خلاصه درس فصل ۳ شیمی یازدهم؛ درسنامه و نکات مهم

از پوشش تا حفاظت

اگر قرار باشد کنار یک کوره کار کنی، آیا همان لباس روزمره کافی است؟ این موقعیت نشان می‌دهد که پوشاک فقط برای پوشاندن بدن نیست؛ از ما محافظت هم می‌کند.

حتی پوشش‌های ساده هم نقش حفاظتی دارند: کلاه لبه‌دار تابش مستقیم آفتاب به صورت را کمتر می‌کند و کفش، پا را از تماس با سنگ و زمین داغ حفظ می‌کند. اما خطرهای ویژه، پوشش‌های ویژه می‌خواهند؛ مثلاً آتش‌نشان به لباسی نیاز دارد که در برابر گرما و آتش از بدنش محافظت کند. ساخت چنین پوشاکی به دانش و فناوری نیاز دارد.

از سوی دیگر، با افزایش جمعیت، افراد بیشتری به لباس نیاز پیدا کردند. روش‌های سنتی دیگر نمی‌توانستند به‌اندازهٔ کافی پوشاک تولید کنند؛ پس تولید صنعتی گسترش یافت. اما داشتن دستگاه‌های بیشتر به‌تنهایی کافی نبود: برای تولید پوشاک بیشتر، باید الیافِ مورد نیاز آن هم تأمین می‌شد. الیاف همان رشته‌هایی هستند که برای تهیهٔ نخ و پارچه به کار می‌روند.

الیاف طبیعی و ساختگی

به برچسب یک لباس نگاه کن: ممکن است نام پنبه، پشم، پلی‌استر یا نایلون را ببینی. پنبه و پشم منشأ طبیعی دارند؛ پنبه از گیاه و پشم از جانور به دست می‌آید. اما با افزایش جمعیت و مصرف پوشاک، منابع طبیعی دیگر نمی‌توانستند به‌تنهایی الیاف کافی فراهم کنند.

شیمی‌دان‌ها برای پاسخ به این نیاز، با استفاده از مواد اولیهٔ نفتی، الیاف تازه‌ای ساختند. الیاف ساختگی مانند نایلون و پلی‌استر، از واکنش‌های شیمیایی تولید می‌شوند؛ یعنی این الیاف به همان صورت در طبیعت یافت نمی‌شوند. پس ساختن آن‌ها فقط تغییر شکل دادن پشم یا پنبه نیست؛ مواد شیمیایی در واکنش‌ها به مواد تازه تبدیل می‌شوند.

کاربرد این الیاف هم به لباس محدود نیست. مثلاً پلی‌استر می‌تواند در پارچهٔ پیراهن، پرده یا فرش به کار برود. بنابراین، شیمی علاوه بر تأمین پوشاک، در ساخت بسیاری از وسایل اطراف ما نقش دارد.

درون یک رشتهٔ پنبه

وقتی به لباس پنبه‌ای نگاه می‌کنی، پارچه را می‌بینی؛ اما اگر بتوانیم به درون رشته‌های پنبه سفر کنیم، به مولکول‌های سلولز می‌رسیم. پس پنبه فقط در لباس کاربرد ندارد؛ پنبهٔ گاز استریل و رویهٔ بعضی مبل‌ها هم از همین ماده ساخته شده است.

هر مولکول سلولز را مانند یک گردنبند بسیار بلند تصور کن: بخش‌های سازندهٔ این زنجیر، با اتصال تعداد زیادی مولکول گلوکز به یکدیگر به وجود آمده‌اند. این تشبیه فقط برای تصور اتصال بخش‌هاست؛ مولکول‌ها واقعاً مهرهٔ گردنبند نیستند!

اینجا دو مقیاس را از هم جدا کن: رشتهٔ پنبه از تعداد زیادی مولکول سلولز ساخته شده است؛ هر مولکول سلولز نیز خودش زنجیری بلند است. بنابراین یک رشتهٔ پنبه، یک مولکول تنها نیست.

بلند و بزرگ بودن مولکول سلولز هم نسبت به مولکول‌های کوچک است؛ حتی این مولکول بزرگ را نمی‌توان با چشم دید.

درشت‌مولکول و بسپار

آب و سلولز هر دو از مولکول‌ها ساخته شده‌اند، اما مولکول‌هایشان هم‌اندازه نیستند! مولکول آب کوچک و کم‌اتم است؛ در مقابل، هر مولکول سلولز شمار بسیار زیادی اتم دارد. به مولکول‌هایی با اندازۀ بسیار بزرگ و جرم مولی بسیار زیاد، درشت‌مولکول می‌گوییم. البته «بسیار بزرگ» در مقایسه با مولکول‌های کوچک است، نه به معنی دیده‌شدن با چشم!

درشت‌مولکول‌ها فقط ساختهٔ انسان نیستند: سلولز و نشاسته طبیعی هستند، ولی پلی‌اتن و نایلون ساختگی‌اند. پس طبیعی یا ساختگی بودن، ملاک تشخیص درشت‌مولکول نیست.

حالا یک گردنبند بلند با مهره‌های تکراری را تصور کن. در ساختار بسپار یا پلیمر هم بخش‌هایی بارها تکرار شده‌اند. سلولز، نشاسته و پلی‌اتن نمونه‌هایی از بسپارها هستند. بنابراین، «درشت‌مولکول» توجه ما را به بزرگی مولکول جلب می‌کند و «بسپار» به ساختاری با بخش‌های تکرارشونده.

یک نکتهٔ مهم: سلولز و نشاسته هر دو از اتصال گلوکزها ساخته می‌شوند، اما تفاوت ساختارشان باعث می‌شود خواص یکسانی نداشته باشند.

از اتن تا پلی‌اتن

چطور از گاز اتن، ماده‌ای جامد برای ساخت کیسه‌های پلاستیکی به دست می‌آید؟ راز آن، وصل‌شدن مولکول‌های کوچک و ساختن زنجیرهای بلند است؛ واکنشی که «بسپارش» نام دارد.

اتن با فرمول $\mathrm{CH_2{=}CH_2}$ میان دو اتم کربن خود پیوند دوگانه دارد. در شرایط مناسبِ گرما، فشار و حضور کاتالیزگر، یکی از دو پیوندِ این پیوند دوگانه باز می‌شود و امکان اتصال مولکول‌های اتن به یکدیگر فراهم می‌شود:

$n\,\mathrm{CH_2{=}CH_2}\xrightarrow{\text{گرما، فشار و کاتالیزگر}}\left[-\mathrm{CH_2-CH_2}-\right]_n$

در این نمایش، $n$ نشان‌دهندهٔ شمار زیاد مولکول‌های اتنِ شرکت‌کننده در ساخت یک زنجیر است. محصول، پلی‌اتن است؛ زنجیری بلند با جرم مولی بسیار بیشتر از اتن.

در زنجیر پلی‌اتن، هر کربن با چهار پیوند یگانه به چهار اتم دیگر متصل است؛ بنابراین پلی‌اتن هیدروکربنی سیرشده است. پس بزرگ‌شدن مولکول به معنی بیشترشدن پیوندهای دوگانه نیست؛ اینجا زنجیر بلندتر می‌شود، اما پیوندهای میان کربن‌ها یگانه‌اند.

از مولکول کوچک تا زنجیر بلند

چطور ممکن است از یک گاز، جامدی با مولکول‌های بسیار بزرگ ساخته شود؟ راز ماجرا در وصل شدن مولکول‌های کوچک به یکدیگر است.

مهره‌هایی را تصور کن که با اتصال به هم یک رشتۀ بلند می‌سازند. در پلیمری شدن یا بسپارش هم مولکول‌های کوچک، در شرایط مناسب، با واکنش شیمیایی به یکدیگر متصل می‌شوند. حاصل، مولکول‌هایی زنجیربلند با جرم مولی زیاد است؛ نه فقط جمعی از مولکول‌های کوچک کنار هم!

برای نمونه، با گرم کردن گاز اتن در فشار بالا و شرایط مناسب، جامد سفیدرنگی به نام پلی‌اتن تولید می‌شود. هر مولکول این ماده هزاران اتم کربن و هیدروژن دارد؛ به همین دلیل آن را درشت‌مولکول می‌نامیم.

پس هنگام بسپارش، مولکول‌های کوچک صرفاً فشرده یا کنار هم چیده نمی‌شوند؛ آن‌ها به هم پیوند می‌خورند و مولکول‌های بزرگ‌تری می‌سازند.

پیوندها چگونه تغییر می‌کنند؟

چطور مولکول‌های اتن به هم وصل می‌شوند، بدون اینکه کربن بیش از ظرفیتش پیوند بدهد؟ به ساختار اتن نگاه کن: $\mathrm{CH_2=CH_2}$. هر کربن به دو هیدروژن و یک کربن متصل است؛ اما چون پیوند میان کربن‌ها دوگانه است، هر کربن در مجموع چهار پیوند اشتراکی دارد.

هنگام بسپارش، یکی از دو پیوند میان کربن‌ها شکسته می‌شود؛ نه اینکه اتصال آن دو کربن کاملاً قطع شود. پیوند میان آن‌ها یگانه می‌شود و پیوندهای تازه‌ای با کربن‌های مولکول‌های کناری شکل می‌گیرد. بخشی از زنجیر حاصل چنین است:

$\mathrm{\cdots-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-\cdots}$

حالا هر کربنِ درون زنجیر، با چهار پیوند یگانه به دو هیدروژن و دو کربن وصل است. پس پلی‌اتن هیدروکربنی سیرشده است؛ برخلاف اتن، در زنجیر آن پیوند دوگانۀ کربن ـ کربن نداریم.

کیسۀ پلی‌اتنی نمونه‌ای روزمره از این تغییر است: مولکول‌های کوچک اتن با بازآرایی پیوندها، زنجیرهای بلند می‌سازند؛ نه با چسبیدن ساده و بدون تغییر پیوندها.

مونومر و واحد تکرارشونده

برای ساختن یک گردن‌بند، مهره‌های جدا را به هم وصل می‌کنی. در بسپارش هم مولکول‌های کوچکِ آغازین به هم متصل می‌شوند؛ به این واکنش‌دهنده‌ها مونومر یا تک‌پار می‌گوییم. مثلاً مونومرِ سازندۀ پلی‌اتن، اتن است.

اما واحد تکرارشونده، بخشی از ساختار زنجیر پلیمر است که بارها پشت سر هم دیده می‌شود. در پلی‌اتن، مونومر و واحد تکرارشونده را این‌طور مقایسه کن:

• مونومر اتن: $\mathrm{CH_2=CH_2}$
• واحد تکرارشونده در زنجیر: $\mathrm{-CH_2-CH_2-}$

پس مونومر و واحد تکرارشونده را یکی ندان؛ پیوند میان کربن‌ها در آن‌ها متفاوت است.

برای نمایش پلی‌اتن می‌نویسیم: $\left[\mathrm{-CH_2-CH_2-}\right]_n$. کمانک، بخش تکراری زنجیر را مشخص می‌کند و زیروند $n$ نشان‌دهندۀ شمار تکرار آن است. چون زنجیرهای تولیدشده لزوماً هم‌اندازه نیستند و شمار دقیق واحدهایشان مشخص نیست، یک فرمول مولکولی دقیق و یکسان برای همۀ آن‌ها نمی‌نویسیم.

کدام مولکول‌ها بسپار می‌شوند؟

آیا هر مولکول کوچکی می‌تواند مانند اتن، زنجیر پلیمری بسازد؟ برای شرکت در این نوع بسپارش، ترکیب آلی باید در زنجیر کربنی خود پیوند دوگانۀ کربن ـ کربن، یعنی $\mathrm{C=C}$، داشته باشد. در شرایط مناسب، این پیوند امکان اتصال مولکول‌ها به یکدیگر را فراهم می‌کند. پس کوچک بودن مولکول، به‌تنهایی کافی نیست!

برای تشخیص، به نوع اتم‌های دو سوی پیوند دوگانه دقت کن؛ وجود هر پیوند دوگانه‌ای کافی نیست، بلکه باید بین دو اتم کربن باشد.

با تغییر مونومر، ساختار و ویژگی‌های پلیمر هم تغییر می‌کند. مثلاً پروپن، پلی‌پروپنِ مورد استفاده در ساخت سرنگ را می‌سازد و استیرن، مونومر پلی‌استیرنِ مورد استفاده در برخی ظروف یک‌بارمصرف است. بنابراین، تفاوت وسایل پلاستیکی اطرافت فقط در شکل و رنگشان نیست؛ مادۀ سازندۀ آن‌ها هم می‌تواند متفاوت باشد.

تفلون؛ از کشف تا کاربرد

راز کپسولی که گاز از آن بیرون نمی‌آمد، چه بود؟ پلانکت با اندازه‌گیری جرم فهمید مادۀ داخل کپسول ناپدید نشده است. او با بررسی بیشتر دریافت که گاز تترافلوئورواتن به جامدی به نام تفلون تبدیل شده است؛ یعنی مولکول‌های گاز با بسپارش، زنجیرهای پلیمری ساخته بودند.

مونومر تفلون، $\mathrm{CF_2=CF_2}$، پیوند دوگانۀ کربن ـ کربن دارد و واحد تکرارشوندۀ پلیمر آن $\mathrm{-CF_2-CF_2-}$ است.

اما چرا این پلیمر کاربردهای زیادی دارد؟ ویژگی‌های ماده، کاربرد آن را تعیین می‌کنند: تفلون نقطۀ ذوب بالایی دارد و در برابر گرما مقاوم است؛ از نظر شیمیایی بی‌اثر است و در حلال‌های آلی حل نمی‌شود؛ همچنین سطحی نچسب دارد. برای مثال، مقاومت گرمایی و نچسب بودن، آن را برای پوشش نچسب ظرف‌های پخت‌وپز مناسب می‌کنند.

پس کشف تفلون فقط یک اتفاق نبود؛ کنجکاوی و پیگیری پلانکت باعث شد تغییر گاز به جامد را جدی بگیرد و مادۀ تازه را بشناسد.

از یک معما تا کشف تفلون

تصور کن شیر کپسول را باز می‌کنی، اما گازی خارج نمی‌شود. آیا کپسول خالی است؟ پلانکت هنگام پژوهش روی سردکننده‌ها با همین معما روبه‌رو شد. ابتدا احتمال داد مسیر خروج گاز بسته باشد؛ ولی بررسی مسیر، مشکل را روشن نکرد.

او به‌جای کنارگذاشتن کپسول، جرم آن را اندازه گرفت. جرم کپسول هنوز به اندازۀ کپسول پر بود؛ پس خارج‌نشدن گاز لزوماً به معنای خالی‌بودن کپسول نبود! برش کپسول نشان داد که درون آن لایه‌ای جامد تشکیل شده است. این برش بخشی از ماجرای پژوهش اوست، نه آزمایشی برای انجام‌دادن در خانه.

بررسی بیشتر نشان داد مولکول‌های گاز تترافلوئورواتن به یکدیگر پیوسته و پلیمر جامدی ساخته‌اند که با نام تجاری تفلون شناخته شد:

$n\,\mathrm{C_2F_4(g)}\longrightarrow[-\mathrm{CF_2-CF_2}-]_n\mathrm{(s)}$

نکتۀ اصلی فقط اتفاقی‌بودن ماجرا نیست: مشاهدۀ غیرمنتظره، وقتی با پرسش، اندازه‌گیری و پیگیری همراه شود، می‌تواند به کشف علمی برسد. مثل وقتی وسیله‌ای روشن نمی‌شود و به‌جای دور انداختنش، علت‌های احتمالی را یکی‌یکی بررسی می‌کنی.

چرا تفلون کاربردی است؟

چرا برای روکش بعضی ظرف‌های پخت‌وپز از تفلون استفاده می‌شود؟ برای انتخاب یک ماده، باید ببینیم ویژگی‌هایش با کاربرد موردنظر سازگار است یا نه. تفلون چند ویژگی مهم را یک‌جا دارد:

• نقطۀ ذوب بالا و مقاومت گرمایی: در برابر گرما مقاوم است؛ پس برای کاربردهایی که با گرما سروکار دارند، مناسب است.
• بی‌اثری شیمیایی: به‌آسانی وارد واکنش شیمیایی نمی‌شود؛ بنابراین در تماس با مواد شیمیایی، پایداری دارد.
• حل‌نشدن در حلال‌های آلی: در این حلال‌ها حل نمی‌شود؛ دقت کن که «حل‌شدن» و «واکنش‌دادن» یک مفهوم نیستند.
• نچسب‌بودن: مواد به‌آسانی به سطح آن نمی‌چسبند؛ این ویژگی در روکش ظرف پخت‌وپز به کار می‌آید.

پس کاربرد گستردۀ تفلون فقط به یک ویژگی وابسته نیست؛ مجموعۀ ویژگی‌های آن مهم است. البته مقاومت گرمایی به معنی تحمل هر دمایی نیست؛ از «مقاوم‌بودن» نباید «آسیب‌ناپذیربودن» را نتیجه بگیریم.

یک مونومر، کالاهای متفاوت

یک کیسۀ پلاستیکی شفاف و یک بطری کدر شیر را تصور کن. ممکن است هر دو از پلی‌اتن ساخته شده باشند؛ پس چرا ظاهر و ویژگی‌هایشان یکسان نیست؟

مونومرِ سازندۀ هر دو، اتن است؛ یعنی مولکول‌های کوچک یکسانی برای ساختن این پلیمرها به کار رفته‌اند. اما یکسان‌بودن مونومر، به‌تنهایی به معنی یکسان‌بودن همۀ ویژگی‌های محصول نیست.

دو نوع مهم پلی‌اتن را این‌طور از هم تشخیص می‌دهیم:

• پلی‌اتن سبک: چگالی کمتری دارد و شفاف است؛ مانند پلی‌اتن به‌کاررفته در برخی کیسه‌های پلاستیکی.
• پلی‌اتن سنگین: چگالی بیشتری دارد و کدر است؛ مانند پلی‌اتن به‌کاررفته در برخی بطری‌های شیر.

اینجا «سبک» و «سنگین» به چگالی اشاره دارند، نه صرفاً به جرم یک وسیله. اگر حجم‌های برابر از این دو نوع پلی‌اتن را مقایسه کنیم، نوع سنگین جرم بیشتری دارد. پس برای مقایسۀ آن‌ها، فقط نام مونومر کافی نیست؛ ویژگی‌های محصول را هم باید بررسی کنیم.

شرایط تولید، ساختار را تغییر می‌دهد

آیا یکسان‌بودن مونومرها کافی است تا پلیمرهای حاصل هم ساختار یکسانی داشته باشند؟ نه؛ شرایط انجام واکنش هم مهم است.

در پلیمری‌شدن اتن، اگر شرایط مناسب باشد، مولکول‌های اتن پشت سر هم به یکدیگر متصل می‌شوند و زنجیرهای بلندِ بدون شاخه می‌سازند. در شرایطی دیگر، اتصال‌ها به شکلی پیش می‌روند که زنجیرهای شاخه‌دار تشکیل می‌شوند. مثل ساختن با قطعه‌های یکسان است: یک بار قطعه‌ها را در یک ردیف می‌چینی و بار دیگر از کنار ردیف هم شاخه‌هایی می‌سازی؛ قطعه‌ها همان‌اند، اما ساختار فرق می‌کند.

انتخاب کاتالیزگر مناسب، بخشی از کنترل فرایند تولید است. زیگلر و ناتا کاتالیزگری یافتند که پلیمری‌شدن اتن را بدون تشکیل شاخۀ فرعی پیش می‌برد؛ دستاوردی مهم برای تولید پلی‌اتن سنگین که جایزۀ نوبل شیمی را برایشان به همراه داشت.

پس برای تولید پلیمر دلخواه، فقط انتخاب مونومر کافی نیست؛ باید روش و شرایط مناسب واکنش را هم پیدا کرد.

از بوی میوه تا الیاف پلی‌استری

بوی آناناس و نخ پلی‌استری در نگاه اول بی‌ارتباط‌اند؛ اما در ساختار مولکول‌هایشان یک نشانۀ مشترک هست: گروه عاملی استر. بو و طعم خوش آناناس به وجود استری به نام متیل بوتانوات مربوط است.

گروه استری را به شکل $\mathrm{-C(=O)-O-}$ می‌شناسیم. به چیدمان اتم‌ها دقت کن: یک اتم کربن با پیوند دوگانه به اکسیژن و با پیوند یگانه به اکسیژن دیگری متصل است. پس تنها دیدن اکسیژن در یک مولکول، برای تشخیص استر کافی نیست؛ نحوۀ اتصال اتم‌ها مهم است.

در پلی‌استر، گروه‌های استری بارها در طول زنجیر بلند پلیمر دیده می‌شوند. از این پلیمرها الیاف و نخ می‌سازند و سپس پارچه تولید می‌کنند. بنابراین، وجه مشترک مادۀ خوش‌بوی آناناس و نخ پلی‌استری، داشتن گروه استری است؛ نه اینکه هر دو پلیمر باشند یا بوی یکسانی داشته باشند!

گروه عاملی و آب‌دوستی

برای شناختن الکل و کربوکسیلیک اسید، اول به گروه عاملی آنها نگاه کن:

• الکل، گروه هیدروکسیل یعنی $\mathrm{-OH}$ دارد؛ مثل اتانول با فرمول $\mathrm{CH_3CH_2OH}$.
• کربوکسیلیک اسید، گروه کربوکسیل یعنی $\mathrm{-COOH}$ دارد؛ مثل استیک اسیدِ موجود در سرکه با فرمول $\mathrm{CH_3COOH}$. دقت کن که کل گروه کربوکسیل را بشناسی؛ وجود بخش $\mathrm{-OH}$ در آن، اسید را الکل نمی‌کند!

این مولکول‌ها را دارای دو بخش تصور کن: گروه عاملیِ قطبی و آب‌دوست، و بخش هیدروکربنیِ ناقطبی و آب‌گریز. گروه قطبی می‌تواند با مولکول‌های آب پیوند هیدروژنی برقرار کند و به حل‌شدن ماده کمک کند.

حالا اگر زنجیر هیدروکربنی بلندتر شود، ولی تعداد گروه‌های عاملی ثابت بماند، سهم بخش آب‌گریز بیشتر می‌شود؛ بنابراین انحلال‌پذیری در آب کاهش می‌یابد. مثلاً اتانول به هر نسبتی با آب مخلوط می‌شود، اما الکلی با هشت اتم کربن و تنها یک گروه هیدروکسیل، انحلال‌پذیری بسیار کمی دارد. پس داشتن گروه هیدروکسیل به‌تنهایی تضمین نمی‌کند که هر الکلی به‌خوبی در آب حل شود.

استری‌شدن و ساخت زنجیر

یک الکل و یک کربوکسیلیک اسید در شرایط مناسب می‌توانند با هم واکنش دهند و استر و آب بسازند؛ این فرایند را «استری‌شدن» می‌نامیم. نمایش کلی آن چنین است:

$\mathrm{RCOOH + HOR' \xrightarrow{H_2SO_4} RCOOR' + H_2O}$

در این نمایش، $\mathrm{R}$ و $\mathrm{R'}$ بخش‌های هیدروکربنی‌اند. گروه $\mathrm{-OH}$ از بخش کربوکسیل اسید و یک هیدروژن از گروه هیدروکسیل الکل، آب را تشکیل می‌دهند و اتصال استری ایجاد می‌شود.

اما چطور به‌جای یک استر کوچک، زنجیری بلند می‌سازیم؟ الکلی با دو گروه هیدروکسیل و اسیدی با دو گروه کربوکسیل انتخاب می‌کنیم. پس از نخستین اتصال، هنوز گروه‌های واکنش‌پذیر باقی می‌مانند؛ بنابراین مولکول‌های بیشتری می‌توانند به آن متصل شوند. مثل مهره‌هایی که از هر دو سر جای اتصال دارند، زنجیر می‌تواند بلندتر شود.

با تکرار این اتصال‌ها و تولید آب، زنجیری با تعداد زیادی گروه استری شکل می‌گیرد: پلی‌استر. الیاف بعضی لباس‌ها و نخ‌های خیاطی از همین خانوادۀ پلیمرها هستند.

پلی‌آمید؛ زنجیری با نیتروژن

در کارت قبل، الکل و اسید را به هم وصل کردیم. حالا اگر به‌جای الکل، آمین داشته باشیم چه می‌شود؟ گروه آمین با گروه کربوکسیل واکنش می‌دهد و با جداشدن آب، گروه آمیدی می‌سازد:

$\mathrm{-C(=O)-NH-}$

به همسایگی اتم‌ها دقت کن: در گروه استری، کربنِ دارای پیوند دوگانه با اکسیژن به یک اکسیژن دیگر متصل است؛ اما در این گروه آمیدی، به نیتروژن متصل شده است.

برای ساخت زنجیری بلند، از دی‌آمین و اسید دوعاملی استفاده می‌کنند. هر مولکول دو جای واکنش دارد؛ پس پس از اتصال نخست، امکان اتصال‌های بعدی باقی می‌ماند. با تکرار این فرایند، زنجیری با گروه‌های آمیدی فراوان، یعنی پلی‌آمید، شکل می‌گیرد.

پلی‌آمیدها فقط ساختۀ کارخانه نیستند؛ پروتئین‌های مو و پشم هم پیوندهای آمیدی دارند. کولار نمونه‌ای ساختگی است که به دلیل استحکام زیاد در لباس‌های محافظ و جلیقه‌های ضدگلوله کاربرد دارد.

ماندگاری، آبکافت و محیط‌زیست

چرا لباس قدیمی راحت‌تر پاره می‌شود؟ یکی از علت‌ها، شکستن پیوندهای زنجیرهای پلیمری آن است. آبکافت یعنی شکستن پیوند با شرکت آب در واکنش؛ نه صرفاً خیس‌شدن یا حل‌شدن ماده. در شرایط مناسب، پیوندهای استریِ پلی‌استر و آمیدیِ پلی‌آمید آبکافت می‌شوند. با شکستن زنجیرها، استحکام الیاف کم می‌شود و پارچه آسان‌تر پاره می‌شود.

اما این اتفاق فوری نیست! آبکافت این پلیمرها معمولاً کند است و سرعت آن به ساختار پلیمر و شرایط محیط بستگی دارد. برای نمونه، محیط گرم و مرطوب نسبت به محیط سرد و خشک، شرایط مناسب‌تری برای پوسیدگی لباس فراهم می‌کند.

در مقابل، پلیمرهایی مانند پلی‌اتن ساختاری سیرشده و شبیه آلکان‌ها دارند و بسیار کم‌واکنش‌اند؛ بنابراین مدت طولانی در طبیعت باقی می‌مانند. قابل‌آبکافت‌بودن هم لزوماً به معنی تجزیۀ سریع در طبیعت نیست.

برای کاهش انباشت زباله‌های پلیمری، بازیافت یک راه مهم است. راه دیگر، استفاده از پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر، مانند پلی‌لاکتیک اسید است که جانداران ذره‌بینی در شرایط مناسب آن‌ها را به مولکول‌های ساده تبدیل می‌کنند. پس هنگام انتخاب مواد، هم کاربردشان مهم است و هم سرنوشتشان پس از مصرف.

سبز بودن یعنی چه؟

دو ظرف پلاستیکی را تصور کن که ظاهری شبیه هم دارند. آیا از روی ظاهرشان می‌توان فهمید پس از دور ریختن چه سرنوشتی دارند؟ سبز بودنِ یک پلیمر به رنگ آن ربطی ندارد؛ به رفتار آن در محیط‌زیست مربوط است.

جانداران ذره‌بینی می‌توانند بعضی پلیمرها را تجزیه کنند؛ به این ویژگی، زیست‌تخریب‌پذیری می‌گوییم. زنجیرهای بزرگ این پلیمرها در فرایند تجزیه به مولکول‌های ساده‌تری مانند آب و کربن دی‌اکسید تبدیل می‌شوند. در شرایط مناسب، این فرایند می‌تواند طی چند ماه انجام شود؛ نه اینکه پلاستیک بلافاصله ناپدید شود.

پس تفاوت مهم، فقط خرد شدن ظرف به تکه‌های کوچک‌تر نیست؛ خود مولکول‌های پلیمر به مواد ساده‌تر تبدیل می‌شوند. این ویژگی می‌تواند ماندگاری پسماند پلاستیکی را کاهش دهد. البته زیست‌تخریب‌پذیر بودن، مجوز رها کردن زباله در طبیعت نیست؛ فراهم بودن شرایط تجزیه هم اهمیت دارد.

از نشاسته تا پلیمر

ذرت را معمولاً به‌عنوان خوراکی می‌شناسیم؛ اما می‌تواند مادۀ آغازین ساخت یک پلیمر هم باشد! برای فهم این مسیر، مادۀ کشاورزی، مونومر و پلیمر را از هم جدا کن.

در مسیر معرفی‌شده در کتاب، از نشاستۀ فراورده‌های کشاورزی مانند ذرت و سیب‌زمینی شروع می‌کنند. ابتدا نشاسته را به لاکتیک اسید تبدیل می‌کنند؛ پس نشاسته مستقیماً به پلیمر نهایی تبدیل نمی‌شود.

سپس مولکول‌های لاکتیک اسید در شرایط مناسب، با واکنش پلیمری‌شدن به یکدیگر می‌پیوندند و پلی‌لاکتیک اسید می‌سازند. اینجا لاکتیک اسید نقش مونومر، یعنی واحد سازندۀ پلیمر، را دارد؛ مانند مهره‌هایی که با پیوستن به هم یک رشتۀ بلند می‌سازند.

مسیر را این‌طور به خاطر بسپار:

نشاستۀ گیاهی ← لاکتیک اسید ← پلی‌لاکتیک اسید

دقت کن: لاکتیک اسید و پلی‌لاکتیک اسید یک ماده نیستند؛ اولی مولکول کوچکِ سازنده است و دومی زنجیری پلیمری است که از پیوستن آن مولکول‌ها تشکیل می‌شود.

کاربرد با ردپای کوچک‌تر

فرض کن پس از یک مهمانی، چند ظرف و کیسۀ پلاستیکی باقی مانده است. کاربرد این وسایل تمام شده، اما سرنوشت مادۀ سازندۀ آن‌ها هنوز مهم است!

از پلی‌لاکتیک اسید می‌توان کالاهایی مثل ظرف یک‌بارمصرف، سفره، سطل زباله و کیسۀ پلاستیکی ساخت. پس ظاهر یا کاربرد پلاستیکی یک کالا، به‌تنهایی نشان نمی‌دهد که مادۀ سازندۀ آن چه اثری بر محیط‌زیست دارد.

مزیت این پلاستیک‌ها، امکان تبدیل‌شدن به کود در شرایط مناسب است. به این ترتیب، پسماند آن‌ها می‌تواند تجزیه شود و ردپای محیط‌زیستی کوچک‌تری بر جای بگذارد. منظور از «ردپا» در اینجا، اثر باقی‌مانده از کالا بر محیط‌زیست است، نه جای پای واقعی!

البته اثر کمتر، به معنی بی‌اثر بودن نیست. زیست‌تخریب‌پذیر بودن یک ظرف، مجوز رهاکردن آن در طبیعت نیست؛ همچنان باید پسماند آن را درست مدیریت کنیم.