Enlaces químicos - Polímeros termoplásticos, elastómeros y aditivos

Todos los enlaces químicos involucran electrones. Los átomos permanecerán cerca si tienen un interés compartido en uno o más electrones. Los átomos son más estables cuando no tienen capas de electrones parcialmente llenas. Si un átomo tiene solo unos pocos electrones en una capa, tenderá a perderlos para vaciar la capa. Estos elementos son metales. Cuando los átomos metálicos se unen, se produce un enlace metálico. Cuando un átomo tiene una capa de electrones casi completa, intentará encontrar electrones de otro átomo para que pueda llenar su capa externa. Estos elementos se describen generalmente como no metálicos. El enlace entre dos átomos no metálicos es generalmente un enlace covalente. Cuando se encuentran átomos metálicos y no metálicos, se produce un enlace iónico. Las propiedades mecánicas de los polímeros de polímeros como la resistencia a la tracción, la elasticidad y la tenacidad dependen de las fuerzas intermoleculares, como las fuerzas de van der Waals o los enlaces de hidrógeno. Sobre la base de estas fuerzas, los polímeros se pueden clasificar en elastómeros, fibras, polímeros termoplásticos y polímeros termoendurecibles. En los elastómeros que generalmente son amorfos, las cadenas poliméricas se mantienen unidas por fuerzas intermoleculares débiles y tienen moléculas altamente flexibles. La pérdida del comportamiento elastomérico se asocia con la capacidad de las moléculas de experimentar un deslizamiento relativo entre ellas y movimientos de largo alcance. Las fibras se caracterizan por su alta resistencia y alto módulo de elasticidad: estas características se deben a fuertes fuerzas intermoleculares como el enlace de hidrógeno que contribuyen a la estructura cristalina. Los polímeros termoplásticos tienen fuerzas intermoleculares intermedias entre los presentes en los elastómeros y los presentes en las fibras y están formados por largas cadenas lineales unidas por las fuerzas de Van der Waals. Los polímeros termoendurecibles tienen largas cadenas de polímeros unidas por enlaces químicos cruzados reales.

En general, el enlace de hidrógeno es una interacción directa y atractiva entre el hidrógeno deficiente en electrones y una región de alta densidad de electrones. Se ha informado de enlaces de hidrógeno para una variedad de mezclas de polímeros. La presencia de enlaces de hidrógeno asociados entre los componentes en una mezcla puede promover la compatibilidad y también la miscibilidad y tiene efectos significativos sobre las propiedades de las mezclas. De hecho, hoy la introducción de enlaces de hidrógeno es una estrategia rutinaria y efectiva para lograr la compatibilidad y cambiar las propiedades de las mezclas.

Los enlaces de Van der Waal se producen hasta cierto punto en todos los materiales, pero son particularmente importantes en plásticos y polímeros. Estos materiales están formados por moléculas de cadena larga formadas por átomos de carbono unidos covalentemente con otros átomos, como hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, flúor. Los enlaces covalentes dentro de las moléculas son muy fuertes y se rompen solo en condiciones extremas. Los enlaces entre las moléculas que permiten deslizarse y romperse se llaman fuerzas de van der Waal. Cuanto más grande es la molécula, más aumentan las fuerzas de van der Waal entre las moléculas. Los polímeros a menudo se clasifican como materiales termoplásticos o termoendurecibles. Los materiales termoplásticos se pueden fundir fácilmente para formar o reciclar y el material termoendurecible no se puede fundir fácilmente. En los materiales termoplásticos están formados por moléculas largas en forma de cadena. El calor se puede utilizar para romper las fuerzas de van der Waal entre las moléculas y cambiar la forma del material de sólido a líquido. En contraste, los materiales termoestables tienen una red tridimensional de enlaces covalentes. Estos enlaces no pueden romperse fácilmente por calentamiento y, por lo tanto, no pueden fundirse y formarse tan fácilmente como los termoplásticos.

Cuando un compuesto contiene solo átomos no metálicos, se forma un enlace covalente de átomos que comparten dos o más electrones. Los no metales tienen 4 o más electrones en sus capas externas (excepto el boro). Con tantos electrones en la capa externa, se necesitaría más energía para eliminar los electrones de la que se obtendría al hacer nuevos enlaces. Por lo tanto, ambos átomos involucrados comparten un par de electrones. Cada átomo suministra uno de sus electrones externos al par de electrones, que luego pasa tiempo con cada átomo. En consecuencia, ambos átomos se mantienen cerca uno del otro, ya que ambos átomos tienen una parte en los electrones. Es posible formar más de un par de electrones con la mitad de los electrones provenientes de un átomo y el resto del otro átomo. Una característica importante de este enlace es que los electrones se mantienen firmemente y son igualmente compartidos por los átomos participantes. Los átomos pueden ser del mismo elemento o de elementos diferentes. En cada molécula, los enlaces entre los átomos son fuertes, pero los enlaces entre las moléculas son generalmente débiles. Esto hace que muchos materiales sólidos con enlaces covalentes sean frágiles. Muchos materiales cerámicos tienen enlaces covalentes. Los compuestos con enlaces covalentes pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos a temperatura ambiente, dependiendo del número de átomos en el compuesto. Cuantos más átomos haya en cada molécula, mayor será la temperatura de fusión y ebullición de un compuesto. Como la mayoría de los compuestos covalentes contienen solo unos pocos átomos y las fuerzas entre las moléculas son débiles, la mayoría de los compuestos covalentes tienen bajos puntos de fusión y ebullición. Sin embargo, algunos, como los compuestos de carbono, pueden ser muy grandes. Un ejemplo es el diamante en el que los átomos de carbono comparten cuatro electrones para formar redes gigantes. Algunas características comunes de materiales con enlaces covalentes:

Una característica común de los elementos metálicos es que solo contienen de uno a tres electrones en la capa externa. Cuando un elemento tiene solo uno, dos o tres electrones de valencia (es decir, electrones en la capa externa), el enlace entre estos electrones y el núcleo es relativamente débil. Entonces, por ejemplo, cuando los átomos de aluminio se agrupan en un bloque de metal, los electrones externos dejan átomos individuales para formar parte de la "nube de electrones" común. En esta disposición, los electrones de valencia tienen una movilidad considerable y son capaces de conducir calor y electricidad fácilmente. Además, la naturaleza deslocalizada de los enlaces permite que los átomos se deslicen uno al lado del otro cuando el metal se deforma en lugar de fracturarse como el vidrio u otro material frágil. Como los átomos de aluminio pierden tres electrones, terminan teniendo una carga positiva y se denominan iones Al 3+ (cationes). Estos iones se repelen entre sí, pero se mantienen unidos en el bloque porque los electrones negativos son atraídos por los iones cargados positivamente. Un resultado del intercambio de electrones es que los cationes se organizan de acuerdo con un patrón regular. Este modelo regular de átomos es la estructura cristalina de los metales. En la red cristalina, los átomos se agrupan estrechamente para maximizar la fuerza de enlace. Una pieza de metal real está compuesta por muchos cristales pequeños llamados granos que tocan los bordes del grano. Algunas características comunes de los materiales con enlaces metálicos:

La mayoría de los termoplásticos son polímeros de alto peso molecular, que poseen cadenas de estructura lineal o ramificada, asociadas por medio de débiles fuerzas Van der Waals (p. ej. las poliolefinas como el polietileno), junto con fuertes interacciones dipolo-dipolo (p. ej. los poliésteres como el polietilentereftalato) y enlaces por puentes de hidrógeno (p. ej. las poliamidas como la PA6).