เจาะลึกบท “พอลิเมอร์” เคมี ม.6 สรุปครบทุกประเภท โครงสร้าง และเทคนิคทำข้อสอบ

ƒสิ่งที่อยู่ใกล้ตัวเราและเราใช้งานกันบ่อยมากที่สุดคือ พอลิเมอร์ ไม่ว่าจะเป็นถุงพลาสติก เสื้อผ้าที่สวมใส่ ยางลบ หรือแม้แต่โครงสร้างดีเอ็นเอในร่างกายของเรา ล้วนเป็นพอลิเมอร์ทั้งสิ้น สำหรับน้อง ๆ หลายคน บทนี้อาจดูเหมือนเป็นบทที่ต้องท่องจำเยอะเนื่องจากมีชื่อและโครงสร้างพลาสติกมากมาย แต่ถ้าเราจับหลักการเชื่อมโยงจากสารตั้งต้นขนาดเล็กไปจนถึงสมบัติของผลิตภัณฑ์ขนาดใหญ่ได้ บทนี้จะกลายเป็นบทเก็บคะแนนที่ง่ายและทำเวลารวดเร็วที่สุดในห้องสอบ บทความนี้จะพาน้อง ๆ ไปเจาะลึกเนื้อหาอย่างเป็นระบบ

อุตสาหกรรมปิโตรเคมี: ต้นกำเนิดของพอลิเมอร์

ก่อนจะมาเป็นพลาสติกหรือผลิตภัณฑ์ที่เราใช้ จุดเริ่มต้นทั้งหมดมาจากอุตสาหกรรมปิโตรเคมี (Petrochemical Industry) ซึ่งปิโตรเลียม (น้ำมันดิบและแก๊สธรรมชาติ) ที่ขุดขึ้นมาได้จะผ่านกระบวนการกลั่นลำดับส่วนเพื่อแยกสารประกอบไฮโดรคาร์บอนออกเป็นส่วนต่าง ๆ สารประกอบไฮโดรคาร์บอนขนาดเล็กที่ได้จากกระบวนการนี้ เช่น เอทิลีน (Ethylene) และโพรพิลีน (Propylene) จะทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีขั้นต้น เพื่อนำไปแปรรูปและส่งต่อให้อุตสาหกรรมปิโตรเคมีขั้นกลางและขั้นปลาย ในการสังเคราะห์สารโมเลกุลใหญ่ที่เราเรียกว่าพอลิเมอร์นั่นเอง

พอลิเมอร์และมอนอเมอร์ (การจำแนกประเภทของพอลิเมอร์)

คำว่า พอลิเมอร์ (Polymer) มาจากรากศัพท์ที่แปลว่า “หลายหน่วย” ส่วนหน่วยย่อยพื้นฐานที่นำมาต่อกันจะเรียกว่า มอนอเมอร์ (Monomer) หากเปรียบพอลิเมอร์เป็นสร้อยลูกปัดยาว มอนอเมอร์ก็คือลูกปัดแต่ละเม็ดนั่นเอง เราสามารถจำแนกประเภทของพอลิเมอร์ออกได้หลายเกณฑ์ ดังนี้

1. จำแนกตามการเกิดของพอลิเมอร์

• พอลิเมอร์ธรรมชาติ (Natural Polymers): เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เช่น แป้ง เซลลูโลส โปรตีน ยางธรรมชาติ และ DNA
• พอลิเมอร์สังเคราะห์ (Synthetic Polymers): เกิดจากการสังเคราะห์ด้วยปฏิกิริยาทางเคมี เช่น พลาสติก (PVC PE PP) ไนลอน และยางสังเคราะห์

2. จำแนกตามองค์ประกอบของพอลิเมอร์

• พอลิเมอร์เอกพันธุ์ (Homopolymer): พอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์ชนิดเดียวกันทั้งหมด เช่น แป้ง (เกิดจากกลูโคสทั้งหมด) หรือพอลิเอทิลีน (PE)

• พอลิเมอร์ร่วม (Copolymer): พอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์ต่างชนิดกันมาเชื่อมต่อกัน เช่น โปรตีน (เกิดจากกรดอะมิโนต่างชนิดกัน) หรือยาง SBR

3. จำแนกตามโครงสร้างของพอลิเมอร์

โครงสร้างภายในของโมเลกุลเป็นตัวกำหนดสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของพอลิเมอร์ แบ่งเป็น 3 รูปแบบหลัก ดังนี้

• โครงสร้างแบบเส้น (Linear Polymer): สายพอลิเมอร์เรียงชิดติดกันแน่นหนา มีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลสูง ทำให้มีความหนาแน่นสูง จุดหลอมเหลวสูง เหนียวและขุ่น เช่น HDPE PVC

• โครงสร้างแบบกิ่ง (Branched Polymer): มีกิ่งก้านสาขายื่นออกมา ทำให้โมเลกุลไม่สามารถเรียงชิดกันได้แน่น ความหนาแน่นต่ำ จุดหลอมเหลวต่ำ ยืดหยุ่นและใส เช่น LDPE

• โครงสร้างแบบร่างแห (Cross-Linked Polymer): มีการเชื่อมต่อระหว่างสายทางเคมี มีความแข็งมาก แต่เปราะ ไม่หลอมเหลวเมื่อได้รับความร้อน หากอุณหภูมิสูงเกินไปจะไหม้และแตกหัก เช่น เมลามีน

ปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์

กระบวนการเชื่อมต่อมอนอเมอร์เข้าด้วยกันจนกลายเป็นสายยาว เรียกว่าปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์ (Polymerization) แบ่งออกเป็น 2 ประเภทหลัก ดังนี้

1. ปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์แบบเติม (Addition Polymerization)

เกิดจากมอนอเมอร์ที่เป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนแบบไม่อิ่มตัว (มีพันธะคู่ระหว่างคาร์บอน C=C) โดยเมื่อเกิดปฏิกิริยา พันธะคู่จะแตกออกกลายเป็นพันธะเดี่ยวเพื่อไปจับกับโมเลกุลข้างเคียงต่อกันไปเรื่อย ๆ ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะมีเพียงพอลิเมอร์เท่านั้น ไม่มีสารโมเลกุลเล็กหลุดออกมา ตัวอย่างเช่น พอลิเอทิลีน (PE) พอลิโพรพิลีน (PP) พอลิสไตรีน (PS) พอลิไวนิลคลอไรด์ (PVC)

2. ปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์แบบควบแน่น (Condensation Polymerization)

เกิดจากมอนอเมอร์ที่มีหมู่ฟังก์ชัน (Functional Group) มากกว่า 1 หมู่ อยู่ในโมเลกุล เมื่อหมู่ฟังก์ชันของโมเลกุลหนึ่งทำปฏิกิริยากับอีกโมเลกุลหนึ่ง จะเกิดการเชื่อมต่อกันพร้อมกับมีสารโมเลกุลขนาดเล็กหลุดออกมาด้วยเสมอ เช่น น้ำ แก๊สแอมโมเนีย หรือกรดไฮโดรคลอริก ตัวอย่างเช่น ไนลอน (Nylon) พอลิเอสเทอร์

พลาสติก: ประเภท สัญลักษณ์ และการใช้ประโยชน์

พลาสติก เป็นพอลิเมอร์สังเคราะห์ที่นำมาขึ้นรูปได้หลากหลาย โดยจำแนกพลาสติกออกเป็น 2 ประเภทตามโครงสร้าง ดังนี้

• เทอร์มอพลาสติก (Thermoplastic): มีโครงสร้างแบบเส้นหรือแบบกิ่ง เมื่อได้รับความร้อนจะอ่อนตัวและหลอมเหลว สามารถนำกลับมารีไซเคิลใหม่ได้ เช่น PE PP PVC PS
• พลาสติกเทอร์มอเซต (Thermosetting plastic): มีโครงสร้างแบบร่างแห มีความแข็งแรงทนทาน ทนความร้อนได้ดี แต่หากได้รับความร้อนสูงเกินไปจะไม่อ่อนตัวแต่จะไหม้และแตกหัก ไม่สามารถนำมารีไซเคิลหลอมใหม่ได้ เช่น เมลามีน พอลิยูรีเทน

สัญลักษณ์แสดงประเภทของพลาสติกรีไซเคิลตามสมาคมอุตสาหกรรมพลาสติก ประเทศสหรัฐอเมริกา (The Society of Plastics Industry; SPI)

เส้นใย: จากธรรมชาติสู่เส้นใยสังเคราะห์

เส้นใย (Fibers) คือพอลิเมอร์ที่มีโครงสร้างโมเลกุลยาว เหมาะสำหรับการนำมาปั่นเป็นเส้นด้ายและถักทอเป็นผืนผ้า สามารถแบ่งตามที่มาและโครงสร้างทางเคมีออกเป็น 3 กลุ่ม

• เส้นใยธรรมชาติ: แบ่งเป็นเส้นใยจากพืชที่มีองค์ประกอบหลักเป็นเซลลูโลส (เช่น ฝ้าย ป่าน ปอ) และเส้นใยจากสัตว์ที่เป็นโปรตีน (เช่น ขนแกะ ไหม) มีข้อดีคือซับน้ำและระบายอากาศได้ดี แต่ยับง่ายและเกิดราง่าย
• เส้นใยสังเคราะห์: เกิดจากกระบวนการทางเคมี 100% มอนอเมอร์ต่อกันด้วยพันธะเคมี เช่น ไนลอน (Nylon) และดาครอน (พอลิเอสเทอร์) มีสมบัติเหนียว ทนทาน แห้งง่าย ไม่ยับ 
• เส้นใยกึ่งสังเคราะห์ (Semi-synthetic Fibers): เกิดจากการนำเส้นใยธรรมชาติ (เช่น เซลลูโลสจากไม้) มาทำปฏิกิริยาเคมีปรับปรุงคุณภาพ ให้ได้โครงสร้างใหม่ เพื่อให้มีสมบัติที่ดี เหมาะสมกับการใช้งานมากยิ่งขึ้น เช่น เรยอน (Rayon) เซลลูโลสแอซีเตต

ยาง: โครงสร้างและกระบวนการวัลคาไนเซชัน

ยาง (Rubber) เป็นพอลิเมอร์ที่มีความยืดหยุ่นสูงมาก สามารถดึงให้ยืดออกและหดกลับคืนรูปเดิมได้ดี

• ยางธรรมชาติ (Natural Rubber): มอนอเมอร์ของยางธรรมชาติคือ ไอโซพรีน (Isoprene) เมื่อเกิดเป็นพอลิเมอร์ เรียกว่า พอลิไอโซพรีน ยางดิบที่ได้จากต้นยางจะมีข้อเสียคือ เมื่อได้รับความร้อนจะเหนียวและอ่อนตัว แข็งและเปราะเมื่อถูกความเย็น

พอลิไอโซพรีน

• ยางสังเคราะห์ (Synthetic Rubber): ยางที่ผลิตขึ้นจากกระบวนการทางเคมีเพื่อเลียนแบบยางธรรมชาติ โดยมีสมบัติทนความร้อน สารเคมี และสภาพอากาศที่รุนแรงได้ดีกว่ายางธรรมชาติ เช่น พอลิบิวทาไดอีน พอลิคลอโรพรีน ยาง SBR ยาง IR

กระบวนการวัลคาไนเซชัน (Vulcanization)

เพื่อแก้ปัญหาจุดอ่อนของยางธรรมชาติ นักวิทยาศาสตร์จึงคิดค้นกระบวนการวัลคาไนเซชัน โดยการนำยางธรรมชาติไปทำปฏิกิริยากับกำมะถัน ภายใต้ความร้อนและความดันที่เหมาะสม อะตอมของกำมะถันจะเข้าไปทำปฏิกิริยาตรงพันธะคู่ของสายยาง แล้วสร้างสะพานเชื่อมข้ามสาย (Sulfur Cross-link) เชื่อมโยงโมเลกุลของยางที่เคยอยู่แยกกันให้กลายเป็นโครงสร้างแบบร่างแห ส่งผลให้ยางมีความยืดหยุ่นสูงขึ้น มีความคงตัวสูง ไม่สึกกร่อนง่าย ทนความร้อน ทนสารเคมี เหมาะสำหรับนำไปทำยางรถยนต์

แนวข้อสอบเคมีเกี่ยวกับพอลิเมอร์

การสอบในปัจจุบันไม่ได้เน้นแค่การถาม-ตอบความจำ แต่เน้นการวิเคราะห์ ลองมาดูตัวอย่างโจทย์ 2 ข้อนี้

โจทย์ข้อที่ 1: การวิเคราะห์ประเภทและโครงสร้างพอลิเมอร์

คำถาม: สาร A เป็นพอลิเมอร์ที่ใส นิ่ม และยืดหยุ่นได้ดี นิยมทำถุงพลาสติกสำหรับใส่ของเย็น ส่วนสาร B เป็นพอลิเมอร์ที่ทนความร้อนสูง แข็งมากแต่เปราะ นิยมใช้ทำชามเมลามีน อยากทราบว่า สาร A และสาร B มีโครงสร้างทางเคมีเป็นแบบใด และสารชนิดใดสามารถนำกลับมารีไซเคิลหลอมใหม่ได้?

แนวคิดและวิธีวิเคราะห์:

จากสมบัติของสาร A (ใส นิ่ม ยืดหยุ่นดี ทำถุงเย็น) แสดงว่าเป็นพลาสติกกลุ่ม LDPE ซึ่งมีโครงสร้างแบบกิ่ง และจัดเป็นเทอร์มอพลาสติก

จากสมบัติของสาร B (ทนความร้อน แข็งแต่เปราะ ทำเมลามีน) แสดงว่าเป็นพลาสติกกลุ่มเทอร์มอเซต ซึ่งมีโครงสร้างแบบร่างแห

พลาสติกที่จะรีไซเคิลหลอมใหม่ได้ต้องเป็นเทอร์มอพลาสติก (โครงสร้างแบบเส้นหรือกิ่ง) ดังนั้นสาร A จึงรีไซเคิลได้ ส่วนสาร B รีไซเคิลไม่ได้เพราะจะไหม้เป็นเถ้าเมื่อถูกความร้อนสูง

คำตอบ: สาร A มีโครงสร้างแบบกิ่ง ส่วนสาร B มีโครงสร้างแบบร่างแห และสาร A สามารถนำกลับมารีไซเคิลหลอมใหม่ได้

โจทย์ข้อที่ 2: การวิเคราะห์ปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์

คำถาม: เมื่อนำสารตั้งต้นที่มีโครงสร้าง มาทำปฏิกิริยากับ จะเกิดปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์ประเภทใด และผลิตภัณฑ์ที่ได้จะมีโมเลกุลสารชนิดใดหลุดออกมาด้วยหรือไม่

แนวคิดและวิธีวิเคราะห์:

สังเกตมอนอเมอร์ตัวแรกมีหมู่ฟังก์ชันคือ อะมิโน อยู่สองฝั่ง และตัวที่สองมีหมู่ฟังก์ชันคือ คาร์บอกซิล อยู่สองฝั่ง

ปฏิกิริยาระหว่างหมู่ฟังก์ชันเอมีนและกรดคาร์บอกซิลิก เป็นการสร้างพันธะเอไมด์ ซึ่งจัดเป็นปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์แบบควบแน่น (Condensation Polymerization)

ในการสร้างพันธะเชื่อมต่อกัน หมู่ จากกรดจะจับคู่กับ H จากเอมีน เกิดเป็นโมเลกุลของน้ำ หลุดออกมาเป็นสารโมเลกุลเล็ก

คำตอบ: เกิดปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์แบบควบแน่น และมีโมเลกุลของน้ำ หลุดออกมาด้วย 

เรียนเคมี ม.ปลาย กับ OnDemand

บทเรียนเรื่องพอลิเมอร์เป็นบทที่มีรายละเอียดของสมบัติสารและโครงสร้างค่อนข้างเยอะ หากน้อง ๆ จับหลักการเชื่อมโยงไม่ได้ อาจทำให้เสียเวลาท่องจำและสับสนสลับสัญลักษณ์ต่าง ๆ ในห้องสอบได้

OnDemand พร้อมช่วยให้น้อง ๆ เตรียมความพร้อมด้านการเรียน การสอบด้วยคอร์สเรียน วิชาเคมี ม.ปลาย โดย OnDemand ซึ่งสอนโดยทีมอาจารย์ผู้เชี่ยวชาญ ช่วยให้เข้าใจเนื้อหาได้ง่ายขึ้น ปูพื้นฐาน เพิ่มความมั่นใจก่อนสอบ เพิ่มคะแนนในห้องเรียน ไปจนถึงการสอบเข้าระดับมหาวิทยาลัย

สอบถามรายละเอียดคอร์สเรียนเพิ่มเติม

• Add Line:Ondemand Education
• โทรศัพท์: 02-251-9456 (08.00-20.00 น.)

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับพอลิเมอร์ (FAQs)