1البلمرة Polymerization

ما البلمرة؟

البلمرة تفاعل كيميائي تتحد فيه أعداد كبيرة من جزيئات صغيرة تسمى المونومرات لتكوّن جزيئاً كبيراً ذا كتلة مولية عالية يسمى البوليمر. وبالتحكم في ظروف التفاعل تنتج بوليمرات متنوعة: سلاسلها طويلة أو قصيرة أو متشابكة، ومبنية من نوع واحد من المونومرات أو من أنواع مختلفة.

البوليمرات مواد صلبة في درجات الحرارة العادية، أما المونومرات فقد تكون غازية أو سائلة أو صلبة. وأصل الكلمة: Poly بمعنى «متعدد» وMer بمعنى «جزء»، فالبوليمر هو «متعدد الأجزاء».

بماذا تختلف البوليمرات؟

1. نوع المونومرات المكوِّنة لها.
2. عدد المونومرات وانتظامها في السلسلة.
3. طبيعة بناء السلاسل: خطية أو متفرعة.
4. قوى التجاذب داخل السلسلة أو بين السلاسل.

لماذا نصنع البوليمرات؟

الهدف الرئيس إنتاج مواد جديدة تلبي حاجات الإنسان، وكبدائل لمواد زاد الطلب عليها كالزجاج والفلزات. وتتميز البوليمرات بخصائص قلّما تجتمع في مادة واحدة:

المصطلحات

أسئلة التقويم

الملخص

• البلمرة: اتحاد المونومرات لتكوين البوليمر.
• تختلف البوليمرات بنوع المونومر وعددها وبناء السلسلة وقوى التجاذب.
• أهم مزاياها: التشكيل والعزل ومقاومة التآكل وخفة الوزن.

2أنواع البوليمرات Types of Polymers

تُقسَّم البوليمرات حسب مصدرها إلى ثلاثة أنواع:

أ. البوليمرات الطبيعية

تتكون طبيعياً دون تدخل الإنسان، مثل النشا والسليلوز والبروتينات.

السليلوز: يوجد في الخشب واللحاء والقطن، ويستخدم في صناعة الورق والحرير الصناعي والأقمشة القطنية. تتألف سلاسله الطويلة غير المتفرعة من آلاف جزيئات الغلوكوز (C₆H₁₂O₆)، وتتوازى هذه السلاسل فتنشأ بينها روابط قوية تناسب وظيفته كداعم لهيكل النبات وبناء جدر الخلايا النباتية. وللسليلوز في الغذاء فوائد: تحسين الهضم، وخفض الكوليسترول في الدم، وتقليل السعرات الحرارية.

البروتينات: تدخل في جميع خلايا الكائنات الحية وتؤدي وظائف كالتنظيم والبناء، وتتكون من اتحاد عدد كبير من الحموض الأمينية التي تتركب من الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين.

ب. البوليمرات الصناعية

تنتج من مركبات كيميائية بسيطة، وتشمل البلاستيك والمطاط الصناعي والألياف الصناعية.

ج. البوليمرات الطبيعية المحوَّرة

تنتج من بوليمرات طبيعية أُجريت عليها تحويلات للحصول على صفات جديدة كالذوبان في الماء، مثل خلات السليلوز.

المصطلحات

أسئلة التقويم

الملخص

• طبيعية وصناعية ومحوَّرة.
• السليلوز من الغلوكوز، والبروتين من الحموض الأمينية.
• لألياف السليلوز فوائد غذائية.

3طرق تحضير البوليمرات الصناعية Preparation of Synthetic Polymers

١. طريقة الإضافة

تخص تفاعل الألكينات ومشتقاتها (مركبات عضوية فيها رابطة ثنائية بين ذرتي كربون). تنفك الرابطة الثنائية بتأثير الحرارة والضغط والعامل المساعد فترتبط جزيئات المونومر على شكل سلسلة. من أهم أمثلتها: البولي إيثيلين، وبولي كلوريد الفينيل (PVC)، والتفلون. فمثلاً البولي إيثيلين بوليمر مبني من مونومرات الإيثيلين (CH₂=CH₂) كما في الشكل 1.

٢. طريقة التكثيف

يُحصل على البوليمر ببلمرة نوع واحد من المونومرات أو أكثر، بشرط أن يحتوي كل مونومر على مجموعتين فعّالتين أو أكثر. ومن أمثلتها البوليستر المستخدم في الخيوط الصناعية للملابس.

المصطلحات

أسئلة التقويم

الملخص

• إضافة للألكينات (PE، PVC، تفلون).
• تكثيف لمونومرات ذات مجموعتين فعّالتين (بوليستر).

4التصنيف التقني للبوليمرات Technical Classification

تُصنَّف البوليمرات حسب خواصها الفيزيائية واستخداماتها إلى ثلاثة أنواع.

١. البوليمرات المتلينة بالحرارة (Thermoplastics)

صلبة عند الحرارة العادية، تلين بالحرارة وتتحول إلى ما يشبه العجينة، ثم تعود قاسية بالتبريد. والبولي إيثيلين من أهم الأمثلة عليها وأكثرها استخداماً، وله نوعان:

أ. البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE): سلاسله غير متفرعة فتترابط بقوة أكبر وتأخذ حيزاً أقل، فهو أكثر صلابة وقوة وكثافة، أبيض معتم غير شفاف وخامل كيميائياً. يحضَّر بوجود عامل مساعد وضغط قريب من الجوي (حرارة 56–70 °س كما وردت في المصدر)، ثم يُفصل المنصهر ويُحبَّب ويُجفَّف، وتُصنع منه عبوات التخزين والأطباق والقناني.

ب. البولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE): سلاسله متفرعة فهو أقل قوة ومتانة وكثافة، وشفاف. يحضَّر تحت ضغط 1000–3000 ضغط جوي وحرارة حتى 250 °س، وتُصنع منه رقائق التغطية وقفازات الاستعمال الواحد.

التفلون: يُستعمل لطلاء السطح الداخلي لأواني الطبخ فلا يلتصق بها الطعام، وينتج من بلمرة رباعي فلورو إيثيلين. يشبه تركيبه البولي إيثيلين لكن استُبدلت جميع ذرات الهيدروجين بذرات فلور. هو أكثر ثباتاً من معظم البوليمرات: لا يحترق ولا يتآكل ولا يميل إلى تكوين روابط مع غيره؛ لأن ذرات الفلور أكبر حجماً فيصعب وصول أي مركب كيميائي إلى سلسلة الكربون.

٢. البوليمرات المتصلبة بالحرارة (Thermosetting)

بوليمرات عضوية صناعية تتحول بالحرارة إلى كتلة صلبة لا يمكن صهرها لتكوّن شبكة ثلاثية الأبعاد من الروابط التساهمية. تُستخدم في مواد البناء والطلاءات والميلامين، وتتميز بالمتانة وتحمل الأحمال رغم خفتها، ومقاومة نسبية للحرارة والكيماويات، وعزل الكهرباء.

٣. البوليمرات المرنة المطاطية (Elastomers)

مرونتها وقابليتها للتمدد والتقلص ناتجة عن سلاسل طويلة مرنة ملتفة عشوائياً. ولها مصدران:

أ. المطاط الطبيعي (اللاتكس): سائل شجرة المطاط، يُفلكَن بخلطه بالكبريت وتسخينه بمعزل عن الهواء ليصبح أكثر مرونة. تُغطى خيوطه بألياف القطن أو الحرير الصناعي لتسهيل امتصاص الصبغات والحد من مطاطيته، ويستخدم في ملابس السباحة والمشدّات. من عيوبه تأثره بالحرارة العالية ومواد التنظيف.

ب. المطاط الصناعي (سباندكس): أقوى ومتانة من الطبيعي وأقل مرونة منه.

المصطلحات

أسئلة التقويم

الملخص

• متلينة، متصلبة، مطاطية.
• HDPE سلاسله غير متفرعة وLDPE متفرعة.
• التفلون خامل بسبب حجم ذرات الفلور.

5الألياف Fibers

الألياف سلاسل دقيقة طويلة تتصف بالمتانة والمرونة والقدرة على الالتفاف، وتتكون عادةً من بوليمرات؛ فألياف القطن من السليلوز وألياف البولي إيثيلين من بوليمر البولي إيثيلين. وتصلح البوليمرات لصناعة الخيوط إذا كانت قوى التماسك بين جزيئاتها كبيرة وسلاسلها خطية، ومقاومة للحرارة والضوء والأكسدة والتحلل، وتقبل الأصباغ وتمتص الرطوبة (مثل البوليستر).

استخدم الإنسان الألياف الطبيعية منذ القدم، ثم بدأ باستخدام الصناعية مع بداية القرن العشرين بسبب تزايد عدد السكان وتأثر الطبيعية بالطقس والحاجة لاستغلال الأرض في إنتاج الغذاء.

١. الألياف الطبيعية

أ. النباتية (السليلوزية): القطن والكتان والقنب؛ السليلوز مكونها الرئيس. القطن أكثر مرونة من الكتان لارتفاع نسبة السليلوز على هيئة سلاسل قابلة للاستطالة.

ب. الحيوانية (البروتينية): البروتين مكونها الرئيس.

الصوف: ليف شعري متين، يمتص الرطوبة ويعزل حرارياً. تؤدي الحرارة العالية والماء إلى انكماشه (التلبّد) بسبب التصاق الألياف وتشابكها وفقد المسامات الهوائية فلا يعود لأصله.

الحرير: ليف إفرازي تفرزه الغدتان اللعابيتان ليرقة دودة القز على شكل سائل هلامي يجف ويتصلب بملامسة الهواء. تُعرَّض الشرانق لبخار الماء أو الماء الساخن لقتل الفراشة قبل خروجها كي لا تتقطع الخيوط، ثم يُفكّ الحرير يدوياً أو صناعياً.

ج. المعدنية: الأسبستوس (الأسبست) من بعض الصخور، قوية وغير قابلة للاحتراق، استُعملت في ملابس رجال الإطفاء وخراطيم المياه. لكنها شديدة الخطورة على الصحة عند استنشاقها أو ابتلاعها إذ تسبب سرطان الرئة، وقد أوصى الاتحاد الأوروبي بحظر استخداماتها.

٢. الألياف الصناعية

تُصنَّع من مواد لم تكن شعيرات جاهزة للغزل. درس المختصون تركيب القطن والحرير والصوف وحضّروا بوليمرات ذات سلاسل طويلة مناسبة. كانت أولى المحاولات للكيميائي شاردونيه بمعالجة القطن بخليط من الكيماويات والكحول ثم تمريره عبر ثقوب صغيرة، فتبخر الكحول وبقيت الألياف، وسُميت الحرير الصناعي (الرايون). ثم ظهرت ألياف النايلون (بريق حريري وقوة وتحمّل، تدخل في الجوارب والملابس) والبوليستر (متانة ومرونة ومقاومة للاهتراء والتجعد، للمفروشات كالستائر والأغطية).

المصطلحات

أسئلة التقويم

الملخص

• الألياف طبيعية (نباتية، حيوانية، معدنية) وصناعية.
• الصوف يتلبد والحرير إفرازي.
• الأسبستوس خطر على الصحة.

6طرق صناعة الخيوط من البوليمرات Making Threads from Polymers

يُحوَّل البوليمر إلى خيوط بدفعه عبر فتحات دقيقة ثم تثبيت الخيط:

المصطلحات

أسئلة التقويم

الملخص

• صهر، جافة، رطبة.
• الصهر بلا مذيب، الجافة والرطبة بمذيب.

7صفات الألياف Properties of Fibers

1. درجة التوصيل للحرارة: بعض الألياف كالصوف تحبس الهواء فلا تسمح بانتقاله، فتصلح للعزل الحراري في البناء والمفارش والأغطية.
2. المتانة: تحمل القوى دون أن تنقطع، وهي مهمة لشباك الصيد وشعيرات فراشي الأسنان (البولي إيثيلين).
3. المرونة: استعادة الشكل بعد زوال المؤثر، كالقطن والسباندكس.
4. الامتصاص: القدرة على احتواء السوائل، وهي عالية في الطبيعية كالقطن.
5. اكتساب الألوان: القدرة على الالتصاق بالمواد الملونة، وهي ضرورية للملابس.
6. التأثر بالمواد الكيميائية: الطبيعية، وخاصة الحيوانية كالصوف، أكثر تأثراً من الصناعية كالنايلون.
7. مقاومة النار والحرارة العالية: قدرة على مقاومة النار فترات طويلة وعدم الاشتعال، وتستخدم في ملابس رجال الإطفاء.

حساب نسبة الامتصاص: نسبة الامتصاص = (كتلة القماش رطباً − كتلة القماش جافاً) ÷ كتلة القماش جافاً × 100%. إذا كانت النسبة 5% أو أكثر فالقماش من ألياف طبيعية عالية الامتصاص كالقطن، وإن كانت أقل من 5% فمن ألياف صناعية قليلة الامتصاص كالنايلون.

مثال: كتلة قماش جافاً 200 غم ورطباً 220 غم ⇒ النسبة = (220−200)/200×100 = 10% ⇒ قماش من ألياف طبيعية.

المصطلحات

أسئلة التقويم

الملخص

• سبع صفات: توصيل الحرارة، متانة، مرونة، امتصاص، ألوان، تأثر كيميائي، مقاومة نار.
• نسبة الامتصاص = (رطب − جاف)/جاف × 100.

8الألياف البصرية Optical Fibers

الألياف البصرية (الضوئية) شعيرات رفيعة جداً وطويلة من الزجاج النقي وبعض أنواع البلاستيك، تُجمَّع في حزم مغطاة بمادة بلاستيكية (كيبلات)، وتستخدم في نقل الإشارات الضوئية في أنظمة الاتصالات الحديثة.

مكونات الليف الضوئي

1. القلب: زجاج رفيع فائق النقاء هو المسار الذي تنتقل عبره الإشارات الضوئية.
2. العاكس: المادة المحيطة بالقلب، من زجاج يعكس الضوء باستمرار ليبقى داخل القلب.
3. الغلاف الواقي: غلاف بلاستيكي يحمي الليف.

مبدأ العمل

تُحوَّل الإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية في جهاز الإرسال، فتنتقل في الألياف، ثم تُحوَّل في النهاية إلى إشارات كهربائية في جهاز الاستقبال.

الميزات والاستخدامات

تتميز عن أسلاك التوصيل العادية بقدرتها الفائقة على نقل المعلومات، وهي محصّنة ضد التشويش والتداخل فتصل الإشارات واضحة وآمنة، صغيرة الحجم خفيفة الوزن، لا تحتاج طاقة كبيرة لأن الفقد أثناء التوصيل قليل، ولا تتأثر بالبرق والصواعق. تُستخدم في شبكات الاتصالات والحاسوب، وفي الكاميرات الرقمية المتعددة كالتصوير الطبي، وكمجسّات لتحديد التغير في الحرارة والضغط.

المصطلحات

أسئلة التقويم

الملخص

• قلب وعاكس وغلاف واقي.
• إشارات كهربائية ← ضوئية ← كهربائية.
• تُستخدم في الاتصالات والتصوير الطبي والمجسات.

الخريطة المفاهيمية

الاختبار النهائي (30 سؤالاً)

المراجع

• المصدر الأساسي: الفصل الأول «البوليمرات»، الوحدة المرفقة (ثقافة توجيهي).
• American Chemical Society — Polyethylene (مقترح).
• IARC Monographs, Vol. 100C: Asbestos.
• NobelPrize.org — Physics 2009 (Charles K. Kao).
• IUPAC Gold Book؛ Science History Institute؛ Encyclopaedia Britannica.

ملاحظة: مراجع الإثراء مقترحة للتحقق وتحتاج مراجعة قبل النشر.