LOS POLMEROS

El trmino "polmero" se deriva de la antigua palabra griega (polus, que significa "muchos") y (meros, que significa "partes"), y se refiere a una molcula cuya estructura est compuesta por varias unidades de repeticin, de la que se origina una caracterstica de alta masa molecular relativa y propiedades propiasLa reaccin por la cual se sintetiza un polmero a partir de sus monmeros se denomina polimerizacin.

ESTRUCTURA QUMICA

Los polmeros son muy grandes sumas de molculas, con masas moleculares que puede alcanzar incluso los millones de Umas (unidad de masa atmica), que se obtienen por la repeticiones de una o ms unidades simples llamadas monmeros unidas entre s mediante enlaces covalentes. Estos forman largas cadenas que se unen entre s por fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrgeno o interacciones hidrofbicas.

Estructura qumica del polietileno

Un polmero no tiene la necesidad de constar de molculas individuales del mismo peso molecular, y no es necesario que tengan la misma composicin qumica y la misma estructura molecular. Hay polmeros naturales como ciertas protenas globulares y policarbohidratos, cuyas molculas individuales tienen el mismo peso molecular y la misma estructura molecular; pero la gran mayora de los polmeros sintticos y naturales importantes son mezclas de componentes polimricos homlogos. La pequea variabilidad en la composicin qumica y en la estructura molecular es el resultado de la presencia de grupos finales, ramas ocasionales, variaciones en la orientacin de unidades monmeras y la irregularidad en el orden en el que se suceden los diferentes tipos de esas unidades en los copolmeros.

PROPIEDADES

A pesar de que los distintos polmeros presentan grandes diferencias en su composicin y estructura, hay una serie de propiedades comunes a todos ellos y que los distinguen de otros materiales. Un ejemplo de alguna de estas propiedades es la densidad, conduccin elctrica y trmica, resistencia qumica y caractersticas pticas.

Tabla comparativa de propiedades de diferentes materiales

materialDensidad (g/cm3)Conduccin trmica (W/mK)Conduccin elctrica (S)

Plsticos0.9-2.30.15-0.5-

PE0.9-1.00.32-0.4-

PC1.0-1.2--

PVC1.2-1.4-10-15

Acero7.817.505.6

Aluminio2.721138.5

Aire-0.05-

DENSIDAD

El rango de densidades de los plsticos es relativamente bajo y se extiende desde 0.9 hasta 2.3 g/cm3. Entre los plsticos de mayor consumo se encuentran elPEy elPP, ambos materiales con densidad inferior a la del agua. La densidad de otros materiales a los que los polmeros sustituyen en algunas aplicaciones es varias veces mayor, como es el caso del aluminio o del acero. Esta densidad tan baja se debe fundamentalmente a dos motivos; por un lado los tomos que componen los plsticos son ligeros (bsicamente carbono e hidrgeno, y en algunos casos adems oxgeno, nitrgeno o halgenos), y por otro, las distancias medias entre tomos dentro de los polmeros son relativamente grandes. Una densidad tan baja permite que los polmeros sean materiales fciles de manejar y por otra parte, supone una gran ventaja en el diseo de piezas en las que el peso es una limitacin.

CONDUCTIVIDAD TRMICA Y ELCTRICA

Por otra parte, el valor de la conductividad trmica de los polmeros es sumamente pequeo. Los metales, por ejemplo, presentan conductividades trmicas 2000 veces mayores que los plsticos; esto se debe a la ausencia de electrones libres en el material plstico. La baja conductividad trmica resulta un inconveniente durante la transformacin de los plsticos. El calor necesario para transformar los plsticos se absorbe de manera muy lenta y la eliminacin del calor durante la etapa de enfriamiento resulta igualmente costosa. Sin embargo, en muchas aplicaciones de los plsticos, la baja conductividad trmica se convierte en una ventaja, pues permite el empleo de estos materiales como aislantes trmicos.Igualmente los polmeros conducen muy mal la corriente elctrica. Presentan resistencias muy elevadas, y por tanto, baja conductividad elctrica. La resistencia elctrica es funcin de la temperatura, y a elevadas temperaturas conducen mejor. Gracias a su elevada resistencia elctrica los polmeros se utilizan frecuentemente como aislantes elctricos de aparatos y conducciones que funcionan con corriente o la transportan.

PROPIEDADES PTICAS

En cuanto a las propiedades pticas, los polmeros que no contienen aditivos son por lo general bastante traslcidos, aunque esta propiedad est fuertemente influenciada por la cristalinidad del material. Los polmeros amorfos son transparentes, mientras que los cristalinos son opacos. Las zonas cristalinas dispersan la luz, evitando as su libre transmisin, dando lugar a translucidez u opacidad excepto cuando se orientan o se tratan secciones muy finas. Por el contrario, en los polmeros amorfos el empaquetamiento al azar de las molculas no causa una difraccin de la luz importante, permitiendo una transparencia muy buena y una transmitancia a la luz que puede ser superior al 90%. Termoplsticos amorfos como elPC,PMMAyPVCpresentan transparencia que no difieren mucho de la del propio vidrio. La transparencia de los plsticos se puede perder, al menos parcialmente, por exposicin a la intemperie o a cambios bruscos de temperatura.

RESISTENCIA QUMICA

La resistencia qumica de los polmeros tambin est fuertemente influenciada por el grado de cristalinidad. En los polmeros cristalinos los disolventes pueden atacar ligeramente la superficie del polmero, que tiene una menor cristalinidad. Cuando se aplica un esfuerzo las grietas producidas no se propagan una vez que llegan a las zonas cristalinas. Los polmeros amorfos presentan una mayor solubilidad que los cristalinos. Los disolventes atacan al polmero formando pequeas grietas que se extienden por todo el polmero cuando se aplica un esfuerzo por pequeo que sea.

CLASIFICACINLos polmeros pueden ser clasificados mediantes distintos criterios. Pueden ser clasificados principalmente segn sea su origen, su composicin y estructura qumica, su comportamiento trmico y mecnico y su proceso de polimerizacin.

CLASIFICACIN SEGN SU ORIGEN

Segn su origen, los polmeros pueden ser clasificados en naturales, sintticos y semisintticos.

1.- El almidn, la celulosa, la seda y el ADN son ejemplos de polmeros naturales. Se producen por procesos qumicos naturales. Entre otros polmeros naturales se encuentran incluidos los polisacridos (azcares) y los polipptidos como la seda y la queratina. Elcaucho naturales tambin un polmero natural, constituido slo por carbono e hidrgeno.

2.- Entre los polmeros sintticos encontramos elnailon, elpolietilenoy labaquelita. Son generalmente obtenidos mediante procesos tecnolgicos a partir de los monmeros. Los polmeros sintticos provienen mayoritariamente del petrleo. El 4 % de la produccin mundial de petrleo se convierte en polmeros. Despus de un proceso de cracking y reforming, se tienen molculas simples, como etileno, benceno, etc., a partir de las que comenzar la sntesis del polmero.

3.- Los polmeros semisintticos se obtienen por transformacin de polmeros naturales como, por ejemplo, la nitrocelulosa, el caucho vulcanizado, etc. El primer polmero semisinttico fue de hecho el cuero, un polmero natural modificado, una forma artificialmente reticulada de las protenas encontradas en las pieles animales. A mediados del siglo XIX, se consigui modificar la celulosa para obtener los primeros polmeros celulsicos. Estos ocupan un lugar especial en la historia de los polmeros, porque su creacin constituy, en gran medida, el principio de una explosin en la invencin de polmeros sintticos, que an contina en nuestros das.

CLASIFICACIN SEGN SU COMPOSICIN Y ESTRUCTURA QUMICA

Segn su composicin qumica, los polmeros pueden ser clasificados en orgnicos e inorgnicos.

1.- Polmeros orgnicos:Los polmeros orgnicos son los que presentan en su cadena principal tomos de carbono. A su vez estos pueden ser clasificados en vinlicos y no vinlicos.En los polmeros orgnicos vinlicos, la cadena principal de sus molculas est formada exclusivamente por tomos de carbono. Estos derivan de monmeros vinlicos, es decir, dos tomos de carbono unidos por una doble ligadura. Dentro de ellos se pueden distinguir:- Poliolefinas, formados mediante la polimerizacin de olefinas (polietileno y polipropileno).- Polmeros estirnicos, que incluyen al estireno entre sus monmeros (poliestireno y caucho estireno-butadieno).- Polmeros vinlicos halogenados, que incluyen tomos de halgenos (cloro, flor) en su composicin (PVCyPTFE).- Polmeros acrlicos, que derivan de monmeros acrilatos (PMMA).En los polmeros orgnicos no vinlicos, adems de carbono, tienen tomos de oxgeno o nitrgeno en su cadena principal. Entre estos podemos encontrar a los polisteres,poliamidasypoliuretanosentre otros.

2.- Polmeros inorgnicos:Los polmeros inorgnicos son los que su cadena principal est constituida por elementos (tomos) distintos a carbono como ser silicio, germanio, estao, fsforo, o azufre. Ejemplos de polmeros inorgnicos pueden ser polisiloxanos, polisilanos, poligermanos, poliestannanos, polifosfacenos y polisulfuros.

CLASIFICACIN SEGN SU COMPORTAMIENTO TRMICO Y ELSTICO

Para clasificar polmeros, una de las formas empricas ms sencillas consiste en calentarlos por encima de cierta temperatura. Segn si el material funde y fluye o por el contrario no lo hace se diferencian en termoplsticos o termoestables (termofijos) respectivamente.

1.- Los termoplsticos, fluyen (pasan al estado lquido) al calentarlos y se vuelven a endurecer (vuelven al estado slido) al enfriarlos. Su estructura molecular presenta pocos (o ningn) entrecruzamientos. Ejemplos: polietileno (PE), polipropileno (PP), cloruro de polivinilo PVC.

2.- Los termoestables, no fluyen. Al calentarlos se descompongan qumicamente, en vez de fluir. Este comportamiento se debe a una estructura con un alto nivel de entrecruzamientos, que impiden los desplazamientos relativos de las molculas.Otra clasificacin puede ser considerando su comportamiento elstico. Los polmeros con un comportamiento elstico, que pueden ser deformados fcilmente sin que se rompan sus enlaces o modifique su estructura, son denominados elastmeros. Son materiales con muy bajo mdulo de elasticidad y alta extensibilidad, es decir, se deforman en gran medida al someterlos a un esfuerzo pero recuperan su forma inicial al eliminar el esfuerzo. En cada ciclo de extensin y contraccin los elastmeros absorben energa, una propiedad denominada resiliencia. Los elastmeros tambin se dividen, a su vez, en termoestables (la gran mayora) y termoplsticos (una minora pero con aplicaciones muy interesantes).

MATERIALES METLICOS

Los metales son un grupo de elementos qumicos con unas caractersticas que los hacen muy tiles para el hombre, entre las que destacan la conductividad ( caso del cobre ), la resistencia mecnica ( hierro y acero ), la resistencia a las altas temperaturas ( wolframio ), etc.O sea, tenemos un metal o aleacin para cada necesidad de la tcnica.Todos ellos son slidos a temperatura ambiente, excepto el mercurio.Los metales no suelen presentarse en la naturaleza en forma pura, sino formando xidos que se encuentran en los minerales. Por ejemplo, la Hematita es un mineral que contiene xido frrico (Fe2O3 ) con algunas trazas de otros minerales como aluminio, magnesio, etc. Otro mineral usado para obtener el hierro es la magnetita.Hay otros metales que se presentan en forma pura, como las pepitas de oroEn general, se puede decir que los metales tiene las siguientes propiedades:Maleabilidad:Podemos hacer lminas de muchos de ellos al pasar por rodillos especiales o con otras tcnicas donde se le somete a esfuerzos de compresin.Ductilidad:Con tcnicas apropiadas, formamos hilos al someterlo a esfuerzos de traccin.Tenacidad: Esto sera lo contrario de la fragilidad, o sea, los metales presentan gran resistencia a romperse cuando reciben golpes.Resistencia mecnica: Cuando los sometemos a las diferentes fuerzas ( traccin, torsin , comprensin..) suele comportarse muy bien.Adems de las anteriores, tambin son opacos, con alta densidad, alto punto de fusin y muy buenos conductores del calor y la electricidad.Podemos clasificar los metales en base al color, la densidad, los resistente que sea.. Sin embargo, dado que el hierro ha sido el metal mas usado con mucha diferencia, los metales se suelen clasificar enferrosos( si tienen hierro ) yno ferrosos( no tienen hierro ).METALES FERROSOSLos materiales frricos son aquellos que en su composicin tienen principalmente hierro, como el acero ( mezcla de hierro con un poco de carbono ) o el hierro puro.En la imagen podemos observar bobinas de acero empleadas para la chapa de los automviles. Slo con este uso, ya nos podemos imaginar la demanda tan elevada que hay de este material. Si adems tenemos en cuenta que el motor del coche est fabricado bsicamente por hierro, sumamos y sumamos.La gran ventaja de este material es su precio relativamente bajo y la capacidad de unirse con otros elementos para mejorar sustancialmente sus propiedades. Veremos el caso del acero.Hemos representado un tipo de acero ( la estructura cristalina, o sea, como se colocan los tomos en el material )Las bolas grises representan los tomos de hierro y las azules los de carbono.Al formarse la estructura ( hierro en el horno ) los tomos de hierro est movindose libremente. Cuando baja la temperatura es como la diana de los metales ( hay que formar filas ) y los tomos de hierro se agrupan de forma que generan ese cubo de la imagen. Como hemos aadido un poquito de carbono ( sobre el 1% ), los tomos de esteno metal se cuelan en la formacin del cubo ( red cristalina ) creando una aleacin con unas propiedades mecnicas mejores. Segn el porcentaje de carbono que tiene, los materiales frricos se clasifican en:

METALES NO FERRICOSVeremos los metales que pos su uso son mas importantesCobre. Debido a su gran conductividad trmica y elctrica, su uso queda casi exclusivamente para estos cometidos ( cables, tubos de calderas .. ) ya que no es un material barato. Se suelda con facilidad , es muy dctil y maleable y cuando se oxida, forma una capa verdosa que le protege .Aluminio. Tambin es un excelente conductor de la electricidad y del calor. Es muy blando con baja densidad.Como en el caso del cobre ( aunque mejor an), al oxidarse forma una fina capa de xido de aluminio que le hace enormemente resistente a la oxidacin.Se usa mucho en la industria de la alimentacin debido a su nula toxicidad, as como en marcos de ventanas y aplicaciones del estilo, ya que son resistentes a la humedad, radiaciones solares, etc.EstaoMuy blando e inoxidable. Se emplea fundamentalmente en la soldadura de cobre ( cables elctricos y tubos de calefaccin ) debido a a su bajo punto de fusin.Otro uso es el recubrimiento de lminas de acero para fabricar la hojalata.Cinc:Se suele emplear junto con otros metales. Muy resistente a la corrosin, se emplea mucho en el proceso de galvanizado por el cual se aade este elemento a la capa externa del metal ( generalmente un acero ) para crear un material muy resistente en la intemperie.Los quita-miedos de las carreteras son otro ejemplo entre otros. La gran ventaja es que te olvidas de su mantenimiento ya que no necesita pinturas protectoras.Existen otros metales como el titanio ( caro, muy duro, resistente a la corrosin ) que se emplea en prtesis mdicas , el wolframio Sabes de algn otro metal usado en nuestra sociedad que sea interesante ?ALEACIONESLa mezcla de varios elementos qumicos, ( uno de ellos debe se metal ) da lugar a un nuevo material mejorando alguna de las propiedades. A este nuevo material, le llamamos aleacin. Veremos algunos de ellos.Latn. Con una base de cobre, se le aade entre el 5 y 40 % de cinc. En este caso mejoramos al doble la resistencia a la traccin de sus componentes base. Se suele emplear como herrajes, material de fontanera y accesorios en general.Bronce. Empleamos de nuevo una base de cobre a la que aadimos un 10 % de estao. El resultado es un material mas resistente a la traccin que los latones, resiste a la corrosin y cuando est fundido es muy fluido, por lo que es apropiado para hacer figuras usando moldes. Sus aplicaciones van desde cojinetes o engranajes hasta estatuas.Representamos en este apartado un rodamiento general ( las bolas suelen ser de acero ) para que se vea como funciona. Se suele poner en los ejes de las lavadoras, por ejemplo. La siguiente imagen muestra otro tipo de rodamiento donde la jaula es de bronce.Existen otras muchas aleaciones para dar respuesta a lasdemanda de la industria. En el caso de la aviacin comercial, como el peso es un elemento determinante, las estructuras suelen hacerse de una aleacin dealuminio, cobre y magnesio, mejorando las propiedades mecnicas de aluminio considerablemente con un peso muy inferior al hierro.MTODOS PARA OBTENER LOS METALESLa naturaleza ( excepto algunos casos ) no nos ofrece los metales en su forma pura, y por tanto, a partir de un mineral donde le encontraremos en forma de xido, hacemos un tratamiento para extraerlo. Veremos dos sistemas. El alto horno y el sistema de electrlisis

ALTO HORNO. 1 PARTE.Enalto horno vamos a obtener el mineral de hierro provocando la fundicin del mineral junto a piedra caliza y coque ( carbn ).La piedra caliza se emplea como fuente adicional de monxido de carbono y como sustancia fundente y el carbn como material combustibleEl alto horno tiene, normalmente, una altura de unos 30 metros y para evitar la prdida de calor, las paredes suelen estar hechas con ladrillos refractarios con aislantes especiales.La mezcla de las 3 sustancias es introducida por la parte superior donde tambin se encuentra unos respiraderos para la salida de los gases de la combustin. Adems tenemos la entrada del aire ( necesario para que se produzca la combustin del coque ) y salidas para la escoria y el arrabio.El esquema bsico se muestra en la imagen superior y consiste enSe aade alternativamente capas de carbn, piedra caliza y mineral de hierro ( puntoA).En el punto B y por medio de unos fuelles, se fuerza la entrada de aire para que haya una buena combustin de la mezclaParte del carbn quemado pasa al hierro y otro se combina con el oxgeno para formar gasesLa parte que nos interesa y que contiene el material de hierro desciende a la parte mas baja del horno (C) de donde obtenemos el arrabioLas sustancias de desecho ( escoria ) flotan sobre el hierro fundido y son evacuadas por el D.Gracias a este horno tenemos la reaccin qumicaFe2O3+3CO=>3CO2+2Fe

Lo veremos por pasos:2 Parte.AfinoCuando tenemos el material de hierro dentro del arrabio, el porcentaje de carbono que contiene es demasiado alto y por tanto, hay que reducirlo hasta determinados porcentajes, segn queramos aceros, fundiciones.Para ello usamos un horno convertidor.Es muy sencillo. Con el arrabio cargado en una gran cubeta, se introduce una lanza por la que entramos el oxgeno. El oxgeno en contacto con el carbono que sobra produce una reaccin por la que aporta mas calor y se produce CO2.Se suele aadir chatarra a la mezcla para reutilizar el material de nuevo.El tiempo que est la lanza dentro del convertidor, determinar cuanto carbono quedar en la cubeta y de esa manera obtenemos el hierro o la fundicin a la carta.

OBTENCIN DE OTROS METALES POR ELECTRLISISPara el cobre o el aluminio, entre otros, es necesario emplear otros sistemas para sacar

el metal puro del mineral que lo contiene. Veremos como se hace para el aluminio, siendo el resto muy similar.Para la obtencin del aluminio primario se realiza por electrlisis de la almina ( xido de aluminio (Al2O3) ) en criolita fundida.Una de las funciones de la criolita (Na3AlF6) esbajar el punto de fusin desde los 2054C a los 950C. Adems se aade otros compuestos menos importantes.De manera simplificada, el procesoes el siguiente:Entre el nodo ( tensin positiva ) y el ctodo ( tensin negativa ) hacemos pasar una corriente elctrica con alta intensidad y voltaje reducido. Al pasar los electrones de un grafito al otro, el aluminio metlico se queda en el ctodo y el oxgeno se queda en el nodo, reaccionando con carbono y produciendo CO2.Es un proceso caro dado el coste energtico del proceso, por ello , aunque el aluminio es muy abundante en la naturaleza ( en forma de xidos ) el proceso lo encarece mucho.En el Ctodo tenemos que se produce la reaccin2Al2O3+ 3C4Al + 3CO2.En este proceso se forma el aluminio en el Ctodo y oxgeno en el nodo, que al reaccionar con el Carbono se genera Dixido de carbonoNuestro alumno Jos Antonio Moreno Tejeda nos ha creado una animacin para entender un poquito mas este concepto. Pinchar en la imagen para agrandar