Přeskočit na obsah

Polymerizace

Z Infopedia
Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox - Chemický proces

Polymerizace (někdy též polymerace) je chemická reakce, při které se z malých molekul, nazývaných monomery, tvoří velké molekuly (makromolekuly) zvané polymery. Monomery se v průběhu reakce spojují do dlouhých řetězců nebo prostorových sítí. Polymerizace je základním procesem pro výrobu všech plastů, syntetických kaučuků a mnoha dalších syntetických materiálů, které jsou nepostradatelné v moderním životě. Proces probíhá také v přírodě, například při vzniku bílkovin z aminokyselin nebo polysacharidů (např. celulóza) z monosacharidů.

Výsledný polymer má zcela odlišné fyzikální a chemické vlastnosti než původní monomer. Zatímco monomery jsou často plynné nebo kapalné látky (např. ethen, vinylchlorid), polymery jsou typicky pevné látky s vysokou molární hmotností, viskozitou a mechanickou odolností.

📜 Historie

Ačkoliv lidstvo využívalo přírodní polymery jako dřevo, bavlna nebo přírodní kaučuk po tisíciletí, chemická podstata těchto materiálů zůstávala dlouho neznámá.

🔬 Počátky a první syntézy

První syntetické polymery byly připraveny již v 19. století, často náhodou. V roce 1838 Henri Victor Regnault pozoroval vznik bílého prášku při vystavení vinylchloridu slunečnímu světlu – šlo o první syntézu polyvinylchloridu (PVC). V roce 1872 Eugen Baumann popsal stejný jev. Roku 1859 byla objevena polymerizace formaldehydu. Klíčovým milníkem byl vynález bakelitu, prvního plně syntetického plastu, který v roce 1907 patentoval Leo Baekeland. Bakelit vznikal polykondenzací fenolu a formaldehydu a odstartoval éru plastů.

🧪 Staudingerova revoluce

Až do 20. let 20. století panovala mezi chemiky představa, že látky jako kaučuk nebo celulóza jsou pouhé koloidní shluky malých molekul (tzv. micelární teorie). Zásadní obrat přinesl německý chemik Hermann Staudinger. V roce 1920 postuloval, že tyto látky jsou tvořeny obrovskými molekulami spojenými kovalentními vazbami, které nazval makromolekuly. Jeho teorie byla zpočátku přijímána s velkou skepsí, ale postupně ji potvrdily experimentální důkazy, jako měření viskozity roztoků polymerů. Za svou průkopnickou práci obdržel v roce 1953 Nobelovu cenu za chemii a je považován za otce makromolekulární chemie.

nylon a zlatý věk polymerů

Ve 30. letech 20. století vedl Wallace Carothers ve firmě DuPont systematický výzkum stupňovité polymerizace, který vyvrcholil v roce 1935 vynálezem nylonu. Nylon se stal prvním komerčně úspěšným syntetickým vláknem a jeho uvedení na trh znamenalo revoluci v textilním průmyslu.

Období po druhé světové válce přineslo masivní rozvoj polymerní chemie. Objev Ziegler-Natta katalyzátorů v 50. letech umožnil kontrolovanou polymerizaci alkenů, jako je ethen a propen, za mírných podmínek. To vedlo k výrobě polyethylenu s vysokou hustotou (HDPE) a polypropylenu, dvou nejrozšířenějších plastů současnosti. Karl Ziegler a Giulio Natta za tento objev získali v roce 1963 Nobelovu cenu za chemii.

⚙️ Základní principy a mechanismus

Každá polymerizace se skládá z několika základních kroků, které určují rychlost reakce a vlastnosti výsledného polymeru. Klíčovým faktorem je přítomnost reaktivního centra, které umožňuje připojování dalších monomerů.

  • Iniciace: Proces, při kterém vzniká aktivní centrum. To může být radikál, kation nebo anion. Iniciace je obvykle spuštěna vnějším podnětem, jako je teplo, UV záření nebo přidáním chemické látky zvané iniciátor (např. peroxid).
  • Propagace: Fáze růstu řetězce. Aktivní centrum na konci rostoucího polymerního řetězce reaguje s další molekulou monomeru, čímž se řetězec prodlouží a aktivní centrum se přesune na jeho nový konec. Tento krok se opakuje mnohotisíckrát.
  • Terminace: Ukončení růstu řetězce. Dva rostoucí řetězce se mohou spojit (rekombinace), nebo si vyměnit atom (disproporcionace), čímž dojde k zániku aktivních center a zastavení polymerizace.
  • Přenos řetězce: Proces, při kterém je aktivní centrum přeneseno z rostoucího polymerního řetězce na jinou molekulu (monomer, rozpouštědlo, nebo speciální činidlo). Původní řetězec přestane růst a nová molekula se stane aktivní a zahájí růst nového řetězce. Tento proces ovlivňuje molární hmotnost polymeru.

🧪 Typy polymerizace

Polymerizace se dělí do dvou hlavních kategorií podle mechanismu růstu řetězce a podle způsobu provedení reakce.

🧬 Dělení podle mechanismu

Toto je nejzákladnější dělení, které popisuje, jakým způsobem se monomery spojují.

Řetězcová polymerizace

Při řetězcové polymerizaci dochází k velmi rychlému růstu polymerního řetězce z aktivního centra. Reakce probíhá jako řetězová reakce, kde se monomery připojují jeden po druhém na konec rostoucího řetězce. Celý proces vytvoření jedné makromolekuly je velmi rychlý (zlomky sekundy až minuty). V reakční směsi jsou přítomny pouze monomery, hotové polymery a malé množství rostoucích řetězců.

Podle povahy aktivního centra se dělí na: 

   *   Kationtová polymerizace: Aktivním centrem je kation. Typická pro monomery s funkčními skupinami, které dodávají elektrony, např. při výrobě polyisobutylenu.
   *   Aniontová polymerizace: Aktivním centrem je anion. Používá se pro monomery s skupinami, které elektrony odtahují. Umožňuje přípravu polymerů s velmi přesně definovanou strukturou (tzv. živá polymerizace).

Stupňovitá polymerizace

Při stupňovité polymerizaci reagují funkční skupiny monomerů navzájem. Reakce probíhá postupně v celé reakční směsi. Nejprve vznikají krátké řetězce (dimery, trimery), které se následně spojují do delších řetězců (oligomerů) a teprve v pozdních fázích reakce vznikají vysokomolekulární polymery. Růst je tedy mnohem pomalejší než u řetězcové polymerizace.

Dělí se na:

🏭 Dělení podle způsobu provedení

Týká se technického uspořádání reakce v průmyslovém měřítku.

  • Bloková polymerizace: Reaguje pouze čistý monomer, případně s iniciátorem. Výhodou je vysoká čistota produktu, nevýhodou obtížný odvod reakčního tepla, což může vést k přehřátí a explozi.
  • Roztoková polymerizace: Monomer je rozpuštěn v inertním rozpouštědle. Rozpouštědlo pomáhá odvádět teplo a snižuje viskozitu, ale musí být následně z produktu odstraněno.
  • Suspenzní polymerizace: Monomer, který je nerozpustný ve vodě, je dispergován ve vodní lázni pomocí stabilizátorů do malých kapiček. Polymerizace probíhá uvnitř těchto kapiček, které se mění na pevné perličky polymeru. Voda efektivně odvádí teplo.
  • Emulzní polymerizace: Monomer je dispergován ve vodě pomocí emulgátoru (tenzidu) za vzniku emulze. Polymerizace probíhá v malých částicích zvaných micely. Výsledkem je stabilní disperze polymeru ve vodě, známá jako latex. Používá se pro výrobu syntetických kaučuků (SBR) nebo disperzních lepidel a barev.

🌍 Význam a využití

Polymerizace je jedním z nejdůležitějších procesů v moderním chemickém průmyslu. Polymery nacházejí uplatnění prakticky ve všech oblastech lidské činnosti:

  • Obalové materiály: Většina plastů, jako PET, polyethylen (PE) a polypropylen (PP), se používá na výrobu lahví, fólií a kontejnerů.
  • Stavebnictví: PVC na okenní rámy a potrubí, polystyren jako izolační materiál, polykarbonát na zastřešení.
  • Automobilový průmysl: Plasty a kompozity se používají na nárazníky, interiérové díly, palivové nádrže, čímž snižují hmotnost vozidel a spotřebu paliva.
  • Textilní průmysl: Syntetická vlákna jako polyester, nylon a elastan tvoří významnou část světové produkce oděvů.
  • Elektronika: Plasty slouží jako izolanty pro kabely, kryty spotřebičů a součásti desek plošných spojů.
  • Medicína: Biokompatibilní polymery se používají na výrobu implantátů, chirurgických nástrojů, obvazového materiálu, kontaktních čoček a systémů pro cílené doručování léčiv.
  • Sport a volný čas: Vysoce výkonné polymery jako kevlar nebo uhlíková vlákna v kompozitech se používají pro výrobu sportovního vybavení (lyže, jízdní kola, tenisové rakety).

🤔 Pro laiky

Představte si polymerizaci jako stavění řetězu z kancelářských sponek. Každá jednotlivá sponka je monomer – malá, samostatná jednotka. Když začnete sponky spojovat jednu po druhé, vytváříte dlouhý řetěz – a to je polymer. Tento proces spojování je polymerizace.

Existují dva hlavní způsoby, jak takový řetěz postavit:

1. Řetězová polymerizace (jako domino): Představte si, že máte jednu "kouzelnou" sponku (iniciátor), která se dokáže sama připojit k další. Jakmile se připojí, předá svou "kouzelnou" vlastnost na konec řetězu. Tento konec pak bleskově chytá další a další sponky a řetěz roste velmi rychle jedním směrem. V krabici tak máte buď jednotlivé sponky, nebo už hotové, dlouhé řetězy.

2. Stupňovitá polymerizace (jako skládání puzzle): Tady se mohou spojit jakékoliv dvě sponky dohromady a vytvořit pár. Pak se jiný pár spojí s dalším párem a vznikne čtveřice. Tyto krátké řetízky se postupně spojují do delších a delších. Růst je pomalý a probíhá v celém objemu. Teprve na samém konci, když se spojí dva opravdu dlouhé řetězy, vznikne finální obří polymer.

Výsledný řetěz (polymer) má úplně jiné vlastnosti než jednotlivé sponky (monomer). Z hromádky malých, volných dílků jste vytvořili pevný a dlouhý objekt, který můžete použít třeba jako lano. Stejně tak z plynného ethenu vzniká pevný a ohebný polyethylen, ze kterého se dělají igelitové sáčky.


Šablona:Aktualizováno

Citováno z „https://infopedia.cz/index.php?title=Polymerizace&oldid=17233“