تدریس فصل سوم شیمی یازدهم ریاضی و تجربی – پلیمر ها

فصل سوم شیمی یازدهم ریاضی و تجربی

الیاف و درشت ‌مولکول ‌ها (پلیمرها)

الیاف طبیعی و مصنوعی، نقش مهمی در زندگی ما ایفا می‌ کنند. یکی از مهم‌ ترین الیاف طبیعی، پنبه است که حدود نیمی از پوشاک جهان از آن تهیه می ‌شود. علاوه بر پوشاک، پنبه در تولید محصولاتی مانند رویه مبل، پرده، تور ماهیگیری و گاز استریل نیز کاربرد دارد. ساختار مولکولی پنبه از سلولز تشکیل شده است؛ سلولز زنجیری بلند و پیچیده از مولکول‌ های گلوکز است که به هم متصل شده ‌اند. در واقع سلولز یک درشت‌ مولکول یا پلیمر طبیعی محسوب می ‌شود که تعداد اتم ‌های تشکیل ‌دهنده آن بسیار زیاد است.

تفاوت مواد مولکولی و درشت ‌مولکول‌ ها

مواد مولکولی معمولی مانند آب (H₂O)، آمونیاک (NH₃)، متان (CH₄)، دی ‌اکسید کربن (CO₂) و گوگرد (S₈) از مولکول ‌های کوچکی با تعداد کم اتم ساخته شده ‌اند. این ترکیبات جرم مولی پایینی دارند و ساختار آن‌ ها ساده است. در مقابل، درشت‌ مولکول‌ ها یا ماکرو مولکول ‌ها، شامل زنجیره ‌های بسیار بلند اتمی هستند. نمونه‌ هایی از آن‌ ها شامل سلولز، نشاسته، پروتئین‌ ها، پشم، ابریشم و پلیمر های مصنوعی مانند پلی ‌اتن، نایلون و تفلون هستند.

واکنش پلیمری شدن (بسپارش) چیست؟

پلیمری شدن یا بسپارش، فرایندی است که در آن مولکول ‌های کوچک به نام مونومر، تحت شرایط خاصی مانند گرما و فشار، به هم متصل شده و زنجیره‌ های بلند پلیمری ایجاد می‌ کنند. به ‌طور مثال، زمانی ‌که گاز اتن (C₂H₄) را تحت گرما و فشار قرار دهیم، پیوند دوگانه بین اتم‌ های کربن می‌ شکند و مولکول ‌ها به صورت زنجیره ‌ای به هم متصل می ‌شوند تا پلی ‌اتن (Polyethylene) تشکیل شود.

در این واکنش، هر مولکول اتن تبدیل به یک واحد تکرار شونده در زنجیره پلیمر می ‌شود. مونومر هایی که دارای پیوند دوگانه بین اتم‌ های کربن هستند، می‌ توانند در این نوع واکنش شرکت کنند.

چرا برخی الیاف نرم و برخی دیگر سخت هستند؟

ساختار مولکولی پلیمر ها بسته به شرایط پلیمری شدن می ‌تواند متفاوت باشد. برای مثال، پلی ‌اتن سبک (LDPE) زنجیر های شاخه‌ دار دارد که باعث می ‌شود ماده انعطاف‌ پذیر و شفاف باشد، در حالی‌که پلی‌اتن سنگین (HDPE) دارای زنجیره‌ های خطی و فشرده است و استحکام و چگالی بیشتری دارد. بنابراین، نوع پیوند، نظم مولکولی و شاخه‌ دار بودن زنجیره ‌ها می ‌تواند ویژگی‌ هایی مانند نرمی یا سختی الیاف را تعیین کند.

چگونه می ‌توان الیاف ضدآب یا ضدآتش ساخت؟

برای تولید الیافی با ویژگی ‌های خاص مانند ضد آب یا ضد آتش بودن، ساختار شیمیایی پلیمر را تغییر می ‌دهند. این تغییرات شامل:

• افزودن گروه ‌های آب ‌گریز مانند گروه‌ های فلوئوروکربنی برای دفع آب.
• ترکیب پلیمر ها با مواد معدنی مقاوم در برابر آتش مثل اکسید آنتیموان یا فسفر.
• ایجاد پیوستگی ‌های عرضی (Cross-linking) بین زنجیره‌ های پلیمری برای افزایش پایداری گرمایی.

آیا می ‌توان از این الیاف در پزشکی استفاده کرد؟

بله، پلیمر های زیست ‌سازگار زیادی در پزشکی کاربرد دارند. برخی از این پلیمر ها برای تولید:

• نخ بخیه قابل جذب
• پوشاک جراحی
• پانسمان ‌های هوشمند
• وسایل قابل کاشت مانند دریچه‌ های قلب مصنوعی و لوله‌ های زیستی

استفاده می ‌شوند. برای چنین کاربرد هایی، پلیمر باید فاقد سمیت، غیر واکنش‌ پذیر، انعطاف ‌پذیر و قابل ‌استریل باشد.

شرایط شیمیایی لازم برای تولید الیاف مصنوعی چیست؟

برای تولید الیاف مصنوعی باید شرایط زیر فراهم شود:

• مونومرهای مناسب: معمولاً ترکیبات سیر نشده با پیوند دوگانه کربن-کربن
• کاتالیزور های ویژه: برای آغاز و کنترل واکنش پلیمری شدن
• دما و فشار مناسب: بستگی به نوع پلیمر دارد؛ برای مثال پلی ‌اتن سبک در فشار بالا و پلی ‌اتن سنگین در فشار پایین ساخته می ‌شود.
• محیط واکنش کنترل ‌شده: جلوگیری از ورود اکسیژن و رطوبت برای برخی پلیمر ها الزامی است.

کشف تصادفی تفلون؛ شانس در خدمت علم

در دهه 1930، دانشمندی به نام پلانکت در حال بررسی گاز های خنک ‌کننده بود که متوجه شد یکی از کپسول ‌ها گاز پس نمی ‌دهد. پس از برش کپسول، ماده جامدی در ته آن یافت که از پلیمری شدن تترا فلوئورواتن (C₂F₄) به دست آمده بود. این ماده، تفلون نام گرفت که نقطه ذوب بالا، مقاومت حرارتی و شیمیایی بالا و خاصیت نچسب دارد. تفلون بعد ها در صنایع گوناگون از ماهیتابه گرفته تا لوازم پزشکی و فضایی استفاده شد.

نتیجه‌گیری

پلیمرها، چه طبیعی و چه مصنوعی، بخش جدایی ‌ناپذیری از زندگی انسان ‌ها هستند. با درک ساختار و ویژگی‌ های شیمیایی آن ‌ها، می‌ توان محصولاتی با خواص متنوع مانند ضد آب، ضد آتش، زیست ‌پذیر، سبک یا مقاوم تولید کرد. پیشرفت در شیمی پلیمر، یکی از مهم‌ ترین عوامل تحول در صنایع نساجی، پزشکی و پتروشیمی است.

پلیمر ها شیمی یازدهم

پلیمر به زبان ساده، مولکول بسیار بزرگی است که از به‌هم‌پیوستن تعداد زیادی مولکول کوچک‌تر به نام «مونومر» ساخته می‌شود.
واژه پلیمر از دو بخش یونانی گرفته شده است:

• پلی (Poly) یعنی «بسیار»
• مر (mer) یعنی «بخش یا واحد»

پس پلیمر یعنی «دارای واحدهای زیاد».

توضیح ساده:

اگر مونومرها را مثل دانه‌های مهره در نظر بگیریم، پلیمر مثل یک زنجیر بلند از مهره‌ها است که با پیوندهای شیمیایی به هم وصل شده‌اند.

انواع پلیمرها شیمی یازدهم

پلیمرهای طبیعی: در طبیعت وجود دارند مثل:

• سلولز در چوب و پنبه
• پروتئین‌ها در بدن انسان
• DNA که اطلاعات ژنتیکی را نگه می‌دارد
• کائوچو طبیعی از شیره درختان

پلیمرهای مصنوعی: انسان آن‌ها را در آزمایشگاه و کارخانه می‌سازد، مثل:

• پلاستیک‌ها (مثل پلی‌اتن و پلی‌استیرن)
• نایلون و پلی‌استر برای تولید لباس
• تفلون برای روکش ظروف نچسب

 فرایند تشکیل پلیمر شیمی یازدهم

وقتی چندین مولکول مونومر در یک واکنش شیمیایی به هم وصل می‌شوند، واکنش پلیمریزاسیون رخ می‌دهد و پلیمر ساخته می‌شود.

مثلاً وقتی مولکول‌های ساده اتن (C₂H₄) به هم می‌پیوندند، پلی‌اتن (پلی‌اتیلن) به وجود می‌آید که همان پلاستیک معمولی است.

کاربرد پلیمرها:

پلیمرها تقریباً در همه‌چیز اطراف ما هستند:

• لباس‌ها، کفش‌ها و چرم مصنوعی
• بطری‌ها، لوله‌ها و بسته‌بندی‌ها
• چسب‌ها، رنگ‌ها و لاستیک خودرو
• وسایل پزشکی مثل نخ بخیه، ایمپلنت و لنز

جمع‌بندی:
پلیمرها موادی بسیار مهم در زندگی امروزی هستند که از مولکول‌های کوچکی به نام مونومر ساخته می‌شوند. ترکیب‌پذیری و تنوع بالای آن‌ها باعث شده در صنایع مختلف، از پزشکی تا پوشاک و خودرو، نقش اساسی داشته باشند.

پلی ‌استرها شیمی یازدهم

پلی ‌استر ها چیستند و چگونه ساخته می ‌شوند؟

با افزایش نیاز به تولید پوشاک متنوع و با کاربرد های مختلف، دانشمندان به دنبال ساخت پلیمر های جدیدی رفتند. نتیجه این تلاش ‌ها، تولید دسته ‌ای از پلیمر ها به نام پلی ‌استر ها بود. این مواد از واکنش ترکیباتی ساخته می ‌شوند که در ساختار خود اتم ‌های کربن (C)، هیدروژن (H)، اکسیژن (O) و گاهی نیتروژن (N) دارند.

پلی‌استر ها معمولاً از واکنش بین دو گروه عاملی مهم به وجود می ‌آیند:

• گروه هیدروکسیل (–OH)
• گروه کربوکسیل (–COOH)

در نتیجهٔ این واکنش، ماده ‌ای به نام استر تولید می ‌شود که واحد تکرار شوندهٔ پلی ‌استر ها را می ‌سازد.

استر ها: عطر خوش گل‌ ها و میوه‌ ها

استرها ترکیباتی آلی هستند که بوی خوش بسیاری از گل‌ ها، شکوفه‌ ها و میوه ‌ها به خاطر وجود آن‌ هاست. مثلاً بوی خوش آناناس به دلیل وجود اتیل بوتانوات است که یک استر می ‌باشد.

در ساختار مولکولی استر ها، دو زنجیر هیدروکربنی از دو طرف به گروه عاملی استر وصل شده‌ اند:

• یک سمت به اتم اکسیژن
• سمت دیگر به اتم کربن

نکته مهم این است که استر ها از واکنش یک الکل با یک اسید کربوکسیلیک ساخته می ‌شوند.

الکل‌ ها شیمی یازدهم

الکل‌ ها دسته ‌ای از مواد آلی هستند که در ساختار شان یک یا چند گروه هیدروکسیل (–OH) به اتم کربن متصل شده است. دو نمونه رایج الکل‌ ها عبارتند از:

• متانول (CH₃OH)
• اتانول (C₂H₅OH)

الکل‌ هایی که فقط یک گروه –OH دارند، الکل ‌های یک عاملی نامیده می ‌شوند.

ویژگی مهم الکل ‌ها:

در الکل‌ های کوچک (تا ۵ اتم کربن)، بخش قطبی بیشتر از بخش ناقطبی است، پس این الکل‌ ها در آب حل می‌ شوند.

اما با زیاد شدن تعداد کربن ‌ها، بخش ناقطبی غالب شده و الکل ها در آب حل نمی ‌شوند ولی در چربی ‌ها حل می ‌شوند.

بنابر این، هرچه تعداد کربن ‌ها بیشتر باشد، خاصیت چربی‌ دوستی الکل افزایش می ‌یابد.

اسید های کربوکسیلیک

اسید های کربوکسیلیک نیز دسته ‌ای از مواد آلی هستند که دارای گروه عاملی کربوکسیل (–COOH) می ‌باشند. مزه ترش بسیاری از میوه‌ ها مثل لیمو، انگور، کیوی و گوجه سبز، به دلیل وجود این اسید هاست.

دو نمونه معروف از اسید های کربوکسیلیک:

• متانوئیک اسید (HCOOH) که در گزش مورچه سرخ وجود دارد و باعث سوزش می ‌شود.
• اتانوئیک اسید (CH₃COOH) که به آن استیک اسید نیز می‌گویند و همان سرکه‌ ای است که در خانه استفاده می‌ کنیم.

فرمول کلی اسید های کربوکسیلیک یک عاملی به شکل زیر است:

R – COOH

که در آن،  R می‌تواند یک زنجیر هیدروکربنی یا فقط یک اتم هیدروژن باشد.

واکنش استری شدن شیمی یازدهم

استر چیست؟

استرها (Esters) دسته‌ای از ترکیبات آلی هستند که از واکنش میان یک کربوکسیلیک اسید (−COOH) و یک الکل (−OH) در شرایط خاص به ‌وجود می ‌آیند.
این واکنش، یکی از مهم ‌ترین و کاربردی‌ ترین واکنش ‌های آلی است که به آن واکنش استری شدن می ‌گویند.

واکنش استری شدن چگونه انجام می ‌شود؟

در این واکنش، یک مولکول آب (H₂O) از بین می ‌رود و گروه عاملی استری (−COO−) تشکیل می ‌شود.

واکنش کلی استری شدن:

واکنش در حضور کاتالیزگر اسیدی مانند اسید سولفوریک (H₂SO₄) سریع ‌تر و مؤثر تر انجام می ‌شود.

مثال : بوی آناناس در لابراتوار!

اگر اسید بوتانوئیک (CH₃CH₂CH₂COOH) با اتانول (CH₃CH₂OH) واکنش دهد، اتیل بوتانوات (CH₃CH₂CH₂COOCH₂CH₃) حاصل می ‌شود که بویی شبیه به آناناس دارد:

جمع ‌بندی

پلی ‌آمید ها؛ شیمی یازدهم

پلی‌آمید چیست؟

پلی ‌آمید (Polyamide)  یک نوع پلیمر است که در زنجیره‌ اش گروه عاملی ویژه ‌ای به نام آمید وجود دارد.

این گروه ساختاری به شکل زیر دارد:

یعنی یک پیوند دوگانه بین کربن و اکسیژن (کربونیل)، و یک پیوند بین همان کربن با نیتروژن گروه آمین.

پلی‌ آمید های طبیعی را بشناسیم:

در بدن انسان و جانوران، بسیاری از مواد آلی مهم از پلی ‌آمید های طبیعی ساخته شده ‌اند، از جمله:

مو، ناخن، پوست، پشم گوسفند، شاخ حیوانات تمام این مواد در ساختار خود اتم‌ های کربن (C)، هیدروژن (H)، اکسیژن (O) و نیتروژن (N) دارند.

آمین و چگونگی تشکیل آمید شیمی یازدهم

آمین ‌ها ترکیب ‌های آلی هستند که در ساختار آن‌ ها یک اتم نیتروژن وجود دارد که به یک یا چند گروه آلی متصل است.

مثال:

متیل ‌آمین (CH₃NH₂)، ساده ‌ترین آمین است که بوی ماهی دارد و در بسیاری از مواد غذایی فاسد شده یافت می ‌شود.

برای تشکیل گروه آمیدی، یک اسید آلی با یک آمین وارد واکنش می ‌شود.

در این واکنش، گروه کربوکسیل اسید (−COOH) با گروه آمینی (−NH₂) ترکیب می ‌شود و یک پیوند آمیدی ایجاد می ‌کند.

واکنش کلی تشکیل آمید:

در این واکنش، یک مولکول آب نیز حذف می ‌شود (واکنش میعان یا تراکمی).

پلی‌آمید های مصنوعی: پایه صنعت مدرن

در صنایع، برای ساخت پلی ‌آمید های مصنوعی، از واکنش دی‌ اسید های آلی با دی ‌آمین ‌ها استفاده می ‌شود.

در این واکنش، زنجیره ‌های بلندی با واحد های آمیدی تکرار شونده ایجاد می ‌شوند.

یکی از معروف‌ ترین پلی ‌آمید های ساختگی، کولار (Kevlar) است.

ویژگی ‌های کولار:

• ۵ برابر مقاوم ‌تر از فولاد هم ‌وزن خود
• سبک و انعطاف ‌پذیر
• مقاوم در برابر حرارت بالا و کشش مکانیکی

کاربرد های کولار:

• ساخت جلیقه ضد گلوله
• تایر اتومبیل
• لباس‌ های مسابقات موتورسواری
• بدنه‌ی قایق‌ های بادبانی
• تجهیزات ایمنی صنعتی

جمع ‌بندی 

پلیمر ها؛ ماندگار یا تخریب پذیر

آیا تا به حال هنگام جویدن نان یا سیب ‌زمینی پخته، متوجه مزه‌ ای شیرین در دهانتان شده ‌اید؟ شاید تعجب کرده باشید، چون این غذا ها شیرین نیستند! اما اگر آن ‌ها را بیشتر بجوید، به‌تدریج مزه ‌ای شیرین احساس می‌ شود. دلیل این پدیده در علم شیمی کاملاً مشخص است.

منشأ شیرینی نان و سیب ‌زمینی

نان و سیب ‌زمینی حاوی مقدار زیادی نشاسته هستند. نشاسته نوعی پلی ‌ساکارید (پلیمر طبیعی) است که از به‌هم ‌پیوستن واحد های گلوکز تشکیل می‌ شود. در شرایط مناسب مانند محیط مرطوب، گرم یا در حضور آنزیم ‌ها (مثل آنزیم ‌های دهان)، نشاسته به ‌تدریج به مولکول ‌های گلوکز شکسته می ‌شود؛ و همین گلوکز است که باعث احساس مزه شیرین در دهان می‌ شود.

واکنش آبکافت چیست شیمی یازدهم

برخی پلیمر ها مانند استر ها نیز در شرایط مرطوب یا در تماس  با آب، دچار شکستن پیوند می ‌شوند. این واکنش را آبکافت (Hydrolysis) می ‌نامند.

مثال:

آبکافت اتیل بوتانوات باعث تولید اتانول و اسید بوتانوئیک می‌ شود:

چرا لباس ‌ها فرسوده می ‌شوند؟

بیشتر لباس‌ ها از پلیمر هایی مانند پلی ‌استر یا پلی ‌آمید ساخته می ‌شوند. این پلیمر ها دارای پیوند هایی مثل استری و آمیدی هستند. در طول زمان، این پیوند ها به ‌مرور با آب و مواد محیطی واکنش می ‌دهند و شکسته می ‌شوند. به همین دلیل، لباس‌ ها و پارچه ‌ها پس از مدت ‌زمانی استفاده، پوسیده شده و از بین می‌ روند.

اما نکته مهم اینجاست:

اگر پیوند های شیمیایی پلیمر سریع ‌تر شکسته شوند، لباس زودتر فرسوده می ‌شود.

اما پلیمر هایی مانند پلی ‌استر و پلی ‌آمید ها، پیوند های مقاوم ‌تری دارند و فرایند تجزیه ‌شان خیلی آهسته است. به همین دلیل، لباس‌ های با جنس پلی ‌استر ماندگار ترند.

پلیمر های مقاوم؛ خوب یا بد؟

پلیمرهایی که از هیدروکربن ‌های سیر شده ساخته می ‌شوند (مثل پلاستیک ‌های معمولی)، ساختاری شبیه آلکان ‌ها دارند. یعنی:

بسیار پایدارند:

با مواد طبیعی واکنش نمی ‌دهند

اما در طبیعت تجزیه نمی ‌شوند!

به همین دلیل، پلاستیک ‌ها سال‌ ها و حتی ده ‌ها سال بدون تغییر در طبیعت باقی می ‌مانند. این ویژگی از نگاه زیست‌ محیطی، یک مشکل بزرگ است:

• افزایش زباله‌ های غیر قابل ‌تجزیه
• آسیب به جانوران، خاک و منابع آبی
• زشت شدن چهره شهرها و طبیعت
• تحمیل هزینه‌ های سنگین به جامعه

راهکار ها برای نجات طبیعت

1 .  بازیافت هوشمندانه

برای هر نوع پلیمر، علامتی طراحی شده که به صورت عدد داخل مثلث بازیافت روی محصولات درج می‌ شود. این نماد به شناسایی نوع پلاستیک و تفکیک زباله ‌ها برای بازیافت کمک می ‌کند.

2 .  استفاده از پلیمر های زیست‌ تخریب‌ پذیر

در دهه‌ های اخیر، دانشمندان به تولید پلاستیک ‌های تجزیه ‌پذیر طبیعی یا گیاهی روی آورده‌ اند که در مدت کوتاه‌ تری در طبیعت تجزیه می‌ شوند. استفاده از این پلیمر ها می ‌تواند آینده‌ای پایدارتر برای زمین رقم بزند.

جمع‌بندی 

پلیمر سبز شیمی یازدهم

همه ‌ی ما با مشکلات محیط زیستی ناشی از زباله ‌های پلاستیکی آشنا هستیم. کیسه های پلاستیکی، ظروف یک ‌بار مصرف و دیگر محصولات پلاستیکی، سال ‌ها و گاهی ده‌ ها سال در طبیعت باقی می ‌مانند و به خاک، آب و موجودات زنده آسیب می‌ زنند. اما شیمی‌ دان‌ ها برای حل این مشکل، یک نوآوری شگفت ‌انگیز انجام داده اند؛ ساخت پلیمر های سبز.

پلیمر سبز چیست؟

پلیمر های سبز، نوع خاصی از پلاستیک ‌ها هستند که برخلاف پلاستیک ‌های معمولی، تجزیه ‌پذیرند. یعنی اگر در طبیعت رها شوند، در مدت زمان نسبتاً کوتاهی (چند ماه)، به مواد ساده ای مثل آب و گاز دی ‌اکسید کربن (CO₂) تبدیل می ‌شوند. این ویژگی باعث شده تا این پلیمر ها دوستدار محیط زیست باشند و اثر مخرب بسیار کمتری نسبت به پلاستیک ‌های سنتی داشته باشند.

کاربرد های پلیمر سبز

از پلی‌لاکتیک اسید (PLA) برای ساخت انواع محصولات پلاستیکی یک ‌بار مصرف استفاده می ‌شود، از جمله:

• ظروف و قاشق‌ چنگال یک ‌بار مصرف
• کیسه ‌های خرید و زباله
• لیوان و بطری‌ های قابل تجزیه
• سفره، سطل، جعبه و حتی بسته‌ بندی‌های مواد غذایی

این محصولات پس از استفاده، در شرایط مناسب زیستی به کود طبیعی تبدیل می‌ شوند و در نتیجه «ردپای زیستی» کمتری بر جای می ‌گذارند.

جمع ‌بندی: