Polimer moleküllerinin genel yapısı

Polimerlerin özünde birer organik bileşik olduklarını konuya giriş yaparken belirtmiştik. Önceki konu başlıklarında bahsettiğimiz organik bileşiklerden farklı olarak polimerler, çok uzun karbon zincirlerinden oluşuyor. Polimerler zincirleri, birbirlerine kovalent bağ ile bağlanan karbon atomlarından ve bu karbon atomlarına yine kovalent bağ ile bağlanan farklı atomlardan meydana geliyor. Her bir zincir diğer zincirlere ise, kovalent bağa kıyasla çok daha düşük kuvvette bir çekim yaratabilen Van der Waals etkileşimi ile bağlanıyor. Bu etkileşim sayesinde her bir zincir bir yumak misali iç içe geçerek, makroskobik boyuttaki polimer yapısını meydana getiriyor.


mühendishane video
Not: Bu içeriği genişletilmiş haliyle video olarak da izleyebilirsiniz. Dersler başlığı altındaki Temel Malzeme Dersleri video listesine göz atmak için resme tıklayın.


Polimer zincirleri çok fazla sayıda karbon atomundan oluşmaları nedeniyle diğer organik bileşiklerden ayrılıyorlar. Çok fazla sayıda karbon içermeleri nedeniyle polimerleri isimlendirirken, önceki konu başlıklarında yaptığımız gibi, bileşiğin içerdiği karbon sayısını göz önüne alamıyoruz. Karbon atomlarını saymak yerine, bileşiğin çok fazla sayıda karbon içerdiğini belirtmek için, bileşiklerin adının başına “çok” anlamına gelen poli- ekini getiriyoruz:

Bu kadar uzun karbon zincirlerinin nasıl oluştuğunu anlamak için öncelikle radikal adını verdiğimiz atom ve moleküllerden bahsetmemizde fayda var. Bağ oluşumuna katılmamış serbest elektrona sahip atom ve moleküllere radikal adını veriyoruz. Radikallere örnek olarak klor gazının morötesi ile parçalanmasıyla oluşan atomik klor radikallerini gösterebiliriz:

Bu tepkimenin sağında gösterilen klor atomlarının yanlarındaki noktalar, bu atomların eşleşmemiş birer elektrona sahip olduğunu, yani birer radikale dönüştüklerini gösteriyor. Radikaller bu örnekteki gibi sadece atomlardan değil, bileşiklerden de meydana gelebiliyor. Örneğin bir metan gazı (CH4) molekülündeki karbon atomu dört yerine üç hidrojen atomuna bağlandığında, karbon atomunun sahip olduğu dördüncü dış yörünge elektronu bağ kuramadığı için, molekül aşağıda gösterildiği şekilde radikalleşebiliyor:

Bu bileşiğin yanındaki nokta, yukarıdaki örnekte olduğu gibi, bileşiğin eşleşmemiş bir elektrona sahip olduğunu; yani, bir radikal olduğunu ifade ediyor.

Şimdi bu radikallerin uzun polimer zincirlerinin oluşumunu nasıl sağladıklarına bakalım. Basit bir yapıya sahip olması nedeniyle, iki karbon atomuna sahip etilen gazını ele alalım.

Yukarıdaki yapı, oda sıcaklığında gaz fazında bulunan etilene ait tek bir molekülü gösteriyor. Polimerleşme sürecini daha rahat gözümüzde canlandırabilmek için, oda sıcaklığındaki bir kap içinde bir miktar etilen gazı olduğunu düşünelim. Kap gazla dolu olduğuna göre, yukarıda bir örneği gösterilen molekülden kap içinde çok fazla sayıda bulunacağını gözümüzde canlandırabiliriz. Ardından, bu kap içine bir radikal atomu ya da molekülü eklediğimizi varsayalım. Kolaylık sağlaması açısından bu radikali “R” ile gösterelim. Eşleşmemiş bir elektrona sahip olması nedeniyle bu radikal bağ kurmaya çok hevesli olacak; yani, eşleşmemiş elektronunu paylaşarak kararlı duruma geçmek isteyecek. Şimdi, kap içine eklenen radikalin kap içindeki etilen moleküllerinden biriyle tepkimeye girdiğini düşünelim. Bu moleküllerden biri bir radikal ile tepkimeye girdiğinde, tepkime sonucunda oluşan molekül de bir radikal haline gelecek; yani, eşleşmiş bir elektrona sahip olacak.

Bunun nedeni, etilenin bir alken olması nedeniyle, moleküldeki iki karbon atomu arasında çift bağ bulunuyor olması. Radikalin bu karbon atomlarından birine eklenebilmesi için, iki karbon atomu arasındaki çift bağın tek bağa dönüşmesi gerekiyor. Bu dönüşüm sonrasında radikale bağlanan karbon atomu dört bağ kurabilse de, radikale bağlanmayan diğer karbon atomunun eşleşmiş bir elektronu kalıyor. Böylece bütün bileşik bir radikal haline geliyor. Polimerin üzerine eklenerek oluşacağı bu kök yapıya organik kimyada mer adını veriyoruz. Bu noktadan sonra, bu çekirdek yapıya etilen moleküllerinin teker teker eklenmesiyle çoklu mer zinciri, yani polimer kurulmaya başlıyor:

Polimerleşme sırasında çekirdek yapının sahip olduğu eşleşmemiş elektron, her bir molekülün eklenmesiyle bir sonraki moleküle transfer edilerek molekülün büyümesini sağlıyor.

Tepkimenin bu işleyişle devam etmesi sonucunda, çok fazla sayıda karbon atomundan oluşan polietilen molekülünü (aşağıdaki resim) elde edebiliyoruz.

Şimdi, farklı bir örnek olarak, iki karbon atomuna ek olarak üç hidrojen, bir de klor atomu içeren vinil klorür bileşiğini ele alalım.

Aynı şekilde, bu molekülü de bir radikal ile tepkimeye soktuğumuzda, yukarıdaki örnekte olduğu gibi, zincirin büyümesini sağlayabiliyoruz.

Bu tepkime sonucunda, yine çok fazla sayıda karbon atomunun çekirdek yapıya eklenmesiyle, kapı ve pencere profillerinde sıklıkla kullandığımız polivinil klorür (PVC) molekülüne ulaşabiliyoruz.

Günlük hayatta kullandığımız polimer malzemeler, bu örneklere benzer çok fazla sayıda zincirin iç içe geçmesiyle elde ediliyor. Aşağıdaki tabloda, yaygın olarak kullanılan bazı polimer çeşitleri, tekrarlayan kimyasal yapı gösterimleriyle birlikte veriliyor. Bütün bir zincir boyunca tek bir tür tekrarlayan yapı içeren bu tür polimerlere homopolimer (İngilizce: homopolymer) adını verdiğimizi parantez içinde belirtelim.

og30

Polimer malzemeleri, kaba bir tarifle, polimer zincirlerinin iplik yumağı misali iç içe geçmesiyle oluşmuş gibi gözümüzde canlandırabiliriz. Bu zincirlerin birer molekül olmaları nedeniyle, her biri sadece birkaç atom mesafesi kalınlığına sahip oluyor.

Resim: Yurko, Creative Commons (CC BY-SA 3.0)

Örnek olarak yukarıdaki resimde bazı polimer zincirlerinin atomik kuvvet mikroskobuyla (İngilizce: atomic force microscopy – AFM) çekilmiş görüntüleri gösteriliyor. Resimde gösterilen zincirlerin ortalama uzunlukları yaklaşık 200 nm, kalınlıkları ise 0.4 nm civarında. Bu ebattaki moleküller yün yumağı misali birbirlerine dolandıklarında aralarında nispeten zayıf bir bağ olan Van der Waals etkileşimi gerçekleşiyor. Bu zayıf etkileşimin aksine, her bir zincir içindeki atomların çok daha güçlü kovalent bağlarla birbirlerine bağlandıklarını tekrar hatırlatalım.


Devamı: