Un compuesto macromolecular es Definición, composición, características, propiedades

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Última modificación: 2024-01-02 17:45

Los compuestos de alto peso molecular son polímeros que tienen un gran peso molecular. Pueden ser compuestos orgánicos e inorgánicos. Distinga entre sustancias amorfas y cristalinas, que consisten en anillos monoméricos. Estos últimos son macromoléculas conectadas por enlaces químicos y de coordinación. En términos simples, un compuesto de alto peso molecular es un polímero, es decir, sustancias monoméricas que no cambian su masa cuando se les une la misma sustancia "pesada". De lo contrario, hablaremos del oligómero.

¿Qué estudia la ciencia de los compuestos macromoleculares?

La química de los polímeros macromoleculares es el estudio de las cadenas moleculares que consisten en subunidades monoméricas. Esto cubre una gran área de investigación. Muchos polímeros tienen una importancia industrial y comercial significativa. En América, junto con el descubrimiento del gas natural, se puso en marcha un gran proyecto para construir una planta para la producción de polietileno. El etano del gas natural se convierteen etileno, el monómero del que se puede hacer el polietileno.

Un polímero como compuesto macromolecular es:

• Cualquier clase de sustancia natural o sintética formada por moléculas muy grandes llamadas macromoléculas.
• Muchas unidades químicas más simples llamadas monómeros.
• Los polímeros forman muchos materiales en los organismos vivos, incluidos, por ejemplo, proteínas, celulosa y ácidos nucleicos.
• Además, forman la base de minerales como el diamante, el cuarzo y el feldespato, así como de materiales artificiales como el hormigón, el vidrio, el papel, los plásticos y las gomas.

La palabra "polímero" denota un número indefinido de unidades monoméricas. Cuando la cantidad de monómeros es muy alta, el compuesto a veces se denomina polímero alto. No se limita a monómeros con la misma composición química o peso molecular y estructura. Algunos compuestos orgánicos naturales de alto peso molecular se componen de un solo tipo de monómero.

Sin embargo, la mayoría de los polímeros naturales y sintéticos se forman a partir de dos o más tipos diferentes de monómeros; dichos polímeros se conocen como copolímeros.

Sustancias naturales: ¿cuál es su papel en nuestras vidas?

Los compuestos orgánicos de alto peso molecular juegan un papel crucial en la vida de las personas, proporcionando materiales estructurales básicos y participando en procesos vitales.

• Por ejemplo, las partes sólidas de todas las plantas están formadas por polímeros. Estos incluyen celulosa, lignina y varias resinas.
• La pulpa espolisacárido, un polímero formado por moléculas de azúcar.
• La lignina se forma a partir de una compleja red tridimensional de polímeros.
• Las resinas de árboles son polímeros de un hidrocarburo simple, el isopreno.
• Otro polímero de isopreno conocido es el caucho.

Otros polímeros naturales importantes incluyen proteínas, que son polímeros de aminoácidos y ácidos nucleicos. Son tipos de nucleótidos. Son moléculas complejas compuestas por bases nitrogenadas, azúcares y ácido fosfórico.

Los ácidos nucleicos transportan la información genética en la célula. Los almidones, una importante fuente de energía dietética procedente de las plantas, son polímeros naturales formados por glucosa.

La química de compuestos macromoleculares libera polímeros inorgánicos. También se encuentran en la naturaleza, incluidos el diamante y el grafito. Ambos están hechos de carbono. Vale la pena saberlo:

• En un diamante, los átomos de carbono están conectados en una red tridimensional que le da al material su dureza.
• En el grafito, utilizado como lubricante y en las "minas" de los lápices, los átomos de carbono se unen en planos que pueden deslizarse unos sobre otros.

Muchos polímeros importantes contienen átomos de oxígeno o nitrógeno, así como átomos de carbono en la columna vertebral. Tales materiales macromoleculares con átomos de oxígeno incluyen poliacetales.

El poliacetal más simple es el poliformaldehído. Tiene un alto punto de fusión, es cristalino, resistente a la abrasión yla acción de los disolventes. Las resinas de acetal son más parecidas al metal que cualquier otro plástico y se utilizan en la fabricación de piezas de maquinaria, como engranajes y cojinetes.

Sustancias obtenidas artificialmente

Los compuestos macromoleculares sintéticos se producen en varios tipos de reacciones:

1. Muchos hidrocarburos simples, como el etileno y el propileno, se pueden convertir en polímeros agregando un monómero tras otro a la cadena en crecimiento.
2. El polietileno, compuesto de monómeros de etileno repetitivos, es un polímero aditivo. Puede tener hasta 10.000 monómeros conectados en largas cadenas helicoidales. El polietileno es cristalino, translúcido y termoplástico, lo que significa que se ablanda cuando se calienta. Se utiliza para revestimientos, embalajes, piezas moldeadas y botellas y recipientes.
3. El polipropileno también es cristalino y termoplástico, pero más duro que el polietileno. Sus moléculas pueden constar de 50 000 a 200 000 monómeros.

Este compuesto se utiliza en la industria textil y para moldear.

Otros polímeros aditivos incluyen:

• polibutadieno;
• poliisopreno;
• policloropreno.

Todos son importantes en la producción de cauchos sintéticos. Algunos polímeros, como el poliestireno, son vítreos y transparentes a temperatura ambiente, y también son termoplásticos:

1. El poliestireno se puede teñir de cualquier color y se utiliza en la fabricación de juguetes y otros plásticosartículos.
2. Cuando un átomo de hidrógeno en el etileno se reemplaza por un átomo de cloro, se forma cloruro de vinilo.
3. Se polimeriza en cloruro de polivinilo (PVC), un material termoplástico incoloro, duro y rígido que se puede fabricar en muchas formas, incluidas espumas, películas y fibras.
4. El acetato de vinilo, producido por la reacción entre el etileno y el ácido acético, se polimeriza en resinas blandas amorfas que se utilizan como recubrimientos y adhesivos.
5. Copolimeriza con cloruro de vinilo para formar una gran familia de materiales termoplásticos.

Un polímero lineal caracterizado por la repetición de grupos éster a lo largo de la cadena principal se denomina poliéster. Los poliésteres de cadena abierta son materiales termoplásticos cristalinos e incoloros. Aquellos compuestos macromoleculares sintéticos que tienen un alto peso molecular (de 10.000 a 15.000 moléculas) se utilizan en la producción de películas.

Polimamidas sintéticas raras

Las poliamidas incluyen las proteínas de caseína naturales que se encuentran en la leche y la zeína que se encuentra en el maíz, que se utilizan para fabricar plásticos, fibras, adhesivos y revestimientos. Vale la pena señalar:

• Las poliamidas sintéticas incluyen resinas de urea-formaldehído, que son termoendurecibles. Se utilizan para fabricar objetos moldeados y como adhesivos y revestimientos para textiles y papel.
• También son importantes las resinas de poliamida conocidas como nylon. Ellos sonduradero, resistente al calor y la abrasión, no tóxico. Se pueden teñir. Su uso más famoso es como fibras textiles, pero tienen muchos otros usos.

Otra familia importante de compuestos químicos sintéticos de alto peso molecular consiste en repeticiones lineales del grupo uretano. Los poliuretanos se utilizan en la fabricación de fibras elastoméricas conocidas como spandex y en la fabricación de capas base.

Otra clase de polímeros son los compuestos orgánicos e inorgánicos mixtos:

1. Los representantes más importantes de esta familia de polímeros son las siliconas. Los compuestos de alto peso molecular contienen átomos alternantes de silicio y oxígeno con grupos orgánicos unidos a cada uno de los átomos de silicio.
2. Las siliconas de bajo peso molecular son aceites y grasas.
3. Las especies de mayor peso molecular son materiales elásticos versátiles que se mantienen suaves incluso a temperaturas muy bajas. También son relativamente estables a altas temperaturas.

El polímero puede ser tridimensional, bidimensional y sencillo. Las unidades repetitivas a menudo se componen de carbono e hidrógeno y, a veces, oxígeno, nitrógeno, azufre, cloro, flúor, fósforo y silicio. Para crear una cadena, muchas unidades se unen químicamente o se polimerizan juntas, cambiando así las características de los compuestos de alto peso molecular.

¿Qué características tienen las sustancias macromoleculares?

La mayoría de los polímeros producidos son termoplásticos. Despuésse forma el polímero, se puede calentar y reformar de nuevo. Esta propiedad hace que sea fácil de manejar. Otro grupo de termoestables no se puede volver a fundir: una vez que se forman los polímeros, el recalentamiento se descompondrá pero no se derretirá.

Características de los compuestos macromoleculares de los polímeros en el ejemplo de los envases:

1. Puede ser muy resistente a los productos químicos. Considere todos los líquidos de limpieza en su hogar que estén empacados en plástico. Describió todas las consecuencias del contacto con los ojos, pero la piel. Esta es una categoría peligrosa de polímeros que disuelve todo.
2. Mientras que algunos plásticos se deforman fácilmente con solventes, otros plásticos se colocan en paquetes irrompibles para solventes agresivos. No son peligrosos, pero solo pueden dañar a los humanos.
3. Las soluciones de compuestos macromoleculares suelen suministrarse en bolsas de plástico simples para reducir el porcentaje de su interacción con las sustancias del interior del recipiente.

Como regla general, los polímeros son muy livianos y tienen un grado significativo de resistencia. Considere una variedad de usos, desde juguetes hasta la estructura del armazón de las estaciones espaciales, o desde fibra delgada de nailon en mallas hasta Kevlar utilizado en chalecos antibalas. Algunos polímeros flotan en el agua, otros se hunden. En comparación con la densidad de la piedra, el hormigón, el acero, el cobre o el aluminio, todos los plásticos son materiales ligeros.

Las propiedades de los compuestos macromoleculares son diferentes:

1. Los polímeros pueden servir como aislantes térmicos y eléctricos: electrodomésticos, cables, enchufes eléctricos y cableado fabricado o revestido con materiales poliméricos.
2. Aparatos de cocina resistentes al calor con mangos de ollas y sartenes de resina, mangos de cafeteras, espuma para refrigerador y congelador, tazas aisladas, hieleras y utensilios aptos para microondas.
3. La ropa interior térmica que usan muchos esquiadores está hecha de polipropileno, mientras que las fibras de las chaquetas de invierno están hechas de acrílico y poliéster.

Los compuestos de alto peso molecular son sustancias con una gama ilimitada de características y colores. Tienen muchas propiedades que se pueden mejorar aún más con una amplia gama de aditivos para ampliar la aplicación. Los polímeros pueden servir como base para imitar algodón, seda y lana, porcelana y mármol, aluminio y zinc. En la industria alimentaria, se utilizan para dar a los hongos propiedades comestibles. Por ejemplo, queso azul caro. Se puede comer de forma segura gracias al procesamiento de polímeros.

Procesado y aplicación de estructuras poliméricas

Los polímeros se pueden procesar de varias formas:

• La extrusión permite la producción de fibras finas o tubos, películas y botellas de alimentos de gran tamaño.
• El moldeo por inyección permite crear piezas complejas, como piezas de carrocería de automóviles de gran tamaño.
• Los plásticos se pueden verter en barriles o mezclar con solventes para convertirlos en bases adhesivas o pinturas.
• Los elastómeros y algunos plásticos son elásticos y flexibles.
• Algunos plásticos se expanden durante el procesamiento para mantener su forma, como las botellas de agua potable.
• Se pueden espumar otros polímeros, como poliestireno, poliuretano y polietileno.

Las propiedades de los compuestos macromoleculares varían según la acción mecánica y el método de obtención de la sustancia. Esto hace posible su aplicación en diversas industrias. Los principales compuestos macromoleculares tienen una gama más amplia de propósitos que aquellos que difieren en propiedades especiales y métodos de preparación. Universales y "caprichosos" "se encuentran" en los sectores de la alimentación y la construcción:

1. Los compuestos de alto peso molecular están formados por aceite, pero no siempre.
2. Muchos polímeros están hechos de unidades repetidas formadas previamente a partir de gas natural, carbón o petróleo crudo.
3. Algunos materiales de construcción están hechos de materiales renovables como el ácido poliláctico (de maíz o celulosa y linters de algodón).

También es interesante que son casi imposibles de reemplazar:

• Los polímeros se pueden utilizar para fabricar artículos que no tienen otras alternativas materiales.
• Se convierten en películas impermeables transparentes.
• El PVC se utiliza para fabricar tubos médicos y bolsas de sangre que prolongan la vida útil del producto y sus derivados.
• El PVC suministra de forma segura oxígeno inflamable a tubos flexibles no inflamables.
• Y el material antitrombogénico como la heparina se puede incluir en la categoría de catéteres flexibles de PVC.

Muchos dispositivos médicos se centran en las características estructurales de los compuestos macromoleculares para garantizar un funcionamiento eficaz.

Soluciones de sustancias macromoleculares y sus propiedades

Debido a que el tamaño de la fase dispersa es difícil de medir y los coloides se encuentran en forma de soluciones, a veces identifican y caracterizan las propiedades fisicoquímicas y de transporte.

Fase coloide	Difícil	Solución limpia	Indicadores dimensionales
	Si el coloide consiste en una fase sólida dispersa en un líquido, las partículas sólidas no se difundirán a través de la membrana.	Los iones o moléculas disueltos se difundirán a través de la membrana en plena difusión.	Debido a la exclusión del tamaño, las partículas coloidales no pueden pasar a través de los poros de la membrana de UF más pequeños que su propio tamaño.
Concentración en la composición de soluciones de compuestos macromoleculares	La concentración exacta del soluto real dependerá de las condiciones experimentales utilizadas para separarlo de las partículas coloidales también dispersas en el líquido.	Depende de la reacción de los compuestos macromoleculares cuando se realizan estudios de solubilidad para sustancias fácilmente hidrolizadas como Al, Eu, Am, Cm.	Cuanto menor sea el tamaño de poro de la membrana de ultrafiltración, menor será la concentraciónpartículas coloidales dispersas que quedan en el líquido ultrafiltrado.

Un hidrocoloide se define como un sistema coloidal en el que las partículas de moléculas macromoleculares son polímeros hidrofílicos dispersos en agua.

Adicción al agua	Adicción al calor	Dependencia del método de producción
Los hidrocoloides son partículas coloidales dispersas en agua. En este caso, la proporción de los dos componentes afecta la forma del polímero: gel, ceniza, estado líquido.	Los hidrocoloides pueden ser irreversibles (en un estado) o reversibles. Por ejemplo, el agar, un hidrocoloide reversible de extracto de algas marinas, puede existir en estado de gel y sólido, o alternar entre estados con la adición o eliminación de calor.	La obtención de compuestos macromoleculares, como los hidrocoloides, depende de fuentes naturales. Por ejemplo, el agar-agar y la carragenina se extraen de algas marinas, la gelatina se obtiene por hidrólisis de proteínas bovinas y de pescado, y la pectina se extrae de cáscaras de cítricos y orujo de manzana.
Los postres de gelatina, hechos de polvo, tienen un hidrocoloide diferente en su composición. Está dotado de menos líquido.	Los hidrocoloides se utilizan en los alimentos principalmente para modificar la textura o la viscosidad (p. ej., salsa). Sin embargo, la consistencia ya depende del método de tratamiento térmico.	Los apósitos médicos a base de hidrocoloides se utilizan para tratar la piel y las heridas. ENla fabricación se basa en una tecnología completamente diferente y se utilizan los mismos polímeros.

Otros hidrocoloides principales son la goma xantana, la goma arábiga, la goma guar, la goma de algarroba, los derivados de la celulosa como la carboximetilcelulosa, el alginato y el almidón.

Interacción de sustancias macromoleculares con otras partículas

Las siguientes fuerzas juegan un papel importante en la interacción de las partículas coloidales:

• Repulsión sin importar el volumen: esto se refiere a la f alta de superposición entre partículas sólidas.
• Interacción electrostática: las partículas coloidales suelen llevar una carga eléctrica y, por lo tanto, se atraen o se repelen entre sí. La carga de las fases continua y dispersa, así como la movilidad de las fases, son factores que afectan esta interacción.
• Fuerzas de Van der Waals: Esto se debe a la interacción entre dos dipolos, que son permanentes o inducidos. Incluso si las partículas no tienen un dipolo permanente, las fluctuaciones de densidad de electrones dan como resultado un dipolo temporal en la partícula.
• Fuerzas de entropía. De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, el sistema entra en un estado en el que se maximiza la entropía. Esto puede llevar a la creación de fuerzas efectivas incluso entre esferas duras.
• Las fuerzas estéricas entre superficies recubiertas de polímero o en soluciones que contienen un análogo no adsorbente pueden modular las fuerzas entre partículas, creando una fuerza repulsiva estérica adicional quees de naturaleza predominantemente entrópica, o una fuerza de agotamiento intermedia.

Este último efecto se busca con superplastificantes especialmente formulados diseñados para aumentar la trabajabilidad del hormigón y reducir su contenido de agua.

Cristales poliméricos: ¿dónde se encuentran, qué aspecto tienen?

Los compuestos de alto peso molecular incluyen incluso cristales, que se incluyen en la categoría de sustancias coloidales. Esta es una matriz muy ordenada de partículas que se forman a una distancia muy grande (generalmente del orden de unos pocos milímetros a un centímetro) y se parecen a sus contrapartes atómicas o moleculares.

Nombre del coloide transformado	Ejemplo de pedido	Producción
Ópalo precioso	Uno de los mejores ejemplos naturales de este fenómeno se encuentra en el color espectral puro de la piedra	Este es el resultado de nichos compactos de esferas de dióxido de silicio coloidal amorfo (SiO2)

Estas partículas esféricas se depositan en depósitos altamente silícicos. Forman macizos muy ordenados tras años de sedimentación y compresión bajo la acción de fuerzas hidrostáticas y gravitatorias. Los conjuntos periódicos de partículas esféricas submicrométricas proporcionan conjuntos de vacíos intersticiales similares que actúan como una rejilla de difracción natural para las ondas de luz visible, especialmente cuando el espacio intersticial es del mismo orden de magnitud que la onda de luz incidente.

Por lo tanto, se encontró que debido a la repulsiónInteracciones de Coulomb, las macromoléculas cargadas eléctricamente en un medio acuoso pueden exhibir correlaciones cristalinas de largo alcance con distancias entre partículas a menudo mucho mayores que el diámetro de las partículas individuales.

En todos estos casos, los cristales de un compuesto macromolecular natural tienen la misma iridiscencia brillante (o juego de colores), que se puede atribuir a la difracción y la interferencia constructiva de las ondas de luz visible. Satisfacen la ley de Bragg.

Una gran cantidad de experimentos sobre el estudio de los llamados "cristales coloidales" surgieron como resultado de métodos relativamente simples desarrollados durante los últimos 20 años para obtener coloides sintéticos monodispersos (tanto poliméricos como minerales). A través de varios mecanismos, se realiza y preserva la formación de un orden de largo alcance.

Determinación del peso molecular

El peso molecular es una propiedad crítica de un químico, especialmente para los polímeros. Dependiendo del material de la muestra, se seleccionan diferentes métodos:

1. El peso molecular y la estructura molecular de las moléculas se pueden determinar mediante espectrometría de masas. Con el método de infusión directa, las muestras se pueden inyectar directamente en el detector para confirmar el valor de un material conocido o proporcionar una caracterización estructural de un material desconocido.
2. La información sobre el peso molecular de los polímeros se puede determinar utilizando un método como la cromatografía de exclusión por tamaño para determinar la viscosidad y el tamaño.
3. ParaDeterminar el peso molecular de los polímeros requiere comprender la solubilidad de un polímero dado.

La masa total de un compuesto es igual a la suma de las masas atómicas individuales de cada átomo en la molécula. El procedimiento se realiza según la fórmula:

1. Determina la fórmula molecular de la molécula.
2. Usa la tabla periódica para encontrar la masa atómica de cada elemento en una molécula.
3. Multiplica la masa atómica de cada elemento por el número de átomos de ese elemento en la molécula.
4. El número resultante se representa mediante un subíndice junto al símbolo del elemento en la fórmula molecular.
5. Conecte todos los valores para cada átomo en la molécula.

Un ejemplo de un cálculo simple de peso molecular bajo: Para encontrar el peso molecular de NH_{3, el primer paso es encontrar las masas atómicas de nitrógeno (N) e hidrógeno (H). Entonces, H=1, 00794N=14, 0067.}

Luego multiplica la masa atómica de cada átomo por el número de átomos en el compuesto. Hay un átomo de nitrógeno (no se da subíndice para un átomo). Hay tres átomos de hidrógeno, como lo indica el subíndice. Entonces:

• Peso molecular de una sustancia=(1 x 14,0067) + (3 x 1,00794)
• Pesos moleculares=14,0067 + 3,02382
• Resultado=17, 0305

Un ejemplo de cálculo del peso molecular complejo Ca₃(PO₄)_{2 es una opción de cálculo más compleja:}

De la tabla periódica, las masas atómicas de cada elemento:

• Ca=40, 078.
• P=30, 973761.
• O=15,9994.

La parte difícil es calcular cuántos de cada átomo hay en el compuesto. Hay tres átomos de calcio, dos átomos de fósforo y ocho átomos de oxígeno. Si la parte de unión está entre paréntesis, multiplique el subíndice que sigue inmediatamente al carácter del elemento por el subíndice que cierra los paréntesis. Entonces:

• Peso molecular de una sustancia=(40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
• Peso molecular después del cálculo=120, 234 + 61, 94722 + 127, 9952.
• Resultado=310, 18.

Las formas complejas de los elementos se calculan por analogía. Algunos de ellos consisten en cientos de valores, por lo que ahora se utilizan máquinas automatizadas con una base de datos de todos los valores de g/mol.