Compendio de ejercicios capítulos 1,2 y 3

Universidad Autónoma de Yucatán

Facultad de Ingeniería Química

Ciencia de los polímeros

Compendio de ejercicios capítulos 1,2 y 3

Jesús Eduardo Ruiz Paredes

Mayo/2020

Capítulo 1.

1. Muestra con ecuaciones las reacciones involucradas en la síntesis de los siguientes polímeros.

[pic 1]

[pic 2]

[pic 3]

[pic 4]

1. ¿Cuál es la estructura de las unidades repetitivas de los polímeros en los incisos anteriores? ¿Pueden ser utilizados otros monómeros para obtener el mismo polímero en el caso de los polímeros del ejercicio anterior?

No pueden ser utilizados otros monómeros para sintetizar las estructuras a, c, e, f. los polímeros b y d pueden ser sintetizados por las siguientes vías

Inciso b [pic 5]

Inciso d

[pic 6]

1.3 Clasifique los polímeros en cuanto a si son polímeros de condensación o adición. Clasifique las polimerizaciones en cuanto a si son polimerizaciones de paso, cadena o anillo de apertura.

1. Adición, cadena
2. Condensación; apertura de anillo
3. Condensación; paso
4. Condensación, paso
5. Condensación; paso
6. Adición; cadena

1.4 ¿Como determinaría experimentalmente si la polimerización de un polímero desconocido procedió por pasos, en cadena o por apertura de anillo?

Siguiendo la polimerización como función de la conversión. La polimerización en cadena de un monómero de doble enlace produce un polímero de elevado peso molecular incluso a conversiones muy bajas. La mezcla reaccionante contiene únicamente polímero y monómero sin ningún tipo de especie intermediaria. La proporción de polímero: monómero incrementa con la conversión. La polimerización por pasos o etapas muestra un incremento continuo en el peso molecular del producto. Especies de varios tamaños están presentes a diferentes conversiones y el incremento de un elevado peso molecular se logra hasta alcanzar una conversión del 97-98%. La polimerización por apertura de anillo es una polimerización en cadena que sigue una ruta diferente en comparación de la polimerización por cadena para el monómero de doble ligadura. El peso molecular del polímero incrementa con la conversión. Pesos moleculares elevados se obtienen a conversiones elevadas pero no tan elevadas como en la polimerización por pasos.

1.5 Nombra cada uno de los polímeros del problema 1.1 por medio del sistema IUPAC. Indica

1. Poli (ácido acrílico); poly (1-carboxietileno)
2. Poli (oxiciclobutano); poli (oxipropano-1,3-diyl)
3. Poli (penta-metileno poliamida); nylon 5-7
4. Poli (6-ácido hidroxicapoico); poli (oxi (1-oxihexano-1, 6-dyil))
5. Poli (etileno 2, 4-toliuretano); poli (oxietilencarboxilimin (4 -metil-1,3- penileno)-iminocarbonilo)
6. Poli (fluoruro de vinilo); poli (1-fluoroetileno); teflón.

1.7. Una muestra de poliestireno está compuesta por una serie de fracciones de moléculas de diferentes tamaños. Calcular la masa molar número promedio Mn y la masa molar peso promedio de la muestra de polímero.

[pic 7]

[pic 8]

[pic 9]

1.8. Indica como la estructura química afecta la extensión de la cristalinidad del polímero.

El término cristalino se utiliza para indicar las regiones ordenadas de los polímeros. La capacidad de un polímero de cristalizar está dada por las moléculas químicas que los conforman y que presentan geometrías regulares. Las irregularidades como las ramificaciones de la cadena o la copolimerización limitan el alcance de la cristalización

1.9. Define Tm y Tg e indica como son afectados por la estructura química.

Tm es la temperatura de fusión de los polímeros. La temperatura de transición vítrea (Tg) es la temperatura a la que se da una pseudotransición termodinámica en materiales vítreos, por lo que se encuentra en vidrios, polímeros y otros materiales inorgánicos amorfos. Esto quiere decir que, termodinámicamente hablando, no es propiamente una transición. La Tg se puede entender de forma bastante simple cuando se entiende que en esa temperatura el polímero disminuye su densidad, dureza y rigidez, además su porcentaje de elongación disminuye de forma drástica

1.10. Describe las diferencias de propiedades y usos entre los plásticos flexibles, plásticos rígidos, fibras y elastómeros. ¿Qué tipo de estructuras químicas son típicas para cada una?

Las diferencias entre fibras plásticos y elastómeros pueden ser vistas con la gráfica de tensión-deformación

[pic 10]

El módulo de un polímero es la pendiente inicial de tal gráfico; la resistencia a la tracción y el alargamiento final son los valores más altos de tensión y alargamiento, respectivamente. Los elastómeros son el grupo de polímeros que pueden sufrir fácilmente alargamientos reversibles muy grandes con tensiones relativamente bajas. Esto requiere que el polímero sea completamente amorfo con una temperatura baja de transición. Es necesario un cierto grado de entrecruzamiento para que la deformación sea rápida y completamente reversible.

Las fibras son polímeros que tienen una gran resistencia a la deformación (se someten a bajas elongaciones), un elevado modulo (>35000 N/cm2) y fuerza de tensión. El polímero debe ser muy cristalino y contener cadenas polares con fuerzas secundarias elevadas en función de ser útil como fibra. La temperatura de fusión cristalina de una fibra. debe estar por encima de 200 C para que mantenga su integridad física

Hay dos tipos de plásticos: flexibles y plásticos rígidos. Los plásticos flexibles poseen grados de cristalinidad de moderados a altos y una amplia gama de valores de Tm y Tg. Tienen módulos de moderados a altos (15,000–350,000 N cm 2), resistencias a la tracción (1500–7000 N cm 2) y alargamientos finales (20–800%).

Los plásticos rígidos se caracterizan por alta rigidez y resistencia a la deformación. Tienen altos módulos (70,000–350,000 N cm 2) y resistencias a la tracción moderadas a altas (3000–8500 N cm 2), pero más significativamente, sufren alargamientos muy pequeños (<0.5–3%) antes de la ruptura. Los polímeros en esta categoría son polímeros amorfos con cadenas muy rígidas.

Capítulo 2

2.1 Deriva una expresión de velocidad para la polimerización de la reacción en proporción estequiométrica de ácido adípico y hexametil diamina. Indica las suposiciones necesarias en la derivación. Derive una expresión para la velocidad de polimerización cuando las cantidades no están en proporción estequiométrica.

[pic 11]

[pic 12]

Como están en proporción estequiométrica  por lo que:[pic 13]

[pic 14]

Separando

[pic 15]

Integrando

[pic 16]

Se obtiene

[pic 17]

Para cuando las cantidades no están en proporción estequiométricas

[pic 18]

Donde [B] es el grupo funcional presente en menor cantidad

2.2 Se ha encontrado que una muestra de 21.3 g de poli (hexametilen adipamina) contiene  moles de grupos carboxílicos. Con esa información se calculó el peso molecular número promedio del polímero el cual resultó de 8520. ¿Qué suposición fue hecha durante el cálculo? ¿Cómo se puede obtener experimentalmente el correcto valor de Mn?[pic 19]

[pic 20]

Este cálculo asume que cada molécula de polímero contiene un grupo ácido al final de las cadenas. El número de grupos al final de la cadena de COOH y Amina son iguales. Se puede determinar la validez de esta suposición determinando experimentalmente las cantidades de cada grupo presentes en el polímero. La mayor parte de las moléculas del polímero se pueden tomar correctamente como la mitad de los grupos totales de ambos grupos.

Estas conclusiones asumen que la poliamida es sintetizada desde la diamina y el diácido sin incluir al grupo reactivo monofuncional. Si un reactivo monofuncional esta presenta, deberá ser tomado en cuenta para el análisis del grupo final.

2.3 Describa y dibuje la estructura del poliéster obtenido en cada una de las siguientes polimerizaciones. ¿Dependerá la estructura del polímero producido en cada caso en las cantidades relativas de los reactivos? De ser así, describe las diferencias

1. No se hace
2. El polímero será altamente ramificado y de cadena cruzada desde las cantidades estequiométricas de los dos grupos funcionales que pueden ser usadas para obtener polímeros más elevados.

[pic 21]

1. El polímero es ramificado y de cadena cruzada, así como en el inciso b). El grado de ramificación es menor para este caso debido a que la proporción de triol es relativamente menor que la del diácido. El grado de ramificación y el grado en el que las cadenas se cruzan pueden ser disminuidos al aumentar la proporción de diol-triol.

1. Discutir la posibilidad de ciclación en la polimerización de

1. H2N-(CH2)m-CO2H
2. HO-(CH2)2-OH + HO2C-(CH2)m-CO2H

Para casos donde el valor de m va desde 2 hasta 10. ¿En qué etapa de la reacción es posible la ciclación? ¿Qué factores determinan si la ciclación o la polimerización lineal predominan la reacción?

La cinética, la termodinámica y la concentración son los factores que determina la facilidad de ciclación.

...