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Secundaria 6° · Química
Química orgánica · Polímeros y sociedad

Polimerización por condensación

La polera de The Strongest es de poliéster y el césped sintético de una cancha de fútbol de salón en Cochabamba suele ser de polietileno. Una botella de refresco es de PET, que también es un poliéster. El poliéster y el PET no se forman abriendo un doble enlace como el polietileno: nacen de dos monómeros distintos que se unen y sueltan, en cada unión, una molécula pequeña, casi siempre agua. Por eso las cuentas cambian: hay que seguir el rastro de lo que se pierde, no solo de lo que se encadena.

Unión con pérdida de una molécula pequeña

Si calientas ácido tereftálico con etanodiol (etilenglicol) en un recipiente abierto, la masa total disminuye, se recoge un destilado incoloro que es agua y el líquido residual se vuelve cada vez más espeso hasta formar PET. ¿De dónde sale esa agua si partías de reactivos puros y secos?

El agua sale de los propios grupos funcionales: el $-\mathrm{OH}$ del ácido y el $\mathrm{H}$ del alcohol (o de la amina) se combinan para formar $\mathrm{H_2O}$. Es la misma esterificación que viste en reacciones orgánicas, repetida muchas veces.

Condensación entre un diácido carboxílico y un diol: se forma un enlace éster y se desprende una molécula de agua diácido HOOC–R–COOH diol HO–R'–OH se forma un enlace éster... –CO–O–R'– (+ extremos libres) ...y se desprende H₂O
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En la síntesis de un poliéster lineal se hace reaccionar ácido etanodioico ($\mathrm{HOOC-COOH}$) con etano-1,2-diol ($\mathrm{HO-CH_2-CH_2-OH}$). a) Escribe la ecuación…

En la síntesis de un poliéster lineal se hace reaccionar ácido etanodioico ($\mathrm{HOOC-COOH}$) con etano-1,2-diol ($\mathrm{HO-CH_2-CH_2-OH}$).

  1. a) Escribe la ecuación química balanceada correspondiente a la formación del dímero lineal más simple formado por una molécula de cada reactivo, identificando el nuevo grupo funcional formado y el subproducto eliminado.
  2. b) Justifica por qué ambos monómeros deben ser bifuncionales para permitir el crecimiento indefinido de la cadena polimérica.
Resolver

Unidad de repetición y masa molar

Las proteínas y el nylon son poliamidas; el PET y el PLA, poliésteres. En todos, la cadena larga se describe con su unidad de repetición, el fragmento que se repite $n$ veces: $[\ \cdots\ ]_n$.

Masa molar de la unidad de repetición: masa del diácido más masa del diol menos dos veces la masa del agua M diácido + M diol (o diamina) − 2 · M(H₂O) = masa molar de la unidad de repetición

Cuando el monómero es hidroxiácido (como el ácido láctico, con un $-\mathrm{OH}$ y un $-\mathrm{COOH}$ en la misma molécula), cada monómero aporta un solo bloque a la cadena y pierde una molécula de agua por unidad: $M_{\text{unidad}} = M_{\text{monómero}} - M(\mathrm{H_2O})$. Para el ácido láctico: $90{,}08 - 18{,}02 = 72{,}06\ \mathrm{g/mol}$.

Si quieres la masa molar de una cadena de $n$ unidades de repetición (cadena muy larga, sin contar los extremos): $M_{\text{polímero}} \approx n \cdot M_{\text{unidad}}$.

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El poli(tereftalato de etileno), conocido comercialmente como PET, es un poliéster sintetizado por condensación a partir de ácido benceno-1,4-dicarboxílico (ácido…

El poli(tereftalato de etileno), conocido comercialmente como PET, es un poliéster sintetizado por condensación a partir de ácido benceno-1,4-dicarboxílico (ácido tereftálico, $\mathrm{C_8H_6O_4}$, $M = 166,13\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) y etano-1,2-diol ($\mathrm{C_2H_6O_2}$, $M = 62,07\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$).

  1. a) Deduce la fórmula de la unidad de repetición correspondiente a un par diácido/diol del polímero en el límite de cadena muy larga.
  2. b) Calcula la masa molar de dicha unidad repetitiva sabiendo que en cada ciclo de incorporación de un par diácido/diol se eliminan dos moléculas de agua ($\mathrm{H_2O}$, $M = 18,02\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$).
Resolver

Cadenas finitas: contando monómeros y agua

Al unir 2 monómeros se libera 1 molécula de agua; con 3, se liberan 2; con 4, 3. ¿Por qué el agua desprendida es siempre una unidad menos que el número de piezas?

Cadena abierta de tres monómeros alternados que forman dos enlaces y liberan dos moléculas de agua H₂O H₂O diácido diol diácido 3 monómeros → 2 enlaces → 2 H₂O
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La condensación por etapas entre monómeros bifuncionales genera oligómeros antes de alcanzar masas moleculares elevadas. El siguiente esquema ilustra la formación de un…

La condensación por etapas entre monómeros bifuncionales genera oligómeros antes de alcanzar masas moleculares elevadas. El siguiente esquema ilustra la formación de un oligómero lineal a partir de dos moléculas de un ácido dicarboxílico $\mathrm{HOOC-R_1-COOH}$ y dos moléculas de un diol $\mathrm{HO-R_2-OH}$ alternadas:

?− R₁ −COO− R₂ −OOC− R₁ −COO− R₂ −? Residuos del diácido (R₁) y del diol (R₂)
  1. a) A partir del diagrama lineal de 4 bloques monoméricos conectados, determina el número exacto de moléculas de agua desprendidas durante la formación de este tetrámero y formula los grupos funcionales que quedan libres en cada extremo de la cadena.
  2. b) Si una cadena lineal abierta se forma mediante la policondensación estricta de $n$ moléculas de diácido y $n$ moléculas de diol sin sufrir ciclaciones, deduce la expresión general del número de moléculas de agua generadas en función de $n$.
Resolver

Balance de masa y biopolímeros

Balance de materia en un reactor de policondensación: masa de reactivos menos agua desprendida igual a polímero seco masa total de reactivos − agua desprendida = polímero seco

Vuelve al principio: el agua que se recoge al calentar ácido tereftálico con etanodiol sale de los grupos funcionales que se unen. Por eso la masa del PET de una botella es la suma de los monómeros menos $18{,}02\ \mathrm{g/mol}$ por cada enlace formado; las botellas PET mal desechadas contaminan la Madre Tierra.

Resumen

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