نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف تكوين أنواع مختلفة من البوليمرات، وندرج الأمثلة الشائعة والاستخدامات.
البوليمر جزيء كبير مكون من عدة وحدات صغيرة متكررة. المقطع «بوليـ» يعني «عديدًا»، أي مكونًا من عدة أجزاء. والمقطع «ـمر» يعني «أجزاء»، إذن البوليمر هو جزيء مكون من عدة أجزاء ترتبط معًا مثل حلقات السلسلة. والوحدات الصغيرة المتكررة التي تتكون منها البوليمرات، أو بعبارة أخرى الحلقات المنفردة التي تتكون منها السلسلة، تسمى المونمرات. في المثال المبسط الذي رسمناه هنا، الدوائر البرتقالية التي تتكون منها السلسلة هي المونمرات. ويمكننا الإشارة إليها باسم المونمرات سواء أكانت جزءًا من السلسلة أم منفصلة عنها. عند تكوين بوليمر، نضيف مونمرات إلى طرف السلسلة، ما يجعلها أطول. جدير بالملاحظة هنا أن البوليمرات يمكن أن يكون لها عدة أطوال مختلفة. فقد يكون طولها 10 وحدات، أو 1000 وحدة، أو حتى 1000000 وحدة.
لاحقًا في هذا الفيديو، سنتعرف أكثر على التركيب الكيميائي الدقيق لهذه الوحدات البنائية. ولكن الآن دعونا نلق نظرة على الأنواع المختلفة للبوليمرات التي يمكن أن تتكون. الطريقة الرئيسية لتصنيف البوليمرات هي تقسيمها إلى مجموعتين رئيسيتين. في حالة بعض البوليمرات، لا ينتج ناتج ثانوي أثناء تكوينها، كما في المثال الموضح بالأعلى. وفي حالة بوليمرات أخرى، ينتج عن تكوينها ناتج ثانوي، كما في المثال الموضح بالأسفل. عندما لا يتكون ناتج ثانوي، نسمي البوليمر بوليمر إضافة لأنه يمكن ببساطة إضافة المونمرات معًا لتكوين البوليمر. يتكون عادة بوليمر الإضافة عندما يمكن إعادة ترتيب الروابط الداخلية للمونمرات بحيث تكون روابط جديدة لتكوين البوليمر. على سبيل المثال، قد تتحول رابطة مزدوجة في البوليمر لتكون رابطة أحادية في البوليمر بالإضافة إلى رابطة أحادية مع المونمر التالي في السلسلة.
عندما يتكون ناتج ثانوي عند تكوين البوليمر، نسمي هذا البوليمر بوليمر تكثيف. والماء ناتج ثانوي شائع في هذه التفاعلات. جدير بالملاحظة هنا أنه نظرًا لأن الناتج الثانوي ليس جزءًا من البوليمر المتكون، تكون كتلة هذا البوليمر أقل من كتلة مونمراته الأولية. ولكن بما أن تكوين بوليمر الإضافة يتضمن فقط إعادة ترتيب الروابط، فيكون للبوليمر المتكون الكتلة نفسها لمجموع كتل مونمراته الأولية. قبل أن نتعمق في هذه العمليات، دعونا نلق نظرة فاحصة على كيفية تسمية البوليمرات ورسمها.
المركب المرسوم هنا يسمى رباعي فلورو إيثين. وهو يمكن أن يوجد في صورة جزيء منفرد. ويمكن أن يوجد أيضًا في صورة المونمر الذي يكون بوليمرًا. يرسم البوليمر بهذه الطريقة حيث توضع وحدة المونمر بين قوسين معقوفين، وأحيانًا هلاليين، متبوعة بالحرف 𝑛. يمثل الحرف 𝑛 عدد الوحدات المتكررة في سلسلة البوليمر، والذي يكون عادة عددًا كبيرًا. لتكوين هذا البوليمر تحديدًا من هذا المونمر، تنكسر الرابطة المزدوجة بين ذرتي الكربون لتكوين رابطة جديدة مع وحدة المونمر التالية في السلسلة. يوضح رسم البوليمر هذه الرابطة الجديدة التي تواصل تكوين السلسلة. ويوضح أيضًا أن الرابطة المزدوجة قد حلت محلها رابطة أحادية بين ذرتي الكربون. يمكننا أيضًا ملاحظة الرابطة التي تصل بين وحدة المونمر هذه ووحدة المونمر السابقة في السلسلة.
لتسمية هذا البوليمر، ندمج ببساطة البادئة «بولي» مع اسم المونمر. وفي هذه الحالة، يكون الاسم هو بولي (رباعي فلورو إيثين). كما كتبنا هنا، يكون اسم المونمر بين قوسين، وإن كان من الممكن أن تراه دون هذين القوسين أيضًا. بالطبع، في الكيمياء، يكون للمركب غالبًا أسماء عديدة. فالإيثين والإيثيلين اسمان مختلفان للمركب نفسه، لذلك يمكننا أيضًا تسمية هذا البوليمر بولي (رباعي فلورو إيثيلين). قد يصعب نطق هذا الاسم، لذا فإنه يختصر عادة إلى تسمية مكونة من أربعة أحرف وهي PTFE. يمكننا أيضًا استخدام اسم الأيوباك الأكثر دقة لهذا المركب، وهو بولي 2،2،1،1- رباعي فلورو إيثيلين. تشير الأرقام 2،2،1،1 إلى وجود ذرتي فلور على ذرة الكربون الأولى، وذرتي فلور على ذرة الكربون الثانية.
عند استخدام مركب ما في منتج تجاري، يطلق عليه عادة اسم أكثر جاذبية وسهولة في التذكر. لذا فإن الاسم التجاري لبولي (رباعي فلورو إيثيلين) هو التفلون، وهو الطلاء غير اللاصق الذي يستخدم في العديد من أواني الطهي والمقالي. لنلق نظرة أقرب على كيفية تكون هذا البوليمر. سنبدأ بمونمر. لتكوين بوليمر إضافة، نحتاج إلى رابطة غير مشبعة. وكما سنرى بعد قليل، الإلكترونات الإضافية في هذه الرابطة هي أساس تكوين البوليمر. إذا جمعنا عدة مونمرات معًا، فلن يحدث أي تفاعل تلقائيًّا. ولكن إذا أضفنا عاملًا حفازًا وحرارة وضغطًا، فستبدأ التغيرات في الظهور.
تمثل الرابطة المزدوجة بين ذرتي الكربون في المونمر أربعة إلكترونات مشتركة. عندما نضيف عاملًا حفازًا وحرارة وضغطًا في هذه الحالة، يظل اثنان من الإلكترونات في صورة رابطة أحادية بين ذرتي الكربون. وفي الوقت نفسه، تستعيد كل ذرة كربون أحد الإلكترونات لتكوين رابطة جديدة في مكان آخر. ويحدث هذا التحول نفسه في مونمرات أخرى عند إضافتها للسلسلة. ينتهي الأمر بهذه الإلكترونات إلى مشاركتها بين ذرات الكربون في المونمرات المجاورة. تشكل هذه الإلكترونات رابطة أحادية تربط المونمرات معًا في السلسلة.
تتكرر هذه العملية عدة مرات، مضيفة مزيدًا من الحلقات إلى السلسلة. في مرحلة ما، لا بد أن يتوقف تكوين البوليمر. لكن ماذا يحدث عندما لا تعود ذرة الكربون قادرة على تكوين رابطة جديدة مع المونمر التالي في السلسلة؟ الإجابة الدقيقة عن هذا السؤال خارج نطاق هذا الفيديو، ولكن يمكننا القول ببساطة إن ثمة شكلًا من أشكال الغطاء الكيميائي يرتبط بذرة الكربون، ما يعطي استقرارًا لنهاية البوليمر.
دعونا الآن نركز فقط على منتصف السلسلة. جدير بالملاحظة أنه عندما تتكون هذه الروابط الجديدة، لا تظل الذرات المتضمنة في مكان واحد، بل تلتف وتتحرك. إذن يمكن رسم هذه السلسلة المكونة من أربع ذرات كربون متصلة بثماني ذرات فلور بهذا الشكل. وبما أننا عادة نوضح وحدة مونمر متكررة واحدة فقط من البوليمر، فيمكننا اختزالها أكثر لتبدو هكذا. هذا الشكل النهائي، الذي يحتوي على وحدة المونمر بين قوسين متبوعة بالحرف 𝑛، هو طريقة التعبير عن البوليمرات عادة.
يمكن أن تتحد مجموعة متنوعة من المونمرات لتكوين بوليمرات إضافة ذات استخدامات يومية عديدة. يمكن أن يفقد مونمر الإيثين رابطته المزدوجة لتكوين بوليمر يسمى بولي (إيثين). البولي (إيثين) بلاستيك يستخدم في صنع الأكياس، والزجاجات، والقفازات. مثال آخر لبوليمر إضافة هو البولي (بروبين). يمكن استخدام البولي (بروبين) في صناعة علب الطعام، وأدوات التغليف، ولعب الأطفال، بالإضافة إلى الأقمشة الصناعية. الاسم العلمي لهذا البوليمر الثالث هو بولي (كلوروإيثين). ولكنه يشار إليه عادة باسم بولي كلوريد الڨينيل أو بالاختصار PVC. يستخدم بولي كلوريد الڨينيل في صناعة المواسير، وإطارات النوافذ، وعزل الكابلات. آخر بوليمر في القائمة، هو بولي (رباعي فلورو إيثين) الذي يعرف أيضًا بالتفلون. كما ذكرنا من قبل، يستخدم التفلون في صناعة الطلاء غير اللاصق للعديد من أواني الطهي والمقالي.
والآن لنلق نظرة على تكوين النوع الآخر من البوليمرات، وهي بوليمرات التكثيف. للتذكير، الاختلاف الأساسي بين بوليمرات الإضافة وبوليمرات التكثيف هو أنه عند تكوين بوليمر التكثيف، يتكون ناتج ثانوي. في هذا المثال، سنلقي نظرة على اتحاد حمض ثنائي الكربوكسيل، أو جزيء يحتوي على مجموعتي كربوكسيل، وديول، أو جزيء يحتوي على مجموعتي هيدروكسيل. عندما يتحد هذان الجزيئان بهذه الطريقة، يمكن أن تتحد ذرة أكسجين وذرة هيدروجين من الحمض الثنائي الكربوكسيل مع ذرة هيدروجين من الديول لتكوين جزيء ماء بوصفه ناتجًا ثانويًّا.
وعندما تنفصل الذرات المكونة لجزيء الماء عن ذرة الكربون في الحمض الثنائي الكربوكسيل وذرة الأكسجين في الديول، تتكون رابطة جديدة بين هاتين الذرتين تربط المونمرات المنفصلة سابقًا. يمكن أن تتكرر عملية مماثلة لربط نهاية جزيء الديول ببداية جزيء الحمض الثنائي الكربوكسيل التالي. مرة أخرى، يتكون جزيء ماء، وتنشأ عن ذلك رابطة جديدة لإضافة المونمر التالي إلى السلسلة. عندما نربط هذه المونمرات معًا بهذه الطريقة، يسمى البوليمر الناتج بولي (إيثيلين تيرفثالات). بما أن الجزيئات في هذا المثال معقدة إلى حد ما، فلا داعي للقلق الآن بشأن كيفية تسميتها بدقة.
يمكننا هنا ملاحظة الرابطة الجديدة التي تكونت بين نهاية الحمض الثنائي الكربوكسيل وبداية الديول. يعد بولي (إيثيلين تيرفثالات) مثالًا للبوليمر المشترك أو البوليمر الذي يمكن تكوينه من اثنين أو أكثر من المونمرات المختلفة. في هذا المثال، بدلًا من وجود مونمر واحد لتكوين الوحدة المتكررة، يتحد اثنان من المونمرات المختلفة لتكوين الوحدة المتكررة للبوليمر. إذا أردنا كتابة هذه العملية على صورة معادلة كيميائية، يمكننا القول إن 𝑛 من جزيئات هذا الحمض الثنائي الكربوكسيل و𝑛 من جزيئات الديول تتحد لتكوين جزيء بولي (إيثيلين تيرفثالات) به 𝑛 من الوحدات الصغيرة المتكررة واثنان 𝑛 ناقص واحد من جزيئات الماء.
كما ذكرنا من قبل، خلال هذه العملية، يتكون جزيء ماء بين هذين المونمرين، ويتكون جزيء آخر عند ربط الديول ببداية الحمض الثنائي الكربوكسيل التالي. في مرحلة ما، يجب أن تنتهي السلسلة بمجموعة هيدروكسيل بدلًا من إنتاج جزيء ماء آخر. وجود جزيئي ماء لكل وحدة متكررة ناقص جزيء واحد للغطاء في نهاية البوليمر يفسر الاثنين 𝑛 ناقص واحد من جزيئات الماء التي نراها مكتوبة في هذه المعادلة. الماء ناتج ثانوي شائع في تكوين بوليمرات التكثيف، وإن كان من الممكن وجود نواتج ثانوية أخرى.
لنستعرض الآن بعض الأمثلة على بوليمرات التكثيف. البوليمر الذي تناولناه للتو، بولي (إيثيلين تيرفثالات)، هو مثال على البولي إسترات. تتكون البولي إسترات عادة من اتحاد ديول وحمض ثنائي الكربوكسيل، ويكون الماء ناتجًا ثانويًّا. وتستخدم البولي إسترات في التغليف والأقمشة. قد تكون على دراية بقماش النايلون. يوجد العديد من الأنواع المختلفة من النايلون التي يندرج كل منها تحت فئة البولي أميدات.
يعد اتحاد ثنائي أمين وحمض ثنائي الكربوكسيل أحد طرق تصنيع النايلون، وإن كانت توجد مجموعة متنوعة من المركبات المستخدمة لذلك. والناتج الثانوي هو الماء. يستخدم النايلون في الملابس بشكل أساسي. البروتينات التي تقوم بالوظائف في الخلايا والكائنات الحية هي بوليمرات تتكون من مونمرات أحماض أمينية. ونشير أحيانًا إلى البروتينات على أنها بولي (ببتيدات). ومرة أخرى، الناتج الثانوي هو الماء. تقوم البروتينات بجميع الوظائف الحيوية، مثل التنفس والهضم ومكافحة الأمراض، على نطاق أصغر.
ثمة بوليمر حيوي آخر، وهو الحمض النووي DNA الذي يمكننا القول إنه بولي (نيوكليوتيد). الحمض النووي DNA هو سلسلة بوليمر مكونة من مونمرات الحمض النووي. عندما تضاف الأحماض النووية إلى السلسلة، يتحرر مركب البيروفوسفات بوصفه ناتجًا ثانويًّا. وتخزن المعلومات الجينية التي تنتقل من كائن حي إلى آخر في صورة بوليمر من الأحماض النووية. والآن بعد أن تعرفنا على البوليمرات، دعونا نحل سؤالًا للمراجعة.
بالنظر إلى البو ليمر الآتي. أي الهيدروكربونات الهالوجينية الآتية مسئول عن تكوينه؟
هذا سؤال عن البوليمرات. ويتعلق، تحديدًا، بتكوين البوليمرات. أي من الخيارات الخمسة للإجابة هو الوحدة الصغيرة المتكررة أو المونمر الذي يتكون منه البوليمر؟ السؤال الأول الذي يمكننا طرحه هو: هل هذا البوليمر بوليمر إضافة أم بوليمر تكثيف؟ يتمثل الاختلاف الأساسي بين بوليمر الإضافة وبوليمر التكثيف في أنه عند تكوين بوليمر إضافة، لا يتكون ناتج ثانوي. ولكن عند تكوين بوليمر تكثيف، يتكون ناتج ثانوي. ويكون هذا الناتج الثانوي غالبًا الماء.
إذا نظرنا إلى خيارات الإجابة، فستظهر عدة سمات أساسية. أولًا، لا توجد مجموعة هيدروكسيل في أي من خيارات الإجابة. عدم وجود مجموعة هيدروكسيل يعني أنه لا يمكن تكون جزيء ماء بوصفه ناتجًا ثانويًّا، ما يعني أن هذا ليس بوليمر تكثيف. وعلى الرغم من إمكانية تكون ناتج ثانوي آخر من الناحية العملية، فإن وجود روابط مزدوجة في العديد من خيارات الإجابة يشير إلى أن هذا بوليمر إضافة.
فكما سنرى بعد قليل، تسمح الإلكترونات الإضافية للرابطة المزدوجة بتكوين روابط جديدة تكون بوليمرًا دون ناتج ثانوي. بعبارة أخرى، تتكون بوليمرات الإضافة من مونمرات ذات روابط غير مشبعة. يعني هذا عادة وجود رابطة مزدوجة، وإن كان قد يعني أيضًا رابطة ثلاثية. إذن يمكننا استبعاد الخيار (أ) والخيار (هـ) لأنهما يحتويان على روابط أحادية مشبعة فقط. دعونا نمح الخيار (هـ) لنفسح مساحة أكبر للعمل. فيما يخص الخيارات المتبقية، يحتوي كل منها على البنية المركزية نفسها: ذرتين كربون بينهما رابطة مزدوجة. وهذه البنية هي بنية شائعة للمونمر المكون لبوليمرات الإضافة، حيث يمكن للرابطة 𝜋 من الرابطة المزدوجة أن تنكسر، ويمكن استخدام الإلكترونات لتكوين رابطة جديدة مع المونمر التالي في السلسلة.
يمكن أن يستمر هذا النمط في ربط المزيد والمزيد من المونمرات معًا. وتكون النتيجة النهائية هي سلسلة متصلة من ذرات الكربون تربط بينها روابط أحادية. ولكن ماذا عن الذرات المتصلة بسلسلة الكربون؟ تختلف هذه الذرات في كل خيار من الخيارات الثلاثة المتبقية. تظل الذرات المتصلة دون تغيير خلال هذه العملية. وبينما تغير ذرات الكربون من طريقة ارتباط بعضها ببعض، تظل الذرات المتصلة بسلسلة الكربون كما هي بينما تتغير البنية المركزية. لذلك، إذا كان البوليمر النهائي لدينا يحتوي على وحدة متكررة بها ثلاث ذرات هيدروجين وذرة كلور متصلة بسلسلة الكربون، فهذا يعني أن المونمر لأولي يحتوي أيضًا على ثلاث ذرات هيدروجين وذرة كلور مرتبطة بذرات الكربون فيه.
البنية الموضحة في الاختيار (د) هي الإجابة الصحيحة. فهي تحتوي على الرابطة المزدوجة اللازمة لتكوين البنية المركزية لبوليمر الإضافة، وكذلك الذرات المتصلة الصحيحة. إذن أي الهيدروكربونات الهالوجينية الآتية مسئول عن تكوين هذا البوليمر؟ إنه الخيار (د).
والآن بعد أن تعرفنا على البلمرة، لنراجع النقاط الرئيسية الواردة في هذا الفيديو. البوليمرات جزيئات مكونة من العديد من الوحدات الصغيرة المتكررة تسمى المونمرات. يتكون أحد أنواع البوليمرات، وهو بوليمرات الإضافة، دون تكوين ناتج ثانوي. ويعاد عادة ترتيب روابط المونمر لتكوين البوليمر. من بين أمثلة بوليمرات الإضافة، البولي (إيثين)، PVC، والتفلون. النوع الآخر من البوليمرات هو بوليمرات التكثيف، ويتكون معها ناتج ثانوي. يكون هذا الناتج الثانوي غالبًا الماء. من أمثلة بوليمرات التكثيف النايلون، والبروتينات، والحمض النووي DNA.
