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Hola. Mi nombre es Rafael Balart Gimeno. Soy profesor del departamento de ingeniería mecánica y materiales. Y en esta presentación voy a hablar sobre el grado de polimerización y el peso molecular de materiales poliméricos.
A lo largo de esta presentación, realizaremos una introducción sobre el interés en la definición y conocimiento de estos conceptos. Seguidamente, describiremos el grado de polimerización de un material polimérico. A continuación, estudiaremos el peso molecular en materiales poliméricos y, finalmente, realizaremos una serie de consideraciones.
Bien, los materiales poliméricos son estructuras orgánicas basadas en macromoléculas o en cadenas poliméricas. Así pues, la química orgánica nos demuestra que todas esas moléculas que tienen peso molecular muy bajo, pues se encuentran en estado gaseoso. Por otro lado, las moléculas que tienen un peso molecular intermedio, presentan ya un estado líquido. Si seguimos aumentando el peso molecular de las estructuras orgánicas, accedemos a un grupo de materiales, o de materias con una consistencia cérea: son las ceras, las parafinas. Por último, cuando el peso molecular de las cadenas poliméricas es extremadamente alto, es cuando tenemos los materiales poliméricos, o sólidos poliméricos.
En este sentido, la progresión que hemos definido demuestra que a medida que aumenta la longitud de las estructuras orgánicas, o de las moléculas orgánicas, pues cambia muchísimo lo que son las propiedades o el comportamiento de los materiales. En este sentido, podemos validar una fuerte dependencia de un conjunto de propiedades con la longitud de las cadenas poliméricas o macromoléculas. Así pues, es necesario conocer o estimar la longitud de esas macromoléculas o cadenas poliméricas para poder establecer las relaciones oportunas con el comportamiento de dichos materiales. En este sentido, adquieren relevancia dos conceptos: el grado de polimerización y el peso molecular, que son dos conceptos que están directamente relacionados.
Bien. El grado de polimerización es una medida de la extensión de las reacciones de polimerización. Es decir, es una estimación de la longitud que han alcanzado las cadenas durante el proceso de polimerización. Está íntimamente ligado con la longitud de dichas cadenas poliméricas y se define como el número o la cantidad de monómeros promedio que se repiten en la misma molécula o cadena polimérica.
Con un ejemplo gráfico se entenderá mejor este concepto. Si, el gráfico muestra una figura, una representación tridimensional de una estructura polimérica. Prescindiendo de la información que nos aporten los grupos terminales, al final y al principio de las cadenas poliméricas, podemos identificar claramente que hay una unidad básica que se repite un número de veces. Esta unidad básica estaría formada por dos átomos de carbono y cuatro átomos de hidrógeno. Pues bien, esta unidad elemental o monomérica, como podemos apreciar en el gráfico, se repite hasta un total de seis veces en la cadena o molécula polimérica.
Bien, como hemos dicho anteriormente, consta de dos átomos de carbono y cuatro átomos de hidrógeno, de tal manera que podemos representar la estructura o la fórmula de dicho material con dos átomos de carbono enlazados mediante enlaces simples y cuatro átomos de hidrógeno unidos a los átomos de carbono. Es la estructura de un polietileno, o una estructura vinílica básica. De tal manera que la cadena polimérica anterior se puede representar de esta manera. Entre paréntesis o entre corchetes representamos la estructura monomérica básica, que se repite un determinado número de veces. Esa es la unidad monomérica básica marcada con color verde, y el subíndice en los corchetes o en los paréntesis representa el número de veces que se repite dicha unidad monomérica, en este caso, seis. Y esta sería una manera de representar la estructura de un material polimérico.
Bien. Por otro lado, es importante tener en cuenta que, dada la naturaleza de los materiales poliméricos y de los procesos de polimerización, el grado de polimerización no es un valor único. No es un único punto, un valor único, sino que efectivamente sigue una distribución estadística, como podemos apreciar en el gráfico. Donde representamos en el eje X el grado de polimerización y en el eje de las Y la frecuencia, la frecuencia relativa del número de moléculas que tienen un determinado grado de polimerización. Gráficamente, podemos apreciar que existe un grupo determinado de moléculas con tamaño corto, o con grado de polimerización bajo, marcado con color azul. Otro grupo de moléculas, o de cadenas con un tamaño intermedio, que son las que aparecen en el gráfico con una coloración verde. Y por último, podemos apreciar también la presencia de cadenas o macromoléculas con un grado de polimerización bastante largo, bastante elevado, y es el conjunto de cadenas largas.
No obstante, pues desde el punto de vista de la ingeniería, pues muchas veces se utiliza el valor promedio por simplificar y por no arrastrar tantos valores. Ahora bien, hay que tener en cuenta que un valor promedio siempre arrastra una serie de limitaciones. Así pues, por ejemplo, el gráfico que se muestra a continuación muestra la distribución estadística de un polímero, un polímero A marcado con color azul, con una distribución de grados de polimerización bastante ancha. De color rojo, podemos apreciar otro material, un material B marcado con color rojo, que presenta una distribución estadística de grados de polimerización bastante estrecha. Sin embargo, ambos materiales presentan el mismo valor promedio, pero realmente, como tienen distribuciones estadísticas muy distintas, van a presentar comportamientos muy distintos.
Bien. Una vez visto el grado de polimerización, veamos el concepto de peso molecular en materiales poliméricos. El peso molecular está directamente relacionado con la longitud de las moléculas o el grado de polimerización y, al igual que este, pues representa una extensión de las reacciones de polimerización. Podemos establecer la relación entre estos dos conceptos mediante esta expresión. Así pues, el peso molecular del material polimérico es igual al grado de polimerización por el peso molecular de la unidad monomérica. Lógicamente.
Mediante un ejemplo muy sencillo, podemos estimar el peso molecular de un polietileno que presenta un grado de polimerización promedio de mil unidades monoméricas repetidas. Así pues, tendríamos una estructura de esta naturaleza, la estructura del polietileno o el monómero del polietileno, entre paréntesis, con un subíndice mil, representando el número de veces que se repite dicha unidad monomérica. Para calcular el peso molecular, tenemos en cuenta que cada unidad monomérica consta de cuatro átomos de hidrógeno con un peso de un gramo por mol, una unidad de masa atómica. Mientras que cada unidad monomérica también contiene dos átomos de carbono, marcados con color rojo, con un peso, con una unidad de masa atómica de doce gramos, gramos por mol. En consecuencia, el peso de la unidad monomérica será de 28 gramos por mol, por cada unidad monomérica.
Bien, teniendo en cuenta este valor y aplicando la expresión anteriormente descrita, podemos calcular el peso molecular promedio del material polimérico, multiplicando el grado de polimerización por el peso molecular de la unidad monomérica. En este caso, el grado de polimerización marcado con color verde adopta un valor de mil meros, multiplicado por los veintiocho gramos por mol y por mero que hemos calculado anteriormente, obtenemos un peso molecular promedio de veintiocho mil gramos por mol. Y ello es una consecuencia o justifica el que estas cadenas poliméricas también se les denomine macromoléculas, debido a los tamaños o los pesos moleculares tan elevados.
Al igual que el grado de polimerización, el peso molecular no lo podemos representar como un único valor, sino que también representa una distribución estadística de las cadenas poliméricas.
Bien. Efectivamente, esta representación mediante una distribución estadística pues encuentra una serie de limitaciones. Así, por ejemplo, podemos encontrar un material con una distribución estadística, como la que aparece en el gráfico, una distribución marcada con color azul. Y podemos encontrar otro material con una distribución estadística seccionada, o dividida en dos, en dos partes, en dos grupos bastante homogéneos. Bien, en estas condiciones podemos identificar que el peso molecular medio de la estructura de color azul, más o menos, cuadra con el valor promedio de las cadenas poliméricas. No obstante, en la distribución del material de color rojo, el valor promedio representa una fracción notablemente inferior a cada una de las fracciones individuales, y esta es una información que debemos tener en cuenta a la hora de considerar el peso molecular de un material polimérico. Y es que, aunque representemos el valor promedio, pues es una información sesgada que no aporta datos sobre la distribución estadística.
Por otro lado, también de forma inversa, es posible calcular el grado de polimerización de un polímero conociendo el peso molecular obtenido mediante una serie de técnicas analíticas. Así pues, el grado de polimerización es el cociente entre el peso molecular del polímero y el peso molecular del monómero, que se puede obtener a partir de la fórmula empírica.
Bien. Las consideraciones finales que podemos hacer en base a estos conceptos son las siguientes. Existe una intensa relación entre las propiedades de los materiales plásticos y la longitud de las cadenas o moléculas. El grado de polimerización y el peso molecular son indicadores bastante fiables de la longitud de las cadenas poliméricas que se han obtenido a lo largo de un proceso de polimerización. Tanto el grado de polimerización como el peso molecular suelen representarse mediante valores promedio, aunque realmente siguen una distribución estadística. Debido, pues, a la complejidad que tienen las reacciones de polimerización, hay cadenas más largas y otras más cortas. Hay alguna serie de técnicas, sobre todo técnicas analíticas, que permiten estimar el peso molecular de las cadenas poliméricas y, a partir de este, estimar el grado de polimerización del material como cociente entre el peso molecular del polímero obtenido mediante técnicas analíticas y el peso molecular del monómero obtenido mediante análisis de la fórmula empírica del material.
Muchas gracias por su atención.