Polímeros: História, Polimerização, Tipos, Propriedades e Exemplos

Polímeros são compostos moleculares que são caracterizados por possuírem uma alta massa molar (variando de milhares a milhões) e consistindo de um grande número de unidades, chamadas monômeros, que são repetidas.

Por terem a característica de serem moléculas grandes, essas espécies são chamadas macromoléculas, o que lhes confere qualidades únicas e muito diferentes daquelas observadas nas menores, apenas atribuíveis a esse tipo de substâncias, como a propensão que elas têm para conformar estruturas de vidro.

Da mesma forma, por pertencerem a um grupo muito grande de moléculas, surgiu a necessidade de lhes atribuir uma classificação, razão pela qual se dividem em dois tipos: polímeros de origem natural, como proteínas e ácidos nucléicos; e os de fabricação sintética, como nylon ou lucite (mais conhecido como Plexiglas).

Os estudiosos começaram as investigações da ciência que existe por trás dos polímeros na década de 1920, quando observaram com curiosidade e perplexidade como algumas substâncias se comportam como madeira ou borracha. Então, os cientistas da época se dedicaram a analisar esses compostos tão presentes na vida cotidiana.

Ao atingir um certo nível de entendimento sobre a natureza dessas espécies, pudemos entender sua estrutura e avançar na criação de macromoléculas que poderiam facilitar o desenvolvimento e aprimoramento de materiais existentes, bem como a produção de novos materiais.

Da mesma forma, sabe-se que numerosos polímeros significativos contêm em sua estrutura átomos de nitrogênio ou oxigênio, ligados aos átomos de carbono, formando parte da cadeia principal da molécula.

Dependendo dos principais grupos funcionais que fazem parte dos monômeros, eles serão nomeados; por exemplo, se o monômero for formado por um éster, um poliéster é produzido.

História dos Polímeros

A história dos polímeros deve ser abordada a partir do

Desta forma, certos materiais de origem natural que têm sido amplamente utilizados desde a antiguidade (como celulose ou couro) são compostos principalmente de polímeros.

Século XIX

Ao contrário do que se poderia pensar, a composição dos polímeros era desconhecida até alguns séculos atrás, quando começaram a determinar como essas substâncias eram formadas, e até buscaram estabelecer algum método para alcançar a manufatura artificial.

A primeira vez que o termo "polímeros" foi usado foi no ano de 1833, graças ao químico sueco Jöns Jacob Berzelius, que o usou para se referir a substâncias de natureza orgânica que têm a mesma fórmula empírica, mas têm diferentes massas molares.

Esse cientista também foi encarregado de cunhar outros termos, como "isômero" ou "catálise"; embora seja digno de nota que naquela época o conceito dessas expressões era completamente diferente do que elas significam atualmente.

Após algumas experiências para obtenção de polímeros sintéticos a partir da transformação de espécies poliméricas naturais, o estudo desses compostos foi se tornando mais relevante.

O objetivo dessas investigações foi obter a otimização das propriedades já conhecidas desses polímeros e a obtenção de novas substâncias que pudessem atender a propósitos específicos em diferentes áreas das ciências.

Século XX

Ao observar que a borracha era solúvel em um solvente de natureza orgânica e, em seguida, a solução resultante exibia algumas características incomuns, os cientistas ficaram perturbados e não sabiam como explicá-los.

Através dessas observações, eles inferiram que substâncias como esta exibem um comportamento muito diferente das moléculas menores, como puderam notar ao estudar a borracha e suas propriedades.

Observaram que a solução estudada apresentou alta viscosidade, diminuição significativa no ponto de congelamento e pressão osmótica de pequena magnitude; a partir disso, pode-se deduzir que havia vários solutos de massa molar muito alta, mas os estudiosos se recusaram a acreditar nessa possibilidade.

Esses fenômenos, que também se manifestaram em certas substâncias como a gelatina ou o algodão, levaram cientistas da época a pensar que esse tipo de substância era composto de agregados de pequenas unidades moleculares, como C ₅ H ₈ ou C _10. H ₁₆, ligado por forças intermoleculares.

Embora esse pensamento errôneo tenha permanecido por alguns anos, a definição que persiste até os dias atuais foi a concedida pelo químico alemão e ganhador do Prêmio Nobel de Química, Hermann Staudinger.

Século XXI

A atual definição dessas estruturas como substâncias macromoleculares ligadas por ligações covalentes foi cunhada em 1920 por Staudinger, que insistiu em planejar e realizar experimentos até encontrar evidências dessa teoria durante os dez anos seguintes.

O desenvolvimento da chamada "química polimérica" começou e desde então apenas captou o interesse de pesquisadores de todo o mundo, contando entre as páginas de sua história cientistas muito importantes, entre os quais se destacam Giulio Natta, Karl Ziegler, Charles Goodyear, entre outros, além daqueles anteriormente nomeados.

Atualmente, macromoléculas poliméricas são estudadas em diferentes áreas científicas, tais como ciência de polímeros ou biofísica, onde as substâncias resultantes da ligação de monômeros através de ligações covalentes com diferentes métodos e propósitos são investigadas.

Certamente, de polímeros naturais, como o poliisopreno, até os de origem sintética, como o poliestireno, eles são usados com muita frequência, sem prejudicar outras espécies, como os silicones, compostos de monômeros baseados em silício.

Além disso, muitos destes compostos de origem natural e sintética são constituídos por duas ou mais classes diferentes de monómeros, tendo estas espécies poliméricas recebido o nome de copolímeros.

Polimerização

A fim de aprofundar a questão dos polímeros, devemos começar falando sobre a origem da palavra polímero, que vem do grego polys, que significa "muito"; e mero, que se refere às "partes" de alguma coisa.

Este termo é usado para designar compostos moleculares que possuem uma estrutura consistindo de muitas unidades repetitivas, isto causa a propriedade de uma massa molecular relativa alta e outras características intrínsecas destes.

Assim, as unidades que compõem os polímeros são baseadas em espécies moleculares que possuem uma massa molecular relativa de pequena magnitude.

Nesta ordem de ideias, o termo polimerização aplica-se apenas a polímeros sintéticos, mais especificamente aos processos utilizados para obter este tipo de macromoléculas.

Portanto, a polimerização pode ser definida como a reação química usada na combinação de monômeros (um de cada vez) para produzir os correspondentes polímeros a partir deles.

Desta forma, a síntese de polímeros é realizada através de dois tipos de reações principais: reações de adição e reações de condensação, que serão descritas em detalhes abaixo.

Polimerização por reações de adição

Este tipo de polimerização tem a participação de moléculas insaturadas que possuem ligações duplas ou triplas em sua estrutura, especialmente carbono-carbono.

Nestas reações, os monômeros sofrem combinações um com o outro sem a eliminação de qualquer de seus átomos, onde as espécies poliméricas sintetizadas pela quebra ou abertura do anel podem ser obtidas sem gerar a eliminação de pequenas moléculas.

Do ponto de vista cinético, esta polimerização pode ser vista como uma reação de três etapas: iniciação, propagação e terminação.

Em primeiro lugar, ocorre o início da reação, na qual o aquecimento é aplicado a uma molécula considerada como um iniciador (denotado como R2) para gerar duas espécies de radicais da seguinte maneira:

R ₂ → 2R ∙

Se a produção de polietileno é usada como exemplo, então o próximo passo é a propagação, onde o radical reativo formado se aproxima de uma molécula de etileno e uma nova espécie radical é formada como segue:

R ∙ + CH ₂ = CH ₂ R R-CH ₂ -CH ₂ ∙

Este novo radical é posteriormente combinado com outra molécula de etileno, e este processo continua sucessivamente até a combinação de dois radicais de cadeia longa para finalmente originar o polietileno, na reação conhecida como terminação.

Polimerização por reações de condensação

No caso da polimerização por reações de condensação, a combinação de dois monômeros diferentes geralmente ocorre, além da conseqüente eliminação de uma molécula pequena, que geralmente é água.

Da mesma forma, os polímeros produzidos por essas reações geralmente têm heteroátomos, como oxigênio ou nitrogênio, formando parte de sua estrutura principal. Acontece também que a unidade repetitiva que representa a base de sua cadeia não possui a totalidade dos átomos que estão no monômero ao qual ela poderia ser degradada.

Por outro lado, existem métodos que foram desenvolvidos mais recentemente, dentre os quais destaca-se a polimerização por plasma, cujas características não concordam perfeitamente com nenhum dos tipos de polimerização explicados acima.

Deste modo, as reacções de polimerização de origem sintética, tanto a adição como a condensação, podem ocorrer na ausência ou na presença de uma espécie de catalisador.

A polimerização de condensação é amplamente utilizada na fabricação de muitos compostos comumente presentes na vida diária, como o dacron (mais conhecido como poliéster) ou o nylon.

Outras formas de polimerização

Além desses métodos de síntese de polímeros artificiais, há também a síntese biológica, que é definida como a área de estudo responsável pela investigação de biopolímeros, os quais são divididos em três categorias principais: polinucleotídeos, polipeptídeos e polissacarídeos.

Em organismos vivos, a síntese pode ser realizada naturalmente, através de processos que envolvem a presença de catalisadores, como a enzima polimerase, na produção de polímeros como o ácido desoxirribonucléico (DNA).

Em outros casos, a maioria das enzimas usadas na polimerização bioquímica são proteínas, que são polímeros formados com base em aminoácidos e que são indispensáveis na grande maioria dos processos biológicos.

Além das substâncias biopoliméricas obtidas por esses métodos, há outras de grande relevância no âmbito comercial, como a borracha vulcanizada, produzida através do aquecimento de borracha de origem natural na presença de enxofre.

Assim, dentre as técnicas utilizadas para a síntese polimérica, através da modificação química de polímeros de origem natural, estão o acabamento, a reticulação e a oxidação.

Tipos de polímeros

Os tipos de polímeros podem ser classificados de acordo com diferentes características; por exemplo, eles são classificados em termoplásticos, termofixos ou elastômeros de acordo com sua resposta física ao aquecimento.

Além disso, dependendo do tipo de monómeros a partir dos quais são formados, podem ser homopolímeros ou copolímeros.

Da mesma forma, de acordo com o tipo de polimerização pela qual são produzidos, podem ser polímeros de adição ou condensação.

Além disso, polímeros naturais ou sintéticos podem ser obtidos dependendo da origem dos mesmos; ou orgânico ou inorgânico, dependendo da sua composição química.

Propriedades

- Sua característica mais notável é a identidade repetitiva de seus monômeros como base de sua estrutura.

- Suas propriedades elétricas variam de acordo com o seu propósito.

- Possuem propriedades mecânicas, como elasticidade ou resistência à tração, que definem seu comportamento macroscópico.

- Alguns polímeros exibem importantes propriedades ópticas.

- A microestrutura que eles possuem afeta diretamente suas outras propriedades.

- As características químicas dos polímeros são determinadas pelas interações do tipo atrativo entre as cadeias que as formam.

- Suas propriedades de transporte estão relacionadas à velocidade do movimento intermolecular.

- O comportamento de seus estados de agregação está relacionado à sua morfologia.

Exemplos de polímeros

Entre o grande número de polímeros que existem são os seguintes:

Poliestireno

Utilizado em contêineres de diferentes tipos, bem como em contêineres utilizados como isolantes térmicos (para resfriar água ou armazenar gelo) e até mesmo em brinquedos.