البوليمرات

• توضيح المقصود بكل من عملية البلمرة والبوليمر والمونومر والألياف.
• تصنيف البوليمرات والألياف حسب مصادرها وخصائصها.
• المقارنة بين البوليمرات الصناعية والطبيعية من حيث تركيبها واستخداماتها.
• تحديد خواص البوليمرات واستعمالاتها.

البوليمرات: ما هي وأين نراها؟

تعد البوليمرات أحد منتجات التقانة الكيميائية، التي تدخل في إنتاج كثير من المواد المستخدمة في مجالات الحياة المختلفة فما المقصود بالبوليمرات؟ وما أنواعها؟ وما استخداماتها؟

• قديماً: استخدم الإنسان البوليمرات والألياف الطبيعية، فصنع ملابسه من القطن والصوف والحرير وجلود الحيوانات، واستخدم النشا والبروتينات في طعامه.
• القرن التاسع عشر: نجح الكيميائيون في تحضير بعض البوليمرات الصناعية بعد أن تعرفوا على تركيب البوليمرات الطبيعية.
• أصل الكلمة: البوليمر كلمة لاتينية من مقطعين: ⁦(Poly)⁩ ويعني متعدد، و⁦(Mer)⁩ ويعني جزءاً، أي أن البوليمر يعني متعدد الأجزاء.

البلمرة: بناء جزيء كبير من قطع صغيرة

يمكن تشبيه عملية البلمرة بعملية تركيب المكعبات البلاستيكية (الليجو) من قبل الأطفال، حيث يتم بناء قطعة كبيرة من قطع صغيرة

• التحكم في البلمرة: ينتج بوليمرات متنوعة، قد تكون سلاسل طويلة أو قصيرة أو متشابكة، من نوع واحد أو من أنواع مختلفة من المونومرات.
• الحالة: البوليمرات من المواد الصلبة في درجات الحرارة العادية، أما المونومرات فيمكن أن تكون غازية أو سائلة أو صلبة.
• تختلف البوليمرات تبعاً لاختلاف:
• نوع المونومرات التي تتركب منها.
• عدد المونومرات وانتظامها في سلسلة البوليمر.
• طبيعة بناء السلاسل في البوليمر (خطية أو متفرعة).
• قوى التجاذب داخل السلسلة أو بين سلاسل البوليمر.

• الهدف: إنتاج مواد جديدة مفيدة للإنسان تلبي احتياجاته، وبديلة عن مواد زاد الطلب عليها كالزجاج والفلزات.
• السبب في استخدامها في كثير من المجالات:
• تنوع أشكالها، ولكونها ذات خصائص منها سهولة تشكيلها.
• عزلها للكهرباء والحرارة.
• مقاومتها للتآكل والحموض والقواعد والظروف الجوية.
• كثافتها القليلة، ورخص ثمنها نسبياً.

أنواع البوليمرات: طبيعية وصناعية ومحورة

تقسم البوليمرات حسب مصدرها إلى الأنواع الآتية

• السيلولوز: يوجد في الخشب واللحاء والقطن، ويستخدم في صناعة الورق والحرير الصناعي والألبسة القطنية.
• تركيبه: سلاسل طويلة غير متفرعة، تتألف من آلاف جزيئات الغلوكوز $C_6H_{12}O_6$.
• وظيفته: تأخذ سلاسله أوضاعاً متوازية فينشأ بينها روابط قوية تناسب وظيفتها كدعامة لهيكل النبات وبناء جدر الخلايا النباتية.
• فوائد ألياف السيلولوز الغذائية: تحسين عملية الهضم، وخفض نسبة الكوليسترول في الدم، والتقليل من السعرات الحرارية في الغذاء.

• البروتينات: تدخل في جميع الخلايا الحية، وتقوم بوظائف متعددة في جسم الإنسان كالتنظيم والبناء.
• تركيبها: تتكون من اتحاد عدد كبير من الحموض الأمينية التي تتركب من الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين.

• ب. البوليمرات الصناعية: تنتج من مركبات كيميائية بسيطة، وتشمل البلاستيك والمطاط الصناعي والألياف الصناعية وغيرها.
• ج. البوليمرات الطبيعية المحورة: تنتج من بوليمرات طبيعية يجري عليها بعض التحويلات، مثل خلات السيلولوز، للحصول على صفات جديدة كالذوبان في الماء.

الإضافة والتكثيف: طريقتان لتحضير البوليمر

• طريقة الإضافة: تخص تفاعل الألكينات ومشتقاتها، أي المركبات العضوية التي تحتوي على رابطة ثنائية بين ذرتي كربون.
• أمثلتها: البولي إيثيلين، وبولي كلوريد الفينيل ⁦(PVC)⁩، والتفلون.
• ما يحدث: تنفك الرابطة الثنائية بتأثير الحرارة والضغط والعامل المساعد، وترتبط جزيئات المونومر بعضها مع بعض على شكل سلاسل.
• مثال: البولي إيثيلين بوليمر مبني من مونومرات الإيثيلين $CH_2=CH_2$.

• امتداد التركيب: يشير الرمز في المعادلة إلى امتداد تركيب البوليمر بوحدات عديدة بالاتجاهين.
• طريقة التكثيف: يتم الحصول على البوليمر من بلمرة نوع واحد من المونومرات أو أكثر، شرط أن يحتوي كل مونومر على مجموعتين فعاليتين أو أكثر.
• مثال: بوليمر البوليستر المستخدم في إنتاج الخيوط الصناعية للملابس.

المتلينة بالحرارة: كثافة عالية وكثافة منخفضة

تصنف البوليمرات حسب خواصها الفيزيائية واستخداماتها العملية

• مثال مهم: البولي إيثيلين من أهم الأمثلة عليها وأكثرها استخداماً، ويتواجد على نوعين هما: عالي الكثافة ومنخفض الكثافة.
• البولي إيثيلين عالي الكثافة (⁦High Density Poly Ethylene⁩، ⁦HDPE⁩): مادة صلبة في حالتها العادية، تتلين تحت ظروف من الضغط ودرجة الحرارة بشكل كتلة منصهرة عالية اللزوجة.
• صفاته: لونه أبيض معتم، وخامل كيميائياً، وسلاسله غير متفرعة مما يكسبها قوة ترابط أكبر، وتأخذ حيزاً أقل.
• نتيجة ذلك: أكثر صلابة، وأكثر قوة، وأعلى كثافة، وغير شفافة.
• تحضيره: بوجود عامل مساعد، وضغط قريب من الضغط الجوي العادي، ودرجة حرارة بين $٥٦ - ٧٠\ \text{س°}$.
• بعد التحضير: يفصل البولي إيثيلين المنصهر، ويشكل على شكل حبيبات، ثم تجفف الحبيبات وتخزن، ويصنع منها عبوات التخزين والأطباق والقناني.

• البولي إيثيلين منخفض الكثافة (⁦Low Density Poly Ethylene⁩، ⁦LDPE⁩): يتميز بسلاسله المتفرعة، التي تكون أقل قوة، ومتانة، وكثافة، ويكون شفافاً.
• تحضيره: تحت ضغط $(١٠٠٠ - ٣٠٠٠)$ ضغط جوي، ودرجة حرارة تصل إلى $٢٥٠\ \text{س°}$.
• منتجاته: رقائق التغطية، وكفوف اليدين التي تستخدم لمرة واحدة.

يستعمل بوليمر التفلون لطلاء السطح الداخلي لأواني الطبخ التي لا يلتصق بها الطعام، وينتج من بلمرة مونومرات رباعي فلورو إيثيلين المبين في الشكل المجاور:

1. أكتب معادلة تفاعل بلمرة ٣ جزيئات منه.

2. ما الفرق بين تركيبه وتركيب البولي إيثيلين؟

• ثبات التفلون: أكثر ثباتاً من معظم البوليمرات، فهو لا يحترق، ولا يتأكل، ولا يميل إلى تكوين روابط مع غيره من المواد.
• السبب: ذرات الفلور أكبر حجماً من ذرات الهيدروجين، فيصعب وصول أي مركب كيميائي إلى سلسلة الكربون والتفاعل معها.

المتصلبة بالحرارة: شبكة لا تنصهر

• استخداماتها: مواد البناء والطلاءات والميلامين الذي يصنع منه بعض الأدوات المنزلية.
• صفاتها: تتميز بمتانتها وقدرتها العالية على تحمل الأحمال رغم خفتها، ومقاومة نسبياً للحرارة والكيماويات وعازلة للكهرباء.

المرنة المطاطية: مطاط طبيعي وصناعي

تتميز هذه البوليمرات بمرونتها، وقابليتها للتمدد والتقلص

• السبب: تركيبها الجزيئي، إذ تتكون من سلاسل طويلة موجودة في وضعيات ملتفة مع بعض بشكل عشوائي.
• المطاط الطبيعي (لاستكس): يحضر من السائل المأخوذ من شجرة المطاط، وتتم فلكنته بخلطه مع الكبريت وتسخينه بمعزل عن الهواء ليصبح أكثر مرونة.
• خيوطه: تغطى بألياف القطن أو الحرير الصناعي لتسهيل امتصاص الصبغات والحد من مطاطيته.
• استخدامه وعيبه: يدخل في صناعة ملابس السباحة والمشدات لمرونته واستطالته، ويتأثر بالحرارة العالية وبمواد التنظيف.
• المطاط الصناعي (سباندكس): يحضر بمعالجة البوليستر بمواد كيميائية، ويمتاز بقوة ومتانة أعلى من المطاط الطبيعي، ولكنه أقل مرونة منه.

الألياف: سلاسل دقيقة طويلة

تعد ألياف الصوف والقطن والحرير الطبيعي والكتان من المواد التقليدية التي استخدمها الإنسان في صناعة ملابسه

• تتكون من بوليمرات: ألياف القطن من السيلولوز، وألياف البولي إيثيلين من بوليمر البولي إيثيلين.
• البوليمرات الصالحة لصناعة الخيوط في الأقمشة:
• قوى التماسك بين جزيئاتها كبيرة، وسلاسلها خطية.
• مقاومة للحرارة والضوء والأكسدة والتحلل.
• لها القدرة على تقبل الأصباغ، وذات مقدرة على امتصاص الرطوبة.
• ومن الأمثلة عليها البوليستر.
• الألياف الصناعية: بدأ الإنسان باستخدامها مع بداية القرن العشرين بسبب تزايد عدد السكان، وتأثر الألياف الطبيعية بعوامل الطقس، والحاجة لاستغلال الأرض لإنتاج الغذاء.

فما أنواع الألياف المستخدمة في صناعة الخيوط؟

الألياف: نباتية وحيوانية ومعدنية وصناعية

• أ. النباتية (السيلولوزية): السيلولوز هو المكون الرئيس لها، مثل القطن والكتان والقنب.

• القطن والكتان: ألياف القطن أكثر مرونة من ألياف الكتان بسبب ارتفاع نسبة السيلولوز في القطن، الذي يوجد على شكل سلاسل قابلة للاستطالة.

• ب. الحيوانية (البروتينية): البروتين هو المكون الرئيس لها.

• الصوف: من الألياف الشعرية، يتميز بمتانته وقدرته على امتصاص الرطوبة والعزل الحراري.

• الحرير: من الألياف الإفرازية، ينتج من إفرازات الغدتين اللعابيتين ليرقة دودة القز على شكل سائل هلامي، يجف ويتصلب بمجرد ملامسته للهواء.
• الحصول عليه: بتعريض الشرائق لبخار الماء أو وضعها في ماء ساخن لقتل الفراشة قبل خروجها لكي لا تتقطع الخيوط، ثم يفك الحرير صناعياً أو يدوياً.

• ج. المعدنية: الأسبستوس (الأسبست) مثال عليها، يؤخذ من بعض أنواع الصخور، وهذه الألياف قوية وقدرتها على التحمل عالية، وغير قابلة للاحتراق.

• استخدامها: صناعة ملابس رجال الإطفاء وخراطيم المياه المستخدمة في إطفاء الحرائق.
• أضرارها: خطيرة على صحة الإنسان، وخاصة عند استنشاقها أو ابتلاعها، إذ تسبب سرطان الرئة، وقد أوصى الاتحاد الأوروبي بحظر الاستخدامات الحالية للاسبستوس.

• كيف صنعت: درس المختصون بالتقانة الكيميائية تركيب الألياف الطبيعية كالقطن والحرير والصوف، وحضروا مواد تشبهها بإنتاج بوليمرات ذات سلاسل طويلة.
• أول محاولة: الكيميائي ⁦(Chardonnet)⁩ عالج القطن بخليط من الكيماويات والكحول، ثم مرره من خلال ثقوب صغيرة، فتبخر الكحول وبقيت الألياف، وسميت بالحرير الصناعي (الرايون).
• ألياف النايلون: لها بريق حريري، وقوتها وتحملها أكبر من القطن والصوف والحرير، ويستخدم في صناعة الجوارب النسائية والملابس.
• ألياف البوليستر: تمتاز بمتانتها ومرونتها، ومقاومة الاهتراء والتجعيد، وتستخدم في أقمشة المفروشات مثل الستائر والأغطية.

ثلاث طرق لصنع الخيوط من البوليمرات

يتم تحويل البوليمرات إلى خيوط بثلاث طرق

• أ. طريقة الصهر: يصهر البوليمر بالحرارة، ثم يضخ المصهور عبر فتحات دقيقة، ويتم تجميده باستخدام تيار هوائي بارد.

• تستخدم في صناعة خيوط النايلون والبوليستر.

• ب. الطريقة الجافة: يذاب البوليمر في مذيب مناسب كالأستون، ثم يضخ المحلول عبر فتحات دقيقة، ويسلط عليه تيار من الهواء الساخن لتبخير المذيب وتجفيف الخيوط.

• تستخدم في صناعة خيوط الأكريلان.

• ج. الطريقة الرطبة: يذاب البوليمر في مذيب مناسب، ثم يضخ المحلول عبر فتحات دقيقة إلى حمام الغزل فتتكون الخيوط.

• تستخدم في صناعة خيوط الحرير الصناعي (الرايون).

صفات الألياف: لكل استخدام صفة تناسبه

تتباين صفات الألياف حسب نوعها، ولكل منها خصائص تناسب مجال استخدامها

• درجة التوصيل للحرارة: تحجز بعض الألياف الهواء بداخلها ولا تسمح له بالانتقال لمكان آخر، مثل الصوف الذي يستخدم للعزل الحراري في البناء.
• المتانة: قدرة الألياف على تحمل القوى المؤثرة عليها دون أن تنقطع، وهي مهمة لشباك الصيد وشعيرات فراشي الأسنان مثل ألياف البولي إيثيلين.
• المرونة: قدرة الألياف على استعادة شكلها الأصلي بعد زوال المؤثر، كألياف القطن وألياف المطاط الصناعي (سباندكس).
• الامتصاص: قدرة الألياف على احتواء السوائل، وتمتاز الألياف الطبيعية كالقطن بقدرة عالية عليه بالمقارنة مع الألياف الصناعية كالنايلون.

• قاعدة النسبة المئوية للامتصاص:
• $٥٪$ أو أكثر: القماش مصنوع من ألياف طبيعية عالية الامتصاص كالقطن.
• أقل من $٥٪$: القماش مصنوع من ألياف صناعية قليلة الامتصاص كالنايلون.

قطعة قماش كتلتها وهي جافة ٢٠٠ غم، وكتلتها وهي رطبة ٢٢٠ غم. احسب نسبة الامتصاص لهذا القماش، مبيناً نوع القماش المصنوع منه.

• القدرة على اكتساب الألوان: قدرة الألياف على الالتصاق بالمواد الملونة، وهي ضرورية للألياف المستعملة في صناعة الملابس.
• التأثر بالمواد الكيميائية: الألياف الطبيعية، وخاصة الحيوانية مثل الصوف، أكثر تأثراً بالمواد الكيميائية من الألياف الصناعية مثل النايلون.
• مقاومة النار ودرجات الحرارة العالية: القدرة على مقاومة النار لفترات طويلة وعدم القابلية للاشتعال، مثل ألياف الأراميد التي تتكون من القطن وصوف مقاوم للنار، وتستخدم في ملابس رجال الإطفاء.

الألياف الضوئية: نقل الإشارات بالضوء

• الاستخدام: تستخدم الألياف الضوئية في نقل الاشارات الضوئية في أنظمة الاتصالات الحديثة.
• يتكون الليف الضوئي من:
• القلب: زجاج رفيع فائق النقاء يمثل المسار الذي تنتقل من خلاله الإشارات الضوئية.
• العاكس: المادة التي تحيط بالقلب ومصنوعة من زجاج يعكس الضوء باستمرار ليبقى داخل القلب.
• الغلاف الواقي: بلاستيكي، يحمي الليف الضوئي.

• مبدأ العمل: تحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية في جهاز الارسال، وتنتقل هذه الإشارات في الألياف، ثم يتم تحويلها في النهاية إلى إشارات كهربائية ثانية في جهاز الاستقبال.
• تمتاز عن أسلاك التوصيل العادية بـ:
• قدرتها الفائقة على نقل المعلومات.
• محصنة ضد التشويش والتداخل؛ مما يضمن وضوح الإشارات وانتقالها بأمان.
• صغيرة الحجم وخفيفة الوزن.
• لا تحتاج إلى طاقة كبيرة لنقل الإشارات الضوئية؛ لأن الفقد أثناء التوصيل يكون قليلاً.
• لا تتأثر بظاهرتي البرق والصواعق.
• استخداماتها: في شبكات الاتصالات والحاسوب، وفي صناعة الكاميرات الرقمية المتعددة كالمستخدمة في التصوير الطبي بأنواعه، وكمجسات لتحديد التغير في درجات الحرارة والضغط.

أسئلة الفصل: اختبر نفسك

س١: ضع دائرة حول رمز الإجابة الصحيحة للأسئلة الآتية:

أي من الآتية تعد من الفوائد الغذائية لألياف السيلولوز؟

• أ. خفض نسبة الكوليسترول في الدم.

• ب. تزويد الجسم بسكر الغلوكوز.

• ج. زيادة السعرات الحرارية في الغذاء.

• د. تزويد الجسم بالفيتامينات.

ما الصفة التي تعبر عن قدرة الألياف على تحملها للقوى المؤثرة عليها دون أن تنقطع؟

• أ. المرونة

• ب. القابلية للثني

• ج. الامتصاص

• د. المتانة

ما الاسم الذي يطلق على ألياف المطاط الطبيعي؟

• أ. لاستيكس.

• ب. سباندكس.

• ج. الأسبست

• د. الأراميد

أي البوليمرات الآتية يحضر بطريقة التكثيف؟

• أ. البولي إيثيلين

• ب. البوليستر

• ج. التفلون

• د. PVC

ما الطريقة التي يتم فيها تحضير خيوط النايلون من بوليمره؟

• أ. الطريقة الرطبة

• ب. طريقة الصهر

• ج. الطريقة الجافة

• د. طريقة التبخير

ما العناصر الداخلة في تركيب مونومر الغلوكوز المكون لبوليمر السيلولوز؟

• أ. S, O, C

• ب. N, H, C

• ج. N, O, C

• د. O, H, C

س٢: وضح المقصود بكل من: البوليمرات، الألياف، فلكنة المطاط، ظاهرة التلبد.

س٣: علل كلاً مما يأتي:

• أ. البولي إيثيلين عالي الكثافة أكثر متانة وقوة من البولي إيثيلين منخفض الكثافة.

• ب. تمتاز البوليمرات المطاطية بمرونتها وقابليتها للتمدد والتقلص.

• ج. استخدام ألياف الأسبستوس في صناعة ملابس رجال الإطفاء وخراطيم المياه.

س٤: تتصف البوليمرات المستخدمة في الصناعات النسيجية بعدة صفات. اذكر خمساً منها.

س٥: يكثر استخدام الألياف الضوئية في عالم الاتصالات الحديثة:

• أ. ما المقصود بالألياف الضوئية؟

• ب. مم يتكون الليف الضوئي؟

• ج. ما مبدأ عمل هذه الألياف؟

• د. بماذا تمتاز هذه الألياف عن أسلاك التوصيل العادية؟