مكوثر
المكوثر[٢] أو البوليمر أو البلمر أو المتماثر (بالإنجليزية: Polymer) هو مركب ذو وزن جزيئي مرتفع مكون من وحدات جزئية مكررة. وقد تكون هذه المواد عضوية أو غير عضوية أو عضوية معدنية، وقد تكون طبيعية أو اصطناعية في أصلها[٣]. وقد أصبحت المكوثرات تلعب دورا أساسيا وكلّيا في استخدامات الحياة اليومية[٤] وذلك بسبب مجموعة خواصها الفريدة[٥]. فهي مواد أساسية في القطاعات الصناعية اليومية مثل المواد اللاصقة، ومواد البناء، والورق، والملابس، والألياف، واللدائن، والسيراميك، والخرسانة، والسائل البلوري (Liquid crystal)، والمقاوم الضوئي (photoresists)، ومواد التكسية (coating). كما أن المكوثرات متواجدة في معظم مكونات التربة والنباتات والكائنات الحية. وهي مهمة في التغذية، والهندسة، وعلم الأحياء، الطب، والحواسيب، واستكشاف الفضاء، والصحة، والبيئة[٣]. وتستخدم كلمة بلاستيك أو لدائن استخدامًا خطأ للدلالة على المكوثرات، في حين أن المكوثرات تضم أصنافا ضخمة من المواد التركيبيبة والطبيعية المتباينة في الخواص.
تشمل المكوثرات الطبيعية غير العضوية الألماس، والجرافيت، والرمل، والأسبستوس، والعقيق، والصوان، والفلسبار (سيليكات الألومنيوم)، والميكا، والمرو، والتلك. تشمل المكوثرات الطبيعية العضوية عديد السكاريد مثل النشا، والسيليلوز، والحموض الأمينية، والبروتينات. وتشمل المكوثرات التركيبية غير العضوية نتريد البورون، والخرسانة، والعديد من الموصلات الفائقة لدرجات الحرارة العالية، والعديد من الزجاجيات. وتمثل مركبات السيلوكسان (Siloxanes) أو عديد السيلوكسان المكوثرات التركيبية العضوية المعدنية.[٣]
وتوفر المكوثرات التركيبية في استخدام الطاقة عند مقارنتها مع المعادن. فخفة وزنها تقلل من استهلاك الوقود في العربات والطائرات، وهي تبز معظم المعادن عند قياس القوة نسبة إلى الوزن. وقد طورت المكوثرات فامتلكت خواصًا جيدة وأصبحت اقتصادية التصنيع، كما أمكن استخدامها للأغراض الهندسية فأصبحنا نستخدم المسننات، والمدحرجات، والهياكل المصنعة من المكوثرات[٣].
التسمية
نشأ وتطور علم المكوثرات في بيئة صناعية، ولذلك من الطبيعي أن نجد لكل مكوثر اسمًا شائعًا، واسمًا معتمدًا على بنيته حدده الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية. وتعرف أغلب المكوثرات بالحروف الأولى من اسمها. مثلا، عديد الستيرين يرمز له PS من اسمه (polystyrene)، والذي يسمى بولي مثيل ميثاكريلات. وتستخدم العديد من الشركات أسماءً تجارية للتعريف بمنتجاتها من المكوثرات. مثلا، فورترل-بولي إستر هي ألياف بولي إيثلين تيرفثالات أو ألياف PET. وقد يكون للمكوثر اسما عاما مثل الرايون، البولي إستر، والنايلون.
تركيب المكوثرات
تتكون المكوثرات من بنى تتمثل في وحدات بنائية متطابقة متكررة. وهذه الوحدات بدورها تتكون من جزيئات أصغر تسمى المواحيد (جمع موحود). تتفاعل المواحيد مع بعضها لتشكل المكوثر. يوضح الشكل الجانبي موحود البروبلين والوحدة المتكررة التي تشكل عديد البروبلين.
وباستثناء المجموعة الطرفية في سلسلة عديد البروبلين، فإنها تتكون كاملا من هذه الوحدة المتكررة. ويسمى عدد هذه الوحدات (n) في سلسلة المكوثر بدرجة الكوثرة أو DP. والمكوثرات الأخرى، مثل البروتينات، يمكن وصفها بكتابة الوحدة المتكررة التقريبية كما في الشكل التالي.
ملف:Aminoacid general structure.png
حيث تكون طبيعة R متغيرة (يستعاض عنها بذرة أو مجموعة من الذرات).
وتؤثر التغييرات التي تحدث في المواحيد في خواص المكوثر مثل المرونة، وقابلية الذوبان، أو قوة شد المكوثر. ويمكن لهذه التغيرات في البروتينات أن تجعل للمكوثر القدرة على أن يكون له التركيب المناسب، بدلا من حدوث لف عشوائي "Random Coil" له. ومع أن معظم المكوثرات عضوية (أي أنها مكونة من سلسلة كربونية)، فإنه يوجد أيضا مكوثرات غير عضوية، وغالبا ما تكون سلاسلها مبنية على أصل من السيليكون.ويغطي مصطلح مكوثر مدى واسع من الجزيئات، متضمنا أيضا بعض المواد مثل البروتينات والخيوط التي لها قوة شد عالية مثل خيوط كيفلر. والأساس في التفريق بين المكوثرات والجزيئات الأخرى الكبيرة هو وجود الوحدات المتكررة (المواحيد) في سلاسل المكوثر. ويحدث هذا في عملية الكوثرة، والتي ترتبط فيها المواحيد معا لتكوين سلسلة طويلة من المكوثر. فمثلا، عملية تكون البولي إثيلين "Polyethylene or Polyethene" تتضمن تشابك آلاف الوحدات من جزيئات الإثنين معا لتكوين سلسلة لها الوحدة المتكررة -CH2- :
غالبا ما تسمى المكوثرات على اسم المواحيد المكونة للمكوثر، فمثلا، يمثل البولي إثيلين كالتالي:
ولأن التفريق بين المكوثرات يكون غالبا بالمواحيد المكونة لها، فإن سلاسل المكوثرات في أى مادة لا يكون لها نفس الطول. وهذا بعكس الجزيئات الأخرى التي تتكون من عدد معين من الذرات، ويكون لكل جزيء ووزن جزيئي محدد. وتختلف أطوال سلاسل البوليمرات لإن السلاسل تنتهي بطريقة عشوائية أثناء تطور عملية الكوثرة.
البروتينات ما هي إلا حموض أمينية في شكل مكوثر. ومن دستة إلى عدة مئات تقريبا من أشكال المواحيد التي تكون السلسلة، فإن التتابع الذي يتكون به البروتين يحدد خواصه ونشاطه. ولكن يوجد في هذه البروتينات ما يسمى مناطق نشيطة، والتي تكون محاطة بما يعتقد (حتى 2003) بأنه مناطق تركيبية، والتي يكون دورها الأساسي هو إظهار هذه المنطقة/المناطق النشطة. وعلى ذلك فإن التتابع الأصلي للحمض الأميني ليس له أهمية كبيرة، طالما أن هذه المناطق النشطة يمكن الوصول إليها بفاعلية. وحيث أن تكون البولي إثيلين يحدث بطريقة عشوائية، فإن من يقوم بتصنيع البروتينات الحيوية والحموض النووية يجب أن يكون لديهم عامل حفز (مادة تقوم بتسيهل أو تعجيل التفاعل). ومنذ الخمسينيات من القرن العشرين، كان للعوامل الحفازة دور كبير في تصنيع المكوثرات. وبوجود مزيد من التحكم في تفاعلات الكوثرة، فقد صنعت مكوثرات ذات خصائص فريدة، مثل القدرة على إصدار ضوء ملون.
وللحصول على خصائص جيدة للمكوثر فإنه لابد من ضبط عدة عوامل. وهذا لأن البوليمر يتكون في الحقيقة من توزيعات من السلاسل بأطوال مختلفة، وكل سلسلة تتكون من حصيلة المواحيد التي تؤثر على خواص المكوثر. وبعض هذه العوامل مشروحة بالأسفل.
الخواص الفيزيائية للبوليمرات
تتضمن الخواص الفيزيائية للبوليمرات درجة البلمرة وتوزيع الكتلة المولية.
التفرع
يمكن أن يحدث تفرع أثناء غملية تطور سلاسل المكوثر. في بلمرة الراديكالات، يحدث هذا عندما تلتف سلسلة للخلف وترتبط بجزء سابق منها. وعندما تتكسر هذه الالتفافة، تترك أجزاء صغيرة كالبراعم في سلسلة الكربون الرئيسية. السلاسل المتفرعة لا يمكن أن تصطف في شكل متقارب من بعضها مثل السلاسل غير المتفرعة. وهذا يؤدي إلى قلة التلامس بين الذرات في مختلف السلاسل المختلفة، وهذا يقلل فرص حدوث ثنائيات الأقطاب الدائمة أو التي يمكن أن يحدث لها حث. كما أنه يوجد أجزاء من السلاسل ذات كثافة قليلة. والدليل على ذلك انخفاض درجات الذوبان وضعف قوة الشد للمكوثر الناتج، لأن القوى بين الجزيئات تكون ضعيفة ويمكن كسرها بسهولة.
الانتظامية الفراغية
الانتظامية الفراغية أو الانتظامية تصف الترتيب المتساوي الأجزاء "isomeric" للمجموعات الفعالة على السلسلة الكربونية. السلاسل التي لها شكل أيزوتاكتيك "isotactic" تعرف على أن المجموعات الفعالة بها تكون موجودة في ناحية واحدة من السلسلة. وهذا يمكنهم من أن يصطفوا بالقرب من بعض وتكوين مناطق متبلورة مما ينتج عنه مكوثر ذو صلابة عالية.
وبالعكس فإن السلاسل التي يكون لها شكل أتاكتيك "atactic" فإن المجموعات فيها تكون موزعة بطريقة عشوائية على جوانب السلسلة. وعلى هذا تكون السلاسل غير مرتبطة مع بعضها البعض بطريقة جيدة وتصبح القوى بين الجزيئات ضعيفة. وهذا يؤدى لكثافة أقل وقوة شد ضعيفة، ولكنه يعطى درجة عالية من المرونة.
المجموعات يمكن أن تتوزع أيضا بطريقة سيندايوتاكتيك "syndiotactic" والتي تكون فيها المجموعات موزعة بطريقة عكسية ولكن بانتظام. ونظرا لأن هذا يعتبر نوع من الانتظامية، فإن السلاسل السيندايوتاكتيك يمكن أن تنظم نفسها بالقرب من بعضها البعض ولكن بالطبع ليس بالدرجة التي تحدث في السلاسل الأيزوتاكتيك. المكوثرات السيندايوتاكتيك يكون لها مقاومة عالية للضغط وأكثر من المكوثرات الأيزوتاكتيك لأن لها مرونة أعلى ناتجة من ضعف القوى بين الجزيئات.
تكوين المكوثرات
الكوثرة الإسهامية
الكوثرة الإسهامية هي كوثرة بنوعين أو أكثر من المواحيد. ومثال لذلك مواحيد الحموض الأمينية التي ذكرت من قبل، والتي تتكون منها البروتينات. الكوثرة الإسهامية لمواحيد مختلفة ينتج عنها مكوثرات بخواص مختلفة. فمثلا، الكوثرة الإسهامية لاثنين بكميات قليلة من الهيكسين hex-1-ene هي طريقة لإنتاج بولي إثيلين خطي قليل الكثافة (Linear Low Density Polyethylene LLDPE) "اقرأ بولي إثيلين. تفرعات C4 التي تنتج من الهيكسين تقلل الكثافة وتمنع تكون مناطق متبلورة في المكوثر كما يحدث في البولي إثيلين عالي الكثافة (HDPE). وهذا يعنى أن (LLDPE) يمكن أن يتحمل قوى الشد مع بقائها مرنة.
والشكل القادم يوضح نوع معين من الكوثرة الإسهامية تسمى الكوثرة التكاثفية. وفى هذا النوع بالتحديد يطلق جزيء صغير أثناء الكوثرة. في شكل التفاعل الآتي يطلق جزيء الماء ويتكون النيلون. ويمكن التحكم بنوع النيلون (اسمه وخواصه) بمجموعتي R، R' المستخدمة.
الكوثرة الجذرية
الكوثرة الكاتيونية
الكوثرة الأنيونية
الكوثرة التكثيفية
الخواص الكيميائية للمكوثرات
القوى بين الجزيئية
تلعب قوى التجاذب بين سلاسل المكوثر دورًا كبيرًا في تحديد خواص المكوثر. ولأن سلاسل المكوثر طويلة للغاية، فإن قوى التجاذب بين الجزيئات تكون أكبر من القوى بين الجزيئات العادية. كما أن السلاسل الطويلة تكون غير متبلورة (طريقة توجهها عشوائية). ويمكن تصور شكل المكوثرات كما لو كانت خيوطا طويلة وكثيرة ومتشابكة، وكلما زاد التشابك، زادت صعوبة فصل أحد خيوطها. وهذه القوى بين الجزيئات تؤدي إلى قوى شد عالية، كما ترفع من درجات حرارة الذوبان.
وتحدد القوى بين الجزيئية بالقطبية الثنائية بين المواحيد. المكوثرات التي تحتوى على مجموعات الأميد يمكن أن تكون روابط هيدروجينية مع السلاسل المجاورة، ذرات الهيدروجين الموجبة في مجموعات N-H في أحد السلاسل تنجذب بشدة إلى ذرات الأكسجين في مجموعات C=O الموجودة في سلسلة أخرى. وهذه الروابط الهيدروجينية تؤدى إلى: مثلا، زيادة قوة الشد ودرجة الذوبان للكيفلر. البولي إستر يوجد بينها ترابط ثنائي القطب-ثنائي القطب بين ذرات الأكسجين في مجموعات C=O وذرات الهيدروجين في مجموعات H-C. الترابط ثنائي القطب ليس بقوة الرابطة الهيدروجينية، ولذا فإن درجة حرارة الذوبان وقوة الشد للبولي إثيلين تكون أقل من الكفلر، ولكن البولي استرات يكون لها مرونة أعلى.
البولي إثيلين بصفة عامة ليس له ثنائية قطبية دائمة. قوى التجاذب بين سلاسل البولي إثيلين تنتج من قوى فان دير فالس الضعيفة. كما لو كانت الجزيئات محاطة بسحابة من الإلكترونات السالبة. وعند اقتراب سلسلتان من المكوثر من بعضهما البعض، تقوم السحابة الإلكترونية في كل منهما بدفع الأخرى. وهذا يؤدى لتقليل الكثافة الإلكترونية على جانب واحد من سلسلة المكوثر، مما يؤدي لتكون شحنة موجبة صغيرة على هذا الجانب. وهذه الشحنة كافية لجذب سلسلة المكوثر الأخرى. قوى فان دير فالس ضعيفة للغاية، ولذلك، يذوب البولي إثيلين في درجات حرارة منخفضة.
خواص البوليمر
توجد عدة تقنيات معملية تستخدم لتحديد خواص البوليمر، مثل تبعثر الأشعة السينية بزاوية كبيرة، وتبعثر الأشعة السينية بزاوية صغيرة، وتبعثر النيترون بزاوية صغيرة (small angle neutron scattering)، وتستخدم لتحديد التركيب البلوري للبوليمر. وتستخدم تقنية الاستشراب بعبور الهلام في تحديد عدد متوسط الوزن الجزيئي، والوزن المتوسط الوزن الجزيئي وتشتت متعدد إف تى أى أر (polydispersity. FTIR) يستخدم لتحديد التركيب. الخواص الحرارية مثل درجة حرارة التحول الزجاجي يمكن تحديدها باستخدام مسعر المسح التبايني، وتحليل ميكانيكي تحريكي. الالانحلال الحراري المتبوع بتحليل للمكونات الصغيرة يعتبر تقنية أخرى لتحديد التركيب المحتمل للبوليمر.
البوليمر المعروف باسم مادة البوليمر يستخدم في صنع الاوراق النقدية في أستراليا ونيوزيلاند كما يستخدم في الأوراق النقدية التذكارية في بعض البلاد.
فكرة عن البولميرات
بدأت اللدائن من الطبيعة مثل الصمغ العربي والمطاط الطبيعى و في القرن 19 بدء العلماء محاولة تقليد الطبيعة و في القرن العشرين عندما زادت الحاجة للمطاط في الحرب العالمية الثانية استطاع العلماء الألمان إنتاج المطاط الاصطناعي وهو يعطى نفس مواصفات المطاط الطبيعى وتقريبا نفس التركيب الكيميائى البوليميرات هي مركبات كيميائية تمتاز بطول السلسلة ولكن طول السلسلة المسبب لكبر الوزن الجزيئى للمركب ناتج عن تكرار وحدات متشابهه بنفس الترتيب علي طول السلسلة وبالتالي يسمى المركب مبلمر و قد تكون الوحدة الأساسية المكونة للبوليمر مكونة من مادة واحدة أو أكثر و يسمي الوحدة المتكررة من البوليمر باسم مونيمر Monomer أي وحدة وحيدة فمثلا يمكن أن تتفاعل المادة A مع نفسها تحت ظروف معينة وتعطي البوليمر A + A = A-A و من هذه الأمثلة البولي إيثلين المستخدم في صناعة الأكياس البلاستيك وخلافه والناتج من تفاعل الإيثلين مع نفسه تحت ظروف الضغط العالي والحرارة العالية في وجود عامل حفاز للتفاعل وهو غالبا من المعادن ويكون التفاعل كالتالي: n CH2=CH2 → (CH2-CH2)n و يكون الوزن الجزيئي للإيثلين 28 ولكن بتفاعل آلاف الجزيئيات معا ينتج مركب قد يصل وزنه الجزيئي للملايين
المراجع
- ^ Y. Roiter and S. Minko, AFM Single Molecule Experiments at the Solid-Liquid Interface: In Situ Conformation of Adsorbed Flexible Polyelectrolyte Chains, Journal of the American Chemical Society, vol. 127, iss. 45, pp. 15688-15689 (2005)
- ^ حول توحيد المصطلحات العلمية
- ^ أ ب ت ث McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology, 10th Edition, Volume 14 (PLAS-QUI),page.162
- ^ McCrum N. G., Buckley C. P., Bucknall C. B., Principles of Polymer Engineering, Oxford University Press, 1997, p1.
- ^ Painter P. C., Coleman M. M., Fundamentals of Polymer Science: an Introductory Text, CRC Press, 1997, p1.
اقرأ أيضأ
- البلمرة.
- بوليمر جيوي
- بوليمر تكاثف
- بوليمر إضافة
- بوليمر تصنيعي
- عجينة البوليمر
- درجة الانتقال الزجاجية
- إكسيمر
وصلات خارجية
- قاموس البوليمرات
- البوليمرات الحيوية
- مصادر تعليمية لكيمياء البوليمرات
- Polymer Chemistry Innovations
- مواد دراسية للأجهزة العضوية
| مشاريع شقيقة | هناك المزيد من الصور والملفات في ويكيميديا كومنز حول: مكوثر |
az:Polimerlər bg:Полимер bn:পলিমার ca:Polímer cs:Polymer da:Polymer de:Polymer el:Πολυμερές Polymer]] eo:Polimero es:Polímero et:Polümeerid eu:Polimero fa:بسپار fi:Polymeeri fr:Polymère fy:Polymear gl:Polímero he:פולימר hi:पॉलीमर hr:Polimer ht:Polimè hu:Polimer id:Polimer io:Polimero it:Polimero ja:重合体 jv:Polimèr kk:Үшөлшемді полимерлер ko:중합체 la:Polymerum lmo:Pulimer lt:Polimeras mk:Полимер ml:പോളിമർ ms:Polimer nl:Polymeer nn:Polymer no:Polymer pl:Polimery pt:Polímero qu:Tawqa iñuwa ro:Polimer ru:Полимеры simple:Polymer sk:Polymér sl:Polimer sq:Polimeri sr:Полимер su:Polimér sv:Polymer ta:பல்லுறுப்பி te:అణుపుంజము th:พอลิเมอร์ tl:Polimero tr:Polimer uk:Полімер ur:مکثورہ vi:Polyme zh:聚合物
