Incursionemos en la química de los plásticos

   Cuando tratamos el tema de los diferentes materiales que utilizamos en nuestra vida diaria, surgen los materiales metálicos, los vidrios, los cerámicos, los plásticos, ... Cuando desarrollamos este tema, es conveniente relacionar la estructura de los materiales con sus propiedades y promover en nuestros alumnos preguntas tales como:

  Podemos hacer un primer acercamiento experimental a la composición de los plásticos, colocando un trocito de algún plástico sobre un plato cerámico y acercando la llama de un fósforo encendido: el plástico comienza a arder, se quema, produciendo humo y dejando un residuo sólido negro, carbono.
Cuidado!!! Para comprobarlo debemos utilizar un trozo muy pequeño de plástico, por ejemplo del tamaño de una lenteja o un arroz.

   Es importante tomar estas precauciones, ya que algunos plásticos, al arder, liberan sustancias tóxicas.
   Los resultados del experimento anterior permiten llegar a la conclusión que en la estructura de los plásticos está presente el carbono. Podemos decir que los átomos de carbono son su base química y agregar que el petróleo es la materia prima para su obtención.
   Los materiales plásticos son elaborados por empresas que pertenecen a la llamada industria petroquímica.
    Estructuralmente, los plásticos son materiales poliméricos, es decir que sus moléculas se obtienen por la reacción de un gran número de otras moléculas más pequeñas. Como resultado de una polimerización se forman macromoléculas (moléculas grandes), que se pueden asimilar a largas cadenas.

Las cadenas pueden ser lineales

Las cadenas pueden ser ramificadas

Diseñando un plástico
  Las cadenas de los polímeros se pueden agrupar de dos maneras:

cadenas alineadas

cadenas no alineadas

  En ambos casos, hay fuerzas de atracción entre las cadenas. Podemos preguntar, entonces:

   En el primer caso la atracción se da a lo largo de toda la cadena, con prácticamente la misma intensidad, mientras que en el segundo caso existen ciertos puntos en los cuales las atracciones son más intensas que en otros (la distancia entre las diferentes cadenas no es siempre la misma, existen zonas en las que las cadenas están más cerca entre sí y sabemos que cuanto menor es la distancia, tanto mayor es la intensidad de las fuerzas de atracción).
  Esto trae aparejadas distintas propiedades en los plásticos que presentan una u otra estructura.
  La estructura de cadenas alineadas, es más ordenada y compacta que la de cadenas no alineadas. En términos generales, podemos decir que el primer caso corresponde a un material plástico más rígido (menos flexible), más denso y de mayor temperatura de ablandamiento que la de un plástico con la otra estructura.
  Cuanto más intensas son las fuerzas de atracción entre las cadenas, tanto más rígido (más difícil de deformar) es el material.

   Habíamos mencionado que las cadenas de un polímero pueden ser lineales o ramificadas. Nos detendremos ahora en las ramificadas.

   Si las cadenas presentan ramificaciones sin que éstas lleguen a unir una parte de una cadena con otra, el material es flexible.
   Para entender mejor la forma en que se pueden acomodar un grupo de cadenas usemos la siguiente analogía:
   Las cadenas de un polímero ramificado pueden ser asimiladas a los troncos ramificados de un árbol, y los trozos de leña a las cadenas lineales.

Los troncos de árboles con ramas no pueden ubicarse entre sí con la misma proximidad que la leña para el fuego.

Hablemos del polietileno

   Si en un polietileno las ramificaciones llegan a unir distintas cadenas, el material es rígido y tiene una temperatura de ablandamiento elevada (aproximadamente 200°C).

    Podemos ahora entender, entonces, el por qué de la existencia de diferentes tipos de polietileno y sus distintos usos.

   Un polietileno de cadenas no ramificadas y no alineadas tiene una temperatura de ablandamiento de alrededor de 134°C, es flexible e ideal para ser utilizado en la fabricación de las bolsas que nos suministran en cualquier supermercado.
   Un polietileno con cadenas ramificadas pero sin que ellas estén unidas entre sí, es un material con una temperatura de ablandamiento ligeramente menor; finalmente, cuando las ramificaciones llegan a unir dos regiones de diferentes cadenas, el polietileno tiene una temperatura de ablandamiento más elevada, aproximadamente de 200°C.
   Pero aún hay otra posibilidad, si las cadenas del polietileno se alinean, entonces lo que se obtiene es un polietileno de alta densidad, con una temperatura de ablandamiento elevada y gran resistencia mecánica.

   Resulta evidente que dada la variedad en las propiedades de los diferentes polietilenos, el espectro de sus aplicaciones es amplísimo y más aún si exploramos la posibilidad de incorporar al polietileno otras sustancias (colorantes, retardadores de llama que disminuyen la inflamabilidad, etc.)

Los polímeros

Cuando una macromolécula se obtiene al repetirse un patrón de átomos a lo largo de la misma, se tiene un polímero.
El compuesto que presenta dicho patrón de átomos, a partir del cual se construye el polímero, es un monómero.
Si para la obtención de algún polímero se utilizan dos o más monómeros distintos, el resultado se conoce como copolímero.

Si tenemos en cuenta el tipo y forma de agrupación de las cadenas poliméricas, podemos hacer la siguiente clasificación:

Seguimos con los plásticos

   La diferencia de comportamiento frente al aumento de temperatura, suele utilizarse para clasificar los plásticos en termoplásticos y termoestables (o termorrígidos).
Son ejemplos de la primera clase el polietileno y el PVC y de la segunda la baquelita y la melamina.

   Cuando se calienta un polímero termoplástico, éste se ablanda y, si la temperatura se eleva suficientemente, puede fluir como un líquido. Cuando se lo vuelve a enfriar, la masa pastosa del termoplástico solidifica. Estos ciclos de calentamiento y enfriamiento se pueden repetir y las variaciones de estado de agregación se repetirán también.
   ¿Cómo podemos explicar este comportamiento de los termoplásticos?
   El calentamiento provoca un movimiento de las cadenas poliméricas, disminuyendo la intensidad de las fuerzas de cohesión (atracción) que actúan entre ellas. Esto da fluidez al material que entonces puede adoptar con facilidad las formas útiles que se le quiera dar. Al ser enfriado, las moléculas vuelven a "acomodarse" por aumento de la intensidad de las mencionadas fuerzas de cohesión (fuerzas intermoleculares).
   Dentro de cierto ámbito de temperatura, la estructura química del polímero termoplástico no se modifica cuando se lo somete a sucesivos ciclos de calentamiento y enfriamiento.

   ¿Y los termoestables?
   La denominación de termoestables, termorrígidos o termoendurecibles se aplica a aquellos plásticos del tipo de la baquelita en los que, inicialmente, la reacción entre los monómeros origina un material flexible y moldeable cuyas cadenas están, en parte, enlazadas transversalmente. Una vez que el plástico ha adoptado la forma que se le quiere dar, se calienta y esto da lugar a la formación de enlaces entrecruzados en el polímero, hasta que se obtiene un material rígido y durable, que no se puede volver a ablandar por calentamiento. Se dice que tienen una estructura de red. Por calentamiento, un plástico termoestable no se ablanda pero si se eleva mucho la temperatura, puede sufrir alteraciones en su composición y estructura.

Una actividad experimental para nuestros alumnos

PARA DETECTIVES

  ¿Se acuerdan de los códigos de identificación de los plásticos? ¿Será la única manera que tenemos para diferenciar plásticos?
Les proponemos un desafío.
  A continuación aparece una tabla en la que figuran las densidades de distintos tipos de plásticos y las de algunos líquidos.

  Ustedes ya saben que si un cuerpo flota en un líquido, es porque tiene una densidad (o peso específico) menor que la del líquido.
  Teniendo en cuenta los valores de la tabla, podrían diferenciar, por ejemplo, un trocito de polipropileno de un trocito de PVC. ¿Cómo lo harían usando solamente un recipiente con agua y un trozo de cada uno de los plásticos mencionados? Compruébenlo.
  (El PP flota en agua, el PVC no).

  Si cuentan con los siguientes materiales: muestras de distintos plásticos, sal, agua, alcohol, probetas, tubos, vasos y varillas, podrán diferenciar también a los otros plásticos.
Manos a la obra!
  Para preparar el agua salada tendrán que conseguir algunos sobrecitos de sal, como los que se usan en los lugares de comida rápida ("Fast food"). Estos sobrecitos contienen 1g o 2 g de sal. Verificarlo.

  Si el sobre contiene 1 g, podrán preparar 10 ml de agua salada. ¿Por qué?
Porque:
10 g de sal ------------100 ml de agua salada
1 g de sal ------------- x= 10 ml de agua salada

  Entonces, tendrán que colocar el contenido del sobre en un tubo al que previamente le hayan marcado la altura que corresponde a un volumen de 10 ml y agregarle agua hasta alcanzar esa marca. Mezclar con la varilla y ya está.

  Si no tienen forma de marcar 10 ml, deberán realizar los cálculos que sean necesarios para adecuarse a los materiales que tengan. Por ejemplo, si tienen un recipiente en el que hay una marca de 20 ml, deberán realizar un cálculo como el que sigue:

100 ml -------------10 g de sal
20 ml ------------- x = 2 g de sal
(usarán 2 paquetitos de 1 g cada uno o 1 paquetito de 2 g)

  Para preparar la mezcla de alcohol y agua (1:1) deberán usar la probeta o tubos marcados, para mezclar volúmenes iguales de alcohol y de agua.

  ¿Cómo obtienen las muestras de plástico? Buscando en sus casas o en la escuela, envases plásticos que lleven el código y preguntando si pueden cortar algún pedacito, antes de hacerlo.

  Cada grupo trae distintos trocitos, cada uno de ellos envuelto e identificado con un código que sólo el grupo y el docente conoce.
  Se intercambian las muestras con otros grupos, de manera que a cada grupo le correspondan dos o más muestras no conocidas. Cada grupo anota la identificación de cada una de las muestras que recibió.
  Realizan los experimentos e informan sus conclusiones.
  Es muy útil, a medida que realizan los experimentos, anotar los resultados. Por ejemplo, pueden ir completando una tabla como la que sigue:

En la puesta en común de lo realizado, se discuten los resultados.

  Seguramente que la actividad anterior les resultará a los alumnos muy interesante y nos permitirá promover la reflexión acerca de las características del trabajo de un investigador, el uso y confiabilidad (incertezas) de los datos experimentales, el diseño de experimentos, etc..