Kimia Sekolah — Kelas 1 sampai 12 · Grades 1–12

49Polimer

Jaket bulu sintetis dapat dipintal dari botol-botol minuman yang dilelehkan; tali panjat tebing dibuat dari nilon; halaman ini adalah selulosa, yang dibuat oleh pohon. Ketiganya adalah polimer: molekul-molekul sepanjang ribuan atom, yang dibangun dengan mengulang satu satuan kecil berkali-kali. Sifat-sifatnya — lunak atau kaku, lentur atau rapuh, dapat dilelehkan atau tidak — tidak terlalu ditentukan oleh atom-atom yang dikandungnya, melainkan oleh cara rantai panjangnya tersusun.

Yang sudah kamu ketahui

Plastik tersusun atas molekul-molekul yang sangat panjang; termoplastik melunak jika dipanaskan, termoset tidak (Bab 15). Gugus alkohol, asam, ester, amina, dan amida (Bab 33). Adisi menggabungkan dua molekul menjadi satu tanpa kehilangan satu atom pun (Bab 40).

Botol minuman bekas dan jaket bulu sintetis: polimer yang sama, dalam dua bentuk.

49.1 Monomer, polimer, unit ulang

Definisi 49.1 (Polimer, monomer, polimerisasi)

Yang disebut polimer adalah zat yang tersusun atas molekul-molekul yang sangat besar, yaitu makromolekul, yang masing-masing dibangun dari banyak satuan kecil yang terikat satu demi satu. Molekul-molekul kecil pembentuknya disebut monomer-nya; reaksi yang menggabungkannya disebut polimerisasi.

Definisi 49.2 (Unit ulang, derajat polimerisasi)

Yang disebut unit ulang sebuah polimer adalah kelompok atom terkecil yang pengulangannya menghasilkan rantai itu; unit ini ditulis di antara kurung dengan indeks $n$ . Banyaknya unit ulang $n$ dalam sebuah rantai disebut derajat polimerisasi-nya.

Polimerisasi etena: n molekul monomer menghasilkan satu rantai polietena, yang unit ulangnya -CH2-CH2- ditulis di antara kurung. — Polimerisasi etena: $n$ molekul monomer menghasilkan satu rantai polietena, yang unit ulangnya $\ce{-CH2-CH2-}$ ditulis di antara kurung.

Proposisi 49.3 (Massa molar polimer)

Rantai dengan derajat polimerisasi $n$ memiliki massa molar

M(\text{polimer}) \approx n \times M(\text{unit ulang}) ,

karena kedua ujung rantai dapat diabaikan untuk $n$ yang besar.

Bukti. Rantai itu terdiri atas $n$ unit ulang ditambah dua gugus ujung yang masing-masing beberapa atom; untuk $n$ dalam orde ribuan, gugus-gugus ujung itu beratnya kurang dari seperseribu keseluruhannya. ∎

Contoh 49.4 (Sebuah rantai polietena)

Rantai polietena dengan massa molar $280\,000\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ memiliki $n = 280000/28.0 = 10000$ unit ulang, jadi dua puluh ribu atom karbon berderet. Dalam sampel nyata, rantai-rantainya tidak semuanya sama panjang: $n$ adalah nilai rata-rata.

49.2 Polimer adisi

Definisi 49.5 (Polimer adisi, polimer kondensasi)

Sebuah polimer adisi terbentuk melalui adisi monomer-monomer yang membawa ikatan rangkap $\ce{C=C}$ , tanpa produk lain: unit ulangnya memiliki atom-atom yang sama dengan monomernya. Sebuah polimer kondensasi terbentuk melalui reaksi antara dua gugus fungsi yang menggabungkan dua monomer dan melepaskan sebuah molekul kecil, biasanya air, pada setiap sambungannya.

monomer	polimer	unit ulang	kegunaan
etena $\ce{CH2=CH2}$	polietena (PE)	$\ce{-CH2-CH2-}$	kantong, botol
kloroetena $\ce{CH2=CHCl}$	poli(vinil klorida) (PVC)	$\ce{-CH2-CHCl-}$	pipa, kusen
feniletena $\ce{CH2=CH-C6H5}$	polistirena (PS)	$\ce{-CH2-CH(C6H5)-}$	gelas, busa
tetrafluoroetena $\ce{CF2=CF2}$	PTFE	$\ce{-CF2-CF2-}$	panci antilengket

Empat polimer adisi. Pada masing-masing, ikatan rangkap monomer terbuka, dan kedua karbonnya bergabung ke dalam rantai.

Metode 49.6 (Menemukan monomer dari sebuah polimer)

Temukan unit ulangnya: kelompok terkecil yang pengulangannya menghasilkan rantai itu.
Jika rantai utamanya hanya berisi atom karbon, polimer itu polimer adisi: kembalikan ikatan rangkap di antara kedua karbon rantai utama unit ulangnya. Itulah monomernya.
Jika rantai utamanya berisi sambungan ester atau amida, polimer itu polimer kondensasi: potonglah setiap sambungan, lalu kembalikan kepada setiap sisi atom-atom molekul kecil yang dilepaskan ( $\ce{-OH}$ kepada $\ce{C=O}$ , $\ce{-H}$ kepada $\ce{O}$ atau $\ce{N}$ ). Itulah monomer-monomernya.

Contoh 49.7 (Monomer PVC)

Rantai polimer ini, $\ce{-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-}$ , mengulang $\ce{-CH2-CHCl-}$ ; rantai utamanya hanya berisi karbon, jadi monomernya adalah $\ce{CH2=CHCl}$ , kloroetena.

49.3 Polimer kondensasi

Monomer dengan satu gugus reaktif hanya dapat berikatan sekali: monomer itu mengakhiri rantai. Untuk membangun rantai melalui kondensasi, setiap monomer memerlukan dua gugus, satu di setiap ujungnya.

Contoh 49.8 (PET, sebuah poliester)

Etana-1,2-diol, $\ce{HO-CH2-CH2-OH}$ , membawa dua gugus alkohol; asam benzena-1,4-dikarboksilat, $\ce{HOOC-C6H4-COOH}$ , membawa dua gugus asam. Setiap gugus asam membentuk ester dengan sebuah gugus alkohol dan melepaskan air: rantainya tumbuh dari kedua ujung. Polimernya adalah poli(etilena tereftalat), PET, bahan botol minuman dan serat poliester. Unit ulangnya, $\ce{C10H8O4}$ , memiliki massa molar $192.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , yaitu massa kedua monomer ( $62.0 + 166.0$ ) dikurangi dua molekul air ( $36.0$ ).

PET dari kedua monomernya: setiap sambungan ester (gugus -CO-O-) melepaskan satu molekul air. — PET dari kedua monomernya: setiap sambungan ester (gugus $\ce{-CO-O-}$ ) melepaskan satu molekul air.

Contoh 49.9 (Nilon-6,6, sebuah poliamida)

Heksana-1,6-diamina, $\ce{H2N-(CH2)6-NH2}$ , dan asam heksanadioat, $\ce{HOOC-(CH2)4-COOH}$ , bergabung melalui sambungan amida, yang masing-masing melepaskan satu molekul air:

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

Kedua angka enam pada namanya menyatakan jumlah atom karbon setiap monomer. Sambungan-sambungan amida rantai yang bersebelahan saling menarik melalui ikatan hidrogen, yang membuat serat nilon kuat.

Sejarah — Carothers dan nilon

Ahli kimia Wallace Carothers, yang memimpin laboratorium penelitian sebuah perusahaan kimia, bertekad membuktikan bahwa polimer benar-benar molekul raksasa dan membuatnya secara sengaja. Timnya mula-mula membuat poliester, yang terlalu mudah meleleh untuk berguna; pada tahun 1934 mereka beralih ke amina dan membuat poliamida, di antaranya serat yang kemudian dinamai nilon. Nilon mulai diproduksi pada tahun 1939, mula-mula sebagai stoking yang menggemparkan sebuah pameran dunia, lalu sebagai parasut, tali, dan bulu sikat gigi.

49.4 Struktur dan sifat

Dua sampel dari polimer yang sama dapat berperilaku sangat berbeda: yang menentukan adalah panjang rantainya, bentuknya, dan cara rantai-rantai itu tersusun rapat.

Proposisi 49.10 (Rantai dan sifat)

Rantai yang lebih panjang lebih banyak terbelit: bahannya lebih kuat dan meleleh pada suhu yang lebih tinggi.
Rantai linear dapat berjajar berdampingan dalam daerah yang teratur, kristalin; rantai bercabang tidak dapat, dan tetap tidak teratur, amorf. Daerah kristalin membuat polimer lebih rapat, lebih kaku, dan kurang bening.
Rantai yang berdampingan hanya karena gaya antarmolekul saling bergeser jika dipanaskan: polimernya termoplastik. Rantai yang dihubungkan oleh ikatan silang kovalen tidak dapat bergeser: polimernya termoset, atau, dengan sedikit ikatan silang, padatan elastis seperti karet.

Bukti. Pemanasan memberi rantai-rantai itu cukup energi untuk mengatasi gaya antarmolekul di antaranya (Bab 30), yang lebih lemah daripada ikatan kovalen; makin banyak persentuhan antarrantai, makin banyak energi yang diperlukan. Ikatan silang bersifat kovalen: memutusnya merusak bahan itu alih-alih melelehkannya. ∎

Empat susunan rantai polimer. Ikatan silang (jingga) adalah ikatan kovalen antarrantai.

Contoh 49.11 (Dua polietena)

Polietena yang dibuat pada tekanan sangat tinggi memiliki banyak cabang pendek: rantainya tersusun kurang rapat, dan polietena itu menghasilkan lembaran lunak dan bening untuk kantong. Jika dibuat dengan katalis pada tekanan rendah, rantainya hampir linear dan tersusun rapat dalam daerah-daerah kristalin: polietena itu lebih rapat dan lebih kaku, dan menghasilkan botol susu dan peti. Monomernya sama, unit ulangnya sama, arsitekturnya berbeda.

49.5 Polimer alami

Makhluk hidup telah membuat polimer jauh sebelum ahli kimia.

Selulosa dan pati sama-sama berupa rantai satuan glukosa, $\ce{C6H10O5}$ per satuan, yang bergabung dengan cara berbeda: selulosa membentuk serat yang lurus dan kuat (kayu, kapas, kertas); pati membentuk gulungan yang dapat dicerna tubuh.
Protein adalah rantai asam amino yang bergabung melalui sambungan amida, yaitu ikatan peptida seperti pada dipeptida dalam Bab 48.
DNA adalah rantai nukleotida; urutan keempat jenis satuannya menyimpan informasi genetik.
Karet alam adalah polimer adisi isoprena, $\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2}$ , yang dikumpulkan sebagai cairan seperti susu, yaitu lateks, dari kulit batang pohon karet. Jika dipanaskan dengan belerang, rantai-rantainya dihubungkan oleh jembatan belerang: karetnya menjadi lebih liat dan mempertahankan bentuknya, seperti pada ban.

Menyadap pohon karet: lateks mengalir dari sayatan pada kulit batang ke dalam sebuah mangkuk.

Catatan 49.12 (Membuat dan mengurai)

Termoplastik dapat dilelehkan dan dibentuk kembali: daur ulang mekanis. Polimer kondensasi juga dapat diuraikan menjadi monomer-monomernya melalui reaksi kebalikannya, yaitu hidrolisis, dan monomer-monomer itu dibuat menjadi polimer baru: daur ulang kimia. Termoset tidak dapat menjalani keduanya dengan mudah.

49.6 Latihan

Latihan 49.1 ★

Berikan monomer polipropena, yang unit ulangnya $\ce{-CH2-CH(CH3)-}$ .

Solusi

Solusi Latihan 49.1.

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

Latihan 49.2 ★

Tuliskan unit ulang polimer yang dibuat dari tetrafluoroetena, $\ce{CF2=CF2}$ . Apakah polimer itu polimer adisi atau polimer kondensasi?

Solusi

Solusi Latihan 49.2.

$\ce{-CF2-CF2-}$ ; polimer adisi: monomernya memiliki ikatan $\ce{C=C}$ dan tidak ada produk lain yang terbentuk.

Latihan 49.3 ★

Golongkan sebagai polimer adisi atau polimer kondensasi: polietena, PET, nilon, PVC, polistirena.

Solusi

Solusi Latihan 49.3.

Adisi: polietena, PVC, polistirena. Kondensasi: PET (sebuah poliester), nilon (sebuah poliamida).

Latihan 49.4 ★

Manakah di antara polimer-polimer ini yang alami: selulosa, nilon, pati, PVC, karet dari lateks, protein?

Solusi

Solusi Latihan 49.4.

Selulosa, pati, karet dari lateks, protein. Nilon dan PVC adalah polimer sintetis.

Latihan 49.5 ★

Mengapa setiap monomer sebuah polimer kondensasi harus membawa dua gugus reaktif?

Solusi

Solusi Latihan 49.5.

Setiap sambungan memakai satu gugus dari setiap monomer; dengan dua gugus, sebuah monomer dapat berikatan di kedua sisinya dan rantainya terus tumbuh. Monomer dengan satu gugus akan menghentikan rantai.

Latihan 49.6 ★★

Sebuah sampel PVC memiliki massa molar rata-rata $125\,000\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . Hitung derajat polimerisasinya.

Solusi

Solusi Latihan 49.6.

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

Latihan 49.7 ★★

Sebuah rantai polistirena memiliki derajat polimerisasi 2500. Hitung massa molarnya.

Solusi

Solusi Latihan 49.7.

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

Latihan 49.8 ★★

Asam laktat, $\ce{CH3-CH(OH)-COOH}$ , membawa sebuah gugus alkohol dan sebuah gugus asam. Tunjukkan bahwa asam itu dapat membentuk poliester dengan sendirinya, tuliskan unit ulangnya, dan sebutkan molekul kecil yang dilepaskan.

Solusi

Solusi Latihan 49.8.

Gugus asam sebuah molekul membentuk ester dengan gugus alkohol molekul berikutnya, yang masih memiliki gugus asam bebas: rantainya tumbuh. Unit ulangnya $\ce{-O-CH(CH3)-CO-}$ ; air dilepaskan pada setiap sambungan.

Latihan 49.9 ★★

Jelaskan, dengan gambar susunan rantai, mengapa lembaran kantong lunak dan bening sedangkan botol susu kaku dan buram.

Solusi

Solusi Latihan 49.9.

Lembaran kantong dibuat dari rantai bercabang, yang tidak dapat tersusun rapat: bahannya amorf, lunak, dan bening. Botol susu dibuat dari rantai yang hampir linear, yang tersusun rapat dalam daerah-daerah kristalin: lebih rapat, lebih kaku, dan daerah kristalin itu menghamburkan cahaya.

Latihan 49.10 ★★

Gagang sebuah panci terbuat dari termoset, demikian pula kenop tutup plastiknya. Uraikan rantai-rantainya. Mengapa keduanya tidak dapat dilelehkan dan didaur ulang?

Solusi

Solusi Latihan 49.10.

Rantai-rantainya dihubungkan oleh banyak ikatan silang kovalen. Pemanasan tidak dapat membuat rantai-rantainya bergeser; pemanasan memutus ikatan dan merusak bahan itu alih-alih melelehkannya.

Latihan 49.11 ★★

Sebuah rantai nilon-6,6 memiliki massa molar $22\,600\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . Hitung massa molar unit ulangnya $\ce{C12H22N2O2}$ , lalu derajat polimerisasinya.

Solusi

Solusi Latihan 49.11.

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

Latihan 49.12 ★★★

Tuliskan reaksi antara satu molekul heksana-1,6-diamina dan satu molekul asam heksanadioat, yang menghasilkan sambungan amida pertama. Mengapa produknya dapat terus bereaksi di kedua ujungnya?

Solusi

Solusi Latihan 49.12.

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

Produknya masih membawa gugus amina bebas di satu ujung dan gugus asam bebas di ujung lainnya: masing-masing dapat bereaksi dengan monomer lain.

Latihan 49.13 ★★★

Berapa massa air yang dilepaskan ketika $1.0\,\mathrm{kg}$ nilon-6,6 dibuat?

Solusi

Solusi Latihan 49.13.

Dua molekul air per unit ulang. $n = 1000/226.0 = 4.42\,\mathrm{mol}$ unit ulang, jadi $8.85\,\mathrm{mol}$ air: $8.85 \times 18.0 = 159\,\mathrm{g}$ .

Latihan 49.14 ★★★

Karet alam lunak dan lengket ketika hangat; jika dipanaskan dengan belerang, karet itu menjadi karet ban yang elastis dan liat. Jelaskan dengan rantai-rantainya. Mengapa ban begitu sulit didaur ulang?

Solusi

Solusi Latihan 49.14.

Karet alam yang hangat tersusun atas rantai-rantai yang saling bergeser. Jembatan belerang menghubungkan rantai-rantai itu: rantai dapat meregang tetapi kembali lagi, dan tidak lagi mengalir. Karena berikatan silang, ban tidak dapat dilelehkan dan dibentuk ulang.

Latihan 49.15 ★★★

Pati dan selulosa memiliki rumus yang sama per satuan, $\ce{C6H10O5}$ . Sebuah rantai selulosa memiliki massa molar $1.6 \times 10^{6}\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . Berapa satuan glukosa yang dikandungnya? Berapa panjangnya, jika setiap satuan menambah $0.5\,\mathrm{nm}$ pada panjangnya?

Solusi

Solusi Latihan 49.15.

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

49.7 Soal: Dari Botol menjadi Jaket

Soal 49.1

Soal akhir pekan — berapa botol 25 g yang diperlukan untuk satu jaket bulu sintetis?

Sebuah jaket bulu sintetis dibuat dari $300\,\mathrm{g}$ serat PET. Botol bekas yang masing-masing $25\,\mathrm{g}$ dikumpulkan, dipilah, dicuci, dicacah, dilelehkan, dan dipintal; dalam proses ini $80\,\%$ massa botol berakhir sebagai serat di dalam jaket.

Bagian I — Polimernya.

Sebutkan kedua monomer PET dan gugus fungsi yang dibawanya.
Sambungan apa yang terbentuk di antara keduanya? Molekul kecil apa yang dilepaskan?
Apakah PET polimer adisi atau polimer kondensasi?
Hitung massa molar kedua monomer itu.
Simpulkan massa molar unit ulang $\ce{C10H8O4}$ , lalu periksalah dengan rumusnya.

Bagian II — Rantai-rantainya.

PET sebuah botol memiliki rantai dengan massa molar rata-rata $38\,400\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . Hitung derajat polimerisasinya.
Kira-kira berapa sambungan ester yang dikandung satu rantai?
PET botol sebagian bersifat kristalin. Apa artinya bagi rantai-rantainya?
Mengapa PET dapat dilelehkan dan dipintal menjadi serat?

Bagian III — Daur ulang.

Berapa massa botol yang diperlukan untuk satu jaket?
Berapa botol itu?
Apa yang terjadi pada sisa massanya?
Prinsip kimia hijau mana yang diterapkan daur ulang ini?

Bagian IV — Kembali ke monomer.

Tuliskan, untuk satu unit ulang, hidrolisis PET menjadi monomer-monomernya.
Berapa jumlah unit ulang dalam $1.00\,\mathrm{kg}$ PET?
Berapa massa setiap monomer yang dihasilkan hidrolisis sempurna $1.00\,\mathrm{kg}$ PET?
Berapa massa air yang dihabiskannya? Periksalah kekekalan massanya.
Berikan satu keunggulan daur ulang kimia ini dibandingkan pelelehan.
Nyatakan jawaban akhirnya: berapa botol $25\,\mathrm{g}$ yang diperlukan untuk satu jaket bulu sintetis?

Solusi

Solusi Soal 49.1.

1. Etana-1,2-diol (dua gugus alkohol) dan asam benzena-1,4-dikarboksilat (dua gugus asam karboksilat).

2. Sambungan ester; air dilepaskan.

3. Polimer kondensasi.

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

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

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

7. Dua sambungan ester per unit ulang: sekitar 400.

8. Rantai-rantainya sebagian besar linear, dan sebagian dari rantai itu berjajar dalam daerah-daerah yang teratur.

9. PET adalah termoplastik: rantainya tidak berikatan silang dan saling bergeser jika panas.

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

11. $375/25 = 15$ botol.

12. Tutup, label, kotoran, dan sisa potongan disingkirkan atau hilang selama pemilahan, pencucian, dan pemintalan.

13. Mencegah limbah (prinsip 1): benda bekas menjadi bahan baku.

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

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

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

17. $2 \times 5.21 \times 18.0 = 188\,\mathrm{g}$ air; $1000 + 188 = 323 + 865 = 1188\,\mathrm{g}$ : massa kekal.

18. Monomer-monomernya dapat dimurnikan dan menghasilkan PET baru yang sebaik PET baru, sedangkan pelelehan memperpendek rantainya sedikit demi sedikit setiap kali.

19. Satu jaket bulu sintetis memerlukan 15 botol $25\,\mathrm{g}$ .

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium