Cómo recurrir a los plásticos para explicar conceptos en clase de Física y Química

Jose María Gavira Vallejo »

Una de las claves para transmitir eficazmente los conocimientos es interesar a quienes los van a recibir. Si tratamos de enseñar qué son las fuerzas de Van der Waals, la energía de Gibbs, las fórmulas de puntos de Lewis, la isomería geométrica, el principio de Le Châtelier, las reacciones de condensación, la tensión superficial, la impresión 3D, etc., probablemente tengamos más éxito si las explicaciones de estos conceptos de ciencia básica las acompañamos con ejemplos reales de ciencia aplicada. Veremos cómo puede hacerse esto recurriendo a los plásticos (a los polímeros en general).

Relacionar estructura y propiedades

Si a una clase se le pregunta si los plásticos conducen la corriente, probablemente la mayoría de los estudiantes dirá que no. Si entonces se les dice que algunos plásticos (o polímeros) conducen la corriente casi tan bien como el metal mercurio y eso les causa sorpresa, es el momento de hablarles del poliacetileno, que servirá como excusa para introducir o recordar el concepto de isomería geométrica (cis, trans). Porque este plástico, efectivamente, conduce muy bien la corriente cuando su estructura interna está bien ordenada en el sentido de que sea todo cis o todo trans, como se ilustra en la siguiente imagen:

Rasmussen. 100+ Years of Plastics. Leo Baekeland and Beyond. Cap. 10, pp. 147-163. 2011. ACS Symposium Series, Vol. 1080.

Sin embargo, si en las cadenas de poliacetileno hay mezcla de configuraciones cis y trans, los electrones no circularán bien y el material no será conductor.

Este mismo polímero se puede utilizar para tratar otro asunto interesante: la vida real de los científicos, aspecto este que sirve para conectar la ciencia, la historia y la sociedad (en este caso, las relaciones humanas). Porque el poliacetileno fue descubierto de forma serendípica por una persona que pronto quedó relegada al olvido, mientras que otra persona ganó el premio Nobel de Química por el hallazgo.

Naturaleza fisicoquímicA y propiedades

Evidentemente, también la naturaleza fisicoquímica de cada polímero influye en sus propiedades. Un ejemplo interesante es el del poliacrilato de sodio, sal del poli(ácido acrílico), que es un hidrogel que bate récords de absorción de agua: puede tragarse hasta decenas y centenares de veces su propio peso permaneciendo aparentemente seco. En la siguiente figura se ve la fórmula de este polímero y cómo se disponen sus cadenas.  

Puede observarse que la molécula tiene cargas eléctricas. Los grupos carboxilato (–COO) que cuelgan de las cadenas tienen caga negativa; los iones sodio (Na+), positivas. Cuando están próximos los carboxilato y los sodio, las cargas se compensan. Pero cuando se añade agua, las moléculas H2O rodean a los iones Na+ porque los iones electropositivos hidratados son muy estables (se libera mucha energía de hidratación). Eso hace que las cargas positivas de los Na+ queden apantalladas y que los iones –COO se repelan entre sí. La consecuencia es que el polímero se hincha, quedando cavidades donde pueden introducirse muchas moléculas de agua. El polímero hinchado y lleno de agua se parece a nieve medio derretida; de hecho, una de sus aplicaciones es fabricar nieve artificial.

Reacciones de formación de polímeros

Cuando se explica a los estudiantes cómo se crea un polímero, se les dice que una de las formas es la condensación de monómeros, es decir, la unión de monómeros perdiendo una molécula pequeña. A menudo, esta molécula es H2O. Nuestro cuerpo está lleno de polímeros que se han formado por condensación con pérdida de agua (es natural: nuestro cuerpo es un laboratorio, pero los reactivos y productos no pueden ser sustancias agresivas).  Las proteínas, por ejemplo, se forman por condensación de péptidos con pérdida de agua; igual los polisacáridos (condenación de monosacáridos) o los ácidos nucleicos (unión de nucleótidos por deshidratación).

Estos son bonitos ejemplos para ilustrar en qué consiste una reacción de condensación, pero si se quiere llamar un poco más la atención o sacar más partido didáctico, se puede traer a colación la polilactida, también conocida como poli(ácido láctico). Se trata de un polímero sintético biodegradable y sostenible, ya que se puede sintetizar a partir de ácido láctico extraído del almidón de maíz, y también de la yuca, la caña de azúcar o la pulpa de la remolacha azucarera. Por eso, es una de las esperanzas para solucionar el problema de contaminación de plásticos que tenemos. Eso probablemente despierte la atención de la clase, momento idóneo para explicar cómo se obtiene el polímero por condensación de monómeros de ácido láctico con pérdida de una molécula de agua. La figura siguiente lo ilustra para la formación del dímero:

La condensación se produce entre el grupo ácido (–COOH) de la primera molécula dibujada y el grupo alcohol (–OH) de la segunda. Se puede aprovechar para decir que las reacciones entre ácidos y alcoholes se llaman esterificaciones (y que en estas reacciones se basa la obtención de los jabones).

Y se puede agregar que la reacción en realidad es un equilibrio químico, por lo que, si se quiere obtener más polímero, una forma es retirar producto del medio, ya que, según el principio de Le Châtelier, el equilibrio se desplazaría a la derecha. Lo más sencillo es retirar agua, lo que se puede hacer aumentando la temperatura (no mucho, para evitar subproductos indeseados) o hacer vacío. Tanto uno como otro procedimiento acelerará la evaporación del agua. También se puede mejorar el rendimiento emplean catalizadores.

Por otra parte, los polímeros no tienen por qué formarse solo uniendo moléculas iguales (homopolímeros), sino que se pueden copolimerizar moléculas diferentes para tratar de conseguir nuevas propiedades. Un ejemplo es el poliuretano, copolímero de diisocianato y dialcohol. Otro es el terpolímero acrilonitrilo-butadieno-estireno, formado por los componentes que se muestran en la figura:

Los tres contribuyen sinérgicamente a las excelentes propiedades del material obtenido: el acrilonitrilo le aporta resistencia química y estabilidad térmica; el estireno, rigidez y resistencia mecánica; el polibutadieno, tenacidad, es decir, capacidad de absorber o acumular mucha energía de deformación antes de romperse. Por eso, este material se emplea para fabricar parachoques de automóviles.

Otros muchos conceptos que se pueden explicar con los polímeros   

Otros materiales plásticos pueden servir de ejemplos para explicar variados conceptos. El poliftalaldehído es un polímero que puede ayudar a evitar problemas ambientales porque se autodestruye a partir de ciertos valores de temperaturas. El fenómeno se puede explicar muy bien mediante la conocida fórmula termodinámica:

ΔG = ΔHT ΔS

Todo consiste en dar los valores de la entalpía y la entropía de la reacción de despolimerización y razonar que el signo matemático de la energía de Gibbs (y por tanto, la espontaneidad o no espontaneidad de la reacción) va a depender del valor de T.

Todo el mundo conoce la silicona. Y habrá comprobado que algunas siliconas son más duras y otras más blandas. Las hay hasta gaseosas. Esta circunstancia es ideal para explicar las fuerzas de Van der Waals, como vamos a ver.

La silicona más usada es el polidimetilsiloxano (se llama siloxano a la función Si–O–Si):

Como los grupos metilo son apolares (por no tener cargas), las cadenas de polidimetilsiloxano solo pueden unirse a otras por las llamadas fuerzas de Van der Waals, que son un grupo de interacciones muy variadas que incluyen, entre otras, las que se producen entre dipolos instantáneos. Como se trata de fuerzas débiles, para que las cadenas tengan fuerza de unión suficiente que dé al material consistencia, deberían ser muy largas, para que de este modo haya muchos grupos CH3 que se unan a los de otras cadenas por fuerzas de Van der Waals. Y así es. Porque cuando el valor de n de la fórmula anterior es muy bajo, la silicona es gaseosa; para valores algo superiores es líquida y si aún son mayores (pueden llegar aproximadamente a 5000) son sólidas. La imagen lo ilustra:

Varios tipos de aceites de silicona, de diferente densidad (www.mrsilicone.co.in).

El polímero tendrá aún más consistencia si se reticula, es decir, si se forman enlaces covalentes entre sus cadenas. Para ello, se pueden utilizar ciertos reactivos que se llaman agentes reticuladores.

Por cierto, la silicona líquida (aceite de silicona) es el secreto del papel de hornear, en el que los alimentos no se pegan. Pero el producto tiene otras aplicaciones en la industria alimentaria. Concretamente, se usa como antiespumante, lo que puede servir para explicar los conceptos de tensión superficial, tensioactivos o burbujas o el modo de acción fisiológica de la simeticona, un fármaco que se administran para evitar los gases estomacales (básicamente es una mezcla de silicona (polidimetilsiloxano) y sílice (SiO2, es decir, el componente principal de la arena)).

A los polímeros también puede recurrirse para explicar conceptos básicos como los enlaces, el orden de enlace, las fórmulas de puntos de Lewis o las estructuras de resonancia. Aquí vemos un ejemplo para el poliacetilo:

Este polímero es muy útil para emplearlo en impresión 3D por estereolitografía, por lo que también serviría como ejemplo para ilustrar este procedimiento tecnológico.

Técnica de la estereolitografía, basada en solidificar una resina polimérica líquida mediante fotorreticulación activada por un láser ultravioleta (www.custompartnet.com/wu/stereolithography).

Los poliaminoboranos también pueden dar mucho juego. Por ejemplo, se puede dar su reacción de formación sin ajustar para que se ajuste en función de n (grado de polimerización):

O proponer con el sistema de puntos de Lewis para la formación del monómero de este polímero (H3N–BH3):

Como se puede comprobar, esta molécula sirve de ejemplo, además, para explicar lo que es un enlace coordinado o dativo.

Un poco de investigación

Finalmente, conviene que los estudiantes sepan que el mundo de los polímeros es mucho más amplio y complejo de lo que se les puede presentar con los conocimientos que tienen en enseñanza secundaria. No se trata de profundizar en complicados polímeros de ingeniería, pero si hacer saber a los alumnos que existen materiales poliméricos modernos de propiedades extraordinarias, e incluso proponerles pequeños trabajos de investigación de sus propiedades y aplicaciones. Por ejemplo, se les puede hablar de los armazones metaloorgánicos (MOF, en sus siglas inglesas). En la figura se ilustra uno de ellos, el llamado MOF-5  

Armazón metaloorgánico MOF-5.

Estos compuestos pueden absorber en sus cavidades moléculas gaseosas no muy grandes, como los combustibles acetileno e hidrógeno (este último, para alimentar motores de vehículos), el gas de efecto invernadero CO2, gases tóxicos como el monóxido de carbono o el amoniaco (absorbiéndolos se purifica ambientes) o gases necesarios para la vida como el agua. (Se han creado dispositivos a base de armazones metaloorgánicos capaces de extraer y almacenar agua a partir del seco aire del desierto). Pero, además, estos nuevos materiales tecnológicos pueden funcionar como pequeñas factorías químicas, siendo capaces, por ejemplo, de transformar CO2 en ácido fórmico (HCOOH), con lo que eliminamos un gas de invernadero y obtenemos un producto industrialmente valioso.  

Esquema idealizado que representa la captura de CO2 y su reducción fotocatalítica a formiato por un AMO basado en un conclomerado de Zr6 y conectores porfirínicos (Ding et al. Chem. Soc. Rev., 2019,48, 2783-2828.).

Un ejemplo más son los polímeros supramoleculares, excelentes ejemplos para demostrar que toda la química no se explica solo por los enlaces iónico y covalente, sino que son fundamentales otros métodos de unión como las fuerzas de Van der Waals o los enlaces de hidrógeno. Esas interacciones son las que mantienen a los monómeros unidos en los polímeros supramoleculares.

Fuente

Este artículo se ha redactado con información del