Rychlokurz chemie
Rychlokurz chemie (42/43) · 9:14

Polymery Polymery jsou všude kolem nás. Jak a proč ale vznikly a jak se v nich vyznat si povíme v tomto díle rychlokurzu.

Charles Darwin byl velkým hráčem kulečníku. Miloval svůj kulečníkový stůl. Byl to jeden z jeho nejvíce ceněných kusů majetku. Finančně i emočně. Vlastně nešlo přímo o ten stůl. Ve skutečnosti byly cenné samy koule. Vyřezané z čisté slonoviny ze sloních klů, ty si mohli dovolit jen ti nejbohatší. Naštěstí měl za manželku dědičku. Celá sada 16 kulečníkových koulí by vyžadovala alespoň 1, možná 2 celé kly. Myšlenka, že by nějaký bar na Zemi vlastnil volně přístupný kulečníkový stůl, ze kterého by se nikdo nepokusil utéct s kapsami plnými cenné slonoviny, by zněla v roce 1850 naprosto šíleně. A výrobci kulečníku s tím byli plně obeznámeni. Kulečníkové koule se stávaly čím dál tím dražší a sloni čím dál vzácnější. Takže když roku 1867 kulečníková firma Phelan and Collander vyhlásila soutěž, nebylo to z environmentálních důvodů. Nabídli 10 000 dolarů komukoliv, kdo by objevil perfektní náhražku slonoviny, která by se dala vyprodukovat rychleji a obnovitelněji než mrtví sloni. Vynálezce John Wesley Hyatt se do této výzvy pustil. Použil nitrocelulózu, pevnou hořlavinu, která se dá získat smícháním bavlny s kyselinou dusičnou za vzniku tvrdé, lesklé, bílé koule. Její vlastnosti byly velice podobné slonovinovým koulím. Firma mu však nikdy cenu nedala. Ale on techniku patentoval a využil ji na výrobu koulí, klavírních kláves a umělých zubů, čímž se stal nesmírně bohatým. A taky tím založil odvětví, které doteď vyrábí všechny polymery kolem nás, a dnes se mu budeme v rychlokurzu chemie věnovat. Navíc díky tomu nevyhynuli sloni, což je plus. Polymery Polymer, na kterém John Hyatt pracoval, byl překvapivě mizerný. Po dokončení výroby fungoval dobře, ale jeho výrobní proces byl nebezpečný, protože nitrovaná celulóza může v přítomnosti teplého vzduchu explodovat. Naštěstí se brzy začaly objevovat náhražky. Náhražky se jmény, které vám budou známé, jako polyvinylchlorid, neboli PVC, bakelit, polystyren, polyester a nylon. Všechny z nich jsou polymery; obrovské řetězce, někdy i 3D, opakujících se organických jednotek zvaných monomery. Každý polymer má monomer, ale všechny jsou jako samostatné jednotky docela prosté. Finta spočívá v tom, že se na sebe z každé strany donekonečna navazují, ale ve skutečnosti jsou řetězce dlouhé spíše stovky, tisíce, někdy i stovky tisíc jednotek. Abyste mohli vytvořit polymer, vše co potřebujete, je molekula, co se snadno naváže k jiné, identické molekule z obou stran. A nejjednodušší z nich je ethen, také známý jako ethylen. Jeho polymer je, překvapivě, pojmenován polyethylen, o kterém jste už asi slyšeli. Za chvíli si řekneme o podrobnostech, ale vlastně jde o to, že pi vazby v dvojné vazbě jsou slabší než sigma vazby, a díky tomu se dají snadno rozbít a dají se vložit další monomery. Jen abychom se vyhli zmatení; polyethylen má v sobě koncovku "-en", to ano, ale není alken, protože jeho dvojné vazby zaniknou za vzniku nových sigma vazeb. Jedná se o polymerizovaný alken, ale samotná jeho molekula je alkenem. Je to matoucí, takže jsem to chtěl zmínit. Takže teď budou chemici od svých polymerů vyžadovat různé věci; třeba budou chtít větší roztažnost, odolnost, průhlednost, či recyklovatelnost. Polyethylen je transparentní a termoplastický, to znamená, že ho lze roztavit a předělat, což ho činí recyklovatelným. Jiné polymery, jako třeba polyuretan nebo bakelit, jsou tzv. reaktoplasty. Což znamená, že mohou změnit své chemické vlastnosti během procesů, a nemohou být roztaveny a přeměněny. Polyethylen může být přeměněn na reaktoplast síťovou vazbou, což jsou molekulární můstky mezi polymerovými řetězci. Každý instalatér pravděpodobně slyšel o síťovaném polyethylenu, neboli PEX trubce. Je velmi super extra silná, díky křížové vazbě. Polyethylen je také fajn, protože jeho odolnost se mění s velikostí molekul. Když jim povolíte polymerovat do délky desítek tisíc monomerů, plast, který vytvoří, se zamotá do těchto řetězců a bude extrémně pevný. To je důvod, proč je tento je HDPE láhev, z polyethylenu vysoké hustoty, silná. Kdežto tahle je mnohem měkčí, jedná se o polyethylen nízké hustoty. Avšak tyto velmi dlouhé řetězce jej dělají po zahřátí mnohem viskóznějším, a tedy i složitějším na zpracování. Také tím ztrácí část své průhlednosti, a stává se tak mléčně zakaleným. Takže polyethylen je skvělý. Opravdu skvělý. Tak skvělý, že se stal nejčastějším plastem na světě. Každoročně ho vyrobíme přes 80 milionů tun. Ale od plastů toho vyžadujeme dost. Sílu, barvu, elasticitu, odolnost, recyklovatelnost- chceme vše od umělohmotné fólie po gumy na auta. Na všech těchto vlastnostech během 20. století chemici neúnavně pracovali a pracují na jejich vylepšeních stále. Jednou ze starších technik, kterou užívali na změnu vlastností, byla změna substituentů na monomeru ethylenu. Podívejte se, co by se stalo. Třeba kdybychom vyměnili jeden z vodíků za chlor? Dostali bychom polychlorethylen, trochu, protože takhle tomu úplně neříkáme. OK, takže pamatujete si, jak se benzen na řetězci nazývá fenyl? A jak spolu tato 2 slova nemají vůbec nic společného? To samé platí pro ethenovou funkční skupinu, které se říká vinylová skupina. Je to staré slovo, hodně staré, pochází totiž z řeckého výrazu pro víno. A proto se chlorethylenu častěji říká vinylchlorid. A polychlorethylenu se častěji říká polyvinylchlorid, zkráceně PVC. To je také, z čeho je vyrobena tahleta malá kachnička, a také desky, proto jim říkáme vinyly. Takže, co se stane, když vyměníme vodík za methylovou skupinu? Najednou je z této molekuly stane propen, či pokud máte radši starší názvy, propylen. A ano, pokud ho zpolymerujete, stane se z něj polypropylen. Pokud jeden z vodíků nahradíme fenylovou skupinou, vzniklá chemikálie byla poprvé získána ze stromů Styrax, takže jí říkáme styren. Zpolymerujeme ji, vzniká polystyren. Uděláme z ní pěnu, máme styrofoam. Pokud vyměníme všechny 4 vodíky ethylenu za fluor, dostaneme tetrafluorethylen. Zpolymerujeme jej a místo na vodíky je tento polymer navázán přímo na fluory. Fluor, jak je vidět z jeho umístění v tabulce, je extrémně elektronegativní. Ale protože si své elektrony pečlivě hlídá, v polymerovém řetězci se mu líbí. Elektrony jsou příliš zaneprázdněny na to, aby reagovaly s jakoukoli jinou molekulou. Neříkám, že tento materiál je extrémně nereaktivní, nebo příliš stabilní. Je to spíše tak, že elektrony nejsou ani volné na to, aby umožnili reakce, jimiž by se věci lepily k sobě, či by spolu třely. Proto polymerizovaný tetrafluorethylen, protože je děsně užitečný, jistě znáte jako PTFE, nebo jako teflon. Jak tedy vůbec tyhle věci vyrábíme? Polymery na bázi ethenu vznikají procesem zvaným polyadice. Monomery jsou jednoduše dány k sobě a nevzniknou tak žádné vedlejší produkty. Abyste tento proces zahájili, potřebujete k tomu volný radikál. Mně vždy tento název evokoval nějakého šíleného bojovníka za svobodu řítícího se do války bez jakýchkoliv myšlenek na to, co by se mu mohlo stát. A to je skoro to, čím jsou. Volné radikály jsou atomy či ionty s volným elektronem. To je strašně nestabilní. Trochu jako když by nám půl kovalentní vazby viselo ven. Kdekoliv může vytvořit vazbu, vytvoří ji. A v případě polyadice napadne dvojnou vazbu a naváže na sebe jeden uhlík, zatímco ten druhý uhlík je ponechán osudu s jedním nepárovým elektronem. Tato molekula je nyní nově vzniklým volným radikálem, který zaútočí na blízkou pi vazbu a přidá se k jiné molekule ethenu za vzniku radikálu. Tento proces pokračuje do té doby, než se potkají 2 radikály, které zkonzumují oba volné radikály a tak ukončí polymeraci, nevyprodukují další. Samozřejmě existují i jiné typy polymerace. Někdy se hydroxyskupina z jedné molekuly chce přidat na vodík jiné, za vzniku vody. Voda se oddělí a stane se vedlejším produktem, nechá tak 2 molekuly svázané. To se často děje, když aminoskupina se slabou vazbou na vodík potká karboxylovou kyselinu se slabou vazbou na -OH skupinu. A toto se stane, když se potká kyselina adipová s diaminohexanem za vzniku nylonu. Při rozpouštění diaminohexanu a kyseliny adipové na 2 nesmísitelné roztoky můžeme vytvořit nylon, pojďme si to ukázat. Nylon se vytvoří na rozhraní 2 nesmísitelných roztoků. A můžeme ho jen tak chytit a vytáhnout z nádoby, kroutit s ním a hrát si s ním, dokud nedostaneme hezký kydanec nylonu. Funguje to, protože diaminohexan má na obou koncích aminoskupinu a kyselina adipová má na obou koncích karboxylové skupiny. Tedy když vzniká dimer, dvoumonomerní jednotka, na jedné straně je karboxyskupina a na druhé aminoskupina, což umožní další polymeraci. Tyto kondenzované aminokyselinové polymerizace umožňují vznik těch asi nejdůležitějších polymerů planety; přírodních polymerů, které se zrovna tvoří ve vašem těle z monomerů, aminokyselin. Čekali jste, že tohle uslyšíte? Aminokyseliny polymerují přes kondenzační reakce vedené kódem ve vaší DNA v určitých velmi komplikovaných enzymech za vzniku vás samotných. Jiné důležité polymery ve vašem těle jsou třeba polysacharidy, ty ukládají energii; a taky DNA a RNA, které kódují informaci nutnou pro vznik proteinů. Ale takto bychom se dostali mimo téma, do biologie, což je jiný Rychlokurz. Ten je také přístupný zdarma, pokud máte zájem se na něj podívat.
video