¿Qué es un polímero?

Mira a tu alrededor en este momento. La pantalla en la que estás leyendo esto, la botella sobre tu escritorio, las suelas de tus zapatos, las fibras de tu ropa: lo más probable es que casi todo esté hecho de polímeros. También lo está la madera de un lápiz, el ADN dentro de tus células y el hule de una llanta. Los polímeros son una de las familias de materiales más importantes de la Tierra, tanto los que crea la naturaleza como los que fabricamos nosotros. Entonces, ¿qué es exactamente un polímero?

La forma más sencilla de imaginarlo es esta. Piensa en un collar de cuentas: ensartas una cuenta, luego otra idéntica, luego otra, y otra, hasta formar un collar largo hecho de la misma cuenta pequeña repetida miles —incluso millones— de veces. Un polímero es ese collar. Cada cuenta individual se llama monómero, y el collar largo que forman es el polímero.

Las palabras vienen directamente del griego y cuentan toda la historia:

• poli = muchos
• mero = unidad, o parte que se repite

Así que un polímero es, literalmente, “muchas unidades”: una cadena de unidades repetidas (los monómeros, de mono = uno) que se unen y se repiten hasta formar una sola molécula gigante, o macromolécula, que puede contener decenas de millones de monómeros. Pero antes de armar el collar, veamos de qué está hecha una sola cuenta. Y para eso, empezamos por las moléculas.

Empecemos por lo pequeño: moléculas y átomos

Una molécula es un grupo eléctricamente neutro de dos o más átomos unidos por enlaces químicos. (Esa neutralidad es precisamente lo que distingue a una molécula de un ion, que sí lleva carga eléctrica.)

Una manera útil de pensar en los enlaces es imaginar que cada átomo tiene cierto número de enlaces disponibles para unirse con otros átomos. Los tres átomos que aparecen con más frecuencia en los plásticos tienen un número muy específico de enlaces cada uno:

• Carbono (símbolo C) — 4 enlaces
• Hidrógeno (símbolo H) — 1 enlace
• Oxígeno (símbolo O) — 2 enlaces

Existen otros átomos menos comunes como el cloro (Cl), que es el ingrediente clave adicional en el PVC. Pero el carbono es la verdadera estrella, y en un momento veremos por qué: con cuatro enlaces, es el átomo perfecto para construir cadenas largas.

El carbono es posiblemente el átomo más importante en la formación de las resinas plásticas ya que forma lo que viene siendo la columna vertebral tomando 2 enlaces para unirse un carbón con otro y dejando 2 enlaces para unirse a otros átomos.

En el siguiente ejemplo podemos ver la molécula del etileno (CH2=CH2), estas moléculas al ser sometidas a presión y temperatura dentro de un reactor, se unirán formando el polímero de polietileno, a este proceso se le conoce como polimerización.

Una familia, muchas caras

“Polímero” no es un solo material: es una familia enorme con miembros muy distintos. Los grupos principales son:

• Plásticos — el polietileno de las bolsas del supermercado y los garrafones de leche, el polipropileno de los envases de yogur y las tapas de botella, el PVC de las tuberías.
• Hules — el material elástico de las llantas, las gomas de borrar y los trajes de buceo.
• Fibras — el nylon de las mochilas y el poliéster de la ropa.

Lo que hace que un polímero se comporte de manera tan distinta a otro se reduce a cuatro factores, y el collar permite imaginar cada uno con facilidad:

• el tipo de monómero (la cuenta del collar) que usas: cuentas de distinto color o forma dan un collar diferente, igual que monómeros distintos dan un polímero distinto;
• el número de monómeros o unidades repetidas: una hilera corta se comporta muy distinto a una con millones de cuentas;
• el tipo de conexión entre monómeros, la forma en que se unen las cuentas: flojas o apretadas, en línea recta o no;
• la ramificación de las cadenas

¿De dónde vienen los polímeros?

Los polímeros se construyen a partir de materias primas que provienen de distintas fuentes. Algunas son naturales: la celulosa (de la que están hechos la madera, el algodón y el papel), el etanol (mejor conocido como alcohol etílico), el hule natural, etc. Otras se extraen de recursos fósiles, que es donde comienza la mayoría de los plásticos comerciales.

Gas Natural y Carbón

El gas natural es uno de los puntos de partida. De él se obtiene el etileno, que se enlaza para formar polietileno, así como el metano, que se transforma en formaldehído, uno de los dos componentes de las resinas fenólicas (el otro es el fenol).

Petróleo

El petróleo es el grande. De él se extrae la nafta, probablemente la materia prima más importante para fabricar polímeros. El esquema de abajo muestra los muchos productos que se obtienen del petróleo, incluidos los puntos de partida de varios plásticos que reconocerías de la vida diaria.

Aquí es donde los cuatro enlaces del carbono dan fruto. El carbono forma la columna vertebral de la cadena: usa dos de sus enlaces para unir un carbono con el siguiente, y deja dos libres para unirse con otros átomos en el camino. Toma la molécula de etileno (CH₂=CH₂) de abajo. Sométela a la presión y temperatura adecuadas dentro de un reactor, y estas moléculas pequeñas se unen y se ensartan en cadenas largas de polietileno. Esa unión cuenta por cuenta es justamente lo que llamamos polimerización.

Antes de que algo de esto pueda ocurrir, la nafta debe descomponerse. Pasa por un proceso llamado craqueo (o cracking), que rompe sus moléculas grandes en los componentes más simples que se muestran en el esquema de arriba.

Cómo se construye la cadena: la polimerización

Una vez que tienes tus monómeros —tus cuentas individuales—, la polimerización es el paso en el que de verdad se unen para formar una cadena. Hay más de una manera de hacerlo, y el método que eligen los químicos determina cómo resulta el polímero final. Estos son los más comunes, empezando por la idea sencilla y entrando en más detalle conforme avanzamos.

Polimerización en cadena

Un monómero se “activa” y provoca que el vecino de junto se una, lo que activa al siguiente, y así sucesivamente a lo largo de la línea. Es rápida y construye cadenas muy largas y pesadas en poco tiempo. (Es la familia a la que pertenece el ejemplo del etileno y el polietileno de arriba.)

Polimerización por pasos

En lugar de que una cadena larga se arme de golpe, los monómeros se emparejan de dos en dos (dímeros), luego esos se unen en grupos de cuatro, después en piezas más largas, hasta llegar poco a poco a las cadenas completas. Los poliésteres, las poliamidas (nylon) y los poliuretanos se hacen de esta manera.

Polimerización interfacial

Un tipo especial de polimerización por pasos que ocurre justo en la frontera entre dos líquidos que no se mezclan: una solución acuosa que contiene uno de los monómeros y una solución orgánica (aceitosa) que contiene el otro. El producto clásico es el nylon: una diamina y un cloruro diácido se encuentran en la interfaz y reaccionan para formar la poliamida, con ácido clorhídrico como subproducto.

Polimerización en masa

Se da la agregar un iniciador o catalizador a un monómero en estado líquido. Este iniciador se disuelve en el monómero. La reacción se inicia al calentar o exponer a radiación. Conforme la reacción ocurre crecen las cadenas, la mezcla se torna más viscosa, la reacción es exotérmica y puede producir un amplio rango de masas moleculares (longitudes de cadena).

Polimerización en emulsión

Esta comienza con monómero, agua y un tensoactivo parecido al jabón, batidos en una emulsión: gotitas diminutas de monómero suspendidas en agua, muy parecido al aceite en un aderezo para ensalada. Es el caballo de batalla detrás de muchos materiales cotidianos, desde pinturas hasta hule sintético.

La siguiente parte explica el mecanismo paso a paso. Si solo quieres el panorama general, puedes saltar a la polimerización por suspensión; pero si quieres saber cómo funciona en realidad, sigue leyendo.

El nombre “polimerización en emulsión” es en realidad un poco engañoso, herencia de un malentendido de los inicios. La reacción no ocurre realmente dentro de las gotitas de la emulsión, sino en unas partículas diminutas de látex que se forman por sí solas en los primeros minutos. Cada partícula queda envuelta en tensoactivo (“jabón”), y la carga eléctrica de ese recubrimiento hace que las partículas se repelan entre sí para que no se aglomeren. (Cuando se usan polímeros solubles en agua en lugar de jabón, estos forman una “capa peluda” alrededor de cada partícula que cumple la misma función: juntar las partículas significaría aplastar esas cadenas.)

¿Cómo funciona?

• Se dispersa (emulsiona) un monómero en tensoactivo y agua, formando gotitas de monómero relativamente grandes en el agua.
• El exceso de tensoactivo forma unas estructuras diminutas llamadas micelas en el agua.
• Pequeñas cantidades de monómero se difunden a través del agua hacia esas micelas.
• Se agrega al agua un iniciador soluble, que reacciona con el monómero dentro de las micelas.
• Como las micelas tienen mucha más área superficial total que las gotitas, el iniciador casi siempre reacciona dentro de una micela y no en una gotita.
• El monómero de la micela polimeriza rápidamente y la cadena en crecimiento termina. En ese punto, la micela hinchada de monómero se ha convertido en una partícula de polímero.
• Más monómero se difunde desde las gotitas para alimentar la partícula en crecimiento, donde con el tiempo reaccionará más iniciador.
• Finalmente, las gotitas libres desaparecen y todo el monómero restante queda dentro de las partículas.
• Dependiendo del producto, se puede ir agregando más monómero e iniciador de forma lenta y continua para mantener el sistema abastecido a medida que las partículas crecen.

Muchos polímeros comercialmente importantes se fabrican así. Algunos se secan y se usan como sólidos; en otros casos, la propia dispersión líquida es el producto. Esa dispersión a menudo se llama látex (sobre todo si proviene de un hule sintético) o emulsión. Entre los polímeros que comúnmente se hacen por emulsión están:

• Hule estireno-butadieno (SBR) — algunos grados
• Polibutadieno
• Policloropreno (Neopreno — el material de los trajes de buceo)
• Hule nitrilo
• Hule acrílico
• Cloruro de polivinilo (PVC) — algunos grados
• Poliestireno — algunos grados
• Polimetilmetacrilato, o acrílico (PMMA) — algunos grados
• Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS)
• Fluoruro de polivinilideno (PVDF)
• Politetrafluoroetileno (PTFE o Teflón® — el recubrimiento antiadherente de las sartenes)
• Dispersiones acuosas de acetato de polivinilo, látex acrílico y materiales similares

Polimerización por suspensión

La agitación mecánica mantiene gotitas de monómero suspendidas en un líquido (normalmente agua), y a medida que cada gotita polimeriza se endurece formando una pequeña esfera. Se usa para fabricar varias resinas conocidas: PVC, estirénicos como el poliestireno, el poliestireno expandido (el unicel de los empaques), el poliestireno de alto impacto, el estireno-acrilonitrilo (SAN) y el polimetilmetacrilato (acrílico, el material transparente que a menudo se llama plexiglás).

Polimerización por condensación

En esta reacción, dos o más monómeros pequeños se unen y liberan un pequeño subproducto cada vez que se enlazan, muy a menudo una molécula de agua. Por eso se llama condensación. Entre los polímeros de condensación conocidos están los alquídicos, las resinas fenólicas (fenol-formaldehído), las poliamidas (nylon), los poliacetales (POM) y los poliésteres.

El resto de esta sección entra en la química de cómo se forman esos enlaces. Es la parte más técnica de la página: útil si estás estudiando o trabajando con estos materiales.

Una característica que los define: los polímeros de condensación pierden algunos átomos de los monómeros originales cuando ese subproducto se desprende. Los polímeros de adición (como el polietileno) no lo hacen: se forman a partir de monómeros insaturados que simplemente se abren y se unen sin que sobre nada.

Lo que obtienes al final depende de cuántos “ganchos” reactivos (grupos funcionales) tenga cada monómero. Un monómero con un solo grupo reactivo cierra una cadena y mantiene bajo el peso molecular. Dos extremos reactivos dan cadenas rectas y lineales. Más de dos, y las cadenas empiezan a entrelazarse en una red tridimensional y reticulada.

Una ruta común es la síntesis por deshidratación, que une monómeros que llevan un grupo –OH (hidroxilo) y un –H débilmente sujeto en sus extremos (como un hidrógeno del grupo –NH₂ del nylon o de las proteínas). Por lo general intervienen dos monómeros distintos; los enlaces se rompen de modo que el –OH y el –H se desprenden juntos en forma de agua, dejando atrás el polímero. El poliéster, por ejemplo, se forma mediante enlaces éster entre un grupo carboxilo y un grupo hidroxilo (un ácido orgánico y un alcohol). El nylon se forma al hacer reaccionar diaminas con derivados de carboxilo —un ácido dicarboxílico, o a veces un cloruro diácido— o al hacer reaccionar monómeros que llevan en la misma molécula un grupo amino y uno ácido.

Algo más que vale la pena saber: a diferencia de los polímeros de adición, los de condensación pueden ser biodegradables. Sus enlaces peptídicos o éster se pueden romper (hidrolizar) mediante ácidos o enzimas bacterianas, cortando la cadena larga en piezas más pequeñas. En general, los polímeros de condensación se forman más lentamente que los de adición, a menudo requieren calor y suelen tener pesos moleculares más bajos. Los monómeros se consumen al principio de la reacción, los extremos de las cadenas permanecen reactivos todo el tiempo y las piezas cortas se van combinando en cadenas más largas; alcanzar pesos moleculares realmente altos exige un índice de conversión muy alto, como lo describe la ecuación de Carothers.

Una idea, un mundo de materiales

Si dejamos a un lado la terminología, toda la historia se reduce a una idea sencilla repetida a una escala enorme: moléculas pequeñas que se enlazan en cadenas gigantes. Cambia con qué cuenta empiezas, cuántas ensartas y cómo las unes, y podrás diseñar un material suave o rígido, transparente u opaco, desechable o hecho para durar décadas. Esa idea única y flexible es la razón por la que los polímeros están en casi todo lo que te rodea, y entenderlos es el primer paso hacia uno de los campos más útiles de la ciencia y la industria modernas.