Gia Sư SV · Thư viện học tập

GIA SƯ SV · HÓA HỌC 12 · CHƯƠNG 4

Bài 12. Đại cương về polymer – Hóa học 12

Sơ đồ ethylene tạo polyethylene trong bài Đại cương về polymer Hóa học 12

Mục tiêu: (1) Giải thích polymer, monomer và mắt xích; (2) nhận biết polymer thiên nhiên, tổng hợp, bán tổng hợp; (3) dự đoán loại phản ứng tạo polymer và biến đổi mạch; (4) viết được một số phương trình; (5) xử lý bài tính số mắt xích và hiệu suất.

Kiến thức cần có: liên kết cộng hóa trị, alkene, alcohol, carboxylic acid, amine, amino acid, ester và phản ứng thủy phân.

1. Polymer là gì?

Ethene tạo mắt xích polyethylene trong mô hình trùng hợp. Với khối lượng mol trung bình 28 000 g/mol và mắt xích 28 g/mol, độ polymer hóa trung bình xấp xỉ 1000 khi bỏ qua nhóm cuối.

Polymer là hợp chất có phân tử khối rất lớn, cấu tạo từ nhiều đơn vị nhỏ (gọi là mắt xích) liên kết với nhau. Monomer là phân tử ban đầu có thể tham gia phản ứng tạo polymer. Mắt xích không phải lúc nào cũng có cấu tạo giống hệt monomer: ví dụ liên kết đôi trong ethylene mở ra khi hình thành polyethylene (PE).

Ví dụ minh họa:

n C H_{2} = C H_{2} ⟶ [- C H_{2} - C H_{2} -]_{n}

Trong đó ethylene là monomer, $- C H_{2} - C H_{2} -$ là mắt xích, $n$ là số đơn vị lặp trong mô hình lý tưởng. Độ polymer hóa thường ký hiệu $n$ ; phân tử khối xấp xỉ $M \approx n M_{mắt xích}$ khi có thể bỏ qua đóng góp của nhóm đầu mạch. Trong mẫu polymer thực, các mạch có độ dài khác nhau nên phân tử khối thường là đại lượng trung bình.

Thử ngay: PE và PVC đều thu được từ phản ứng trùng hợp. PVC có chứa nguyên tố nào mà PE không có? Đáp án: chlorine (Cl), từ monomer vinyl chloride $C H_{2} = C H C l$ .

2. Tên gọi và phân loại

Tên thông dụng: polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), poly(vinyl chloride) (PVC), poly(methyl methacrylate) (PMMA). Nếu tên monomer gồm nhiều từ, thường có ngoặc sau tiền tố poly.

Nguồn gốc	Bản chất	Ví dụ
Tự nhiên	Có sẵn trong sinh vật hoặc tự nhiên	Cellulose, tinh bột, protein, cao su thiên nhiên
Tổng hợp	Được tổng hợp bằng phản ứng hóa học từ monomer	PE, PP, PVC, PS, nylon-6,6
Nhân tạo/bán tổng hợp	Chế biến hóa học từ polymer thiên nhiên	Tơ visco, cellulose acetate

Phân loại khác theo cấu trúc mạch: mạch không phân nhánh, mạch phân nhánh và mạch không gian/liên kết ngang. Không đồng nhất “polymer tổng hợp” với “không thể tái chế”; khả năng tái chế phụ thuộc loại polymer, phụ gia, mức độ nhiễm bẩn và công nghệ thu gom.

3. Tính chất vật lý

Đa số polymer ở điều kiện thường là chất rắn, ít bay hơi, không tan trong nước; một số tan trong dung môi phù hợp hoặc trương nở. Không được phát biểu tuyệt đối rằng mọi polymer đều không tan trong nước: poly(vinyl alcohol) (PVA) có thể tan trong nước tùy độ thủy phân, phân tử khối và điều kiện. Polymer nhiệt dẻo có thể mềm ra khi gia nhiệt và tạo hình lại; polymer nhiệt rắn sau khi tạo mạng liên kết ngang thường không nóng chảy để tạo hình lại như polymer nhiệt dẻo.

Các đặc trưng cơ học như tính dẻo, tính đàn hồi, độ dai hoặc độ bền phụ thuộc cấu trúc và điều kiện sử dụng, không phải polymer nào cũng có đầy đủ các tính chất này.

4. Ba kiểu phản ứng của polymer

Phân biệt vị trí liên kết biến đổi. Hình minh họa Gia Sư SV.

Giữ nguyên mạch: nhóm chức trên mạch phản ứng nhưng không làm đứt chuỗi chính. Ví dụ chuyển poly(vinyl acetate) thành poly(vinyl alcohol) qua phản ứng thủy phân nhóm ester, về nguyên tắc vẫn giữ mạch carbon chính.
Cắt mạch: mạch chính bị phân cắt, chẳng hạn thủy phân polyester hoặc polyamide trong điều kiện thích hợp; thủy phân cellulose thành glucose.
Tăng mạch: tạo thêm liên kết giữa các chuỗi, thường làm vật liệu cứng hơn hoặc đàn hồi bền hơn. Ví dụ lưu hóa cao su bằng sulfur tạo cầu nối giữa những mạch cao su.

Lỗi thường gặp: Nhầm thủy phân mọi nhóm chức với cắt mạch. Chỉ gọi là cắt mạch nếu chính liên kết thuộc mạch polymer bị phá vỡ; thủy phân nhóm thế bên mạch có thể là giữ nguyên mạch.

5. Hai con đường điều chế thường gặp

5.1. Trùng hợp

Nhiều phân tử monomer liên kết thành mạch, trong mô hình cơ bản không tách phân tử nhỏ. Các monomer có liên kết đôi C=C thường có thể tham gia trùng hợp trong điều kiện phù hợp.

n C H_{2} = C H C l ⟶ [- C H_{2} - C H C l -]_{n} (PVC)

n C H_{2} = C H - C_{6} H_{5} ⟶ [- C H_{2} - C H (C_{6} H_{5}) -]_{n} (PS)

n C H_{2} = C (C H_{3}) C O O C H_{3} ⟶ [- C H_{2} - C (C H_{3}) (C O O C H_{3}) -]_{n} (PMMA)

Trùng hợp không chỉ giới hạn alkene: một số monomer vòng như caprolactam có thể mở vòng tạo nylon-6. Phải xét cơ chế và bản chất monomer, không phân loại chỉ vì sản phẩm là nylon.

5.2. Trùng ngưng

Các phân tử có nhóm chức thích hợp liên kết, đồng thời thường tách phân tử nhỏ như nước. Ví dụ từ hexane-1,6-diamine và adipic acid tạo nylon-6,6:

n H_{2} N - (C H_{2})_{6} - N H_{2} + n H O O C - (C H_{2})_{4} - C O O H ⟶ [- N H - (C H_{2})_{6} - N H - C O - (C H_{2})_{4} - C O -]_{n} + nước

Đây là sơ đồ biểu diễn đơn vị lặp, không phải phương trình cân bằng cho một mạch hữu hạn. Số phân tử nước phụ thuộc cách xét đầu mạch và số phân tử phản ứng; tránh viết cố định $2 n$ phân tử nước như một đẳng thức chính xác cho mọi chuỗi hữu hạn.

Từ ethylene glycol và terephthalic acid có thể tạo PET bằng phản ứng tạo liên kết ester; PET là polyester, có thể dùng sản xuất chai và sợi tùy cấp vật liệu.

Đơn vị lặp PET

[- O - C H_{2} - C H_{2} - O - C O - C_{6} H_{4} - C O -]_{n}

Hai nhóm carbonyl thuộc liên kết ester; C₆H₄ là phần vòng benzene có hai nhóm thế ở vị trí 1,4. Dấu ngoặc chỉ đơn vị lặp; bỏ qua nhóm cuối mạch khi tính gần đúng. Hình cấu trúc: Gia Sư SV.

6. Ví dụ mẫu có lời giải

Ví dụ 1 – Chọn monomer. Sản phẩm $[- C H_{2} - C H (C H_{3}) -]_{n}$ được điều chế từ chất nào? Giải: Nhìn mắt xích có mạch $- C H_{2} - C H -$ mang nhóm $C H_{3}$ . Ghép liên kết đôi giữa hai carbon mạch chính → $C H_{2} = C H - C H_{3}$ , propylene, sản phẩm PP.

Ví dụ 2 – Khối lượng mol. Một đoạn PE có 500 mắt xích, bỏ qua nhóm cuối mạch. Giải: $M_{C_{2} H_{4}} = 28$ , nên $M \approx 500 \times 28 = 14 000 g / m o l$ .

Ví dụ 3 – Nhận biết loại phản ứng. Thủy phân nhóm acetate trên poly(vinyl acetate) để tạo PVA. Giải: Liên kết ester ở nhóm thế bị biến đổi, xương sống carbon không đứt; xếp vào nhóm giữ nguyên mạch. Điều này khác thủy phân PET hoặc nylon-6,6, có thể làm cắt mạch chính.

Ví dụ 4 – Hiệu suất. Trùng hợp 84 kg propylene thành PP với hiệu suất 75%. Giải: Khối lượng polymer lý thuyết bằng khối lượng monomer đã tham gia do không tách sản phẩm phụ trong mô hình trùng hợp → $m = 84 \times 0, 75 = 63$ kg.

7. Những nhầm lẫn cần tránh

PE không phải monomer; ethylene mới là monomer của PE.
Trùng hợp và trùng ngưng không phân biệt theo việc tên polymer có chữ “nylon”, mà phải xem hóa học tạo mạch.
PVA khác PVAc: PVA có nhiều nhóm $- O H$ , PVAc có nhóm acetate; không sao chép tính tan của PVAc cho PVA.
Không phải mọi polymer đều trơ; polyester có thể thủy phân và cao su không no có thể cộng chất vào liên kết đôi.
Ghi rõ giả định khi tính phân tử khối mạch: đơn vị lặp, đầu mạch, độ polymer hóa.

8. Tự kiểm tra

Thử trả lời rồi mở lời giải.

Phân loại cellulose, PVC, tơ visco theo nguồn gốc.

Cellulose: tự nhiên; PVC: tổng hợp; tơ visco: bán tổng hợp.

Cho

C H_{2} = C H - C_{6} H_{5}

, xác định polymer và mắt xích.

Styrene tạo PS, mắt xích –CH₂–CH(C₆H₅)–.

Nêu vì sao lưu hóa cao su thuộc phản ứng tăng mạch.

Sulfur tạo liên kết ngang nối các chuỗi cao su.

So sánh trùng hợp ethylene và trùng ngưng tạo PET.

Ethylene trùng hợp không tách phân tử nhỏ; PET có thể tạo từ diol và diacid bằng trùng ngưng, tách nước.

Một đoạn PVC có 200 mắt xích. Tính khối lượng mol xấp xỉ với

M_{C_{2} H_{3} C l} = 62, 5

M ≈ 200 × 62,5 = 12 500 g/mol, bỏ qua nhóm cuối.

9. Tóm tắt ghi nhớ

Polymer = nhiều mắt xích; trùng hợp = cộng nhiều monomer để tạo mạch; trùng ngưng = hình thành liên kết và thường tách phân tử nhỏ; phản ứng trên polymer = giữ nguyên mạch, cắt mạch, tăng mạch. Khi làm bài, luôn xác định trước mắt xích – monomer – liên kết chính – nhóm chức.

Học tiếp Chương 4

Biên soạn và hình minh họa: Gia Sư SV.