Kimia notesnota, bab 4

Polimer

Notes made with reference toNota dibuat dengan rujukan kepada TextbookBuku teks Kimia Tingkatan 5 (KSSM), pageshalaman 141–163

What this chapter coversMatlamat bab ini

Saya boleh menerangkan polimer, monomer dan pempolimeran, serta mengelaskan polimer mengikut sumber dan jenis (4.1.1)
Saya boleh menjelaskan tindak balas pempolimeran penambahan dan pempolimeran kondensasi melalui contoh dan aktiviti (4.1.2)
Saya boleh mewajarkan kegunaan polimer dalam kehidupan harian dan menerangkan kesannya kepada alam sekitar (4.1.3)
Saya boleh menerangkan getah asli dari segi penamaan, formula struktur dan sifatnya (4.2.1)
Saya boleh mengeksperimen penggumpalan lateks dan cara menghalangnya (4.2.2)
Saya boleh menerangkan proses pemvulkanan getah dengan menggunakan sulfur melalui aktiviti (4.2.3)
Saya boleh mengkaji sifat kekenyalan getah tervulkan dan getah tak tervulkan melalui eksperimen (4.2.4)
Saya boleh menerangkan getah sintetik (4.3.1)
Saya boleh mewajarkan kegunaan getah asli dan getah sintetik (4.3.2)

4.1Polimer

Polimer ialah molekul berantai panjang yang terhasil daripada pencantuman banyak ulangan unit asas. Unit asas itu dinamakan monomer. Tindak balas pencantuman monomer untuk menghasilkan polimer dinamakan pempolimeran. "Poli-" berasal daripada perkataan Inggeris poly yang bermaksud banyak.

Sumber polimer

Polimer semula jadi terhasil secara semula jadi dan diperoleh daripada alam sekeliling. Polimer sintetik dihasilkan oleh manusia melalui tindak balas kimia di makmal atau di kilang. Istilah "plastik" ialah nama umum yang merujuk kepada polimer sintetik.

Sumber	Polimer	Monomer
Semula jadi	Kanji	Glukosa
Semula jadi	Selulosa	Glukosa
Semula jadi	Protein	Asid amino
Semula jadi	Getah asli	Isoprena
Sintetik	Polistirena	Stirena
Sintetik	Polipropena	Propena
Sintetik	Polivinil klorida	Vinil klorida

Jadual daripada buku teks Kimia Tingkatan 5, Jadual 4.1, m.s. 145.

Jenis-jenis polimer

Jenis	Sifat apabila dipanaskan	Contoh
Polimer termoplastik	Boleh diacu berulang kali selepas dipanaskan dan boleh dikitar semula. Melebur apabila dipanaskan dan mengeras apabila disejukkan.	Polietena, polivinil klorida (PVC), nilon
Polimer termoset	Tidak dapat diacu semula; biasanya terurai atau hangus; tidak dapat dikitar semula. Rantainya dihubungkan oleh rangkai silang.	Melamina, bakelit
Polimer elastomer	Boleh diregang dan kembali kepada bentuk asal selepas dilepaskan; sifat elastik yang tinggi.	Poliuretana, getah stirena-butadiena (SBR)

Tindak balas pempolimeran

Pempolimeran penambahan
Monomer mempunyai ikatan kovalen ganda dua antara karbon, C=C. Semasa tindak balas, ikatan ganda dua "dibuka" dan monomer "ditambah" pada rantai untuk menghasilkan polimer. Hanya satu hasil: polimer.
n CH₂=CH₂ → [−CH₂−CH₂−]_n

Pempolimeran kondensasi
Melibatkan sekurang-kurangnya dua jenis monomer yang berbeza, setiap satu dengan dua kumpulan berfungsi. Hasilnya polimer dan satu produk lain seperti molekul air, H₂O, atau hidrogen klorida, HCl.

Monomer	Polimer	Ciri-ciri	Kegunaan
Etena	Polietena	Tahan lasak dan kuat	Beg plastik, botol plastik, plastik pembungkus
Propena	Polipropena	Tahan lasak	Alat mainan dan tekstil
Kloroetena (vinil klorida)	Polikloroetena (PVC)	Kuat dan keras	Paip air dan penebat elektrik
Stirena	Polistirena	Ringan dan penebat haba	Penebat haba dan pembungkus makanan

Jadual daripada buku teks Kimia Tingkatan 5, Jadual 4.2, m.s. 146.

Pempolimeran kondensasi. Terilena (sejenis poliester) dihasilkan daripada 1,2-etanadiol dan asid tereftalik; hasil lain ialah air (Rajah 4.3, m.s. 147). Nilon (sejenis poliamida) dihasilkan daripada 1,6-heksanadiamina dan dekanadioil diklorida; hasil lain ialah hidrogen klorida, HCl (Rajah 4.4, m.s. 148). Dalam Aktiviti Makmal 4A, nilon terbentuk pada lapisan antara larutan 1,6-diaminoheksana dan larutan dekanadioil diklorida, lalu ditarik keluar dengan rod kaca; kerja ini dijalankan di dalam kebuk wasap dengan sarung tangan getah.

Untuk mencari monomer bagi polimer penambahan, ambil satu unit ulangan dan letakkan semula ikatan ganda dua C=C antara dua atom karbon pada tulang belakang rantai.

Hanya monomer yang mempunyai C=C boleh menjalani pempolimeran penambahan. Hidrokarbon tepu seperti etana, propana dan butana tidak mempunyai ikatan ganda dua untuk dibuka.

Contoh 1 Satu unit ulangan polimer ialah −CH₂−CH(CH₃)−. Namakan monomer dan polimer itu.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Letakkan semula ikatan ganda dua: CH₂=CH–CH₃, iaitu propena. Polimernya ialah polipropena. (Struktur dalam Uji Diri 4.1 soalan 1 juga ialah polipropena.)

Contoh 2 Hitung jisim molekul relatif polietena yang mempunyai n = 1000. [Jisim atom relatif: H = 1, C = 12]

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Monomer C₂H₄: (2 × 12) + (4 × 1) = 28. Jisim molekul relatif polimer = 28 × 1000 = 28 000.

Penggunaan polimer dan alam sekitar

Polimer sintetik digunakan secara meluas kerana penebat haba yang baik, ringan, kuat dan keras, bersifat lengai dan tidak reaktif, serta daya tahan haba yang tinggi. Contohnya, alatan perubatan dan makmal daripada polipropena, beg plastik daripada polietena, benang nilon untuk industri tekstil dan bumbung kalis air daripada polimer akrilik.

Namun, sifat tahan lasak itu menyebabkan polimer mengambil masa yang sangat lama untuk terurai dan menimbulkan pencemaran serius. Pencemaran di lautan membunuh hidupan dan mikroplastik memasuki rantaian makanan; pusat pelupusan sampah dipenuhi dengan beg plastik tidak terbiodegradasi. Malaysia telah melancarkan Roadmap Penggunaan Plastik Sekali Guna Sifar 2018–2030.

Cara mengurangkan masalah: kitar semula (cara termudah bagi pengguna), dan menghasilkan polimer terdegradasi atau boleh urai. Bahan tambah dimasukkan supaya plastik terurai secara semula jadi oleh bakteria (biodegradasi) atau oleh cahaya (fotodegradasi). Plastik jenis ini terurai lebih cepat, mengurangkan masalah lambakan di tapak pelupusan dan lebih selamat kepada haiwan liar.

Mengapakah PVC boleh dikitar semula tetapi melamina tidak boleh?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

PVC ialah polimer termoplastik: melebur apabila dipanaskan dan boleh diacu semula. Melamina ialah polimer termoset: tidak dapat diacu semula dan hangus atau terurai apabila dipanaskan.

4.2Getah asli

Getah asli ialah sejenis polimer semula jadi yang dinamakan poliisoprena, terdapat dalam lateks pokok getah (Hevea brasiliensis). Monomernya ialah isoprena, nama IUPAC 2-metilbut-1,3-diena, CH₂=C(CH₃)–CH=CH₂. Unit ulangan poliisoprena ialah [−CH₂−CH=C(CH₃)−CH₂−]_n.

Lateks ialah cecair berwarna putih yang diperoleh apabila kulit pokok getah ditoreh. Lateks ialah koloid, bukan larutan: zarah getah tidak larut dalam air tetapi tersebar secara berasingan di dalamnya. Membran protein zarah getah bercas negatif pada permukaan luar, maka zarah-zarah getah saling menolak dan lateks tidak menggumpal.

Ciri-ciri getah asli	Keterangan
Lembut	Pepejal putih lembut pada suhu bilik
Kenyal/anjal	Boleh diregang dan kembali kepada keadaan asal apabila dilepaskan
Tidak tahan haba	Pada suhu tinggi menjadi lembut dan melekit
Penebat elektrik	Tidak mengalirkan arus elektrik
Mudah dioksidakan	Oksigen di udara bertindak balas dengan ikatan ganda dua C=C
Reaktif kepada bahan kimia	Mudah bertindak balas dengan asid, alkali atau pelarut organik
Kalis air	Tidak telap air

Jadual daripada buku teks Kimia Tingkatan 5, Jadual 4.3, m.s. 152.

Penggumpalan lateks

Membran protein yang bercas negatif menyebabkan zarah getah saling menolak.
Ion hidrogen, H⁺, daripada asid meneutralkan cas negatif pada membran protein.
Zarah-zarah getah berlanggar antara satu sama lain dan membran protein pecah.
Polimer-polimer getah bergabung dan lateks menggumpal.

Lateks yang terdedah kepada udara menggumpal sendiri kerana bakteria dalam udara memasuki lateks dan merembeskan asid laktik. Penggumpalan dilakukan dengan memasukkan asid lemah (seperti asid etanoik atau asid formik) ke dalam lateks. Eksperimen 4A: bikar A (lateks + asid etanoik) menggumpal; bikar B (lateks + larutan ammonia) kekal cecair; bikar C (lateks sahaja, kawalan) menggumpal selepas beberapa jam kerana asid laktik daripada bakteria.

Menghalang penggumpalan: larutan beralkali seperti larutan ammonia, NH₃, ditambah ke dalam lateks. Larutan alkali mengandungi ion hidroksida, OH⁻, yang meneutralkan asid yang dihasilkan bakteria. Membran protein kekal bercas negatif dan zarah kekal saling menolak. Lateks cecair diperlukan untuk menghasilkan sarung tangan dan tiub getah (Aktiviti Makmal 4B).

Asid tidak "melarutkan" lateks. Asid menggumpalkan lateks dengan meneutralkan cas negatif yang memisahkan zarah. Asid lemah digunakan, bukan asid kuat.

Pemvulkanan getah

Pemvulkanan ialah proses penghasilan getah yang lebih kenyal dan berkualiti melalui penghasilan rangkai silang sulfur antara rantai polimer. Charles Goodyear (1800–1860) menemui dan mematenkan proses ini pada tahun 1844.

Semasa pemvulkanan, ikatan ganda dua antara karbon dalam molekul getah bertindak balas dengan sulfur atau bahan lain, menghasilkan rangkai silang sulfur (Rajah 4.8, m.s. 156). Dalam Aktiviti Makmal 4C, kepingan getah kering direndam dalam larutan disulfur diklorida, S₂Cl₂, dalam metilbenzena. Asid etanoik digunakan untuk menggumpalkan lateks; lateks diratakan di atas jubin putih supaya kepingan nipis.

Dua set rantai getah: rantai tak tervulkan tanpa pautan dan rantai tervulkan dengan rangkai silang sulfur merah — Rangkai silang sulfur menghalang rantai polimer menggelongsor antara satu sama lain.

Teknik pemvulkanan alternatif (tanpa sulfur): peroksida, sinaran dan logam oksida. Teknik ini sesuai untuk getah sintetik tertentu yang tidak mengandungi C=C. Getah yang dihasilkan bebas sulfur dan lebih mesra alam.

Sifat getah tervulkan dan tak tervulkan

Ciri-ciri	Getah tervulkan	Getah tak tervulkan
Kekenyalan	Lebih kenyal	Kurang kenyal
Kekerasan	Keras	Lembut
Kekuatan	Tinggi	Rendah
Ketahanan haba	Tahan haba yang tinggi	Kurang tahan haba yang tinggi
Ketahanan pengoksidaan	Lebih tahan terhadap pengoksidaan	Lebih mudah teroksida

Jadual daripada buku teks Kimia Tingkatan 5, Jadual 4.4, m.s. 158.

Rangkai silang sulfur mengurangkan ikatan ganda dua C=C, maka getah sukar dioksidakan. Rangkai silang yang kuat menghalang polimer menggelongsor apabila diregangkan dan membolehkan getah kembali ke bentuk asal. Tenaga haba yang tinggi diperlukan untuk memutuskan rangkai silang.

Eksperimen 4B: gantung kepingan getah tervulkan dan tak tervulkan dengan pemberat 50 g. Ukur panjang asal L₁, panjang dengan pemberat L₂ dan panjang selepas pemberat dialihkan L₃. Kepingan tervulkan memanjang kurang dan kembali ke panjang asal; kepingan tak tervulkan memanjang lebih dan tidak kembali sepenuhnya. Pemboleh ubah dimanipulasikan: jenis kepingan getah; bergerak balas: pemanjangan getah selepas pemberat dialihkan; dimalarkan: saiz kepingan dan jisim pemberat.

Contoh Kepingan P (asal 10 cm) menjadi 15 cm dengan pemberat dan 11 cm selepas pemberat dialihkan. Hitung pemanjangan dan pemanjangan kekal.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Pemanjangan = 15 − 10 = 5 cm. Pemanjangan kekal = 11 − 10 = 1 cm (kepingan tidak kembali sepenuhnya).

Terangkan mengapa getah tervulkan lebih kenyal.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Rangkai silang sulfur mengikat rantai polimer, maka rantai tidak menggelongsor apabila diregang dan menarik getah kembali ke bentuk asal apabila dilepaskan.

Namakan satu ciri getah asli yang berpunca daripada ikatan ganda dua C=C dalam strukturnya.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Mudah dioksidakan oleh oksigen di udara. (Ciri ini dikurangkan melalui pemvulkanan.)

4.3Getah sintetik

Getah sintetik ialah sejenis polimer sintetik yang bersifat kenyal atau polimer elastomer. Kebanyakannya dihasilkan daripada produk sampingan petroleum. Contohnya neoprena, getah stirena-butadiena (SBR) dan getah silikone.

Ciri-ciri getah sintetik: kenyal, keras, tahan haba, tahan bahan kimia, tahan pengoksidaan dan penebat haba. Getah sintetik dicipta pada awal kurun ke-20 bagi menggantikan getah asli.

Getah sintetik	Ciri-ciri	Kegunaan
Neoprena (polikloroprena)	Tahan haba yang tinggi, tahan pengoksidaan dan tidak mudah terbakar	Tali sawat, paip getah petrol dan sarung tangan
Stirena-butadiena (SBR)	Tahan pelelasan dan tahan haba yang tinggi	Tayar dan tapak kasut
Getah silikone	Tahan suhu yang tinggi dan bersifat lengai	Implan perubatan, alatan memasak, komponen automotif dan bahan kedap
Tiokol	Tahan terhadap minyak dan pelarut	Bahan kedap
Getah nitril	Tahan terhadap minyak dan pelarut	Sarung tangan

Jadual daripada buku teks Kimia Tingkatan 5, Jadual 4.5, m.s. 160.

Mewajarkan kegunaan getah asli dan getah sintetik

Getah sintetik: dapat dihasilkan secara besar-besaran tanpa bergantung kepada faktor cuaca dan serangan penyakit pada pokok getah; tahan haba dan pelarut kimia. Tetapi ia mengambil masa yang sangat lama untuk terurai dan menyukarkan proses pelupusan.
Getah asli: mengambil masa lebih singkat untuk terurai secara biologi, tetapi mempunyai sifat tidak tahan haba dan pelarut kimia.
Masalah pelupusan dikurangkan dengan mengitar semula atau menggunakan semula barangan getah, misalnya tayar terbuang dijadikan bahan lain; sesetengah negara menggunakan tayar terbuang sebagai bahan api untuk menjana tenaga elektrik.

Mengapakah getah sintetik, bukan getah asli, dipilih untuk paip getah petrol?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Getah asli bertindak balas dengan pelarut organik seperti petrol dan tidak tahan haba. Neoprena tahan haba, tahan pengoksidaan dan tidak mudah terbakar.

Ringkasan

Ingat	Fakta utama
Pempolimeran penambahan	Monomer dengan C=C; hanya polimer terhasil
Pempolimeran kondensasi	Dua kumpulan berfungsi; air atau HCl turut terhasil
Termoplastik / termoset	Boleh diacu semula / tidak boleh (rangkai silang)
Getah asli	Poliisoprena; monomer 2-metilbut-1,3-diena
Penggumpal / penghalang	Asid lemah / larutan ammonia
Pemvulkanan	Rangkai silang sulfur; lebih kenyal, keras, kuat, tahan haba dan pengoksidaan
Getah sintetik	Polimer elastomer daripada petroleum; tahan haba dan bahan kimia