Polimer Oluşumu
POLİMER NEDİR? (POLİMER TEKNOLOJİSİ)
Polimerler hakkında ayrıntılı bilgilere polimer teknolojisi bölümünden ulaşabilirsiniz. Şimdi malzeme bilimi kapsamındaki polimerlere bakalım.
Polimerler; çoksayıda molekülün kimyasal bağlarla düzenli bir sekilde bağlanarak oluşturdukları yüksek molekül ağırlıklı bileşiklerdir. “Poli” Latince bir sözcük olup çok sayıda anlamına gelir. Polimerler “monomer” denilen birimlerin bir araya gelmesiyle oluşmaktadır. Buna basit bir örnek olarak “Polistren” verilebilir. Polistren birçok stren monomerinin monomerinin bir araya gelmesi ile oluşmuştur.
Yukarıda görüldüğü gibi stren monomerinin polimerizasyonu ile bu monomeri çok sayıda içeren polistren elde edilmektedir.
Organik kimyacılar ondokuzuncu yüzyılın ortalarında bazı denemelerinde rastlantısal olarak yüksek molekül ağırlıklı maddeler sentezlediler. Bu yüzyılın ikinci yarısından itibaren polimer konusundaki araştırmalar gelişmiş ve yeni polimer türleri geliştirilmiştir. Bu alanın öncüsü Alman kimyager Herman Stauding.
Herman Stauding ilk defa polimerizasyon koşullarının polimer oluşumu üzerine etkisini tanımlamıştır. Stauding kimyanın bu alanında yaptığı çalışmalarla yılında Nobel ödülünü almıştır. Bu alanda ilk kez çalışan araştırmacılar doğal polimerleri taklit ederek işe başlamışlar ve yılında Wallace Carothers Nylonu sentezlemeyi başarmıştır. İkinci dünya savasından bu yana birçok polimer laboratuarlar da üretilmiş ve ayrıca birçok polimer endüstriyel ölçekte üretilmeye başlamıştır. Endüstriyel organik kimyacılar ise daha çok polimer kimyası alanına kayarak çalışmalarını bu yönde sürdürmeye başlamıştır. Bunun sonucu olarak günümüzde sayısız polimer türü geniş bir uygulama alanın da çeşitli amaçlar için kullanılmaktadır. Aşağıda yaygın olarak kullanılan bazı polimerlerin formülleri ve sentezlendikleri monomerler gösterilmiştir.
Polimerler yapılarına göre sınıflandırılabilirler. Bir polimer tekbir monomer biriminin tekrarlanmasından oluşuyorsa buna “homopolimer” denir. Örnek olarak, etilenden elde edilen polietilen ve strenden elde edilen polistren verilebilir.
Eğer polimer molekülü iki farlı monomerin birleşmesinden oluşuyorsa buna “kopolimer” denir.
Polimer zincirler ister homopolimer ister kopolimer olsun, üç farklı formda buluna bilirler.
Polimerlerin Molekül Ağırlıkları
Polimerlerin fiziksel özellikleri molekül ağırlığı ile ilişkilidir. Bu nedenle polimerlerden beklenen fiziksel özellikleri gösterebilmeleri için belirli bir molekül ağırlığına sahip olmaları gerekir.
Genellikle molekül ağırlığının artması ile yapıda moleküller arası çekim artmakda ve buda polimerin mekanik ve ısı özelliklerini etkilemektedir. Polimerlerin molekül ağırlıkları, jel geçirgenlik kromatografisi, viskozimetrik ölçüm, ozmotik ve basınç ışık saçılması gibi yöntemlerle belirlenebilir.
Tolga KARANFİL
- ^"polymer
Polimer
Sıvı ortam altında bir yüzey üzerinde bir atomik kuvvet mikroskobukullanılarak kaydedilen gerçek doğrusal polimer zincirlerinin görünümü. Bu polimer için zincir kontur uzunluğu~ nm'dir; kalınlık ~ nm'dir.Polimer, birçok tekrar eden alt birimden oluşmuş çok büyük moleküllerden veya makromoleküllerden oluşan bir madde veya malzemedir.[1] Geniş özellik yelpazesinden dolayı[2], hem sentetik hem de doğal polimerler, günlük yaşamda temel ve her yerde bulunan bir rol oynarlar.[3] Polimerler polistiren gibi bilinen sentetik plastiklerden biyolojik yapı ve işlev için temel olan DNA ve proteinler gibi doğal biyopolimerlere kadar çeşitlilik gösterirler. Hem doğal hem de sentetik polimerler, monomerler olarak bilinen birçok küçük molekülün polimerizasyonu yoluyla oluşturulur. Küçük moleküllübileşiklere göre daha büyük moleküler kütleye sahiptirler ve bu özellikleri sertlik, yüksek elastikiyet, viskoelastisite ve kristal yerine amorf ve yarı kristal yapılar oluşturma eğilimi gibi benzersiz fiziksel özellikler üretir.
"Polimer" terimi Yunanca πολύς (polus, "çok" anlamına gelir) ve μέρος (meros, "parça" anlamına gelir) kelimesinden türemiştir ve yapısı çok sayıda tekrar eden birimlerden oluşan, yüksek nispi moleküler kütle ve eşlik eden özelliklerden kaynaklanan büyük molekülleri ifade eder.[4] Polimerleri oluşturan birimler, gerçekte veya kavramsal olarak düşük nispi moleküler kütleli moleküllerden türetilir.[4] Bu terim, modern IUPAC tanımından farklı bir tanımla 'te Jöns Jacob Berzelius tarafından icat edildi.[5][6] Kovalent bağlı makromoleküler yapılar olarak modern polimer kavramı 'de, sonraki on yılı bu hipotez için deneysel kanıtlar bulmakla geçiren Hermann Staudinger[7] tarafından önerildi.[8]
Polimerler, polimer bilimi (polimer kimyası ve polimer fiziği dahil), biyofizik ve malzeme bilimi ve mühendisliği alanlarında incelenir. Tarihsel olarak, tekrar eden birimlerin kovalent kimyasal bağlarla bağlanmasından ortaya çıkan ürünler, polimer biliminin ana odağı olmuştur. Ortaya çıkan önemli bir alan, artık kovalent olmayan bağlarla oluşturulan supramoleküler polimerlere odaklanmaktadır. Latekskauçuğunpoliizopreni, doğal bir polimerin bir örneğidir ve straforunpolistireni, bir sentetik polimer örneğidir. Biyolojik bağlamlarda, esasen tüm biyolojik makromoleküller - yani proteinler (poliamidler), nükleik asitler (polinükleotidler) ve polisakkaritler - tamamen polimeriktir veya büyük oranda polimerik bileşenlerden oluşur.
Kaynakça[değiştir
nest...Polimerlerin özünde birer organik bileşik olduklarını konuya giriş yaparken belirtmiştik. Önceki konu başlıklarında bahsettiğimiz organik bileşiklerden farklı olarak polimerler, çok uzun karbon zincirlerinden oluşuyor. Polimerler zincirleri, birbirlerine kovalent bağ ile bağlanan karbon atomlarından ve bu karbon atomlarına yine kovalent bağ ile bağlanan farklı atomlardan meydana geliyor. Her bir zincir diğer zincirlere ise, kovalent bağa kıyasla çok daha düşük kuvvette bir çekim yaratabilen Van der Waals etkileşimi ile bağlanıyor. Bu etkileşim sayesinde her bir zincir bir yumak misali iç içe geçerek, makroskobik boyuttaki polimer yapısını meydana getiriyor.
Not:Bu içeriği genişletilmiş haliyle video olarak da izleyebilirsiniz. Dersler başlığı altındaki Temel Malzeme Dersleri video listesine göz atmak için resme tıklayın.Polimer zincirleri çok fazla sayıda karbon atomundan oluşmaları nedeniyle diğer organik bileşiklerden ayrılıyorlar. Çok fazla sayıda karbon içermeleri nedeniyle polimerleri isimlendirirken, önceki konu başlıklarında yaptığımız gibi, bileşiğin içerdiği karbon sayısını göz önüne alamıyoruz. Karbon atomlarını saymak yerine, bileşiğin çok fazla sayıda karbon içerdiğini belirtmek için, bileşiklerin adının başına &#;çok&#; anlamına gelen poli- ekini getiriyoruz:
Bu kadar uzun karbon zincirlerinin nasıl oluştuğunu anlamak için öncelikle radikal adını verdiğimiz atom ve moleküllerden bahsetmemizde fayda var. Bağ oluşumuna katılmamış serbest elektrona sahip atom ve moleküllere radikal adını veriyoruz. Radikallere örnek olarak klor gazının morötesi ile parçalanmasıyla oluşan atomik klor radikallerini gösterebiliriz:
Bu tepkimenin sağında gösterilen klor atomlarının yanlarındaki noktalar, bu atomların eşleşmemiş birer elektrona sahip olduğunu, yani birer radikale dönüştüklerini gösteriyor. Radikaller bu örnekteki gibi sadece atomlardan değil, bileşiklerden de meydana gelebiliyor. Örneğin bir metan gazı (CH4) molekülündeki karbon atomu dört yerine üç hidrojen atomuna bağlandığında, karbon atomunun sahip olduğu dördüncü dış yörünge elektronu bağ kuramadığı için, molekül aşağıda gösterildiği şekilde radikalleşebiliyor:
Bu bileşiğin yanındaki nokta, yukarıdaki örnekte olduğu gibi, bileşiğin eşleşmemiş bir elektrona sahip olduğunu; yani, bir radikal olduğunu ifade ediyor.
Şimdi bu radikallerin uzun polimer zincirlerinin oluşumunu nasıl sağladıklarına bakalım. Basit bir yapıya sahip olması nedeniyle, iki karbon atomuna sahip etilen gazını ele alalım.
Yukarıdaki yapı, oda sıcaklığında gaz fazında bulunan etilene ait tek bir molekülü gösteriyor. Polimerleşme sürecini daha rahat gözümüzde canlandırabilmek için, oda sıcaklığındaki bir kap içinde bir miktar etilen gazı olduğunu düşünelim. Kap gazla dolu olduğuna göre, yukarıda bir örneği gösterilen molekülden kap içinde çok fazla sayıda bulunacağını gözümüzde canlandırabiliriz. Ardından, bu kap içine bir radikal atomu ya da molekülü eklediğimizi varsayalım. Kolaylık sağlaması açısından bu radikali &#;R&#; ile gösterelim. Eşleşmemiş bir elektrona sahip olması nedeniyle bu radikal bağ kurmaya çok hevesli olacak; yani, eşleşmemiş elektronunu paylaşarak kararlı duruma geçmek isteyecek. Şimdi, kap içine eklenen radikalin kap içindeki etilen moleküllerinden biriyle tepkimeye girdiğini düşünelim. Bu moleküllerden biri bir radikal ile tepkimeye girdiğinde, tepkime sonucunda oluşan molekül de bir radikal haline gelecek; yani, eşleşmiş bir elektrona sahip olacak.
Bunun nedeni, etilenin bir alken olması nedeniyle, moleküldeki iki karbon atomu arasında çift bağ bulunuyor olması. Radikalin bu karbon atomlarından birine eklenebilmesi için, iki karbon atomu arasındaki çift bağın tek bağa dönüşmesi gerekiyor. Bu dönüşüm sonrasında radikale bağlanan karbon atomu dört bağ kurabilse de, radikale bağlanmayan diğer karbon atomunun eşleşmiş bir elektronu kalıyor. Böylece bütün bileşik bir radikal haline geliyor. Polimerin üzerine eklenerek oluşacağı bu kök yapıya organik kimyada mer adını veriyoruz. Bu noktadan sonra, bu çekirdek yapıya etilen moleküllerinin teker teker eklenmesiyle çoklu mer zinciri, yani polimer kurulmaya başlıyor:
Polimerleşme sırasında çekirdek yapının sahip olduğu eşleşmemiş elektron, her bir molekülün eklenmesiyle bir sonraki moleküle transfer edilerek molekülün büyümesini sağlıyor.
Tepkimenin bu işleyişle devam etmesi sonucunda, çok fazla sayıda karbon atomundan oluşan polietilen molekülünü (aşağıdaki resim) elde edebiliyoruz.
Şimdi, farklı bir örnek olarak, iki karbon atomuna ek olarak üç hidrojen, bir de klor atomu içeren vinil klorür bileşiğini ele alalım.
Aynı şekilde, bu molekülü de bir radikal ile tepkimeye soktuğumuzda, yukarıdaki örnekte olduğu gibi, zincirin büyümesini sağlayabiliyoruz.
Bu tepkime sonucunda, yine çok fazla sayıda karbon atomunun çekirdek yapıya eklenmesiyle, kapı ve pencere profillerinde sıklıkla kullandığımız polivinil klorür (PVC) molekülüne ulaşabiliyoruz.
Günlük hayatta kullandığımız polimer malzemeler, bu örneklere benzer çok fazla sayıda zincirin iç içe geçmesiyle elde ediliyor. Aşağıdaki tabloda, yaygın olarak kullanılan bazı polimer çeşitleri, tekrarlayan kimyasal yapı gösterimleriyle birlikte veriliyor. Bütün bir zincir boyunca tek bir tür tekrarlayan yapı içeren bu tür polimerlere homopolimer (İngilizce: homopolymer) adını verdiğimizi parantez içinde belirtelim.
Polimer malzemeleri, kaba bir tarifle, polimer zincirlerinin iplik yumağı misali iç içe geçmesiyle oluşmuş gibi gözümüzde canlandırabiliriz. Bu zincirlerin birer molekül olmaları nedeniyle, her biri sadece birkaç atom mesafesi kalınlığına sahip oluyor.
Resim:Yurko, Creative Commons (CC BY-SA )
Örnek olarak yukarıdaki resimde bazı polimer zincirlerinin atomik kuvvet mikroskobuyla (İngilizce: atomic force microscopy &#; AFM) çekilmiş görüntüleri gösteriliyor. Resimde gösterilen zincirlerin ortalama uzunlukları yaklaşık nm, kalınlıkları ise nm civarında. Bu ebattaki moleküller yün yumağı misali birbirlerine dolandıklarında aralarında nispeten zayıf bir bağ olan Van der Waals etkileşimi gerçekleşiyor. Bu zayıf etkileşimin aksine, her bir zincir içindeki atomların çok daha güçlü kovalent bağlarla birbirlerine bağlandıklarını tekrar hatırlatalım.
Devamı: