Profesor - Actividad 4

Polimerización por adición y por condensación

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *

Tiempo estimado: 

• 100 minutos

Tipo de actividad: 

• Actividad experimental-demostrativa

Objetivo didáctico:

• Que el alumno, a través de una actividad experimental-demostrativa, obtenga la motivación necesaria para la construcción del modelo molecular de la formación de polímeros y plásticos.

Objetivos de aprendizaje:

• Que el alumno identifique las reacciones de adición y condensación como las alternativas de formación de polímeros.
• Que el alumno sea aprenda a realizar la representación molecular de una macromolécula a partir de la representación molecular de sus respectivos monómeros.
• Que los alumnos identifiquen al grupo funcional alqueno como potencial precursor de reacciones de polimerización por adición.
• Que el alumno identifique que es necesaria la presencia de radicales libres para comenzar las reacciones de adición
• Que el alumno reconozca a los peróxidos orgánicos como importantes formadores de radicales libres. 

Material requerido:

• 50 mL 0.5 M de hexamentilendiamina (1,6-diaminohexano) en hidróxido de sodio 0.5 M (Para preparar disolver 3.0 g de hexametilendiamina y 1.0 g de hidróxido de sodio en 50 mL de agua destilada.)
• 50 mL de cloruro de sebacoilo en hexano. (Para su preparación, disolver 1.5 mL de cloruro de sebacoilo en 50 mL de hexano). Se pueden utilizar como alternativa otros disolventes no polares como el tetracloruro de carbono.
• Guantes
• Vaso de precipitados de 250 mL
• 2 vasos de precipitados de 100 mL
• 1 palillo para brocheta.
• 1 vaso desechable de 250 mL
• 1 gotero con peróxido de etilmetilcetona (MEKP)
• 1 gotero con octanoato de cobalto
• 1 gotero con N-N-dimetilanilina
• 1 palillo abatelenguas
• 1 gotero con colorante para resina.
• varios moldes pequeños de polipropileno de figuras variadas
• Computadora con videocámara y proyector.

Descripción de la actividad:

La actividad será dividida en 2 partes: 

En la primera parte, el profesor comenzará a hacer la mezcla de la resina poliéster insaturada con los complementos necesarios para la formación del material plástico. La mezcla será depositada en los moldes correspondientes, y mientras se da tiempo a que esta reacción concluya, el profesor indicará a los alumnos que se comenzará con la siguiente parte de la actividad. 

En la segunda parte, se sintetizará nailon 6-10. Aquí, los estudiantes presenciarán de manera experimental-demostrativa la síntesis de un polímero por condensación. Posteriormente, basados en sus observaciones y en los conocimientos adquiridos en actividades previas, razonarán las implicaciones químicas de este tipo de reacciones. 

Una vez concluída la segunda parte, se retomará la primera. Para entonces las resinas poliéster saturadas deben estar completamente listas para ser despegadas de los moldes y ser mostradas a los alumnos como materiales plásticos. En esta parte los alumnos reflexionarán las implicaciones químicas de las reacciones por adición. 

Al final de la actividad se pretende que el alumno sea capaz de dibujar una estructura molecular razonable que represente el producto obtenido en cada una de ambas partes de la actividad. 

Observaciones previas para la síntesis del nailon 6-10:

• No almacenar el cloruro de sebacoilo en recipientes de plástico, ya que por su elevada reactividad puede reaccionar con el recipiente. Es recomendable utilizar vidrio ámbar como alternativa de almacenamiento para esta preparación.
• Terminada la reacción, retirar el polímero obtenido, enjuagarlo utilizando guantes y luego desecharlo a los residuos inorgánicos. La disolución remanente se debe agitar perfectamente utilizando un agitador y el sólido obtenido debe ser enjuagado y desechado en los residuos inorgánicos y la disolución remanente desechada al drenaje.
• No desechar al drenaje el polímero obtenido, pues puede obstruir los conductos de desecho.

Observaciones previas para la obtención de un plástico mediante las resinas poliéster insaturadas.

• No mezclar el MEKP con la N-N-Dimetilanilina porque se forma una mezcla explosiva. 
• Utilizar guantes durante el desarrollo del experimento.
• Ser consciente de que la resina solidificará, y que aquellos objetos que fueron embarrados con el material podrían verse severamente afectados si no se trabaja con orden y limpieza. 

Colocar en la mesa de trabajo del profesor la videocámara y asegurarse de que sea proyectada a todo el grupo.

A lo largo de esta primera parte de la actividad, el profesor debe hacer hincapié en el estado de agregación de los reactivos (líquidos todos). 

Colocar en un vaso desechable transparente 150 mL de resina cristal preparada. Adicionar 20 gotas de peróxido de etilmetil cetona, 20 gotas de octanoato de cobalto, y 20 gotas de N-N-dimetil anilina. Agitar vigorosamente con un palillo de abatelenguas, y posteriormente depositar la resina aún líquida en los recipientes de polipropileno seleccionados. 

Indicar a los alumnos de que la reacción llevará algunos minutos, y mientras tanto, realizarán la siguiente parte de la actividad. 
En el siguiente enlace se muestra un video procedimiental de la actividad planteada: Video.

Colocar en la mesa de trabajo del profesor la videocámara y asegurarse de que sea proyectada a todo el grupo.

Indicar a los alumnos que se llevará a cabo una reacción de polimerización. Indicar el nombre de los reactivos (depositados cada uno en un vaso de precipitados por separado) mostrando sus características físicas. Hacer mención de que un reactivo se encuentra en disolución acuosa y el otro en un hidrocarburo, hexano. Recordarles la inmiscibilidad del hexano en agua.

Posteriormente poner los 50 mL de la disolución de hexametilendiamina en el vaso de precipitados de 250 mL, y lentamente agregar la disolución de cloruro de sebacoilo minimizando toda agitación entre las disoluciones.

Asegurar de que la viodeocámara está apropiadamente enfocada.

Introducir el palillo a la mezcla heterogénea y retirar lenta y cuidadosamente el polímero formado en la interfase de la mezcla. Enrollar el hilo formado alrededor en el perímetro del palillo de brochetas.

La reacción continuará hasta que la concentración de reactivos disminuya de tal forma que ya no se pueda mantener la continuidad del hilo formado. 

En todo momento el profesor debe estar al pendiente de que la transmisión de la proyección sea apropiada y esté correctamente enfocada. Durante la obtención del producto, es preciso que el profesor explique a los alumnos que el producto se forma en la interfase de contacto de ambos reactivos en disolución, y que la intención de haber mezclado los reactivos en fases inmiscibles es para controlar la reacción y evitar que todo el producto se obtenga al momento de mezclar los reactivos. A esta parte de la actividad llevará aproximadamente 15 minutos.

Al término de la actividad experimental-demostrativa, el profesor proyectará las estructuras químicas de ambos reactivos (monómeros) que intervinieron en la formación del nailon 6-10, y les pedirá a los alumnos que en una hoja de papel blanca propongan una estructura molecular para el producto obtenido. Las estructuras moleculares están disponibles en la presentación POL04.pptx Indicar que la propuesta molecular del producto obtenido deberá ser escaneada y cargada a la plataforma electrónica de la secuencia en un formato de imagen digital. Esta parte de la actividad debe ejecutarse a más tardar en 15 minutos. 

Una vez que los alumnos hayan concluido su modelo, el profesor planteará la siguiente pregunta: 

"Durante la reacción de polimerización por condensación observada... ¿qué es más razonable? ¿Pensar que fue una sola molécula que creció lo suficiente para poder ser vista por el ojo humano, o que son muchas las moléculas de nailon formadas que interaccionan entre sí formando un material visible?"

Una vez planteada la pregunta, el profesor moderará los comentarios procurando conducir a los alumnos a desarrollar argumentos acordes con el modelo científico. 

A esta discusión se le destinarán aproximadamente 10 minutos. Posteriormente el profesor explicará el modelo científico vigente que considera la formación de muchas moléculas de nailon que interaccionan entre sí, tratando de resolver la variedad de ideas de los alumnos, integrando los conceptos aprendidos en las actividades precedentes. 

Una vez resueltas los planteamientos mencionados, se retomará la primera parte de la actividad: la obtención de un plástico mediante las resinas poliéster insaturadas. 

Para este tiempo de la clase, la resina debió haberse solidificado completamente y debe ser posible retirarla del molde sin ninguna dificultad. 
Retirar la resina formada de los moldes, y permitir que los alumnos de manera ordenada identifiquen sus propiedades macroscópicas: color, forma, dureza, etc. El profesor en todo momento deberá hacer hincapié en que el material fue obtenido mediante una reacción de adición entre dos reactivos, cuyas características físicas son distintas a las de los reactivos. 

El profesor explicará las generalidades químicas y conceptuales implicadas en las reacciones de polimerización por adición y por condensación. Para complementar su explicación puede hacer uso de las animaciones disponibles polimerización por condensación y polimerización por adición. Estas animaciones ilustran de manera simple y clara las generalidades moleculares de cada tipo de reacción. La desventaja es que están en inglés, y el profesor tendría la responsabilidad de garantizar la interpretación y explicación apropiada de los cambios  visualizados en el curso de la animación.

Ya explicados los fundamentos de la polimerización por adición, el profesor proyectará la diapositiva POLad.pptx en donde se encuentran representadas las moléculas de los reactivos involucrados en la obtención de la resina poliéster insaturada. El profesor mostrará la diapositiva y planteará las siguientes preguntas que conducirán al estudiante a reflexionar sobre la importancia de los radicales libres en los procesos de polimerización por adición:

• ¿Porque estando los reactivos mezclados en la formulación comercial de la resina, la reacción no ocurre hasta adicionar el peróxido de etilmetilcetona?
• ¿Qué es necesario para que la reacción comience?
• ¿Hasta cuándo se detendrá la reacción?
• ¿Qué grupos funcionales presentes en los reactivos hacen que una molécula sea candidata a polimerizar por el mecanismo de adición?

En la diapositiva 4 de la POLad.pptx se plantea una pregunta.El profesor debe permitir que los alumnos contesten y propongan una respuesta lógica. Una vez recibidas las propuestas de los alumnos, el profesor deberá confrontarlas resaltando de que en la reacción de polimerización por adición, no hay un orden o patrón estricto y predecible de unión entre los monómeros. Conviene mencionar que las condiciones en las cuáles la reacción química influyen significativamente en cómo se van uniendo entre sí los monómeros, y que al final, el orden en los que se acomodaron para dar lugar a la macromolécula impactará en las propiedades físicas del material obtenido. 

Todas estas preguntas el profesor debe hacerlas siendo conscientes de que los objetivos principales son:

• Que los alumnos identifiquen al grupo funcional alqueno como potencial precursor de reacciones de polimerización por adición.
• Que el alumno identifique que es necesaria la presencia de radicales libres para comenzar las reacciones de adición
• Que el alumno reconozca a los peróxidos orgánicos como importantes formadores de radicales libres. 

A continuación se muestran 3 representaciones moleculares del producto obtenido por la reacción de adición para la formación de la resina poliéster insaturada. Discutan entre sus compañeros cuál es la mejor representación y argumenten por qué. Tomen en consideración de que el modelo molecular debe ser congruente y explicar las propiedades físicas macroscópicas del material obtenido.
Pista: Identificar la posición de los R y R' puede ser de gran utilidad para identificar la mejor representación molecular de la obtención de resina. 

Representación 1:

Representación 2:

Representación 3:

Observaciones al terminar la práctica:

• Él nailon deberá secarse y guardarse para ser utilizado posteriormente. De igual manera se debe conservar una muestra de la resina poliéster insaturada obtenida en buenas condiciones.

Para investigar:
Como actividad extraclase, el alumno deberá investigar por qué tipo de reacción se obtienen los polímeros que conforman a los siguientes materiales:

1. Bolsa de plástico, como la que se da en el supermercado.
2. Botella de plástico donde se envasa el refresco. 
3. Una llanta
4. Un condón
5. Una goma para lápiz
6. Papel