Polimerler ve Katlanmış Yapılar

Konu Anlatımı

Polimerler ve Katlanmış Yapılar

Polimerler, monomer adı verilen küçük moleküllerin çok sayıda birbirine bağlanmasıyla oluşan uzun zincirli makromoleküllerdir. Bazı polimerler doğada bulunur; selüloz, nişasta, glikojen, proteinler ve nükleik asitler bu gruptadır. Çoğu polimer ise endüstriyel yollarla sentezlenir. Polimerleşmenin iki temel yolu vardır ve bu yollar polimerin yapısını doğrudan belirler.

Katılma polimerleşmesi

Katılma polimerleşmesinde, monomer molekülündeki çift bağ açılır ve iki uç birleşir. Bu sırada hiçbir küçük molekül açığa çıkmaz; dolayısıyla toplam kütle korunur. Etenin polimerleşerek polietene dönüşmesi bu türe en bilinen örnektir. Aynı türde, metil metakrilatın polimerleşmesiyle elde edilen pleksiglas da katılma polimerleşmesi ürünüdür.

Katılma polimerleşmesinde polimerin tekrarlayan birim yapısı, monomerin açılmış biçimine karşılık gelir. Bu nedenle tekrarlayan birim kütlesi, monomerin mol kütlesine eşittir.

Kondensasyon polimerleşmesi

Kondensasyon polimerleşmesinde monomerler arasında küçük moleküller ayrılır. İki dikarboksilik asitle iki hidroksilli bir bileşiğin tepkimesinde polyester oluşur ve su açığa çıkar. Aynı şekilde diamin ile dikarboksilik asitten poli amid elde edilirken de amonyak ayrılır.

Yan ürün çıktığı için toplam kütle azalır; bu nedenle kondansasyon polimerleşmesinde tek bir molekülden elde edilen polimer miktarı, başlangıçtaki madde miktarından azdır. Polikondensasyon dengeye bağlıdır; ayrılan küçük molekülü uzaklaştırmak zincir uzamasını kolaylaştırır.

Tekrarlayan birim ve derecelendirme

Polimerler, kendini tekrar eden tekrar eden birimlerden oluşur. Bir moleküldeki bu birimlerin sayısına polimerleşme derecesi denir. Derecelendirme polimerin mol kütlesinin monomerin mol kütlesine bölünmesiyle bulunur. Aynı polimer için farklı moleküllerin derecelendirmeleri farklı olabileceğinden ortalama derece kullanılır.

Derecelendirme büyüdükçe molekül zinciri uzar; zincirler arası etkileşim arttığı için yoğunluk, sertlik ve erime noktası yükselir. Çok yüksek dereceli polimerlerde zincirler birbirine dolanarak örgü benzeri bir yapı oluşturur.

Yapı türleri

Polimer yapıları üç başlıkta incelenir. Doğrusal polimerlerde zincirler birbiri içine girmez, yan yana dizilir; kristalleşme eğilimi yüksektir. Dallanmış polimerlerde ana zincirden kollar ayrılır; kristalleşme azalır, eritken akış kolaylaşır. Çapraz bağlı yapılarda ise zincirler üç boyutlu bir ağ oluşturur; bu ağ ısıtıldığında dağılmayan bütünlüğünü korur.

Termoplastik ve termoset

Polimerler ısıya verdiği tepkiye göre iki sınıfa ayrılır. Termoplastikler ısıtıldığında yumuşar ve şekillendirilebilir, soğutulduğunda yeniden sertleşir. Bu davranış, zincirler arasındaki etkileşimlerin ısıyla gevşemesinden kaynaklanır. Termosetler ise çapraz bağlıdır; ısıtıldıklarında ağ yapıları bozulmaz ve yeniden yumuşamazlar. Bu nedenle termosetler sertleştikten sonra tekrar şekillendirilemez.

Çevresel boyut

Fosil kaynaklı polimerler uzun sürede parçalanmaz; doğada birikerek kirlilik oluşturur. Biyobozunur polimerler ise yenilenebilir kaynaklardan üretilir ve mikroorganizmalar tarafından parçalanabilir. Ancak biyobozunurluk koşullara bağlıdır; uygun sıcaklık, nem ve oksijen bulunmadığında parçalanma çok yavaşlar. Bu nedenle atık yönetiminde uygun koşulların sağlanması gerekir.

Ne Öğreneceğiz

Polimerleşme türlerini, polimerlerin tekrarlayan birim ve derecelendirme kavramlarını, termoplastik termoset ayrımını ve polimerlerin kullanım alanlarını kapsayan konudur. Bu konuda ögrenme çıktıları:

• Katılma ve kondensasyon polimerleşmesini ürünlerine göre karşılaştırır.
• Polimerlerin tekrarlayan birim ve polimerleşme derecesi kavramlarını açıklar.
• Doğrusal, dallanmış ve çapraz bağlı polimer yapılarını karşılaştırır.
• Termoplastik ve termoset polimerlerin ısıya tepkisini farklılaştırır.
• Zincirler arası etkileşimlerin polimer özelliklerine etkisini açıklar.
• Biyobozunur polimerlerin çevresel değerini gerekçesiyle tartışır.

Ön Bilgi

Bu konuya başlamadan önce temel kavram ve ön koşulları kavramanız yardımcı olacaktır. Konunun çerçevesinde şu kavramlar dikkat ister:

• Katılma polimerleşmesinde yan ürün oluşmaz ve kütle kaybı yaşanmaz.
• Kondensasyon polimerleşmesinde su gibi küçük moleküller açığa çıkar.
• Polimerleşme derecesi, bir moleküldeki tekrarlayan birim sayısıdır.
• Doğrusal polimerler daha kolay erir, dallanmış olanlar daha az kristalleşir.
• Termoplastikler ısıtıldığında yumuşar, termosetler yumuşamaz.
• Çapraz bağ yoğunluğu arttıkça polimer sertleşir ve erime noktası yükselir.
• Biyobozunur polimerler mikroorganizmalar tarafından parçalanabilir.

Basit Örnek ve Günlük Yaşam

Günlük yaşamda ve mesleki bağlamda bir uygulama:

Soru: Etenin polimerleşmesi hangi türe girer, nedeni nedir?

1. Monomerin yapısı incelenir.
2. Bağ oluşumunda yan ürün çıkıp çıkmadığına bakılır.
3. Sonuçta uygun sınıfa yerleştirilir.

Sonuç/cevap: Etenin çift bağı açılıp birleştiği için tepkime katılma polimerleşmesidir; hiçbir yan ürün oluşmaz.

İleri Örnek

Daha ileri bir uygulama:

Soru: Çapraz bağ yoğunluğu artan bir polimerde hangi özellik değişir?

1. Çapraz bağların ne olduğu belirlenir.
2. Zincirler arası hareketlilik değerlendirilir.
3. Mekanik özellikler bu duruma bağlanır.

Sonuç/cevap: Çapraz bağ yoğunluğu arttıkça zincirlerin hareketi kısıtlanır; polimer sertleşir, erime noktası yükselir.

Adım Adım Çözülmüş Örnek

Örnek 1: Polimerleşme ayrımı konusunun adımları:

1. Monomerin yapısı incelenir.
2. Bağ oluşumunda yan ürün çıkıp çıkmadığına bakılır.
3. Sonuçta uygun sınıfa yerleştirilir.

Karşılaştırma Tablosu

Sık Yapılan Hatalar

Katılma ve kondensasyon polimerleşmesini ters adlandırmak: Katılma polimerleşmesinde yan ürün oluşmaz, kondensasyon polimerleşmesinde ise küçük moleküller ayrılır.

Polimerleşmede kütle kaybının her zaman olduğunu düşünmek: Katılma polimerleşmesinde çift bağlar açılır, hiçbir küçük molekül çıkmaz ve kütle korunur.

Termoset polimerlerin tekrar yumuşadığını sanmak: Termosetlerde çapraz bağlar ısıtıldıktan sonra kalıcıdır; molekül ağ yapısı bozulmaz.

Polimerleşme derecesini molekül kütlesiyle aynı saymak: Derecelendirme birim sayısıdır; mol kütlesinin monomer mol kütlesine bölümüyle bulunur.

Biyobozunur polimerlerin her ortamda ayrıştığını düşünmek: Biyobozunurluk, uygun koşulların sağlanmasına bağlıdır; parçalanma zaman ve ortam ister.

Özet

Polimerler, küçük moleküllü monomerlerin birbirine bağlanarak oluşturduğu uzun zincirli makromoleküllerdir. Bağlanma biçimine göre iki temel yol vardır. Katılma polimerleşmesinde monomerlerin çift bağları açılır ve yan ürün oluşmaz; kütle kaybı yaşanmaz. Kondensasyon polimerleşmesinde ise monomerler arasında küçük moleküller ayrılır; bu nedenle toplam kütle azalır. Polimerler, tekrarlayan birim ve derecelendirme kavramlarıyla tanımlanır. Derecelendirme, bir polimer molekülündeki tekrarlayan birim sayısıdır ve ortalama polimerleşme derecesi olarak belirtilir. Yapı bakımından doğrusal, dallanmış ve çapraz bağlı olmak üzere üç temel tip vardır. Isıya tepki bakımından polimerler termoplastik ya da termoset olarak sınıflandırılır. Termoplastikler ısıtıldığında yumuşar ve soğutulduğunda sertleşir; termosetler ise ısıtıldıktan sonra tekrar yumuşamaz. Polimerlerin mekanik dayanıklılığı zincirler arası etkileşimlere ve çapraz bağ yoğunluğuna bağlıdır. Biyobozunur polimerler, kaynakları tükenebilir maddelerden elde edildikleri ve mikroorganizmalar tarafından parçalanabildikleri için çevresel açıdan önemlidir.

Kendini Dene

Soru: Katılma ve kondensasyon polimerleşmelerini ürün, yan ürün ve yapı bakımından karşılaştırınız.

Örnek cevap: Puanlama anahtarı: Katılma polimerleşmesinde yan ürün bulunmadığının yazılması 3 puan; kondensasyonda su gibi küçük molekül ayrıldığının belirtilmesi 3 puan; örnek monomerlerin verilmesi 2 puan; kütle kaybı farkının açıklanması 2 puan. Toplam 10 puan.