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Ficha temática

Polímeros orgánicos e inorgánicos sintéticos y naturales

Los polímeros son compuestos químicos muy importantes. Existen polímeros naturales y polímeros sintéticos, te invitamos a conocerlos en el siguiente recurso. Contiene ilustraciones.

Polímeros orgánicos e inorgánicos sintéticos y naturales

Los polímeros son compuestos químicos muy importantes. Existen polímeros naturales y polímeros sintéticos, pero ambos están basados en el mismo principio: son macromoléculas que se forman a partir de moléculas más pequeñas denominadas monómeros. En muchos casos una molécula de un polímero está compuesta de miles de moléculas de monómeros.

Los monómeros son los pequeños eslabones de los cuales están formados los polímeros. La polimerización, en tanto, consiste en el proceso por el cual los monómeros dan origen a los polímeros.

Polímeros naturales

El almidón es un polímero, donde el monómero es la glucosa. El algodón está hecho de celulosa, que también es un polímero de la glucosa, y la madera está compuesta en gran proporción de celulosa. Las proteínas son polímeros donde el monómero son los aminoácidos. La lana y la seda son dos de las miles de proteínas que existen en la naturaleza.

Los seres vivos no podrían existir sin polímeros: toda planta y animal requiere de ellos. Entre los polímeros naturales más importante están los ácidos nucleícos, que contienen la información genética codificadora que hace que cada individuo sea único.

Caucho natural

El caucho natural, es el poli-cis-isopreno, que se extrae del árbol  Hevea brasiliensises, es un polímero elástico y semisólido, y posee la siguiente estructura

Ilustración de moléculas que forman el polímero caucho

Ilustración de una molécula de isopreno

donde el monómero es el isopreno, el 2-metil-1,3-butadieno. El isopreno es un líquido volátil.

Proteínas

Las proteínas funcionan como material estructural en los animales, tal como lo es la celulosa en las plantas. Todas las proteínas contienen los elementos carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, y casi todas ellas contienen azufre.

Las proteínas son copolímeros (polímero que contiene dos o más monómeros distintos ), de cerca de 20 aminoácidos diferentes. Los aminoácidos tienen dos grupos funcionales. El grupo amino (-NH2) está unido a un carbono que es vecino del grupo carboxilo (-COOH).

Esquema molecular de una proteina

Ilustración de una proteina

Estas figuras muestran la fórmula estructural. El modelo es de un segmento de una molécula de proteína.

En la fórmula estructural destacan las cadenas laterales de hidrocarburos, una cadena lateral básica y una cadena lateral ácida, además de otra cadena lateral que contiene azufre.

Los aminoácidos tienen un grupo ácido y uno básico. En solución acuosa, el ión hidrógeno del ácido carboxílico es transferido al grupo básico que es el amino: el producto resultante es una molécula polar.

Esquema molecular de un aminoácido

Las proteínas son poliamidas. El enlace amida (-CONH-) entre un aminoácido y otro aminoácido se denomina enlace peptídico. Se puede observar que sigue existiendo un grupo amino reactivo a la izquierda y un grupo carboxilo a la derecha.

Cuando se unen dos aminoácidos, el producto es un dipéptido.

Esquema molecular de Glicilfenilalanina

Glicilfenilalanina

Cuando se combinan tres aminoácidos, se forma un tripéptido.

Esquema molecular de Serilalanilcisteína

Serilalanilcisteína

Cada uno de los terminales puede seguir reaccionando para unir más unidades de aminoácidos.  

Esquema molecular de varios aminiácidos unidos, formando un polipéptido

El extremo de la molécula de proteína que tiene un grupo carboxilo libre se denomina terminal C. El extremo que tiene un grupo amino libre se denomina N.

Una molécula con más de diez unidades de aminoácidos se llama polipéptido. Cuando la masa molar de un polipéptido es mayor de 10000, se denomina proteína. La distinción entre los polipéptidos y las proteínas es arbitraria, y no siempre se aplica.

Ácidos nucleícos

Los ácidos nucleícos son polímeros de masa molar elevada cuya función es esencial en la síntesis de proteínas. Los ácidos nucleícos más comunes son: ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN).Ambos están formados  por  nucleótidos (monómeros) cuyos  componentes  fundamentales son: Un grupo fosfato, una pentosa o azúcar de 5 átomos de carbono y una base nitrogenada.

Características generales del ADN y el ARN

 

ADN.

ARN.

Grupo fosfato

Ácido fosfórico

Ácido fosfórico

Azúcar

Desoxirribosa

Ribosa

 

Bases nitrogenadas

Adenina  A

Guanina  G

Citosina  C

Timina    T

Adenina  A

Guanina  G

Citosina  C

Uracilo    U

 

Estructura

 

Doble cadena

Una sola cadena

 

Ubicación

 

Presente en el núcleo

Presente en el núcleo y citoplasma

Función

Controlan síntesis de proteínas.

(Material hereditario).

Controlan síntesis de proteínas.

 

 

Nucleótidos

nucleotidos

Si observas la estructura de los nucleótidos que aparecen en la figura de arriba, te darás cuenta de que existen dos  tipos de bases nitrogenadas: Aquellas  que tienen dos anillos en su estructura (un hexágono y un pentágono) y las que tienen solo un anillo (un hexágono). Las bases que presentan dos anillos se denominan purinas (adenina y guanina), y las que presentan solo un anillo se denominan pirimidinas (timina, citosina y uracilo).

Estructura cadenas de ADN

cadena ADN

En la molécula de ADN se establecen duplas de bases nitrogenadas complementarias, unidas mediante puentes de hidrógeno. Una hebra de ADN se une a otra hebra de ADN a través de sus bases nitrogenadas, siguiendo la siguiente regla: Una base purica se une con una base pirimidina, es decir, la adenina se une con la timina y  la guanina lo hace con la citosina. Por lo tanto cada secuencia de nucleótidos tiene una secuencia complementaria. El eje de cada hebra de ADN consiste en partes alternadas de azúcar (Desoxirribosa) y un grupo fosfato (acido fosfórico).

ADN

En el proceso de duplicación del material genético, la doble hélice del ADN se abre y sobre cada una de estas hebras comienza a sintetizarse la cadena complementaria: frente a cada adenina- citosina- timina-guanina debe ubicarse una timina-guanina-adenina-citosina, respectivamente. De esta manera, la estructura del ADN  hace posible su reparación y replicación con constancia casi perfecta.
El ADN dirige la síntesis del ARN, luego el ARN dirige la síntesis de proteínas y finalmente, una serie de proteínas específicas catalizan la síntesis tanto del ADN como del ARN.
Al flujo de la información desde el ADN hacia  el ARN y finalmente a proteínas se le ha denominado dogma central de la biología molecular.

                ADN  →  ARN   →   proteínas

Así, el mensaje finalmente es traducido en un conjunto de proteínas que se expresaran materialmente en tu naturaleza, tanto físicamente y en cierta medida, psicológicamente.

Polímeros sintéticos

Durante la Segunda Guerra Mundial, Japón cortó el suministro de caucho natural proveniente de Malasia e Indonesia a los aliados. La búsqueda de un sustituto dio como origen al caucho sintético, y con ello surgió la industria del plástico.

El caucho natural es un polímero del isopreno. El polibutadieno, un elastómero sintético, se fabrica a partir del monómero butadieno, que no posee un metil en el carbono número dos, siendo esta la diferencia con el isopreno.

CH2 = CH – CH = CH2

1,3-butadieno

n CH2 =  CH – CH = CH2   →  + CH2 – CH = CH – CH2 +

El polibutadieno tiene regular resistencia a la tensión y muy poca frente a la gasolina y a los aceites. Estas propiedades limitan las posibilidades de fabricar con ellos los neumáticos.

El policloropreno  o neopreno, se fabrica a partir del 2-cloro-1,3-butadieno.  El neopreno presenta mejor resistencia a la gasolina y los aceites y se utiliza en la fabricación  de mangueras  para gasolinas  y otros  artículos  usados  en las estaciones de servicio.

Policloropreno

Policloropreno o neopreno

El caucho estireno-butadieno (SBR) es un copolímero que contiene un 25% de estireno y un 75% de butadieno. Un segmento de este copolímero es el siguiente:

copolimero

Este polímero sintético es más resistente a la oxidación y a la abrasión que el caucho natural, pero sus propiedades mecánicas no son tan óptimas. Al igual que el caucho natural, el caucho estireno-butadieno  contiene dobles enlaces capaces de formar enlaces cruzados por vulcanización.  Este material se usa, entre otras cosas, para la fabricación de neumáticos.

Se ha logrado  sintetizar el poliisopreno,  una sustancia  idéntica en todos los sentidos al caucho natural, solo que no se extrae del árbol del caucho.

Vulcanización

Las moléculas de cadena larga que constituyen el caucho se pueden enroscar, torcer  y entrelazar  unas  con otras.  El caucho  natural  es suave  y pegajoso cuando está caliente, pero se puede endurecer cuando reacciona con azufre. Este proceso se denomina vulcanización, y en él se forman enlaces cruzados entre las cadenas  de hidrocarburos  por medio de los átomos  de azufre.  El descubridor de la vulcanización fue C. Goodyear. La estructura tridimensional con enlaces cruzados hace del caucho vulcanizado una sustancia más dura y resistente, ideal para la confección de neumáticos. La estructura cruzada sorprendentemente mejora la elasticidad del caucho.

caucho

El  caucho  vulcanizado  tiene  cadenas  de  hidrocarburo  unidas  por  enlaces cruzados de átomos de azufre. El subíndice x indica un número no definido de átomos de azufre.

Polimerización por adición

La polimerización por adición se forman por la unión sucesiva de monómeros, que tienen uno o más enlaces dobles, los monómeros se adicionan unos con otros, de tal manera que el producto  polimérico  contiene todos los átomos de los monómeros iniciales.

Ejemplos:
1. La polimerización del etileno para formar  el  polietileno;  tal  como  se  observa,  se  mantiene  en el polímero  el número de átomos de los monómeros.

polimerización

Representación del polietileno mediante barras y bolas

polietileno

Representación del polietileno mediante semiesferas

.... CH2 = CH2   +  CH2 = CH2   +  CH2 = CH2   + ….  →  - [CH2 – CH2 – CH2 – CH2 ] n -

Los puntos suspensivos en los reactantes y los guiones en el producto indican que el número de monómeros se puede extender por ambos extremos.

Las representaciones  anteriores del polímero son muy cortas y no señalan la verdadera extensión del polímero.

Las moléculas reales de polietileno tienen un número variable de átomos de carbono, desde unos pocos cientos de átomos de carbono hasta varios miles de ellos.

Los polímeros hechos de un solo tipo de monómeros, como el polietileno se denomina homopolímeros.

2. La polimerización de cloruro de vinilo (cloroeteno) para obtener el PVC o cloruro de polivinilo.

cloruro de vinilo

Este polímero es tan rígido que se utiliza en tuberías, rieles, canaletas, loseta para pisos, etc.

Polimerización por condensación
               
Este tipo de polímeros se condensan como resultado de la eliminación de una molécula pequeña, generalmente agua, cada vez que se une un nuevo monómero. Los polímeros de condensación están formados por dos o más tipos de monómeros y se preparan a partir de monómeros que contienen dos o más grupos funcionales,  los más utilizados para estos fines son los ácidos carboxílicos, los grupos aminos y alcoholes.

Ejemplo

El nylon es unos de los polímeros más comunes usados como fibra. Encontramos nylon en nuestra ropa, pero también en otros lugares, en forma de termoplástico, se produce por la reacción entre una amina y un ácido carboxílico.

ejemplo

El dímero (dos monómeros) que se forma en esta reacción, puede seguir reaccionando, a su vez, con otras moléculas por ambos extremos, alargando así indefinidamente la cadena que constituirá el polímero. Este tipo de unión es la que emplean los aminoácidos para formar las proteínas.
Los nylons también se llaman poliamidas, debido a los característicos grupos amida en la cadena principal. Las proteínas, tales como la seda a la cual el nylon reemplazó, también son poliamidas. Estos grupos amida son muy polares y pueden unirse entre sí mediante enlaces por puente de hidrógeno. Debido a ésto y a que la cadena de nylon es tan regular y simétrica, los nylons son a menudo cristalinos, y forman excelentes fibras.

 

POLÍMEROS ORGÁNICOS E INORGÁNICOS SINTÉTICOS Y NATURALES

 

 

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Polímeros orgánicos e inorgánicos sintéticos y naturales

Esta ficha tiene como objetivo que los estudiantes comprendan que la gran variedad de compuestos de carbono pueden estar formados por muy pocos elementos o miles de moléculas, las cuales unidas forman los polímeros. Además, se espera que los alumnos reconozcan que gracias al estudio de las estructuras de los polímeros naturales, como el algodón y la celulosa, se ha logrado producir una infinidad de nuevos polímeros con importantes aplicaciones en el mundo de hoy.

Se sugiere explicar a los estudiantes las siguientes ideas:

˗ Un polímero es un compuesto molecular que se distingue por tener una masa molar grande, que abarca desde miles a millones de gramos, y por estar formado por muchas unidades repetidas que se conocen como monómeros.

˗ Existen polímeros naturales como el algodón, la madera, y en el ser vivo están los polisacáridos, las proteínas, los ácidos nucleicos, etc., y muchos de los polímeros que utilizamos están hechos de polímeros sintéticos, es decir macromoléculas creadas artificialmente como los envases de bebida desechables, el teclado de la computadora, las bolsas de compras, etc.

˗ Desde un punto de vista químico, algunos polímeros naturales y artificiales se sintetizan de manera similar, por ejemplo, los polisacáridos se originan a través de mecanismos de condensación, al igual que una serie de productos de origen sintético como las fibras, plásticos y tejidos.

˗ Los polímeros sintéticos presentan innumerables beneficios para los seres humanos, sin embargo, la gran cantidad de desechos que se generan y almacenan producto de su síntesis provocan serios problemas medioambientales. Esto último se debe a la gran durabilidad y resistencia que presentan los plásticos frente a la acción de agentes ambientales; a diferencia de los polímeros naturales que son degradados por la acción de algunos agentes biológicos.

Pida a los estudiantes que respondan la actividad de esta ficha en forma individual y, luego, en un plenario, discutan en torno a ellas. Procure que una vez que hayan respondido las preguntas, comparen sus respuestas con las de sus demás compañeros y compañeras, a modo de aclarar las dudas y corregir errores.

 

Es importante que comprendan que la estructura de un polímero condiciona sus propiedades; por ejemplo, un polímero con estructura lineal cuyas cadenas están unidas mediante fuerzas débiles será un material blando y moldeable.

Un polímero con cadenas lineales con fuertes interacciones entre sus cadenas será un material duro y resistente.

Recuérdeles que el doble enlace les confiere rigidez a los polímeros, a diferencia del enlace simple.

Invítelos a responder la actividad de la ficha en forma individual, y después, en un plenario, permítales contrastar y comparar sus respuestas.

Analicen cómo se forman los polímeros y las reacciones de polimerización. El proceso por el que se unen los monómeros para formar estas gigantescas moléculas se llama reacción de polimerización y puede llevarse a cabo por adición y por condensación.

En la polimerización por adición, el iniciador es un ion y son procesos que constan de tres etapas: iniciación, propagación y terminación.

Se diferencian en que en la polimerización catiónica el iniciador es un catión, y en la aniónica, un anión.

Sería conveniente aclararles a sus estudiantes los conceptos de polimerización radicalaria y ruptura homolítica. Explíqueles que, a diferencia de la ruptura homolítica, en la que se forma un radical libre, donde cada átomo se queda con un electrón proveniente del enlace covalente, existe también la ruptura heterolítica, en la que se origina un carbocatión o un carbanión. En este caso, el enlace se rompe de manera desigual, uno de los dos átomos de carbono se queda con el par de electrones que formaba el enlace covalente.

Explíqueles además el mecanismo de la polimerización por condensación, que estos se sintetizan como resultado de la eliminación de una molécula pequeña, generalmente agua, cada vez que se une un nuevo monómero. Los polímeros de condensación están formados por dos o más tipos de monómeros y se preparan a partir de monómeros que contienen dos o más grupos funcionales. Los grupos ácido carboxílico, amino y alcohol son las funciones más utilizadas en estos fines. Por ejemplo, el nylon, usado en la confección de prendas de vestir, se produce por la reacción entre un ácido carboxílico y una amina.Para este tema se sugiere utilizar la Información complementaria que se señala en la ficha como recurso.

Es importante que reconozcan que los polímeros naturales han estado siempre en la naturaleza y a partir de sus estructuras se han sintetizado nuevos polímeros. Explíqueles la importancia que tiene la naturaleza como fuente de inspiración para los investigadores.

Explíqueles que el polímero de mayor densidad es aquel que está formado por cadenas lineales que pueden apilarse en forma regular; es decir, una mayor cantidad de moléculas se ordenan en un menor volumen, de ahí que se hable de mayor densidad.

Los conceptos con los que deben estar claro los estudiantes son con: la estructura de las cadena de los polímeros, ramificados, sintéticos, naturales, copolímeros y homopolímeros.

Un copolímero, es un polímero que contiene dos o más monómeros distintos como el estireno y el butadieno. Un ejemplo es la goma de mascar contiene caucho sintético de estireno-butadieno.

Los polímeros hechos de un solo tipo de monómeros, como el polipropileno se denomina homopolímeros.

Se sugiere comentar y discutir con sus estudiantes sobre las propiedades del caucho natural y del sintético. Profundice sobre el grado de entrecruzamiento que experimenta el caucho en relación con sus propiedades.

Explíqueles que el caucho vulcanizado es ampliamente utilizado en la fabricación de neumáticos, artículos impermeables y aislantes, por sus excelentes propiedades de elasticidad y resistencia frente a los ácidos y sustancias alcalinas. Es repelente al agua, aislante térmico y eléctrico.

Al caucho natural se le agrega azufre, obteniéndose de este modo el caucho vulcanizado.

Invite a los estudiantes a comparar las propiedades del caucho natural y del vulcanizado, y reconocer el proceso de polimerización del isopreno.

Es recomendable indicar que los polímeros, cuyas cadenas están formadas por uniones intermoleculares débiles (Van der Waals), pueden calentarse, moldearse y recalentarse para originar otros objetos. Estos polímeros reciben el nombre de termoplásticos. El polietileno es un ejemplo. En tanto, los polímeros cuyas cadenas están formadas por uniones intermoleculares fuertes (enlaces covalentes), una vez que estas se han entrecruzado, aunque se les aplique calor no pueden volver a cambiar su forma. Reciben el nombre de polímeros termoestables; un ejemplo es la melamina.

Para complementar este tema, puede mostrar el recurso que presenta esta ficha que trata sobre las características de la estructura de los polímeros. Ofrece ejemplos de polímeros naturales y polímeros sintéticos. Da cuenta del proceso de polimerización. Informa sobre las distintas categorías de plásticos (termoplásticos y termoestables). Presenta las características de la estructura de las proteínas y del proceso de vulcanización. Entrega numerosas imágenes y esquemas como apoyo.

A fin de reforzar el contenido entregado, proponga que indiquen las diferencias entre el ADN y el ARN: el azúcar del ADN es la desoxirribosa y el del ARN es la ribosa; el ADN es una doble hebra y el ARN una simple hebra; difieren en una base nitrogenada, timina (ADN) y uracilo (ARN).

Los carbohidratos también denominados glúcidos o hidratos de carbono, están formados por carbono, hidrógeno y oxígeno. La glucosa, cuya fórmula molecular es C6H12O6, fue el primer carbohidrato obtenido de manera pura.

Según el número de monómeros, los carbohidratos se clasifican en:

Monosacáridos: tienen una sola unidad monomérica, como la glucosa y la fructosa.

Disacáridos: tienen dos unidades, como la maltosa.

Polisacáridos: tienen cientos y miles de unidades, como el almidón, el glucógeno y la celulosa.

La ficha presenta un recurso en PowerPoint sobre la estructura y funciones de los carbohidratos, en especial los disacáridos.

Para trabajar esta sección invítelos a reunirse en parejas y a responder las preguntas de la actividad en sus cuadernos.

Al finalizar el estudio de la ficha temática permítales, en un plenario, discutir y comparar sus respuestas con las de sus demás compañeros y compañeras, y de este modo poder aclarar errores y dudas en torno a los contenidos.

Información

Técnica

Descripción BreveLos polímeros son compuestos químicos muy importantes. Existen polímeros naturales y polímeros sintéticos, te invitamos a conocerlos en el siguiente recurso. Contiene ilustraciones.
Temas relacionados

>>Presentación: polímeros y macromoléculas

>>Presentación: disacáridos

>>Presentación: polímeros sintéticos y naturales

IdiomaEspañol (ES)
Autoreducarchile
Fuenteeducarchile
Clasificación Curricular
NivelSectorUnidad o eje
4° medioQuímicaPolímeros sintéticos y naturales

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