Bài 12. Đại cương về polymer – Tóm tắt Hoá học 12

1. Khái niệm, cấu tạo và phân loại

Định nghĩa

Polymer là hợp chất có phân tử khối rất lớn, được tạo thành từ nhiều mắt xích (đơn vị cấu tạo lặp lại) liên kết với nhau bằng các liên kết hóa học. Mắt xích được viết trong ngoặc vuông kèm chỉ số $n$ .

Định nghĩa

Monomer là phân tử hoặc hợp chất nhỏ có khả năng kết hợp với nhau tạo thành polymer.

Danh pháp: poly + tên monomer (tên monomer gồm hai từ trở lên thì đặt trong ngoặc đơn), ví dụ polyethylene, poly(vinyl chloride). Một số polymer có tên thông thường: cellulose, nylon-6,6, cao su buna…

Định nghĩa

Phản ứng trùng hợp là phản ứng kết hợp nhiều phân tử monomer thành phân tử polymer lớn mà không sinh ra sản phẩm khác. Phản ứng thường xảy ra khi mở liên kết đôi của monomer.

Phản ứng trùng ngưng là phản ứng kết hợp nhiều phân tử monomer thành polymer, đồng thời đẩy ra các phân tử nhỏ (thường là nước) do tác dụng giữa các nhóm chức trong monomer.

Những điểm cần nhớ về cấu trúc polymer

Mắt xích (đơn vị cấu trúc lặp lại): nhóm nguyên tử được viết trong ngoặc vuông, lặp lại nhiều lần trong mạch polymer.
Số mắt xích hay hệ số polymer hoá, kí hiệu $n$ : số lần lặp lại mắt xích; thường rất lớn (hàng trăm, hàng nghìn).
Phân tử khối của polymer: $M = n \cdot M_m$ , trong đó $M_m$ là phân tử khối của một mắt xích.
Theo hình dạng mạch: mạch thẳng, mạch nhánh và mạng không gian (mạch chéo liên kết nhiều chiều).

Phân loại thường gặp

Theo nguồn gốc: polymer thiên nhiên (cellulose, tinh bột, protein, cao su thiên nhiên), polymer tổng hợp (PE, PVC, nylon, cao su tổng hợp...) và polymer bán tổng hợp (chế hoá từ polymer thiên nhiên, như tơ visco, tơ cellulose acetate).
Theo phản ứng tạo thành: polymer trùng hợp (không có sản phẩm phụ) và polymer trùng ngưng (có mất nước hoặc phân tử nhỏ khác).
Theo tính chất khi gia công nhiệt: polymer nhiệt dẻo (nấu chảy, tạo hình được nhiều lần) và polymer nhiệt rắn (không nấu chảy lại khi gia công, ví dụ bakelite).

Tính chất chung của polymer

Hầu hết là chất rắn, không bay hơi, không có nhiệt độ nóng chảy xác định; đa số không tan trong nước.
Nhiều loại có tính dẻo, đàn hồi, có thể kéo sợi; nhiều polymer cách điện, cách nhiệt tốt.
Nhiều polymer khá bền với acid, base; tuy nhiên polyester, polyamide bị thuỷ phân trong môi trường acid, base.
Khó phân huỷ sinh học, tồn tại lâu trong môi trường, dễ gây ô nhiễm (nhất là nhựa dùng một lần).

Tính chất hoá học

Phản ứng cắt mạch: thuỷ phân tinh bột, cellulose, protein, polyamide; polymer bị nhiệt phân hoặc bị cắt mạch dưới tác dụng của nhiệt, ánh sáng, oxygen.
Phản ứng giữ nguyên mạch: ví dụ thuỷ phân nhóm ester ở mạch nhánh của poly(vinyl acetate) bằng dung dịch $\mathrm{NaOH}$ tạo poly(vinyl alcohol).
Phản ứng tăng mạch: ví dụ lưu hoá cao su tạo cầu nối $\mathrm{-S-S-}$ giữa các mạch, làm cao su bền và đàn hồi hơn.

2. Phản ứng tạo thành polymer

2.1 Phản ứng trùng hợp

Các monomer có liên kết đôi mở ra rồi nối tiếp nhau thành mạch dài, không sinh sản phẩm phụ.

Polyethylene (từ ethylene):

$n\mathrm{CH_2=CH_2} \xrightarrow{t^\circ,p,\mathrm{xt}} \mathrm{[-CH_2-CH_2-]_n}$
Polypropylene (từ propylene):

$n\mathrm{CH_2=CH(CH_3)} \xrightarrow{\mathrm{xt}} \mathrm{[-CH_2-CH(CH_3)-]_n}$
Poly(vinyl chloride) (từ vinyl chloride):

$n\mathrm{CH_2=CHCl} \longrightarrow \mathrm{[-CH_2-CHCl-]_n}$
Polystyrene (từ styrene):

$n\mathrm{C_6H_5-CH=CH_2} \longrightarrow \mathrm{[-CH_2-CH(C_6H_5)-]_n}$

Lưu ý

Trong phản ứng trùng hợp, tổng khối lượng sản phẩm bằng tổng khối lượng monomer đã phản ứng. Mắt xích giữ nguyên tỉ lệ các nguyên tử như trong monomer.

2.2 Phản ứng trùng ngưng

Monomer phải có ít nhất hai nhóm chức có khả năng phản ứng với nhau. Khi tạo mỗi liên kết mới (ester hoặc amide) thường loại ra một phân tử nước.

PET (từ terephthalic acid và ethylene glycol):

$\begin{gather*} n\mathrm{HOOC-C_6H_4-COOH} + n\mathrm{HOCH_2CH_2OH} \longrightarrow \\ \mathrm{[-CO-C_6H_4-COOCH_2CH_2O-]_n} + 2n\mathrm{H_2O} \end{gather*}$
Nylon-6,6 (từ hexamethylenediamine và adipic acid):

$\begin{gather*} n\mathrm{H_2N-(CH_2)_6-NH_2} + n\mathrm{HOOC-(CH_2)_4-COOH} \longrightarrow \\ \mathrm{[-NH-(CH_2)_6-NH-CO-(CH_2)_4-CO-]_n} + 2n\mathrm{H_2O} \end{gather*}$

Lưu ý

Cặp monomer có hai nhóm chức ở hai đầu nên mỗi cặp tạo được hai liên kết mới và loại ra hai phân tử nước. Nếu monomer chỉ có một nhóm chức thì không tạo được polymer mạch dài bằng trùng ngưng.

3. Điều chế, ứng dụng

Điều chế và ứng dụng

Nhựa nhiệt dẻo: PE, PP, PVC, PS... được điều chế bằng trùng hợp. PE, PP làm đồ gia dụng, bao bì; PVC làm ống nước, đồ chơi, vật liệu cách điện; PS làm hộp xốp, vỏ máy.
Sợi tổng hợp: PET, nylon được tạo bằng trùng ngưng. PET làm chai nhựa, sợi dệt; nylon làm lưới đánh cá, sợi may mặc, dây cáp.
Nhựa nhiệt rắn: có liên kết chéo giữa các mạch, ví dụ bakelite từ phenol và formaldehyde; dùng làm phích cắm, tay nắm, vật liệu cách nhiệt.
Cao su tổng hợp: do trùng hợp của các monomer diene, ví dụ cao su buna-S (từ buta-1,3-diene và styrene); dùng làm lốp xe, gioăng, đệm.

4. Phương pháp giải bài tập

Viết mắt xích polymer từ monomer

1.
Với trùng hợp: mở liên kết đôi của monomer, giữ nguyên các nguyên tử, nối các phần tử đó thành mắt xích.
2.
Với trùng ngưng: xác định cặp nhóm chức phản ứng (ví dụ $-\mathrm{OH}$ với $-\mathrm{COOH}$ , $-\mathrm{NH_2}$ với $-\mathrm{COOH}$ ), loại phần tạo nước, nối phần còn lại thành mắt xích.
3.
Ghi chỉ số $n$ ngoài ngoặc vuông; nếu là trùng ngưng thì ghi thêm số phân tử nước loại ra.

Tìm monomer từ mắt xích polymer

1.
Với polymer trùng hợp: khôi phục liên kết đôi giữa hai nguyên tử carbon ở đầu mạch để trở về monomer.
2.
Với polymer trùng ngưng: cắt mắt xích tại các liên kết ester hoặc amide; bổ sung nước vào chỗ cắt để thu lại nhóm chức đầu mạch (thêm $\mathrm{H}-$ và $-\mathrm{OH}$ ).

Tính phân tử khối polymer

1.
Xác định công thức một mắt xích.
2.
Tính $M_m$ bằng cách cộng nguyên tử khối các nguyên tử trong mắt xích.
3.
Áp dụng $M = n \cdot M_m$ .

5. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Viết phương trình trùng hợp của propylene $\mathrm{CH_2=CH-CH_3}$ .

Lời giải · 2 bước

Mở liên kết đôi, nối các đơn vị $\mathrm{-CH_2-CH(CH_3)-}$ :

n\mathrm{CH_2=CH-CH_3} \xrightarrow{\mathrm{xt}} \mathrm{[-CH_2-CH(CH_3)-]_n}

Bước 2

Đây là polypropylene (PP), không sinh sản phẩm phụ.

Ví dụ 2

Cho polyethylene có hệ số polymer hoá $n=500$ . Tính phân tử khối của polymer.

Lời giải

Mắt xích của PE là $\mathrm{-CH_2-CH_2-}$ . $M_m = 2 \times (12 + 2 \times 1) = 28$ . $M = n \cdot M_m = 500 \cdot 28 = 14000$ . Vậy phân tử khối của polyethylene trong bài là $14000$ .

Ví dụ 3

Cho mắt xích $\mathrm{[-NH-(CH_2)_6-NH-CO-(CH_2)_4-CO-]_n}$ . Viết phương trình trùng ngưng tạo polymer đó.

Lời giải · 3 bước

Mắt xích chứa nhóm amide nên sinh ra từ phản ứng giữa nhóm amino với nhóm carboxyl. Ngược lại ta thu được:

$\mathrm{H_2N-(CH_2)_6-NH_2}$ (hexamethylenediamine);
$\mathrm{HOOC-(CH_2)_4-COOH}$ (adipic acid).

Bước 2

Phương trình:

\begin{gather*} n\mathrm{H_2N-(CH_2)_6-NH_2} + n\mathrm{HOOC-(CH_2)_4-COOH} \longrightarrow \\ \mathrm{[-NH-(CH_2)_6-NH-CO-(CH_2)_4-CO-]_n} + 2n\mathrm{H_2O} \end{gather*}

Bước 3

Đây là nylon-6,6.

Ví dụ 4

Cần bao nhiêu gam terephthalic acid $\mathrm{HOOC-C_6H_4-COOH}$ để trùng ngưng vừa đủ với $9{,}3$ gam ethylene glycol $\mathrm{HOCH_2CH_2OH}$ (phản ứng xảy ra hoàn toàn)?

Lời giải · 3 bước

$M_{\mathrm{HOCH_2CH_2OH}} = 62$ nên

n_{\mathrm{HOCH_2CH_2OH}} = \frac{9{,}3}{62} = 0{,}15 \text{ (mol)}.

Bước 2

Theo phương trình, tỉ lệ acid : glycol là $1:1$ nên

n_{\mathrm{acid}} = 0{,}15 \text{ (mol)}.

Bước 3

$M_{\mathrm{HOOC-C_6H_4-COOH}} = 166$ , do đó

m_{\mathrm{acid}} = 0{,}15 \times 166 = 24{,}9 \text{ (gam)}.

Ví dụ 5

Cho polymer $\mathrm{[-CH_2-CHCl-]_n}$ . Tên polymer là gì? Viết monomer.

Lời giải

Đây là poly(vinyl chloride) (PVC). Monomer là vinyl chloride $\mathrm{CH_2=CHCl}$ .

6. Lưu ý hay nhầm

Lưu ý

Phân biệt rõ: trùng hợp không mất nguyên tử; trùng ngưng có mất phân tử nhỏ (thường là nước).
Số phân tử nước trong trùng ngưng: nếu mỗi cặp monomer tạo $k$ liên kết mới thì loại ra $kn$ nước. Với cặp có hai nhóm chức đầu mạch thì $k=2$ .
Khi tính $M_m$ , phải lấy đúng công thức một mắt xích, không lấy cả polymer.
Không viết chỉ số $n$ cho sai chỗ: polymer dài viết $\mathrm{[...]_n}$ , còn monomer gốc không có chỉ số $n$ .
Không nhầm polymer nhiệt dẻo với polymer nhiệt rắn: loại trước chảy và tạo hình lại được, loại sau đã có mạng không gian nên không chảy lại.

Nhớ nhanh

1. Khái niệm, cấu tạo và phân loại

2. Phản ứng tạo thành polymer

2.1 Phản ứng trùng hợp

2.2 Phản ứng trùng ngưng

3. Điều chế, ứng dụng

4. Phương pháp giải bài tập

5. Ví dụ minh hoạ

6. Lưu ý hay nhầm