פולימרים – החומרים ששינו את העולם

מאז ומתמיד נהגו בני האדם להשתמש בחומרי גלם טבעיים וליצור מהם חפצים וחומרים שתרמו משמעותית לאיכות חייהם. אולם במהלך המאה ה-19 חלו כמה אירועים משמעותיים שהשלכותיהם מוכרות לנו היטב. האירועים האלה סימנו את תחילתה של מהפכה גדולה. מהפכה שהפכה אותנו מצרכנים שתלויים בחומרי גלם טבעיים לכאלה שיכולים לייצר חומרים חדשים בעלי תכונות מופלאות. החומרים האלה נקראים פולימרים.

בשנת 1844 רשם הממציא האמריקני צ'רלס גודייר (כן, אותו אחד שעל שמו נקראת חברת הצמיגים המפורסמת Goodyear) פטנט על ריאקציה בין גומי טבעי לגופרית בתהליך שנקרא וולקניזציה. כתוצאה מהתהליך הזה השתנו באופן דרמטי תכונותיו של הגומי הטבעי והתקבל גומי אלסטי, חזק ויציב. למרות החשיבות התעשייתית של תהליך הוולקניזציה, גודייר לא בדיוק ידע מהם פולימרים ולכן גם לא באמת הבין מדוע הגומי הטבעי שינה את תכונותיו. למעשה, איש בתקופה ההיא לא ידע להגדיר מהו פולימר ומהן תכונותיו.

את המושג "פולימר" הגה לראשונה ב-1833 הכימאי השבדי ינס ברצליוס שנמנה על אבות הכימיה המודרנית. פירוש מדויק יותר של המושג נתן רק הרבה יותר מאוחר, ב-1922, הכימאי הגרמני הרמן שטאודינגר, שגם זכה בפרס נובל ב-1953 על תרומתו הרבה להבנת תכונותיהם של הפולימרים. בזכות עבודתם של שטאודינגר ושל ממשיכי דרכו אנו יודעים כיום להגדיר בדיוק מהם פולימרים, מהם תכונותיהם ואיך לשלוט עליהן.

הבנת התכונות הכימיות והפיסיקליות של הפולימרים מאפשרת לנו ליצור חומרים מגוונים המותאמים בדיוק לצרכינו האישיים והתעשייתיים. גם במבט חטוף סביבנו יכול כל אחד מאיתנו לזהות מספר רב של חפצי פלסטיק, גומי או ניילון שעשויים מסוגים שונים של פולימרים ולהגיע למסקנה שפולימרים נמצאים בכל מקום.

פולימרים טעימים. חוטי ספגטי המדמים התנהגות של שרשראות פולימר | מקור: Maliflower73, Shutterstock 

הכימיה של הפולימרים

משמעות המילה "פולימר" ביוונית היא הרבה יחידות (פולי=הרבה; מר=יחידה). בכימיה, המושג מתייחס לשרשרת ארוכה או מקרו-מולקולה (מולקולה ענקית) שמורכבת מיחידות חוזרות של מולקולה מסוימת. השרשרת או המולקולה הארוכה נקראת פולימר ואילו המולקולה הקטנה שחוזרת בה שוב ושוב נקראת מונומר (מונו=אחד). תהליך החיבור של המונומרים ליצירת פולימר נקרא "ריאקציית פִּילְמוּר".

אפשר לדמיין את הפולימר כרכבת המכילה מאה קרונות זהים לחלוטין. הקרון הוא המונומר והרכבת כולה היא הפולימר. בזמן נסיעה, וכדי לשמור על שלמות הרכבת הקרונות חייבים להיות מחוברים יחד בצורה חזקה ויציבה מאוד. באותו אופן גם יציבותו וחוזקו של הפולימר מתאפשרים בזכות זה שהמונומרים קשורים זה לזה בקשרים קוולנטיים חזקים מאוד.

בדרך כלל שמו של פולימר נקבע לפי המונומר המרכיב אותו יחד עם התחילית "פולי". פוליסטירן, לדוגמה, הוא פולימר המורכב מיחידות חוזרות של המונומר סטירן.

כשמספר המונומרים גדול, מציינים בנוחסה את מספר היחידות החוזרות

הגודל כן קובע

פולימרים אינם מולקולות רגילות. לרוב למולקולות יש גודל ומבנה קבוע וידוע מראש, אולם הפולימרים הם מולקולות ארוכות מאוד ללא אורך ספציפי. פוליסטירן, למשל, יכול להיות מורכב משש יחידות חוזרות של סטירן או ממיליון כאלה, ובשני המקרים המולקולה תקרא באותו שם. אך האם התכונות של פוליסטירן קצר וארוך תהיינה זהות?

במקרה הזה הגודל כן קובע – שרשראות ארוכות וקצרות לא יחלקו את אותן תכונות למרות הרכבן הכימי הזהה. כדי להבין מניין בא ההבדל נתכנן מעין ניסוי דמיוני שימחיש זאת. דמיינו לרגע ששרשראות הפולימר הן חוטי ספגטי שמהם נכין שתי צלחות – אחת עם חוטי ספגטי ארוכים והשנייה עם חוטי ספגטי קצרים. אם תנסו להוציא חוט ספגטי אחד בלבד מכל צלחת תגלו עד מהרה שהוצאת חוט ספגטי ארוך תהיה הרבה פחות פשוטה מהוצאת חוט ספגטי קצר. מדוע?

אף שהם עשויים מאותו חומר בדיוק, חוטי הספגטי הארוכים מתלפפים זה סביב זה ויוצרים מערכת סבוכה שמקשה על הוצאת חוט בודד. בנוסף, כשמתחילים למשוך החוצה את חוט הספגטי הארוך, נוצר בינו לבין חוטי ספגטי נוספים חיכוך שמקשה על הוצאתו. חוטי הספגטי הקצרים, לעומת זאת, כמעט לא מתלפפים זה סביב זה ולכן גם החיכוך שנוצר בהוצאת חוט קצר יהיה הרבה יותר קטן.

בהקשר זה, פולימרים אינם שונים בהרבה מאותם חוטי ספגטי. ככל ששרשראות הפולימר תהינה ארוכות יותר כך הן תתלפפנה יותר ומספר האינטראקציות ביניהן יהיה רב יותר. מההתנהגות הייחודית הזו נובעות התכונות השונות של החומרים המורכבים מפולימרים, כגון צמיגות, אלסטיות, חוזק, טמפרטורת התכה, צפיפות ועוד, בהתאם לאורך הפולימר.

ריאקציית הפילמור של פוליאתילן

פולימרים בחיינו

פולימרים נמצאים בגופנו, באוכל שאנו אוכלים, בבגדים שאנו לובשים ובמוצרים שאנו משתמשים ובלעדיהם חיינו באמת לא יהיו אותו דבר.

גופנו מורכב מפולימרים חשובים כמו חלבונים, סוכרים ועוד. אך אין ספק שהפולימר החשוב ביותר עבורנו הוא ה-DNA, המורכב מארבעה מונומרים שונים שנקראים חומצות גרעין. יחד יוצרות ארבע חומצות הגרעין הללו קודים שאפשר לתרגם לחלבונים האחראים על הנעת התהליכים בגופנו.

פולימרים שנמצאים באופן טבעי בגופנו או בטבע מכונים פולימרים טבעיים. בנוסף להם קיימת קבוצה גדולה נוספת של פולימרים מלאכותיים שנקראים פולימרים סינתטיים. בין אלה נכללים סוגים רבים של פולימרים שמאפשרים להכין שקיות ניילון, מוצרי פלסטיק מגוונים, גומי, קלקר, דבק, צבעים, ציפויים ועוד. תכונותיהם מתקבלות כתוצאה משימוש בפולימרים מסוגים שונים ובאורכים שונים.

פוליאתילן הוא דוגמה מצוינת לפולימר סינתטי ששינה את עולמנו. הוא מורכב מיחידות חוזרות של המולקולה אתילן, ועלותו הזולה, משקלו הקל והיכולת לשלוט בתכונותיו על ידי שינוי אורכו הופכים אותו לאחד הפולימרים המרכזיים בחיינו. בקבוקי פלסטיק, שקיות ניילון, צינורות פלסטיק, צעצועי פלסטיק ואפילו שתלים אורתופדיים, כל אלה הם רק רשימה חלקית של מוצרים שאפשר להכין מפוליאתילן.

רוב השקיות במכולת עשויות פוליאתילן. שקית תפוחים | מקור: New Africa, Shutterstock

עולם חדש מופלא (וזול)

השימוש בפוליאתילן פתח לנו עולם חדש של מוצרים מגוונים, עמידים וזולים ששינו את חיינו בצורה דרמטית. אולם, אחת הבעיות המרכזיות שהתעוררו בעקבות השימוש הנרחב בו היא בעיית הזיהום הסביבתי. בטבע, פולימרים טבעיים ופולימרים סינתטיים מסוימים יכולים לעבור פירוק מלא על ידי בקטריות שמונעות את הצטברותם. לעומת זאת, בגלל הקשרים החזקים בין היחידות החוזרות של הפוליאתילן פירוקו בטבע אטי מאוד ולכן הוא מצטבר ומזהם את הסביבה. כיום, ישנה מודעות רבה יותר לסביבה והדרך היעילה ביותר למנוע את הצטברותו של הפוליאתילן היא באמצעות מיחזור.

המרדף שהחל באמצע המאה ה-19 אחרי חומרים בעלי תכונות חדשות ומגוונות הוביל למהפכה של ממש עם גילוי הפולימרים. כיום, השימוש בהם נרחב עד כדי כך שאפשר למצוא אותם בכל מקום, מצעצועים ועד תרופות. במוסדות האקדמיים בעולם חוקרים בהרחבה רבה את הפולימרים בתחומי הכימיה, הפיסיקה והביולוגיה. אולם הדרישה הגוברת למוצרים חדשים מתבטאת בייצור גובר והולך של פולימרים משנה לשנה, שמוביל לזיהום הסביבה.

מפגעים סביבתיים רבים הפוגעים ביצורים יבשתיים וימיים הם נוצרים כתוצאה מהצטברות מוצרים שעשויים מאותם פולימרים שהשימוש בהם תורם רבות לחיינו. לכן, כדי להמשיך וליהנות מהיתרונות הרבים שמספקים לנו הפולימרים עלינו לחשוב גם על עתידנו ועתיד הטבע הנפלא שמקיף אותנו ולמחזר. אז בפעם הבאה שתשמעו את המילה פולימר, אל תחששו או תתבלבלו – פשוט תחשבו עליהם כספגטי!