البوليمرات

5-5

البوليمرات

Polymers

الأهداف

• ترسم العلاقة بين البوليمر والمونومرات المكونة له.
• تصنف تفاعلات البلمرة إلى إضافة أو تكثف.
• تتوقع خواص البوليمر اعتمادًا على التراكيب الجزيئية ووجود المجموعات الوظيفية.

مراجعة المفردات

الكتلة المولية: كتلة مول واحد من المادة.

المفردات الجديدة

• البوليمرات
• المونومرات
• تفاعلات البلمرة
• البلمرة بالإضافة
• البلمرة بالتكثف

الفكرة الرئيسة

البوليمرات الصناعية مركبات عضوية كبيرة تتكون من تكرار وحدات مرتبطة معًا عن طريق تفاعلات الإضافة أو التكثف.

---

الربط مع الحياة:
لا بد من ملاحظتك كثرة المكونات المصنعة من ذاكرة وحدة الحاسب البلاستيكية، وأكواب البلاستيك، وأقمشة النايلون والبوليستر، والفينيل المستعمل في المباني، ومجموعة أخرى متنوعة من المواد الصناعية! تشترك جميع هذه المواد في شيء واحد على الأقل، هو أنها جميعًا مصنوعة من بوليمرات.

---

عصر البوليمرات

The Age of Polymers

تحتوي الأقراص المضغوطة، كما هو موضح في الشكل 5-16، على بولي كربونات، وهي مصنوعة من سلسلة جزيئات طويلة جدًا مع مجموعات من الذرات ذات نمط تكراري منتظم. وهذا الجزيء مثال على البوليمرات الصناعية.

البوليمرات جزيئات كبيرة تتكون من العديد من الوحدات البنائية المتكررة. في الشكل 5-16 يستعمل الرمز (n) بجانب الوحدة البنائية للبولي كربونات ليشير إلى عدد الوحدات البنائية في سلسلة البوليمر.

ولأن هذه الجزيئات تحتوي عددًا كبيرًا من الوحدات المتكررة المتصلة بعضها ببعض، تجد أن الكتلة المولية للبوليمرات قد تكون أقل من (10,000 amu)، وقد تصل القيم إلى أكثر من (1,000,000 amu). فعلى سبيل المثال تحتوي سلسلة من الطلاء غير اللاصق على نحو 400 وحدة بنائية، كتلتها المولية تساوي (40,000 amu).

وقبل أن أصبحت الدراسة منتجة على المواد الطبيعية قبل ظهور البوليمرات الصناعية، مثل الحجر والخشب والمعادن والصوف والقطن. وبحلول مطلع القرن العشرين أصبحت بعض البوليمرات الطبيعية المعالجة كيميائيًا - مثل المطاط والبلاستيك والسليلوز - متاحة للاستعمال إلى جانب المواد الطبيعية.

ويحضّر السليلوز بمعالجة سليلوز القطن أو الألياف الخشبية مع حمض النيتريك.

وكان أول بوليمر صناعي تم تحضيره عام 1909م قد غيّر الصلادة واللمعان. وهو نوع من البلاستيك يسمى الباكالايت. وبسبب مقاومته للحرارة، لا يزال يستعمل إلى اليوم في أجهزة الوقود الكبيرة.

ومنذ عام 1909م، طورت مئات البوليمرات الصناعية الأخرى، وبسبب الاستعمال الواسع للبوليمرات، ربط الناس هذا العصر بالبوليمرات.

الشكل 5-16

الصورة التابعة: صفحة191_الشكل_5_16_الأقراص_المدمجة_وسلاسل_البولي_كربونات.png

الأقراص المدمجة مصنوعة من البولي كربونات، وتحتوي على سلاسل طويلة من الوحدات البنائية.

---

التفاعلات المستعملة لصناعة البوليمرات

Reactions Used to Make Polymers

يعد تصنيع البوليمرات عملية سهلة نسبيًا؛ إذ يمكن تصنيع البوليمرات في خطوة واحدة، تكون فيها المادة المتفاعلة الرئيسة جزيئات عضوية صغيرة بسيطة تسمى مونومرات.

والمونومرات هي الجزيئات التي يصنع منها البوليمر.

فعند صناعة البوليمر ترتبط المونومرات معًا الواحد تلو الآخر في سلسلة من الخطوات السريعة. وغالبًا ما تستعمل الحفازات ليتم التفاعل بسرعة معقولة.

وفي بعض البوليمرات، مثل ألياف البوليستر والنايلون، ترتبط اثنان أو أكثر من المونومرات معًا بسلاسل متناوبة.

وتسمى التفاعلات التي ترتبط فيها المونومرات معًا تفاعلات البلمرة.

وتسمى مجموعة الذرات المتكررة الناتجة عن ارتباط المونومرات وحدة بناء البوليمر، ويبين الشكل 5-17 العلاقة بين البوليمرات والمونومرات المكونة له.

وتتكون وحدة بناء البوليمر من اثنين من المونومرات المختلفة التي لها المكونات نفسها. ويبين الشكل 5-18 المكسرات المطاطية غير القابلة للكسر التي تصنع من البولي إثيلين المنخفض الكثافة (LDPE)، وذلك بتحضير بلمرة الإيثين تحت ضغط عالٍ.

كما يعد الإيثيلين أيضًا مادة أولية لتحضير وإنتاج بولي إيثيلين رباعي فثالات (PETE)، وهو المادة المستعملة في صناعة العبوات البلاستيكية، ويمكن تصنيعه في صورة ألياف تسمى ألياف البوليستر.

ويبين الشكل 5-19 الخط الزمني لأحداث بارزة أدت إلى عصر البوليمرات وتسلط الضوء على تطور صناعة البوليمرات. وعلى الرغم من أن أول بوليمر صنع تحت صناعة في العالم عام 1909م، إلا أن صناعة البوليمرات لم تزدهر إلا بعد الحرب العالمية الثانية.

الشكل 5-17

الصورة التابعة: صفحة192_الشكل_5_17_العلاقة_بين_البوليمر_والمونومرات_والشكل_5_18_لعبة_البوليمر_والشكل_5_19_عصر_البوليمرات.png

العلاقة بين البوليمر والمونومرات المكونة له.

الشكل 5-18

البولي إيثيلين مادة غير سامة وخفيفة الكسر، لذا يدخل هذا البوليمر في صناعة ألعاب الأطفال.

الشكل 5-19

عصر البوليمرات

يعمل العلماء لفهم بنية وخواص المركبات العضوية لتطوير المنتجات التي تؤثر في حياة الناس. كل مكان، وقد ساعدت إسهاماتهم في الدخول إلى عصر البوليمرات.

خط زمني ظاهر في الصفحة

• 1830: بدأ الأطباء استعمال الإيثر بوصفه مادة مخدرة في العمليات الجراحية.
• 1840: بدأ استخدام الإيثر في العمليات الجراحية.
• 1865: تم حساب تركيب البنزين الذي أصبح الأساس في إنتاج المركبات الأروماتية.
• 1879: اكتشاف الكربون بطريقة الصدفة في أثناء عمل الكيميائيين في تقطير الفحم.
• 1899: أنتج الأسبرين على نطاق واسع من قبل الأطباء بوصفه مادة مسكنة للآلام، وأصبح أكثر الأدوية مبيعًا على مستوى العالم.
• 1909: أول بلاستيك صنع من البوليمرات الصناعية؛ الباكالايت، وتم تطوير صناعته.

---

الشكل 5-20

الصورة التابعة: صفحة193_الشكل_5_20_تفاعل_تكوين_النايلون_6_6_والخط_الزمني.png

النايلون بوليمر يتكون من خيوط طويلة تشبه الحرير.

المعادلة الظاهرة:

[
nHOOC-(CH_2)_4-COOH + nH_2N-(CH_2)_6-NH_2
\rightarrow
[-C(=O)-(CH_2)_4-C(=O)-NH-(CH_2)_6-NH-]_n + nH_2O
]

المواد الموضحة:

• حمض الأديبيك.
• 6,1-ثنائي أمينوهكسان.
• النايلون 6,6.

---

البلمرة بالإضافة

في البلمرة بالإضافة تبقى جميع الذرات الموجودة في المونومر في تركيب البوليمر. وعندما يكون المونومر هو الإيثين، ينتج البولي إثيلين عن تفاعل بلمرة الإضافة؛ إذ تتكسر الروابط غير المشبعة في تفاعل البلمرة بالإضافة تمامًا كما في تفاعلات الإضافة.

والاختلاف الوحيد يبقى هو أن الجزئيات ذات الروابط المتعددة تجرى جزيء المادة نفسها، وهي الإيثين. وكما يمكن ملاحظة تشابه بوليمرات الإضافة المبينة في الجدول 5-14 مع تركيب البولي إيثيلين؛ حيث ترتبط ذرات أو مجموعات من الذرات بالسلسلة لتحل محل ذرات الهيدروجين. وتنتج هذه البوليمرات جميعها من عملية البلمرة بالإضافة.

---

البلمرة بالتكثف

تحدث البلمرة بالتكثف عندما تحتوي المونومرات على اثنتين من المجموعات الوظيفية على الأقل. تتحد المجموعات جميعها لخسارة جزيء صغير، غالبًا ما يكون الماء.

وقد حضر النايلون أول مرة في عام 1931م، ثم أصبح مادة مهمة؛ لأنه متين ومرن. ويمكن سحبه على شكل خيوط تشبه الحرير.

ونايلون 6,6 هو اسم أحد أنواع النايلون المصنّع، ويتكون أحد المونومرات من سلسلة في نهايتها ذرة كربون ترتبط معها مجموعات كربوكسيل، كما هو مبين في الشكل 5-20.

أما المونومر الآخر فهو سلسلة تحتوي على مجموعات الأمين في كلا النهايتين. وتخضع هذه المونومرات للبلمرة بالتكثف، حيث تكون مجموعات أميد تربط مع وحدات أخرى من البوليمر.

كما يخسر الماء خلال التفاعل في الشكل 5-20. لاحظ أنه يتم تكوين جزيء واحد من الماء مقابل كل أميد جديد يتكون.

---

تفاعلات البلمرة

ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.

---

استكمال خط زمني ظاهر في الصفحة

• 1939-1945: استعمل النايلون خلال الحرب العالمية الثانية في صناعة المظلات والخيام، وكذلك تدخل في صناعة الملابس.
• 1946: تم تحضير الطلاء غير اللاصق (PTFE) المطلق والتوسيع في منتجات المطبخ، وقد انتشر بشكل تجاري.
• 1959: تم إنتاج الألياف المرنة صناعيًا.
• 1988: تم إصدار أوراق نقدية مصنوعة من البوليمرات لأول مرة في العالم، صادرة عن بنك أستراليا عام 1966، وقد استعمل بعض الأستراليين هذه العملة البلاستيكية.
• 2006: طور الباحثون رقائق جدًا تقاوم الإشعاع، وهو بوليمر الكريستال السائل المستعمل في الدوائر الكهربائية في تطبيقات الفضاء.

---

الجدول 5-14

البوليمرات الشائعة

الصورة التابعة: صفحة194_الجدول_5_14_البوليمرات_الشائعة.png

| البوليمر | الاستعمالات | الوحدة البنائية المتكررة |
| ------------------------------------ | ------------------------------------------------------------------------------------------ | -------------------------------------------------------------------- |
| بولي كلوريد الفينيل (PVC) | أنابيب بلاستيكية، وتغطية اللحوم والمشروبات، وملابس طفل المطر، وجدارات المنازل، وخرطوم مياه | وحدة بنائية تحتوي سلسلة كربونية مع ذرة كلور مرتبطة ببعض ذرات الكربون |
| بولي أكريلونيتريل | الأقمشة والملابس والمفروشات والسجاد | ([-CH_2-CH(C \equiv N)-]_n) |
| بولي فينيلين كلوريد | تغليف الطعام والأطعمة | ([-CH_2-CCl_2-]_n) |
| بولي ميثيل ميثاكريلات | زجاج غير قابل للكسر للنوافذ، والعدسات والأسطح الشفافة | وحدة بنائية تحتوي مجموعة إستر (COOCH_3) ومجموعة (CH_3) |
| بولي بروبيلين (PP) | أوعية للمشروبات، والحبال، وأدوات المطبخ | ([-CH_2-CH(CH_3)-]_n) |
| بولي ستايرين (PS) وستايرين البلاستيك | رغوة التغليف والعزل، وأوعية النفايات، وحاويات حفظ الطعام، وعلب الثلج | وحدة بنائية تحتوي حلقة بنزين على السلسلة |
| بولي إيثيلين رباعي فثالات (PETE) | زجاجات العصير والحليب والإطارات، والملابس، وألياف الطعام التي تستعمل مرة واحدة | وحدة بنائية تحتوي روابط إستر وسلاسل عطرية |
| بولي يوريثان | الأثاث، وحدات النوم، والطلاء، الغبار للماء، وبعض أجزاء الأحذية | وحدة بنائية تحتوي مجموعة يوريثان متكررة |

---

خواص البوليمرات وإعادة تدويرها

Properties and Recycling of Polymers

لماذا تستعمل العديد من البوليمرات المختلفة هذه الأيام؟ أحد الأسباب يعود إلى سهولة تحضيرها، كما أن المواد الأولية المستعملة في تحضيرها غير مكلفة.

ولكن هناك أسباب أخرى أكثر أهمية تتعلق بخواص البوليمرات نفسها؛ حيث يمكن سحب بعضها في صورة ألياف لتصبح في الحرير، والبعض الآخر قوي كالفولاذ، كما أن البوليمرات غير قابلة للصدأ، والعديد منها أكثر تحملًا من المواد الطبيعية، ومن ذلك الخشب البلاستيكي الذي يظهر في الشكل 5-21؛ فهو غير قابل للتآكل، ولا يحتاج إلى إعادة طلاء.

---

خواص البوليمرات

من أسباب زيادة الطلب على البوليمرات وانتشارها الواسع سهولة تشكيلها أشكالًا مختلفة، أو سحبها على شكل ألياف رقيقة.

غالبًا ما يكون من السهل القيام بذلك مع المعادن أو المواد الطبيعية الأخرى؛ لأنه يجب تسخينها إلى درجات حرارة مرتفعة، بحيث لا تنصهر عندها، وتصبح ضعيفة، حتى تستعمل في تصنيع أدوات صغيرة ورقيقة.

وكما هي الحال مع المواد جميعها، فإن للبوليمرات خواص تعود مباشرة إلى تركيبها الجزيئي. فبولي إثيلين مثلًا عبارة عن سلسلة طويلة من الألكانات، لذلك فملمسه شمعي، ولا يذوب في الماء، وغير نشط كيميائيًا، ورديء التوصيل للكهرباء.

وقد جعلته هذه الخواص مثاليًا لاستعماله في أوعية حفظ الطعام، وتغليف أسلاك الكهرباء.

الشكل 5-21

الصورة التابعة: صفحة195_الشكل_5_21_الخشب_البلاستيكي_ومهن_في_الكيمياء.png

يصنع الخشب البلاستيكي من البلاستيك المعاد تدويره، مثل زجاجات العصير والحليب، وغيرها من نفايات البولي إيثيلين.

---

مهن في الكيمياء

كيميائي البوليمرات

كيميائي البوليمرات قد يطور فكرة تطوير وتحسين البوليمرات بكثرة وجديدة ومهمة وتشكل تحديًا. يطور كيميائيو البوليمرات أنواعًا جديدة، كما يطورون استعمالات أو عمليات تصنيع جديدة للطرائق القديمة.

الدكتور سعيد بن محمد الشهراني خريج علوم من جامعة الملك علي عبدالعزيز، وحائز على جائزة إقليمية، وجائزة عالمية. كما حصل على براءة اختراع بعنوان حفازات جديدة لإنتاج الأوليفينات عن طريق الأكسدة النازعة للأكسجين وطرق تحضيرها واستعمالها. ويشرف على كرسي سابك للبوليمرات بالجامعة.

---

المفردات

أصل الكلمة

البلاستيك الحراري (Thermoplastic)

جاءت كلمة (Thermoplastic) من الكلمة اليونانية (therme) التي تعني الحرارة.

وجاءت كلمة بلاستيك من الكلمة اليونانية (plastikos)، وتعني قابلًا لأن يشكل أو يكون.

---

الشكل 5-22

الصورة التابعة: صفحة196_الشكل_5_22_رموز_إعادة_تدوير_البلاستيك_والتقويم.png

تساعد الرموز الموجودة على المواد البلاستيكية على إعادة تدويرها لأنها تحدد مكوناتها.

الرموز الظاهرة:

• (PETE): بولي إيثيلين تيريفثالات.
• (HDPE): بولي إيثيلين عالي الكثافة.
• (PVC): فينيل.
• (LDPE): بولي إيثيلين منخفض الكثافة.
• (PP): بولي بروبيلين.
• (PS): بولي ستايرين.
• مواد بلاستيكية أخرى.

---

تدوير البوليمرات

تشتق المواد الأولية المستعملة في تصنيع معظم البوليمرات من الوقود الأحفوري. ولأن الوقود الأحفوري مهدد بالنفاد، فقد أصبحت عملية تدوير البلاستيك أكثر أهمية.

فإعادة التدوير وشراء السلع المصنوعة من البلاستيك المعاد تدويره تقلل من حجم استعمال الوقود الأحفوري، وبذلك تحافظ على هذا النوع من الوقود.

وتعد عملية إعادة تدوير هذه المواد صعبة إلى حد ما؛ نظرًا إلى العدد الكبير من البوليمرات المختلفة الموجودة في هذه المنتجات. ولذلك لا بد من فرز المواد البلاستيكية وفقًا لمكونات البوليمر قبل إعادة استعمالها.

وقد تكون عملية فرز المواد البلاستيكية طويلة ومكلفة، ولذلك يتم تحسين عملية صباغة البلاستيك من خلال تحديد رموزه وحداته المتكررة أو مكوناته جميع المنتجات البلاستيكية. ولهذا فإن وجود رموز موحدة لصناعة البلاستيك، كما في الشكل 5-22، يوفر الوسائل السريعة لإعادة تدوير وفرز المواد البلاستيكية.

---

التقويم 5-5

الخلاصة

• البوليمرات جزيئات ضخمة تتكون من ارتباط جزيئات صغيرة تدعى المونومرات.
• تحضر البوليمرات من خلال تفاعلات الإضافة أو التكثف.
• يمكن استعمال المجموعات الوظيفية في البوليمرات لتوقع خواص البوليمر.

أسئلة التقويم 5-5

• الفكرة الرئيسة: ارسم الصيغة البنائية للبوليمر الذي ينتج عن المونومرات الآتية في حالتي:

a. الإضافة.
b. التكثف.

• سم تفاعل البلمرة الآتي: إضافة أو تكثف؟ فسر إجابتك.

[
CH_2=CH-C\equiv N \rightarrow [-CH_2-CH(C\equiv N)-]_n
]

• حدد: تعوض البوليمرات الصناعية في كثير من الأحيان الكثير من المواد الطبيعية، مثل الحجر، والخشب، والمعادن، والصوف، والقطن، في العديد من التطبيقات. حدد بعض مزايا وعيوب استعمال المواد الصناعية بدلًا من المواد الطبيعية.

• توقع: الخواص التقريبية للبوليمر الذي يصنع من المونومر الآتي، مستعملًا بعض خصائصه مثل: الذوبان في الماء، والتوصيل الكهربائي، والنشاط الكيميائي:

[
CH_2=CH
]

[
\ \ \ \ \ \ \ |
]

[
CH_3
]