química - cadernos temáticos - polímeros sintéticos

8/14/2019 Química - Cadernos Temáticos - Polímeros Sintéticos

http://slidepdf.com/reader/full/quimica-cadernos-tematicos-polimeros-sinteticos 1/4

Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola Edição especial – Maio 2001

Introdução

Os humanos convivem compolímeros desde sempre,uma vez que as proteínas, o

DNA e os polissacarídeos que existemem nosso organismo são polímerosnaturais. Apesar desta longa convivên-cia, foi só no século XX que umquímico, Staudinger, formulou a hipó-

tese macromolecular afirmando queexistem moléculas muito grandes, as‘macromoléculas’. Essa hipótese foiverificada experimentalmente nos anos20, quando Svedberg e os Bragg pro-varam que a hemoglobina e a celulosesão formadas por moléculas gigantes.

A aceitação da existência de macro-moléculas permitiu a descoberta demuitas substâncias macromolecularescujo resultado mais visível são os plás-ticos, borrachas, tintas e vernizes que

fazem parte do nosso dia-a-dia, ouseja, os polímeros sintéticos. Além dedescobertas intencionais, como a donylon, dos poliésteres e do polipropi-leno isotático, houve também desco-bertas acidentais, como as do polieti-leno e do politetrafluoroetileno. Hoje,continuam sendo criadas novas e inte-ressantes macromoléculas, para seobter novas propriedades mecânicas,ópticas e elétricas.

A importância destes materiais po-de ser observada olhando ao nosso re-dor e vendo a quantidade de objetosfeitos de plásticos que nós utilizamos,sustentando uma intensa atividade in-dustrial, e muitos empregos. Os polí-meros sintéticos mudaram a face daindústria química: superando em valoros quimioterápicos, fertilizantes e co-

rantes, os polímeros passaram a ser aprincipal fonte de receita dessa indús-tria na segunda metade do século 20,e criaram um forte vínculo entre a quí-mica e a ciência e engenharia de mate-riais. Este texto mostra como se cons-trói a estrutura de macromoléculas ecomo esta determina suas proprieda-des mais importantes.

Como se fazem macromoléculas: a

conectividade das substâncias

químicas

Moléculas pequenas como a deaçúcar têm alguns átomos ou dezenasde átomos, mas as macromoléculas

são formadas por milhares ou milhõesde átomos, reunidos de maneira a for-mar grandes cadeias, ou redes. Porexemplo, se um ácido carboxílico rea-ge com um álcool, forma-se um éster(Figura 1). Entretanto, se uma moléculacom duas carboxilas reagir com umdiálcool, forma-se uma macromoléculaformada pela junção de muitas partes

semelhantes (que chamamos depolímero): é um poliéster, como estárepresentado na Figura 2. Este podeser cíclico ou linear, e neste caso temosplásticos importantíssimos como oPET, ou poli(tereftalato de etileno), am-plamente usado para fabricar garrafasde bebidas e outros frascos, fibrastêxteis, filmes para transparências eembalagens e peças de engenharia.

Também podemos fazer reagir umácido dicarboxílico com um triálcool(por exemplo, a glicerina). Neste caso,

resulta uma rede tridimensional, emque as cadeias de átomos estãointerconectadas entre si.

Emerson Wan, Eduardo Galembeck e Fernando Galembeck

Os polímeros sintéticos são macromoléculas, produzidas pela junção de muitas moléculas pequenassemelhantes. Podem apresentar diferentes tipos de organização: em cadeias lineares ou ramificadas, e emredes. Cada modo de organização produz propriedades especiais, que permitem o uso dos polímeros emobjetos de uso pessoal, embalagens, vestimentas, materiais elétricos e optoeletrônicos, casa e automóveis.

conectividade, cadeias lineares e redes, transição vítrea, polímeros, plásticos, borrachas

Figura 1: Reação de um ácido carboxílico com um álcool formando um éster.

Polímeros sintéticos



6


Nós dizemos que o ácido dicarbo-xílico e o diálcool têm conectividade 2,isto é, cada molécula liga-se a duas

outras. A glicerina tem conectividade3, e assim por diante. Açúcares têmmuitas hidroxilas, portanto têm conec-tividade muito alta.

Além de poliésteres, existem muitasfamílias de polímeros: poliolefinas,poliamidas, poliuretanas, policarbo-natos, polisulfonas, polifenólicos, polió-xidos etc. Sempre que houver a possi-bilidade de se juntar moléculas comconectividade dois ou maior, haverá aformação de uma macromolécula. Osquímicos usam essa lógica para inven-

tar novas macromoléculas, emboramuitas tenham sido descobertas poracaso.

Polímeros de compostos insaturados

Os polímeros fabricados em maiorquantidade são o resultado da trans-formação de moléculas insaturadasem cadeias, lineares ou reticuladas.Estas moléculas possuem ligações du-plas, e por isso podem ser transforma-

das em macromoléculas como nocaso do etileno, representado na Figu-ra 3. Sob a ação de um iniciador ou

catalisador, a dupla ligação do etilenoé aberta e os seus elétrons formamduas ligações simples com outrasmoléculas, conectando-se a elas.

Estas reações produzem cadeias li-neares ou ramificadas, que podem

ainda ser transformadas em redes pooutras reações. Dessa forma, o etilenoque é um gás formado por moléculapequenas e muito simples, pode setransformado em um grande númerode polímeros com propriedades muitodiferentes entre si: desde ceras moleaté sólidos muito rígidos, apropriadopara fazer implantes ortopédicos em

joelhos. Toda esta transformação ocorre porque as pequenas moléculas, quse atraem apenas por forças de vader Waals, são transformadas em grandes moléculas, nas quais os átomoestão unidos por ligações covalentee com uma infinidade de possibilidades de variação, seja do númerode átomos ligados, seja da quantidadee comprimento das ramificações, sejaainda da quantidade de ligaçõecovalentes entre as cadeias.

As propriedades de polímeroslineares

Estas substâncias são formadapor filas ou cadeias de átomos. Outroátomos estão ligados lateralmentepodendo formar ramificações comoem um galho de árvore. Com polímeros lineares fazemos filmes e sacoplásticos para embalagens, e as peçade plástico rígido que encontramos emmuitos utensílios. Podemos descobrsua principal propriedade usando um

modelo simples, ou seja: fios de linhaPara isso, consiga alguns metros delinha de costura fina, corte 100 pedaços de 1 cm, e 20 pedaços de 30 cmMisture os primeiros, e tente puxar umfio: ao fazer isto, você consegue se


Figura 2: Reação de uma molécula com duas carboxilas com um diálcool, formando umamacromolécula pela junção de muitas partes semelhantes, um poliéster (polímero).

Figura 3: Sob a ação de um iniciador ou catalisador, a dupla ligação do etileno é aberta os seus elétrons formam duas ligações simples com outras moléculas, conectando-se elas, formando então o polietileno.




parar o fio que está sendo puxado, semmuita dificuldade. Agora, misture bemos fios de 30 cm, e tente puxar algumdeles: você vai ter muita dificuldade emsepará-lo dos outros, porque ele estaráentrelaçado. Cadeias de macromo-léculas também se entrelaçam forte-mente; por isso um sólido poliméricotem uma grande resistência mecânica,

ao contrário dos sólidos formados pormoléculas pequenas. Isso é o que nospermite fabricar móveis, materiais deconstrução, peças de automóvel e umainfinidade de outros materiais compolímeros, mas não com moléculascurtas.

Propriedades de redes

tridimensionais

Podemos conseguir propriedadesmecânicas muito interessantes se for-marmos uma rede tridimensional, aoinvés de apenas entrelaçar as cadeias.Por exemplo, coloque-se (mentalmen-te) no lugar da borracha de um pneu,ou na sola do seu tênis, e pense em to-das as pancadas, puxões, atrito e agres-sões mecânicas que eles sofrem. Ape-sar disso, resistem por muitos quilôme-tros, e por muitos anos. Isso resulta dasua estrutura em rede tridimensional. Aborracha de um pneu é formada por ca-deias carbônicas de poli-isopreno epolibutadieno, todas conectadas entre

si por ligações covalentes - portanto, éuma molécula tão grande que vocêpode enxergar a olho nu. Quando as ma-cromoléculas estão formando uma rede,dizemos que elas estão reticuladas,como visto na Figura 4.

Outro exemplo é o das resinas fe-nólicas como a baquelite, que resistemmuito bem a altas temperaturas e porisso são usadas em cabos de panelas,ou dos adesivos de epoxi. Nessescasos a rede tridimensional é rígida econtinua rígida, mesmo em tempera-

turas elevadas - porque há um númeromuito elevado de ligações covalentesentre as cadeias.

Cadeias rígidas e cadeias flexíveis: a

transição vítrea

As cadeias lineares ou reticuladaspodem ser flexíveis, moles ou rígidas eduras. Um emaranhado ou uma rede decadeias flexíveis podem ser deformadoselasticamente, como você faz com um

“elástico” do tipo usado para prender ocabelo. Quando puxamos as pontas domaterial, ele se deforma porque asmoléculas flexíveis se alinham. Verifiqueisto no seu modelo de fios de linhaemaranhadas: se você puxar um ema-ranhado lentamente, vai observar quealguns (ou muitos) fios vão se alinhar,como está esquematizado na Figura 5.

Entretanto, se os fios forem rígidos,como em um arame de aço emara-nhado, o alinhamento será pequeno, ouinexistente. Algumas características dasmacromoléculas dependem muito dafacilidade de se alinhar as cadeias.Quais cadeias são fáceis de alinhar? Sãoaquelas que podem ser dobradas,desdobradas e torcidas com facilidade,como as cadeias que formam o polie-tileno e as siliconas. Por outro lado, aspresenças de grupos laterais volumosose de duplas ligações nas cadeiasdiminuem a sua flexibilidade: no polies-tireno, os volumosos grupos fenilasesbarram uns nos outros, dificultando amovimentação das cadeias e isto tornao plástico rígido.

Macromoléculas são sempre rígi-das em baixas temperaturas, e flexíveisem altas temperaturas. Em baixas tem-peraturas, a energia cinética dos áto-mos é menor, eles se movem menos ehá pouco espaço entre eles. Quandoa temperatura aumenta o sólido se

dilata, porque os átomos vibram mais,se movem mais e aumenta o espaçolivre entre eles, permitindo-lhes fazeroutros movimentos além das vibra-ções. Assim, um sólido formado pormacromoléculas rígidas é um vidro depolímero, como o acrílico usado parafazer réguas, painéis e enfeites. Umsólido formado por macromoléculasflexíveis é viscoelástico, ou uma bor-racha: é viscoso, porque escoa comoum fluido, mas elástico porque tendea recuperar sua forma original.

Cada substância for-mada por macromolécu-las tem uma temperaturade transição vítrea, naqual passa de rígida paraflexível, e vice-versa. Vocêpode verificar isso experi-mentalmente, com um pe-dacinho de goma de mas-car. Algumas gomas sãofeitas de PVA, o poli(ace-

tato de vinila), que tem a temperaturade transição superior à temperaturaambiente, mas inferior à do corpo hu-mano. Portanto, o PVA é duro natemperatura ambiente, mas amolecena boca, que é mais quente. Tirandoda boca, ele endurece, e se for coloca-do na geladeira fica muito duro. Poresta razão, a maneira mais simples dedesgrudar chicletes de uma roupa écolocar a roupa na geladeira (ou es-fregar gelo sobre a goma), até que elaendureça e possa ser puxada, saindo

então sem dificuldade.

Figura 4: Cadeias poliméricas ligadas en-tre si formam uma rede. Por isso, nessecaso chamamos o polímero de ‘reticulado’.Nessa figura, os círculos representamligações covalentes entre as cadeias.

Figura 5: a. Macromoléculas lineares se entrelaçam, comofios; b. Macromoléculas entrelaçadas são alinhadasquando o polímero é estirado.




8


Transformando substâncias em objetos

Substâncias orgânicas poliméricassão transformadas em objetos (tubos,filmes, fios, tecidos, revestimentos, pe-ças moldadas) com muito maior facili-dade que os sólidos inorgânicos iônicosou os metais. Há vários processos defabricação de objetos feitos de plásticosou de borracha: extrusão, injeção,moldagem por compressão, rotomol-dagem, sopro e formação a vácuo, den-tre outros. A máquina de processarpolímeros mais comum é a extrusora derosca, que tem uma certa semelhançaconceitual com a máquina de moercarne que existe em açougues e resi-dências. No essencial, trata-se de umtubo rígido em cujo interior gira umarosca. O polímero é introduzido em umaextremidade do tubo; quando a roscagira, ela impele o polímero submeten-do-o a um forte atrito, que provoca o seuaquecimento (pelo efeito Joule) e a suatransformação em uma massa viscosa,que pode então ser transformada emtubos, tarugos e perfis, ou injetada emmoldes.

A rotomoldagem é usada para fazerpeças de grandes dimensões, comocascos de barcos e bombonas paralíquidos. Esta operação se parece coma que é usada para fazer ovos dePáscoa de chocolate: o plástico é colo-cado em um molde que pode ser aber-to e separado em duas partes, e que éaquecido e feito girar. A massa aque-cida adquire a forma do molde, que éentão resfriado e aberto para retirar oplástico endurecido na forma do molde.Máquinas de sopro são usadas para sefabricar sacos, filmes e garrafas, e usamo mesmo princípio de funcionamentoque nós usamos para soprar bolas dechicletes ou de água com sabão.

A principal vantagem dos processosde transformação deplásticos é que elessempre consomem

pouca energia se com-parados aos proces-sos usados na fabri-cação de artefatos devidro, cimento, metaisou cerâmicas. Exata-mente por isso as in-dústrias de transformação de plásticoscausam pouca poluição térmica, contri-buindo pouco para o efeito estufa, e so-frem poucas restrições ambientais

Para saber mais

ATKINS, P.W. Moléculas. Trad. P.S.Santos e F. Galembeck. São Paulo:EDUSP, 2000, capítulo 3.

FAEZ, R.; MARTINS, P.S.; FREITAS,C.R.; KOZIMA, O.K.; RUGGERI, G. e DEPAOLI, M.-A. Química Nova na Escola,n. 11, p. 13-18, 2000.

Na internet

http://www.quimica.matrix.com.br/ http:/ /www.sandretto. i t /museo/

portoghese/ http://www.brittanica.com (em inglês)http://www.abiquim.org.br/plastivida

quanto aos locais de instalação.

E daí?

Os polímeros sintéticos estão hojepresentes na nossa vida diária porquenos permitem resolver um grandenúmero de problemas, quer na indús-tria, na agricultura e nos serviços, já queaté o dinheiro passou a ser feito de

plástico. Estes materiaissão fabricados por umagrande e vigorosa indús-tria petroquímica, querepresenta cerca de me-tade da indústria químicaem todo o mundo. Suafabricação e transforma-ção garantem o empre-go e sustento de milhõesde pessoas, inclusivemuitos brasileiros.

Nesta área o ritmo de inovação con-

tinua muito intenso e as novidades sur-gem continuamente, graças ao esforçocontinuado de cientistas, engenheiros,tecnólogos e empreendedores. Umagrande novidade dos anos 80 foi adescoberta de polímeros condutores deeletricidade, que foi premiada em 2000com o Prêmio Nobel de Química. O im-pacto desses polímeros condutores naconstrução de dispositivos elétricos pro-mete ser tão grande que alguns espe-cialistas já afirmam que o Vale do Silício,na Califórnia, poderá vir a ser chamadono futuro de Vale do PPV (poli-pa-rafenilenovinileno, que poderá substituiro silício em muitas de suas aplicações).

O ciclo de vida dos materiais

poliméricos

Plásticos e borrachas também cau-sam problemas ambientais, como todosos outros produtos da atividade hu-mana. Por isto, devemos sempre atentarao seu ciclo de vida, isto é, o conjunto

das etapas que fazema sua história, desdeque a sua matéria-pri-ma (o petróleo) é ex-traída da Terra, transfor-mada e reciclada, até oseu descarte ou des-truição por queima oudegradação no am-biente, transformando-

se de novo em substâncias simplescomo o gás carbônico, água, carvão etc.

O uso e descarte irresponsáveis deplásticos e borrachas acabaram crian-


do problemas ambientais sérios. Esteproblemas são devidos à durabilidadedos polímeros sintéticos no ambiente, não à sua toxidez, e por isso vemogarrafas plásticas, pneus, restos de fradas descartáveis e embalagens enfeando rios, lagoas e praias. Esta poluiçãofeita pelos plásticos não é um defeito

dos plásticos em s

mas uma manifestação de má-educação de indivíduos, dburrice coletiva e dfalta de responsabilidade por parte dempresas e de representantes do poder público. Má-educação, porque o cupado final é sempruma pessoa qu

usou o plástico e não se deu ao trabalho

de descartá-lo de maneira correta. Burrice, porque o plástico ou o pneu velhosempre têm valor e utilidade; ao invés desermos prejudicados pelo seu descartirresponsável, todos nós deveríamos usaa criatividade para reciclá-los, fazendoque deixem de ser problemas para passarem a ser soluções para outros problemas. Finalmente, o poder público (govenos) deve legislar e fiscalizar para impeda contaminação por plásticos, e aempresas devem renunciar a lucros obtdos às custas de danos ambientais de

correntes do uso de plásticos, pois oprejuízos sociais não justificam os lucrogerados.

Emerson Wan é licenciado em química. Eduard

Galembecké doutor em química e professor assistentde bioquímica no Instituto de Biologia da UnicampFernando Galembeck é doutor em química e professor no Instituto de Química da Unicamp.

Os polímero sintéticos

estão hoje presentes na

nossa vida diária porquenos permitem resolver um

grande número de

problemas, já que até o

dinheiro passou a ser feito

de plástico

O uso e o descarte

irresponsáveis de plásticos

e borrachas acabaram

criando problemas

ambientais sérios. Estes

problemas são devidos à

durabilidade dos

polímeros sintéticos no

ambiente e não à sua

toxidez

química - cadernos temáticos - polímeros sintéticos

Documents