Yaygın polimerler

Bir gün boyunca dokunduğunuz şeyleri sayın: diş fırçasının sapı, su şişesi, alışveriş poşeti, ayakkabı tabanı, kazağınızın lifleri, telefonun kılıfı, yapışmaz tava, mutfaktaki su borusu. Bunların hepsi birbirinden farklı görünür; biri yumuşak, biri sert, biri şeffaf, biri esnek. Ama kimyacının gözünde ortak bir yapıları vardır: binlerce küçük molekülün bir zincir gibi uç uca eklenmesiyle oluşmuş dev moleküller. Kimyanın evdeki izlerini süren bu modül plastiklerle açılıyor: polimerin ne olduğunu, nasıl oluştuğunu, neden bazılarının ısıtınca yumuşadığını, bazılarının yumuşamadığını ve bu dayanıklılığın çevre için ne anlama geldiğini.

• Monomer ve polimer kavramlarını tanımlar, doğal ve sentetik polimerleri ayırt edersin.
• Katılma ve kondenzasyon polimerleşmesini örneklerle karşılaştırırsın.
• Yaygın sentetik polimerleri kullanım alanlarıyla eşleştirirsin.
• Termoplastik ile termoseti, polimerlerin çevresel sonuçlarını ve geri dönüşüm kodlarını açıklarsın.

Küçük parçalardan dev moleküller

Bir boncuk dizisini düşünün: tek tek boncuklar küçüktür, ama yüzlercesi bir ipe dizilince uzun bir kolye oluşur. Kimyada bu boncuklara monomer, uç uca bağlanarak oluşturdukları dev moleküle polimer denir. Monomerlerin birbirine bağlanma tepkimesine polimerleşme adı verilir. "Polimer" kelimesi "çok" ve "parça" anlamındaki Yunanca köklerden gelir. Bir polimer zinciri yüzlerce, hatta yüz binlerce monomer biriminden oluşabilir; bu yüzden mol kütleleri çok büyüktür.

Doğal ve sentetik polimerler

Polimerler yalnız fabrikada üretilmez. Bitkilerin hücre duvarındaki selüloz ve patateste, buğdayda bulunan nişasta, glikoz birimlerinden oluşan doğal polimerlerdir. Proteinler amino asitlerin, DNA nükleotitlerin oluşturduğu doğal polimerlerdir. Kauçuk ağacının özsuyundan elde edilen doğal kauçuk ve ipek de bu gruba girer. İnsanların laboratuvarda ve fabrikada ürettiği plastikler, naylon ve sentetik kauçuk ise sentetik polimerlerdir.

Katılma polimerleşmesi

Monomerinde karbon-karbon çift bağı bulunan moleküller, bu çift bağı açarak birbirine eklenebilir. Hiçbir atom kaybolmaz; monomerler olduğu gibi zincire katılır. Bu yola katılma polimerleşmesi denir. En basit örnek etilenden (CH₂=CH₂) elde edilen polietilendir. Aynı mantıkla farklı monomerlerden farklı polimerler elde edilir.

Katılmada atom kaybı olmadığı için zincirin kütlesi, ona katılan monomerlerin kütleleri toplamına eşittir.

Kondenzasyon polimerleşmesi

Bazı polimerlerde iki farklı monomer birleşirken her bağın oluşumunda su gibi küçük bir molekül ayrılır. Bu yola kondenzasyon (yoğuşma) polimerleşmesi denir. İçecek şişelerinin yapıldığı PET (polietilen tereftalat) ve çorap, ip, paraşüt kumaşında kullanılan naylon bu yolla üretilir. Doğal polimerlerden proteinler de amino asitler arasında su ayrılmasıyla oluşur.

Plastik neden bu kadar yaygın

Plastiklerin cam, metal ve ahşabın yerini bu kadar hızlı almasının birkaç nedeni vardır. Hafiftirler, bu yüzden taşınmaları ucuzdur. Isıtılınca kalıba dökülüp hemen her biçime sokulabilirler. Metaller gibi paslanmazlar, çoğu asit ve baza karşı dayanıklıdırlar. Elektriği iletmedikleri için kabloların kılıfında yalıtkan olarak kullanılırlar. Bu üstünlüklerin hepsi aynı kökten gelir: uzun, kararlı karbon zincirleri. Ne var ki bir plastiği bu kadar kullanışlı yapan dayanıklılık, atığa dönüştüğünde onu doğadan uzaklaştırmayı da zorlaştırır.

Doğal liften sentetik life

Giysilerimiz de polimerdir. Pamuk ve keten selülozdan, yün ve ipek proteinden oluşan doğal liflerdir. Naylon ve polyester ise sentetik liflerdir; polyester kumaşın büyük kısmı, içecek şişelerinde kullanılan PET ile aynı polimerden üretilir. Sentetik lifler genellikle daha dayanıklıdır ve daha az buruşur, ama doğal lifler kadar nem çekmez.

Zincirin yapısı özellikleri belirler

Aynı monomerden yapılmış polimerler bile çok farklı davranabilir. Zincirler düz ve sıkı dizilmişse malzeme daha yoğun ve serttir; çok dallanmışsa zincirler birbirine yaklaşamaz ve malzeme daha yumuşak, esnek olur. Yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) sert deterjan bidonlarında, düşük yoğunluklu polietilen (LDPE) ise ince poşetlerde kullanılır; fark zincirlerin dallanmasındadır. Zincir uzunluğu ve zincirler arasında kalıcı bağlar bulunup bulunmaması da sertliği, esnekliği ve ısıya dayanımı belirler.

Termoplastik ve termoset

Zincirleri arasında kalıcı bağ bulunmayan polimerler ısıtılınca yumuşar, kalıba dökülüp yeniden şekillendirilebilir; soğuyunca yeniden sertleşir. Bunlara termoplastik denir; polietilen, PVC ve PET bu gruptadır ve geri dönüşüme uygundur. Zincirleri birbirine çapraz bağlarla kalıcı olarak bağlanmış polimerler ise ısıtılınca yumuşamaz; çok yüksek sıcaklıkta erimek yerine bozunur. Bunlara termoset denir. Elektrik prizleri ve anahtarları, ısınınca şeklini ve yalıtkanlığını koruması gerektiği için termoset malzemeden yapılır.

Kauçuk ve vulkanizasyon

Doğal kauçuk sıcakta yapışkanlaşır, soğukta sertleşip çatlar. Kauçuk kükürtle birlikte ısıtıldığında zincirler arasında kükürt köprüleri oluşur. Bu işleme vulkanizasyon denir. Çapraz bağlar zincirlerin birbirinden kaymasını sınırlar; vulkanize kauçuk daha dayanıklı ve esnektir. Taşıt lastikleri bu yolla üretilir. Kükürt oranı artırıldıkça çapraz bağ sayısı da artar ve kauçuk sertleşir; çok yüksek oranda kükürtle işlenen kauçuk, ebonit denen sert ve koyu renkli bir malzemeye dönüşür.

Geri dönüşüm ve çevre

Plastik ambalajların altındaki üçgen içindeki numara, plastiğin türünü gösterir: 1 PET, 2 HDPE, 3 PVC, 4 LDPE, 5 PP, 6 PS, 7 diğer plastikler. Plastiklerin türüne göre ayrı toplanması gerekir; farklı polimerler farklı sıcaklıklarda erir ve birbirine karışınca geri dönüşen malzeme zayıf olur. Sentetik polimerlerin çoğunu doğadaki mikroorganizmalar parçalayamaz; atıklar uzun yıllar bozulmadan kalır, zamanla küçük parçalara, yani mikroplastiklere ayrılarak toprakta ve denizde birikir. Bu sorunu azaltmak için uygun koşullarda mikroorganizmalarca parçalanabilen biyobozunur polimerler geliştirilmiştir; mısır nişastası gibi bitkisel kaynaklardan üretilen polilaktik asit bunlardan biridir.

Plastikler kimyanın evdeki en görünür ürünüdür, ama tek ürünü değildir. Sıradaki ders sabun ve deterjanları ele alıyor: suyun tek başına çıkaramadığı yağlı kiri hangi moleküllerin, nasıl çıkardığını.

Örnek 1 — Monomer bulma

Soru: Su ve atık borularında yaygın kullanılan PVC hangi monomerden elde edilir?

• A) Etilen
• B) Stiren
• C) Propilen
• D) Vinil klorür
• E) Tetrafloroetilen

Çözüm: Polivinil klorür, vinil klorür moleküllerinin çift bağlarını açarak birleşmesiyle oluşur. Cevap: D.

Örnek 2 — Polimerleşme türü

Soru: Bir polimerleşmede her yeni bağ oluşurken bir su molekülü ayrılıyor. Bu polimerleşme türü ve örneği hangisidir?

• A) Katılma; polietilen
• B) Kondenzasyon; naylon
• C) Katılma; teflon
• D) Kondenzasyon; polistiren
• E) Katılma; PVC

Çözüm: Küçük molekül ayrılması kondenzasyonun işaretidir; naylon bu yolla üretilir. Cevap: B.

Örnek 3 — Isıya davranış

Soru: Bir elektrik prizinin plastik gövdesi için hangi polimer türü uygundur?

• A) Isıtılınca yumuşamayan, çapraz bağlı bir termoset
• B) Isıtılınca kolayca eriyen bir termoplastik
• C) Suda çözünen bir polimer
• D) Biyobozunur bir polimer
• E) Doğal kauçuk

Çözüm: Priz ısındığında şeklini ve yalıtkanlığını korumalıdır. Cevap: A.

Örnek 4 — Geri dönüşüm kodu

Soru: Üzerinde üçgen içinde 1 numarası bulunan bir su şişesi hangi plastikten yapılmıştır?

• A) PVC
• B) Polipropilen
• C) Polistiren
• D) Yüksek yoğunluklu polietilen
• E) PET

Çözüm: 1 numaralı kod polietilen tereftalatı gösterir. Cevap: E.

• Polimerleri yalnız plastik sanmak. Selüloz, nişasta, protein ve DNA da polimerdir.
• Katılma ile kondenzasyonu karıştırmak. Kondenzasyonda küçük bir molekül ayrılır, katılmada ayrılmaz.
• Her plastiğin ısıtılınca eridiğini sanmak. Termosetler erimez, bozunur.
• Aynı monomerden yapılan polimerleri aynı sanmak. Dallanma ve çapraz bağ özellikleri değiştirir.
• Plastiklerin doğada kısa sürede kaybolduğunu düşünmek. Çoğu yıllarca bozulmadan kalır.