T1.3 Kæmpemolekyler og nylon

I dag er det almindelig viden, at plast består af lange kæder af atomer. For hundrede år siden var det en vild påstand, som de fleste kemikere ikke troede på, og det tog en lang strid, før den blev godtaget. Bagefter gik det stærkt, og i løbet af 30 år kom de fleste af de slags plast, vi bruger i dag.

Siden bygger på elektronparbindinger fra afsnit 3.1, kogepunkt og kædelængde fra afsnit 6.1 og polymerer fra afsnit 6.4.

Klumper af små molekyler?

De første slags plast blev fundet ved at prøve sig frem, for ingen vidste, hvordan molekylerne i gummi, cellulose og bakelit var bygget. De fleste kemikere mente, at store molekyler ikke kunne holde sammen, på samme måde som meget store atomkerner er ustabile og falder fra hinanden. De forestillede sig i stedet, at gummi og cellulose bestod af mange små molekyler, som klumpede sig sammen til små kugler, der kaldes miceller.

Figur 1: To forklaringer på, hvordan gummi og cellulose er bygget. Til venstre en micelle af mange små molekyler. Til højre Staudingers makromolekyle, som er én lang kæde.

Micelleteorien passede godt med de første målinger på naturgummi og nitrocellulose, og derfor var den den almindelige forklaring helt op i 1920’erne.

Staudingers kæmpemolekyler

I 1920 påstod den tyske kemiker Hermann Staudinger, at gummi og cellulose i stedet består af kæmpestore molekyler, hvor tusindvis af atomer er bundet sammen med almindelige elektronparbindinger. Han kaldte dem makromolekyler, som betyder store molekyler.

Påstanden gav en ophedet strid. Ifølge Staudingers egne erindringer skrev en kendt kollega til ham, at han skulle opgive tanken om de store molekyler, for organiske molekyler med en molarmasse over 5000 g/mol fandtes ikke. Staudinger blev ved, og i løbet af 1930’erne viste nye målinger, at han havde ret. I 1953 fik han Nobelprisen i kemi.

Makromolekylerne forklarer også, hvorfor plast er fast. Du har lært i afsnit 6.1, at kogepunktet stiger med kædens længde, og det samme gælder smeltepunktet:

Stof Carbonatomer i kæden Smeltepunkt Kogepunkt Ved stuetemperatur
methan 1 −182 °C −162 °C gas
octan 8 −57 °C 126 °C væske
eicosan 20 37 °C 343 °C fast voks
polyethen flere tusinde 105 til 140 °C koger ikke, men nedbrydes fast plast

Først når kæden har flere hundrede carbonatomer, er stoffet en fast plast. Kæderne i polyethen holder så godt fast i hinanden, at bindingerne inde i kæden bliver brudt, før kæderne kan slippe hinanden, så polyethen koger aldrig.

Carothers og nylon

Da kemikerne vidste, at plast består af lange kæder, kunne de begynde at bygge nye kæder med vilje. Det amerikanske kemifirma DuPont ansatte i 1928 den unge kemiker Wallace Carothers til at forske i lange molekyler. Hans gruppe lavede i 1930 neopren, som er et syntetisk gummi, der i dag bruges til våddragter, og i 1935 nylon, som skulle afløse silke. Carothers’ forsøg var også med til at vise, at Staudinger havde ret.

Carothers led af depression og døde i 1937, kun 41 år gammel, før nylon for alvor slog igennem. Da de første nylonstrømper kom i butikkerne i 1940, blev der solgt millioner af par på få dage, og under 2. verdenskrig blev nylon brugt til faldskærme. Nylon og polyester bliver dannet på en anden måde end polyethen, og det kan du læse om i T4.1 i bogen til B-niveau.

I de samme år kom mange andre slags plast frem:

Plast Forkortelse Kom frem i Bruges i dag til
polyvinylchlorid PVC 1920’erne rør, kabler og gulve
polystyren PS 1930’erne flamingo og engangsbestik
plexiglas PMMA 1930’erne vinduer i fly og akvarier
polyethen PE 1930’erne poser, flasker og legetøj
nylon PA 1930’erne tøj, strømper og tandbørster
polyurethan PUR 1930’erne skumgummi i madrasser og isolering
polyester PET 1940’erne sodavandsflasker og fleece
polypropen PP 1950’erne madkasser, låg og tovværk

Flere slags monomerer i samme kæde

En polymer kan også være bygget af to eller tre forskellige monomerer, og så kaldes den en copolymer. Hver monomer giver plasten sine egne egenskaber, så kemikerne kan blande sig frem til den plast, de har brug for.

Figur 2: Til venstre en polymer bygget af én slags monomer. Til højre en copolymer, hvor to slags monomerer sidder i den samme kæde.

LEGO-klodser er lavet af copolymeren ABS, som er bygget af de tre monomerer acrylonitril, butadien og styren. Styren gør plasten hård og blank, mens butadien er en slags gummi, som gør plasten sej, så klodserne ikke revner. Mange bildæk er lavet af en anden copolymer af styren og butadien.

NoteKort sagt
  • Indtil 1920’erne troede de fleste kemikere, at gummi og cellulose bestod af små molekyler, der klumpede sig sammen i miceller.
  • Staudinger viste, at plast, gummi og cellulose består af makromolekyler, og fik Nobelprisen i 1953.
  • Jo længere kæden er, jo højere er smeltepunktet, og med flere hundrede carbonatomer er stoffet en fast plast.
  • Carothers opfandt neopren og nylon hos DuPont, og de fleste slags plast, vi bruger i dag, kom frem mellem 1920 og 1960.
  • En copolymer er bygget af to eller flere slags monomerer.