dar PET nuevo tan bueno como el original, mientras que la fusión acorta un poco las cadenas cada vez.

19. Un forro polar necesita 15 botellas de $25\,\mathrm{g}$ .

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