ממולקולות קטנות למולקולות ענקיות - פולימרים

1. ממולקולות קטנותלמולקולות ענקיות - פולימרים

2. מולקולות קטנות – מה למדנו עד היום? בשנה שעברה הכרנו מערכות של חומר רך המורכבות בעיקר ממולקולות קטנות. חומר מגלה תכונות של חומר רך כאשר: תכונותיו משתנות עם שינוי קל של התנאים שבו הוא נמצא – ראינו איך תערובת עוברת הפרדת פאזות בשינוי קל של הטמפרטורה. יש בו סדר בטווח הקצר ובלגן בטווח הארוך – ראינו שמולקולות חפ"ש נוטות להתארגנות עצמית ומסתדרות בממשק.

3. זוכרים מה זה חפש"ים? ראש הידרופילי חומרים פעילי שטח - המבנה הכימי שלהם כולל: • זנב הידרופובי שעשוי משרשרת פחמימנית • ראש הידרופילי שהוא לרוב יון טעון במטען שלילי. בגלל המבנה ה"דו-פרצופי" של המולקולות נתנו להם את השם אמפי-פיליות (amphiphlies) שמשמעותו "אוהבי-שניים". ובשל התכונה ה"דו-פרצופית" שלהם הם נוטים להתמקם בפני שטח של חומרים. לכן הם נקראים חפש"ים. זנב הידרופובי

4. ראינו שחומרים המכילים חפ"ש מתנהגים כחומר רך זוכרים מה מאפיין חומר רך? סדר בטווח הקצר ובלגן בטווח הארוך: ההתארגנות העצמית של מולקולות החפ"ש בממשק הדו-ממדי – סדר בטווח קצר! לממשק יש עקמומיות ומבנה אקראי – מבולגן בטווח ארוך! מבנה דו-שכבתי (לָמֶלָה) bilayer מבנה דמוי ספוג שלחופית vesicle האם רק מולקולות קטנות יכולות לשמש כחפש"ים?

5. נסתכל על מספר חומרים רכים - חלבון החלב - אקריליק - קולגן - חלבון הביצה • חלב • צבעים • קוסמטיקה • מיונז מה משותף לכל החומרים הרכים האלה? הם מכילים פולימרים בתפקיד חפ"שים המייצבים תרחיפים – מערכות מורכבות השייכות למשפחת החומרים הרכים

6. מהו פולימר? ברצליוס טבע את השם "פולימר" בשנת 1847 כאשר הצליח לראשונה להפיק פוליאסטר מגליצרול וחומצת יין, פולי=הרבה מר=יחידות - שרשרת ארוכה של יחידות חוזרות. פולימר בנוי משרשרות – כל מולקולה היא שרשרת אחת המורכבת מאלפי יחידות חוזרות (מונומרים) המחוברות ביניהן בקשר יציב. החומר הפולימרי עצמו מורכב מכמות עצומה של מולקולות פולימר. פולימרים נקראים גם מאקרו-מולקולות או מולקולות ענק.

7. מה התכונות של פולימר? קשרים קוולנטיים • הפולימר בנוי משרשרות של מונומרים המחוברים ביניהם בקשר כימי קוולנטי. • מהו קשר כימי קוולנטי? • זוהי אינטראקציה מאוד חזקה בין שני אטומים שמשתפים ביניהם את האלקטרונים שלהם. • לקשר כימי כזה יש כוון במרחב והוא גם קצר באורכו. • האם קשר קוולנטי יכול להתנתק בטמפרטורת החדר? • האנרגיה התרמית של מערכת בה הפולימר נמצא פרופורציונית ל- kBT אנרגיה זו, בתנאי חדר, מספיקה לניתוק האינטראקציות הבינמולקולריות שדיברנו עליהן בעבר. • לעומת זאת, אנרגיה של קשר קוולנטי היא בערך פי 100-200מהאנרגיה התרמית בטמפרטורת החדר – כך שיש סיכוי קטן מאוד שקשר כימי יישבר. • קשר כימי קוולנטי לא ניתק בחימום רגיל (הקשרים עמידים עד טמפרטורה של 300C בערך).

8. האם פולימר הוא חומר רך? האם פולימר מקיים את התכונות של חומר רך שהכרנו? בואו ניזכר מהן. תכונותיו משתנות עם שינוי קל של התנאים שבו הוא נמצא – הוספת כמות זעירה של פולימר למים משנה את הצמיגות באופן דרמטי. יש בו סדר בטווח הקצר ובלגן בטווח הארוך – הסדר בטווח הקצר נובע מכך שהמונומרים של הפולימר חייבים להשאר קשורים בגלל הקשר הקוולנטי – הפולימר הוא כמו חוט חד-מימדי. אבל הפולימר מבולגן בטווח הארוך – שרשרת הפולימר נמצאת במרחב תלת-מימדי. היא יכולה להיות בעלת מגוון רב של תצורות (קונפורמציות) מתוחה או מקופלת.

9. תצורות של פולימר (קונפורמציות) פולימר הוא יצור חד-ממדי (לינארי) בעולם תלת ממדי לשרשרת אחת של פולימר יכולות להיות הרבה תצורות מרחביות.

10. פולימר כחפ"ש פולימר הבנוי משני סוגים של מונומרים נקרא: קו-פולימר אם שני הסוגים מופרדים לשני אזורים שונים, קוראים לו: בלוקופולימר בלוקופולימר מתנהג כחפ"ש כי גם הוא "דו-פרצופי": החלק ההידרופילי – נמס טוב במים החלק ההידרופובי – נמס טוב בשמן מונומרים "הידרופיליים" מונומרים "הידרופוביים" איך בלוק-קופולימר יסתדר בממשק? מים שמן

11. מדוע פולימר כל כך שימושי כחפ"ש? פולימר מורכב ממולקולות ענק, ולכן: • המולקולות אינן מתנדפות – למעשה, אין מולקולות של פולימר במצב גזי. ולכן, החומר אינו משנה את הרכבו. • השרשרות עמידות יותר ממולקולות קטנות – בגלל אורכן, פירוק מקומי לא פוגע בתיפקודן באופן משמעותי. יתרונות אלה גורמים לכך שמעדיפים להשתמש במולקולות ענק על-פני מולקולות קטנות בייצוב מוצרי קוסמטיקה, צבעים, דבקים ותרופות.

12. עידן הפולימרים מעצם המבנה השרשרתי של פולימר הוא יוצר מגוון עצום של חומרים בעלי תכונות שונות ומגוונות. יש החושבים שניתן לכנות את העידן שלנו עידן הפולימרים למה? אם נסתכל סביבנו נראה שרוב החפצים מכילים פולימרים. עידן הפולימרים למעשה החל כאשר התחילו לייצר פולימרים באופן סינטטי. נסקור את סוגי הפולימרים השונים

13. פולימרים סינתטיים - מעשה ידי אדם בני אדם למדו לייצר פולימרים מפחמימנים. החומר שאנו קוראים לו פלסטיק, עשוי מפולימר. אילו עוד חומרים עשויים מפולימרים סינתטיים? • בתמיסה – בריכוזים שונים נערכים בתצורות שונות, יוצרים תרחיפים ונוזלים צמיגים כמו מרכך שיער. • יכולים להיות מאוד קשיחים – כאשר יש ביניהם קשרי צילוב. • יכולים לשמש כדבקים • יכולים להתנהג כקפיצים – גומיות • יכולים ליצור ג'לים – לספוח כמויות עצומות של מים (בטיטולים). שקית ניילון בעצם לא עשויה מניילון אלא מפוליאתילן – רצוי לקרוא לה שקית פלסטיק כמו באנגלית

14. פולימרים ביולוגיים • DNA • בנוי מ-4 מונומרים שונים הנקראים נוקלאוטידים ויוצרים שלד שרשרתי של סליל כפול. • בטווח הקצר – מסודר, בעל מבנה של מוט קשיח • בטווח ארוך – לא מסודר, פולימר מפותל אקראית

15. פולימרים ביולוגיים (המשך) אזורים סליליים • חלבונים • מורכבים מ-20 סוגים של מונומרים הנקראים חומצות אמיניות. • בעלי מבנה אופייני (native) המכתיב את התפקוד שלהם – יש אזורים בחלבון המסודרים בצורת סלילים (הליקס), אזורים אחרים בצורת משטחים ויש גם אזורים שאינם מסודרים כלל – אקראיים. • כאשר מחממים חלבון, משתנה המבנה האופייני (כל האזורים המסודרים נפתחים) בתהליך הנקרא דנטורציה - כמו בחלבון של ביצה.

16. המשך - פולימרים ביולוגיים • פולימרים ביולוגיים שאינם חלבונים, לדוגמא: תאית, עמילן, ליגנין, ועוד • דומים לפולימרים סינטטיים במבנה המחזורי שלהם • משמשים בגוף ובצמחים לחיזוק תוך שמירה על גמישות. מקטע של עמילן – רב סוכר מקטע של תאית (צלולוס) מבנה של פולימר נותן לעץ גמישות רבה מולקולה אחת של סוכר (גלוקוז)

17. חקר פולימרים • מדע בין תחומי • הביוכימאים חוקרים פולימרים ביולוגיים ומתעניינים בעיקר בקשר שבין המבנה לתיפקוד הביולוגי שלהם, • הכימאים הסינטטיקאים מתמקדים בהכנת פולימרים לפי דרישה. לדוגמא, כדי להכין דבק חזק, צריך לדעת איך ההרכב הכימי של מונומרים משפיע על תכונות הקישור של הפולימר שבדבק למשטח. גישה זו עיקרה התמקדות התכונות הכימיות של חומר מסוים • בגישה פיסיקלית, מתייחסים אל הפולימר כאל מודל אבסטרקטי - שרשרת המכילה מונומרים הקשורים זה לזה ברצף מחזורי. גישה זו מאפשרת לנו לבחון את המשותף לסוגים שונים של פולימרים בהמשך נתמקד בגישה הפיסיקלית, נלמד מהו המודל האבסטרקטי לפולימר ובמה תכונותיו שונות מאלו של מולקולות קטנות

18. תצורות (קונפורמציות) של פולימר • מהו המודל האבסטרקטי של פולימר? • מודל שבו אין חשיבות למבנה הכימי של המונומרים. • האם פולימר אמיתי מתאים לתיאור אבסטרקטי? • תלוי בקנה המידה: • בקנה מידה אטומי (10-10 meter) – יש חשיבות לכימיה – המבנה המרחבי המקומי, נקבע לפי צורת המונומרים. • בקנה מידה גדול יותר (10-8 meter) – הכימיה פחות חשובה, מה שחוקרים זה את הצורה המרחבית של שרשרת המורכבת מהרבה יחידות חוזרות מקושרות, בעלות יכולת תנועה אקראית, ללא אפשרות ניתוק של השרשרת. תצורות מרחביות רבות של מודל אבסטרקטי של פולימר

19. מודל אבסטרקטי של פולימר יכול להתאים לתיאור פולימרים בעלי מחזוריות במבנה, לדוגמא, מספר מודלים מולקולרייםשל פולימרים כאלה: 1. פוליאתילן…(–CH2–CH2–CH2–CH2–)n…. 2. פוליסטירן 3. טפלון 4. ניילון 5. DNA

20. אילו פולימרים לא מתאימים למודל האבסטרקטי? לחלבונים לרוב אין רצף מחזורי, ומבנה השרשרת שלהם אינו אקראי, אלא בעל קיפול ייחודי. בטמפ' הגוף ובסביבה ביולוגית, חלבונים הם בעלי מבנה יחודי המותאם לפעילות שלהם. כאשר חלבון מתחמם לטמפרטורות גבוהות, המבנה המסודר שלו נהרס, ואז הוא יכול להימצא בתצורות אקראיות בדומה למודל האבסטרקטי של פולימר. יש חוקרים המעוניינים ללמוד על מבנה החלבונים בעזרת מחשב, אך לצורך כך נידרשים מודלים מיוחדים ולא מודל אבסטרקטי של פולימר פשוט. מודל של חלבון המשמש כאינזים

21. פולימר ליניארי מול מסתעף גם במסגרת המודל האבסטרקטי של פולימר יכולים להיות שני סוגים: • פולימר ליניארי • פולימר מסתעף – הנראה כמו שורשים של עץ, ומאפיין הרבה מאוד מהפולימרים הטיבעיים (כמו עמילן).

22. מודל אבסטקטי של פולימר בתנאים שונים • שרשרת של פולימר אינה עומדת בפני עצמה, היא נמצאת באינטראקציה עם עצמה (ייחודי לפולימר) או עם סביבה – מולקולות ממס או שרשרות פולימר אחרות. המודל האבסטקרטי מאפשר לייצג מצבים שונים אלו: • היתך – שרשרות של פולימר ליניארי ללא ממס כלל • שרשרות ליניאריות בממס מסוגים שונים • שרשרות של פולימר עם צילוב קל בין השרשרות (המודל האבסטרקטי משמש לתיאור השרשרת בין נקודות הצילוב) • שרשרות של פולימר עם צילוב גבוה בין השרשרות • תמיסות של פולימרים מצולבים בהמשך נראה כיצד משתנות תכונות הפולימר בהתאם לאינטראקציות שלו עם סביבתו.

23. מודלים שונים של פולימר בשקפים הבאים נסקור בקצרה ובאופן איכותי את המצבים השונים. נראה, שמה שאופייני לכל המודלים של פולימר זה הסדר בטווח הקצר, לעומת חוסר סדר בטווח הארוך – תכונה אופיינית לחומר רך! התיאור האיכותי יתן תמונת מיקרו למודלים השונים, ללא הסבר כמותי. בשיעורים הבאים, נלמד מדוע ההסבר האיכותי אינו מספק וניתן הסבר כמותי לכמה מהמודלים שיתאורו להלן.

24. 1. הרבה שרשרות של פולימר ליניארי ללא ממס כלל נקרא גם - היתך של פולימר (melt) בשקפים הבאים נתאר מהו היתך ונסביר את תכונותיו באופן איכותי. בהמשך, לא נרחיב את הלימוד בנושא. פולימר המורכב מהרבה שרשרות מאותו סוג של מונומרים, נקרא היתך (melt). נתאר לעצמנו הרבה מאוד שרשרות של פולימרים כרוכות יחדיו זו בזו. צבר של נחשים יכול להמחיש מהו היתך.

25. מה מצב הצבירה של היתך? (melt) מתוך שמו – היתך או melt, מעיד על מצב צבירה נוזלי. אך, האם הוא אכן מתנהג כנוזל רגיל שזורם כאשר מפעילים עליו כוח? נבחן התנהגות של פולימר כזה, שכבר פגשנו בעבר: סילי פטי מה מאפיין אותו? מגיב כנוזל, אם מפעילים עליו כוח באיטיות – לדוגמא: מניחים על השולחן ונותנים לו זמן להגיב לכוח הכבידה. מגיב כמוצק, אם מפעילים עליו כח במהירות – ללדוגמא:אם הוא מתנגש במהירות עם הרצפה. ההתנהגות הנוזלית מתרחשת כאשר ההיתך נמצא בטמפרטורה גבוהה מטמפרטורת ההתכה שלו : T > Tm

26. הסבר מיקרוסקופי להתנהגות ה"נוזלית" של ההיתך כאשר עושים פעולה מהירה על חומר דמוי סילי פטי, השרשרות לא מספיקות להגיב, כי הן מלופפות אחת בשנייה, ומתנהגת כיחידה אחת – כמו מוצק. כאשר נותנים לו מספיק זמן כדי להגיב, מגלים שהוא מתנהג כנוזל – שרשרות המולקולות שאינן ממש קשורות אלו לאלו, מסוגלות להחליק אחת על גבי השנייה, בתנועת זחילה Reptation זו התנהגות פיסיקלית ייחודית שאינה תלוי באופי הכימי של הפולימר, אלא רק בתכונות ה"שרשרתיות" שלו. מי שנתן את ההסבר לראשונה היה הפיסיקאי הצרפתי פייר ג'יל דה-ג'ן de-Gennes שקיבל פרס נובל לפיסיקה על המודלים שפיתח להסביר את תכונות הפולימרים.

27. היתך במצב צבירה מוצק כפי שראינו, גם מצב הצבירה הנוזלי של היתך יכול להראות לפעמים כ"מוצק" (סילי פטי). אזורים גבישיים ישנם פולימרים, שבטווח טמפרטורות מסויים, נוצרים בהם איזורים גבישיים לצד איזורים אמורפיים: ברמת המיקרו, האיזורים הגבישיים מסודרים כמוצק, והאיזורים האמורפיים, מתנהגים כנוזל, כלומר מתקיימת בהם תנועה אקראית של שרשרות הפולימר. אזורים אמורפיים

28. שקית פלסטיק – דוגמא להיתך שקיימת בו התארגנות חלקית (איזורים גבישיים) • החומר הפלסטי מתנהג כמוצק, אך יש בו גמישות רבה, בגלל קיום האיזורים האמורפיים. • זהו מוצק, כי הוא אינו זורם גם אם נותנים לו זמן ארוך, מכיוון שהאיזורים הגבישיים, לא מסוגלים לזוז. • ניתן למתיחה: ניתן להגדיל את האיזורים הגבישיים, ע"י מתיחה של השקית – כאשר מפעילים כח, גורמים לשרשרות להתיישר ולהסתדר.

29. היתך במצב צבירה זכוכיתי בטמפרטורה הנמוכה מהטמפרטורה הזכוכיתית, T < Tg, היתך הופך למוצק זכוכיתי – התנועתיות האקראית של שרשרות הפולימר נעלמת לחלוטין ניתן להפוק פולימר לזכוכיתי בעזרת חנקן נוזלי. תכונותיו במצב הזכוכיתי: נשבר לרסיסים בדומה לזכוכית, מאבד כל גמישות. כל סוגי הפולימריים (סילי פטי, צינור גומי, שקיות פלסטיק) עוברים למצב צבירה זכוכיתי בטמפרטורה נמוכה. הסיבה לכך: בשל המבנה השרשרתי של הפולימר, המולקולות שלו מלופפות אלו באלו ולא יספיקו להסתדר גם לאחר זמן ארוך. לכן, מתחת ל-Tgהמצב המוצק של הפולימר הוא תמיד זכוכיתי ולא מסודר. האם מצב צבירה זכוכיתי מאפיין רק פולימרים? לא! כל חומר יכול להימצא במצב זכוכיתי אם מקפיאים אותו מספיק מהר כך שלמולקולות שלו אין מספיק זמן להסתדר וליצור גביש מסודר.

30. 2. שרשרת ליניארית בממס מסוגים שונים פולימר אקראי כזה נהוג לתאר כ-"מהלך השיכור" את המודל הזה נלמד בהרחבה במפגשים הבאים. מודל של פולימר ליניארי בודד בתיאור של שרשרת בודדת של פולימר, צריך לזכור שקיים גם ממס ברקע, אשר אנו למען הפשטות אנו מתעלמים ממנו

31. 3. אלסטומר - שרשרות של פולימר עם צילוב קל בין השרשרות אלסטומר הוא גומי פולימר שאינו זורם אבל נמתח למה הכוונה בצילוב קל? כאשר רק כ- 1% ממספר המונומרים עוברים צילוב. בתנאים כאלה, רוב הפולימר מתנהג כפולימר בעל תנועה אקראית של השרשרות.

32. 3. אלסטומר - המשך ישנו גם אלסטומר טבעי – לטקס - ה"נעליים" של האינדיאנים באמזונס. חמצן מהאוויר יוצר קשרי צילוב בין שרשרות הלטקס. (קשרי הצילוב מסומנים על-ידי הכדורים האדומים) קשרי צילוב אלה אינם קבועים, הלטקס מתפורר עם הזמן. גיפור – יצירת אלסטומר סינטטי: באופן סינטטי ניתן ליצור קשרי צילוב קבועים בעזרת גופרית. הראשון שעשה זאת היה Goodyear שייצר בעזרת התהליך הזה את הצמיגים הראשונים. בתהליך הגיפור, רק 1 מכל 200 מונומרים עובר צילוב.

33. מתיחה של אלסטומר(גומי) מה לדעתכם נמצא ברווחים שבציור? גומי לפני מתיחה גומי במתיחה בין נקודות הצילוב יש הרבה פחות קונפורמציות אפשריות אנטרופיה נמוכה בין נקודות הצילוב יש עדין הרבה קונפורמציות אפשריות אנטרופיה גבוהה אז למה הגומיה מתכווצת כאשר עוזבים אותה? ככל שמספר קשרי הצילוב גדול יותר, הגומי "חזק" יותר

34. התנהגות של אלסטומר(גומי) בחימום אלסטומר מתנהג כקפיץ. במה הוא שונה מקפיץ מתכתי? התנהגות אלסטומר בעת חימום: מה הסיבה להתנהגות המוזרה הזו של הגומי? בשיעורים הבאים, כאשר נלמד בהרחבה על תכונות הפולימרים, נחזור שנית לשאלה זו.

35. 4. שרשרות של פולימר עם צילוב גבוה בין השרשרות כאשר דרגת הצילוב היא גבוהה, נוצר חומר מוצק וקשיח בטמפרטורת החדר. דוגמאות: פקק של קנקל כסא מפלסטיק פורמאיקה

36. 5. תמיסות של פולימרים מצולבים רוב החומרים הפולימרים שאנו פוגשים, הם תערובות של פולימרים עם חומרים אחרים העשויים ממולקולות קטנות. דוגמא לתערובת פולימר - ג'ל, בעברית תקריש ג'ל הינו תערובת של אלסטומר + נוזל כאשר מוסיפים לאלסטומר נוזל שבו הוא נמס טוב, נוצר ג'ל. ככל שכמות הממס גדולה יותר, כך משתנה צמיגות הג'ל. בדוגמאות שלהלן, הממס הוא מים ולכן הפולימר צריך להיות הידרופילי. ג'לי למאכל ג'ל בטיטולים ג'ל לשיער מה לדעתכם מכתיב את כמות הממס שנספחת לפולימר?

37. מודל אבסטרקטי של פולימר בממס בשיעורים הבאים נמשיך לחקור את המודל האבסטרקטי של פולימר, בגישה פיסיקלית אילו שאלות מעניינות ניתן לשאול בגישה זו? • מה גודל הפולימר (שיש לו סדר במימד אחד) בסביבה דו ממדית או תלת-ממדית? דרך למדוד זאת: המרחק בין קצוות הפולימר. • כיצד מושפע גודלו של הפולימר מהחלפת אנרגיה עם הסביבה? דרך למדוד זאת: השפעת סוג הממס על דיאגמת הפאזות של תמיסת פולימר. אל שאלות כאלה ואחרות נתייחס במפגשים הבאים. כלומר, ניתן לדמיין את הפולימר כחוט גמיש מוקף בנוזל הנמצא תנועה, החוט מקבל דחיפות מהנוזל ועל-ידי כך הוא מחליף איתו אנרגיה.

39. קסם הכוסות – http://www.youtube.com/watch?v=uCXBu8j6dlk איך אפשר להרוס ג'ל? – http://www.youtube.com/watch?v=GQcWcnDQpOo&feature=channel הכנת פלסטיק ביולוגי ידידותי לסביבה – http://www.youtube.com/watch?v=5M_eDLyfzp8&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=VUkyW1Pir9g&feature=related ניסויי כיתה בפולימרים