I Polimeri
I polimeri (dal greco molte parti) sono macromolecole, ovvero molecole dall'elevato peso molecolare, costituite da un gran numero di piccole molecole, i monomeri tra loro uguali o simili unite a catena mediante la ripetizione dello stesso tipo di legame.
[col termine monomero (dal greco una parte) in chimica si definisce una molecola semplice dotata di gruppi funzionali tali per cui sia in grado di combinarsi ricorsivamente con altre molecole - identiche a sé o reattivamente complementari a sé - a formare macromolecole.
Per estensione, il termine viene usato anche per identificare l'unità strutturale ripetitiva che forma un polimero.
Esempi di monomero possono essere il cloruro di vinile o l'etene - nel caso di polimerizzazioni per addizione - oppure gli amminoacidi o la coppia acido adipico-esametilendiammina - nel caso di polimerizzazioni per condensazione]
Benché a rigore anche le macromolecole tipiche dei sistemi viventi (proteine, acidi nucleici, polisaccaridi) siano polimeri, col termine "polimeri" si intendono comunemente le macromolecole di origine sintetica: materie plastiche, gomme sintetiche e fibre tessili (ad esempio il nylon).
I polimeri inorganici più importanti sono a base di silicio.
Il grado di polimerizzazione indica il numero di monomeri costituenti il polimero:
▪ basso - sotto i 100 monomeri;
▪ medio - tra 100 e 1000 monomeri;
▪ alto - oltre i 1000 monomeri;
da esso dipendono grandemente le proprietà fisiche e reologiche del polimero, nonché le possibili applicazioni.
La reologia è la scienza che studia e analizza le deformazioni nelle strutture solide o fluide soggette a scorrimento. Costituisce un punto di incontro interdisciplinare per una varietà di discipline scientifiche: biologia, chimica, fisica, matematica, ingegneria e geologia.
Vi sono diversi materiali, coinvolti nello studio reologico: farmaceutici, alimentari, materie plastiche, gomme, ceramiche. Tutti questi materiali non sono completamente omogenei, ma mostrano un comportamento irregolare, che, se non completamente analizzato, può portare, durante il processo di lavorazione, a comportamenti inaspettati.
Polimeri sintetici
Nella quotidianità i polimeri sintetici (siano essi ad esempio gomme, plastiche o fibre) non vengono mai usati tal quali. Quasi sempre al polimero propriamente detto viene aggiunta una serie di composti ausiliari (chiamati cariche) aventi funzioni - tra le altre - di stabilizzare, preservare, fluidificare, colorare, decolorare, proteggere dall'ossidazione il polimero ed, in genere, modificarne le proprietà reologiche in funzione dell'applicazione che se ne intende fare.
Sintesi
Le reazioni di sintesi dei polimeri si dividono in due grandi classi distinte, la polimerizzazione per addizione (o poliaddizione) e la polimerizzazione per condensazione (o policondensazione).
Nella poliaddizione la reazione è innescata dalla formazione di una specie chimica attiva (un radicale, un carbocatione, un carbanione) che somma ricorsivamente su di sé una molecola di monomero spostando il centro di reattività (l'elettrone spaiato, la carica elettrica) all'estermità della catena a mano a mano che questa cresce.
Esempio di prodotto di poliaddizione sono le poliolefine.
La policondensazione invece consiste nella reazione tra specie chimiche aventi due (o più) estremità reattive, capaci quindi di legarsi le une alle altre formando ricorsivamente lunghe catene per unione di catene più corte. Esempio di prodotto di policondensazione sono i nylon.
Struttura
La struttura dei polimeri viene definita a vari livelli, tutti tra loro interdipendenti e decisivi nel concorrere a formare le proprietà reologiche del polimero, dalle quali dipendono le applicazioni e gli usi industriali. Sono riassumibili nei seguenti:
▪ la struttura chimica
Esclusi i gruppi funzionali direttamente coinvolti nella reazione di polimerizzazione, gli eventuali altri gruppi funzionali presenti nel monomero conservano la loro reattività chimica anche nel polimero. Nel caso dei polimeri biologici (le proteine) le proprietà chimiche dei gruppi disposti lungo la catena polimerica - con le loro affinità, attrazioni e repulsioni - diventano essenziali per modellare la struttura tridimensionale del polimero stesso, struttura da cui dipende l'attività biologica della proteina stessa.
▪ la struttura stereochimica
L'assenza o la presenza di una regolarità nella posizione dei gruppi laterali di un polimero rispetto alla catena principale ha un grande effetto sulle proprietà reologiche del polimero e di conseguenza sulle sue possibili applicazioni industriali. Un polimero i cui gruppi laterali sono distribuiti senza un ordine preciso ha meno probabilità di formare regioni cristalline rispetto ad uno stereochimicamente ordinato.
Un polimero i cui gruppi laterali sono tutti sul medesimo lato della catena principale viene detto isotattico, uno i cui gruppi sono alternati regolarmente sui due lati della catena principale viene detto sindiotattico ed uno i cui gruppi laterali sono posizionati a caso atattico.
La scoperta di un catalizzatore capace di guidare la polimerizzazione del propilene in modo da dare un polimero isotattico è valsa il premio Nobel a Giulio Natta.
Viene chiamato catalizzatore un composto in grado di modificare la velocità di una reazione chimica senza essere consumato alla fine della reazione stessa. La modifica è nella stragrande maggioranza dei casi un aumento di velocità, e l'effetto è tale da rendere possibili reazioni che in condizioni normali non procederebbero in maniera apprezzabile: i casi più eclatanti si hanno in biochimica, dove gli enzimi aumentano la velocità delle reazioni anche di 1020 volte.
Un catalizzatore, in generale, modifica il meccanismo di reazione della reazione a cui partecipa: il più delle volte, questo si traduce in un abbassamento del salto di energia potenziale, detto energia di attivazione, che i reagenti devono compiere per raggiungere uno stato di transizione. In ogni caso, la presenza di un catalizzatore non rende possibile una reazione termodinamicamente sfavorita, e non modifica la posizione dell'equilibrio chimico.
Lo schema più semplice di intervento di un catalizzatore C nella reazione fra due composti A e B è:
A + C → AC
AC + B → AB + C
La reazione netta è sempre A + B → AB , mentre C viene rigenerato alla fine di ogni ciclo e non si consuma. Nel caso in cui un reagente si lega al catalizzatore in modo permanente, si parla di avvelenamento del catalizzatore, che perde così la sua efficacia.
L'importanza industriale è notevole, il polipropilene isotattico è una plastica rigida, il polipropilene atattico una gomma pressoché priva di applicazioni pratiche.
▪ la distribuzione dei pesi molecolari
▪ il carattere amorfo o semi-cristallino
I polimeri amorfi sono generalmente resine o gomme. Fragili al di sotto di una data temperatura (la "temperatura di transizione vetrosa") e fluidi viscosi al di sopra di un'altra (il "punto di scorrimento"). La loro struttura può essere approssimata con l'immagine di un groviglio disordinato di spaghetti.
I polimeri semi-cristallini sono generalmente plastiche rigide; le catene di polimero, ripiegandosi, riescono a disporre regolarmente loro tratti più o meno lunghi gli uni a fianco degli altri formando regioni cristalline regolari (dette "cristalliti") che crescono radialmente attorno a "siti di nucleazione", questi possono essere molecole di sostanze capaci di innescare la cristallizzazione ("agenti nucleanti") o altre catene di polimero stirate dal flusso della massa del polimero.
▪ la possibilità di formare strutture reticolari
Un polimero viene detto "reticolato" se esistono almeno due cammini diversi per collegare due punti qualsiasi della sua molecola; in caso contrario viene detto "lineare" o "ramificato", a seconda che sulla catena principale siano innestate o meno catene laterali.
Un polimero reticolato si può ottenere direttamente in fase di reazione, miscelando al monomero principale anche una quantità di un altro monomero simile, ma con più siti reattivi (ad esempio, il co-polimero tra stirene e 1,4-divinilbenzene) oppure può essere reticolato successivamente alla sua sintesi per reazione con un altro composto (ad esempio, la reazione tra lo zolfo ed il polimero del 2-metil-1,3-butadiene, nota come vulcanizzazione).
Un polimero reticolato è generalmente una plastica rigida, che per riscaldamento decompone o brucia, anziché rammollirsi e fondere come un polimero lineare o ramificato.
Catalizzatori di interesse industriale
Dal punto di vista pratico, l'uso principale dei catalizzatori nell'industria chimica consente condizioni di reazione meno drastiche per fare procedere velocemente reazioni di sintesi. Si stima che almeno il 60% di tutte le sostanze commercializzate oggi richiedano l'uso di catalizzatori in qualche stadio della loro sintesi.
Dal punto di vista chimico, i catalizzatori eterogenei possono essere raggruppati come segue:
▪ metalli: ferro, platino, argento, rutenio, rodio (idrogenazione e deidrogenazione)
▪ ossidi isolanti: ossido di alluminio, silice, ossido di magnesio (disidratazione)
▪ ossidi semiconduttori: ossido di zinco, ossido di nichel (ossidazione)
▪ acidi: ossido di alluminio su silice, zeoliti (polimerizzazione, cracking, alchilazione)
Alcuni fra i più importanti catalizzatori eterogenei usati nell'industria chimica sono:
▪ platino con 10% rodio (processo Ostwald, produzione di acido nitrico)
▪ tetracloruro di titanio e un composto organometallico di alluminio (processo Ziegler-Natta, polimerizzazione di vari polimeri)
▪ ossido di cromo (processo Phillips, polimerizzazione del polietilene)
▪ la zeolite ZSM-5 (conversione di idrocarburi)
▪ pentossido di vanadio (produzione di anidride ftalica)
Alcuni esempi di catalizzatori omogenei d'interesse industriale:
▪ nichel(IV) acetilacetonato (sintesi del benzene)
▪ dicarbonildiiodo-iridio(III) (processo Cativa, sintesi dell'acido acetico)
▪ ottacarbonilcobalto(II) (idroformilazione, sintesi di aldeidi)
▪ cloruro di alluminio(III) (reazione di Friedel-Crafts, sintesi dell'etilbenzene)
La vulcanizzazione è un processo di lavorazione della gomma unita allo zolfo, mediante riscaldamento. Attraverso questo processo, inventato da Charles Goodyear nella prima metà del XIX sec., si ottiene un materiale elastico e poco rigonfiabile se tenuto a contatto con solventi organici. Oggi per vulcanizzazione si intende qualsiasi processo chimico, anche diverso da quello inventato da Ch. Goodyear, che ottenga risultati analoghi.
[col termine monomero (dal greco una parte) in chimica si definisce una molecola semplice dotata di gruppi funzionali tali per cui sia in grado di combinarsi ricorsivamente con altre molecole - identiche a sé o reattivamente complementari a sé - a formare macromolecole.
Per estensione, il termine viene usato anche per identificare l'unità strutturale ripetitiva che forma un polimero.
Esempi di monomero possono essere il cloruro di vinile o l'etene - nel caso di polimerizzazioni per addizione - oppure gli amminoacidi o la coppia acido adipico-esametilendiammina - nel caso di polimerizzazioni per condensazione]
Benché a rigore anche le macromolecole tipiche dei sistemi viventi (proteine, acidi nucleici, polisaccaridi) siano polimeri, col termine "polimeri" si intendono comunemente le macromolecole di origine sintetica: materie plastiche, gomme sintetiche e fibre tessili (ad esempio il nylon).
I polimeri inorganici più importanti sono a base di silicio.
Il grado di polimerizzazione indica il numero di monomeri costituenti il polimero:
▪ basso - sotto i 100 monomeri;
▪ medio - tra 100 e 1000 monomeri;
▪ alto - oltre i 1000 monomeri;
da esso dipendono grandemente le proprietà fisiche e reologiche del polimero, nonché le possibili applicazioni.
La reologia è la scienza che studia e analizza le deformazioni nelle strutture solide o fluide soggette a scorrimento. Costituisce un punto di incontro interdisciplinare per una varietà di discipline scientifiche: biologia, chimica, fisica, matematica, ingegneria e geologia.
Vi sono diversi materiali, coinvolti nello studio reologico: farmaceutici, alimentari, materie plastiche, gomme, ceramiche. Tutti questi materiali non sono completamente omogenei, ma mostrano un comportamento irregolare, che, se non completamente analizzato, può portare, durante il processo di lavorazione, a comportamenti inaspettati.
Polimeri sintetici
Nella quotidianità i polimeri sintetici (siano essi ad esempio gomme, plastiche o fibre) non vengono mai usati tal quali. Quasi sempre al polimero propriamente detto viene aggiunta una serie di composti ausiliari (chiamati cariche) aventi funzioni - tra le altre - di stabilizzare, preservare, fluidificare, colorare, decolorare, proteggere dall'ossidazione il polimero ed, in genere, modificarne le proprietà reologiche in funzione dell'applicazione che se ne intende fare.
Sintesi
Le reazioni di sintesi dei polimeri si dividono in due grandi classi distinte, la polimerizzazione per addizione (o poliaddizione) e la polimerizzazione per condensazione (o policondensazione).
Nella poliaddizione la reazione è innescata dalla formazione di una specie chimica attiva (un radicale, un carbocatione, un carbanione) che somma ricorsivamente su di sé una molecola di monomero spostando il centro di reattività (l'elettrone spaiato, la carica elettrica) all'estermità della catena a mano a mano che questa cresce.
Esempio di prodotto di poliaddizione sono le poliolefine.
La policondensazione invece consiste nella reazione tra specie chimiche aventi due (o più) estremità reattive, capaci quindi di legarsi le une alle altre formando ricorsivamente lunghe catene per unione di catene più corte. Esempio di prodotto di policondensazione sono i nylon.
Struttura
La struttura dei polimeri viene definita a vari livelli, tutti tra loro interdipendenti e decisivi nel concorrere a formare le proprietà reologiche del polimero, dalle quali dipendono le applicazioni e gli usi industriali. Sono riassumibili nei seguenti:
▪ la struttura chimica
Esclusi i gruppi funzionali direttamente coinvolti nella reazione di polimerizzazione, gli eventuali altri gruppi funzionali presenti nel monomero conservano la loro reattività chimica anche nel polimero. Nel caso dei polimeri biologici (le proteine) le proprietà chimiche dei gruppi disposti lungo la catena polimerica - con le loro affinità, attrazioni e repulsioni - diventano essenziali per modellare la struttura tridimensionale del polimero stesso, struttura da cui dipende l'attività biologica della proteina stessa.
▪ la struttura stereochimica
L'assenza o la presenza di una regolarità nella posizione dei gruppi laterali di un polimero rispetto alla catena principale ha un grande effetto sulle proprietà reologiche del polimero e di conseguenza sulle sue possibili applicazioni industriali. Un polimero i cui gruppi laterali sono distribuiti senza un ordine preciso ha meno probabilità di formare regioni cristalline rispetto ad uno stereochimicamente ordinato.
Un polimero i cui gruppi laterali sono tutti sul medesimo lato della catena principale viene detto isotattico, uno i cui gruppi sono alternati regolarmente sui due lati della catena principale viene detto sindiotattico ed uno i cui gruppi laterali sono posizionati a caso atattico.
La scoperta di un catalizzatore capace di guidare la polimerizzazione del propilene in modo da dare un polimero isotattico è valsa il premio Nobel a Giulio Natta.
Viene chiamato catalizzatore un composto in grado di modificare la velocità di una reazione chimica senza essere consumato alla fine della reazione stessa. La modifica è nella stragrande maggioranza dei casi un aumento di velocità, e l'effetto è tale da rendere possibili reazioni che in condizioni normali non procederebbero in maniera apprezzabile: i casi più eclatanti si hanno in biochimica, dove gli enzimi aumentano la velocità delle reazioni anche di 1020 volte.
Un catalizzatore, in generale, modifica il meccanismo di reazione della reazione a cui partecipa: il più delle volte, questo si traduce in un abbassamento del salto di energia potenziale, detto energia di attivazione, che i reagenti devono compiere per raggiungere uno stato di transizione. In ogni caso, la presenza di un catalizzatore non rende possibile una reazione termodinamicamente sfavorita, e non modifica la posizione dell'equilibrio chimico.
Lo schema più semplice di intervento di un catalizzatore C nella reazione fra due composti A e B è:
A + C → AC
AC + B → AB + C
La reazione netta è sempre A + B → AB , mentre C viene rigenerato alla fine di ogni ciclo e non si consuma. Nel caso in cui un reagente si lega al catalizzatore in modo permanente, si parla di avvelenamento del catalizzatore, che perde così la sua efficacia.
L'importanza industriale è notevole, il polipropilene isotattico è una plastica rigida, il polipropilene atattico una gomma pressoché priva di applicazioni pratiche.
▪ la distribuzione dei pesi molecolari
▪ il carattere amorfo o semi-cristallino
I polimeri amorfi sono generalmente resine o gomme. Fragili al di sotto di una data temperatura (la "temperatura di transizione vetrosa") e fluidi viscosi al di sopra di un'altra (il "punto di scorrimento"). La loro struttura può essere approssimata con l'immagine di un groviglio disordinato di spaghetti.
I polimeri semi-cristallini sono generalmente plastiche rigide; le catene di polimero, ripiegandosi, riescono a disporre regolarmente loro tratti più o meno lunghi gli uni a fianco degli altri formando regioni cristalline regolari (dette "cristalliti") che crescono radialmente attorno a "siti di nucleazione", questi possono essere molecole di sostanze capaci di innescare la cristallizzazione ("agenti nucleanti") o altre catene di polimero stirate dal flusso della massa del polimero.
▪ la possibilità di formare strutture reticolari
Un polimero viene detto "reticolato" se esistono almeno due cammini diversi per collegare due punti qualsiasi della sua molecola; in caso contrario viene detto "lineare" o "ramificato", a seconda che sulla catena principale siano innestate o meno catene laterali.
Un polimero reticolato si può ottenere direttamente in fase di reazione, miscelando al monomero principale anche una quantità di un altro monomero simile, ma con più siti reattivi (ad esempio, il co-polimero tra stirene e 1,4-divinilbenzene) oppure può essere reticolato successivamente alla sua sintesi per reazione con un altro composto (ad esempio, la reazione tra lo zolfo ed il polimero del 2-metil-1,3-butadiene, nota come vulcanizzazione).
Un polimero reticolato è generalmente una plastica rigida, che per riscaldamento decompone o brucia, anziché rammollirsi e fondere come un polimero lineare o ramificato.
Catalizzatori di interesse industriale
Dal punto di vista pratico, l'uso principale dei catalizzatori nell'industria chimica consente condizioni di reazione meno drastiche per fare procedere velocemente reazioni di sintesi. Si stima che almeno il 60% di tutte le sostanze commercializzate oggi richiedano l'uso di catalizzatori in qualche stadio della loro sintesi.
Dal punto di vista chimico, i catalizzatori eterogenei possono essere raggruppati come segue:
▪ metalli: ferro, platino, argento, rutenio, rodio (idrogenazione e deidrogenazione)
▪ ossidi isolanti: ossido di alluminio, silice, ossido di magnesio (disidratazione)
▪ ossidi semiconduttori: ossido di zinco, ossido di nichel (ossidazione)
▪ acidi: ossido di alluminio su silice, zeoliti (polimerizzazione, cracking, alchilazione)
Alcuni fra i più importanti catalizzatori eterogenei usati nell'industria chimica sono:
▪ platino con 10% rodio (processo Ostwald, produzione di acido nitrico)
▪ tetracloruro di titanio e un composto organometallico di alluminio (processo Ziegler-Natta, polimerizzazione di vari polimeri)
▪ ossido di cromo (processo Phillips, polimerizzazione del polietilene)
▪ la zeolite ZSM-5 (conversione di idrocarburi)
▪ pentossido di vanadio (produzione di anidride ftalica)
Alcuni esempi di catalizzatori omogenei d'interesse industriale:
▪ nichel(IV) acetilacetonato (sintesi del benzene)
▪ dicarbonildiiodo-iridio(III) (processo Cativa, sintesi dell'acido acetico)
▪ ottacarbonilcobalto(II) (idroformilazione, sintesi di aldeidi)
▪ cloruro di alluminio(III) (reazione di Friedel-Crafts, sintesi dell'etilbenzene)
La vulcanizzazione è un processo di lavorazione della gomma unita allo zolfo, mediante riscaldamento. Attraverso questo processo, inventato da Charles Goodyear nella prima metà del XIX sec., si ottiene un materiale elastico e poco rigonfiabile se tenuto a contatto con solventi organici. Oggi per vulcanizzazione si intende qualsiasi processo chimico, anche diverso da quello inventato da Ch. Goodyear, che ottenga risultati analoghi.
posted by giuseppe patti at 01:15
0 Comments:
Posta un commento
<< Home