Đăng nhậpDùng miễn phí

Hoá học 12 · Chương 4. Polymer

Bài 14. Ôn tập chương 4

Hệ thống lại kiến thức cốt lõi của chương: khái niệm polymer, cấu trúc và tính chất, hai phản ứng trùng hợp và trùng ngưng, một số polymer thông dụng cùng dạng bài tập thường gặp.

Nhớ nhanh

1. Khái niệm, phân loại polymer

Định nghĩa
  • Polymer: hợp chất có phân tử khối rất lớn, được tạo thành từ nhiều mắt xích liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị.
  • Mắt xích (đơn vị lặp lại): phần phân tử lặp lại nhiều lần trong mạch polymer.
  • Monomer: phân tử nhỏ có khả năng phản ứng với nhau tạo nên polymer.
  • Hệ số polymer hoá nn: số mắt xích trong phân tử; thực tế là giá trị trung bình, không phải một số nguyên cố định.

Phân tử khối của polymer được tính gần đúng:

M=n⋅Mma˘ˊt xıˊch. \mathrm{M}=n\cdot \mathrm{M_{\text{mắt xích}}}.
Các cách phân loại cần nhớ

  • Theo nguồn gốc:

    • Polymer thiên nhiên: cao su thiên nhiên, cellulose, tinh bột, protein.
    • Polymer bán tổng hợp (nhân tạo): polymer thiên nhiên được chế biến hoá học, ví dụ tơ visco, tơ cellulose acetate.
    • Polymer tổng hợp: polyethylene, polystyrene, nylon-6,6, PET, poly(phenol formaldehyde).
  • Theo cấu trúc mạch: mạch thẳng, mạch nhánh, lưới không gian.
  • Theo ứng xử với nhiệt: polymer nhiệt dẻo có thể nóng chảy và tái chế; polymer nhiệt rắn không nóng chảy mà bị phân huỷ khi đun nóng.
  • Vật liệu polymer theo công dụng: chất dẻo, vật liệu composite, tơ (thiên nhiên, tổng hợp, bán tổng hợp), cao su (thiên nhiên, tổng hợp), keo dán.

2. Cấu tạo và tính chất của polymer

Ba kiểu cấu trúc cơ bản
  • Mạch thẳng: các mạch sắp xếp gọn gàng, lực liên phân tử lớn; thường bền chắc: nylon, PET, polyethylene mật độ cao.
  • Mạch nhánh: các mạch có nhánh, khó sắp xếp chặt, lực liên phân tử nhỏ hơn: polyethylene mật độ thấp.
  • Lưới không gian: các mạch liên kết chéo với nhau; vật liệu vững, không hoà tan, không nóng chảy: poly(phenol formaldehyde), cao su lưu hoá.
Tính chất vật lí.

Tính chất cơ học, nhiệt và độ bền của polymer phụ thuộc cấu trúc mạch, hệ số polymer hoá và lực liên phân tử. Nhìn chung, polymer có kết cấu hóa học bền vững, trơ hoá học hơn nhiều so với các phân tử nhỏ.

Tính chất hoá học.
  • Polymer mạch carbon no như PE\mathrm{PE}, PVC\mathrm{PVC}, PS\mathrm{PS} kém phản ứng, khó phân huỷ tự nhiên.
  • Polymer có liên kết ester hoặc amide như PET, nylon có khả năng thủy phân trong môi trường acid hoặc base.
  • Khi đun nóng đến nhiệt độ cao, polymer bị nhiệt phân, giải phóng các sản phẩm dễ cháy hoặc để lại carbon.

3. Phương trình hoá học tiêu biểu

3.1 Phản ứng trùng hợp (polyaddition)

Monomer chứa liên kết bội (thường là C=C\mathrm{C=C}) hoặc vòng kém bền. Liên kết π\pi bị phá vỡ, các monomer nối với nhau thành mạch dài. Không sinh ra sản phẩm phụ.

nCH2=CH2→t∘,p,xt[−CH2−CH2−]n \mathrm{nCH_2=CH_2 \xrightarrow{t^\circ,p,\mathrm{xt}} [{-}CH_2{-}CH_2{-}]_n}
nCH2=CHCl⟶[−CH2−CHCl−]n \mathrm{nCH_2=CHCl \longrightarrow [{-}CH_2{-}CHCl{-}]_n}
nCH2=CH(C6H5)⟶[−CH2−CH(C6H5)−]n \mathrm{nCH_2=CH(C_6H_5) \longrightarrow [{-}CH_2{-}CH(C_6H_5){-}]_n}
nCH2=C(CH3)−CH=CH2⟶[−CH2−C(CH3)=CH−CH2−]n \begin{gathered} \mathrm{nCH_2=C(CH_3){-}CH=CH_2}\\ \mathrm{\longrightarrow [{-}CH_2{-}C(CH_3)=CH{-}CH_2{-}]_n} \end{gathered}

3.2 Phản ứng trùng ngưng (polycondensation)

Monomer phải có hai nhóm chức phù hợp. Trong quá trình tạo mạch sẽ giải phóng phân tử nhỏ, thường là H2O\mathrm{H_2O}.

nH2N(CH2)6NH2+nHOOC(CH2)4COOH⟶[−NH(CH2)6NHCO(CH2)4CO−]n+2nH2O \begin{gathered} \mathrm{nH_2N(CH_2)_6NH_2 + nHOOC(CH_2)_4COOH}\\ \mathrm{\longrightarrow [{-}NH(CH_2)_6NHCO(CH_2)_4CO{-}]_n + 2nH_2O} \end{gathered}
nHOCH2CH2OH+nHOOC(C6H4)COOH⟶[−OCH2CH2OCO(C6H4)CO−]n+2nH2O \begin{gathered} \mathrm{nHOCH_2CH_2OH + nHOOC(C_6H_4)COOH}\\ \mathrm{\longrightarrow [{-}OCH_2CH_2OCO(C_6H_4)CO{-}]_n + 2nH_2O} \end{gathered}
nC6H5OH+nHCHO⟶[−C6H3(OH)CH2−]n+nH2O \mathrm{nC_6H_5OH + nHCHO \longrightarrow [{-}C_6H_3(OH)CH_2{-}]_n + nH_2O}

Chú ý: kí hiệu xt\mathrm{xt} là chất xúc tác; các phản ứng trùng ngưng thường cần nhiệt độ và chất xúc tác phù hợp.

4. Điều chế và ứng dụng một số polymer

Polymer tổng hợp được điều chế bằng trùng hợp hoặc trùng ngưng. Cao su thiên nhiên thu từ mủ cây cao su, sau đó xử lý lưu hoá để tăng độ bền.

PolymerMonomerPhản ứngỨng dụng
PE\mathrm{PE}CH2=CH2\mathrm{CH_2=CH_2}Trùng hợpBao bì, ống nước mềm, vỏ dây điện
PVC\mathrm{PVC}CH2=CHCl\mathrm{CH_2=CHCl}Trùng hợpỐng dẫn nước, áo mưa, dây điện
PS\mathrm{PS}C6H5CH=CH2\mathrm{C_6H_5CH=CH_2}Trùng hợpVỏ máy, hộp xốp cách nhiệt
PP\mathrm{PP}CH2=CHCH3\mathrm{CH_2=CHCH_3}Trùng hợpDụng cụ y tế, thùng đựng, dây đai
Cao su thiên nhiênPolyisoprene (mắt xích từ isoprene C5H8\mathrm{C_5H_8})Có sẵn trong mủ cây cao suLốp xe, ống cao su (sau khi lưu hoá)
Cao su buna-SCH2=CH−CH=CH2\mathrm{CH_2=CH{-}CH=CH_2}
+ C6H5CH=CH2\mathrm{+\ C_6H_5CH=CH_2}		Đồng trùng hợpLốp xe, đệm, gót giày
Cao su chloropreneCH2=CClCH=CH2\mathrm{CH_2=CClCH=CH_2}Trùng hợpÁo lặn, găng tay hóa chất, băng tải
Nylon-6,6H2N(CH2)6NH2\mathrm{H_2N(CH_2)_6NH_2}
+ HOOC(CH2)4COOH\mathrm{+\ HOOC(CH_2)_4COOH}		Trùng ngưngSợi dệt, lưới đánh cá, dây cáp
PET (polyester)HOCH2CH2OH\mathrm{HOCH_2CH_2OH}
+ HOOC−C6H4−COOH\mathrm{+\ HOOC{-}C_6H_4{-}COOH}		Trùng ngưngChai nhựa, tơ dệt may mặc
PPFC6H5OH+HCHO\mathrm{C_6H_5OH+HCHO}Trùng ngưngCông tắc điện, tay cầm nồi, vật liệu cách điện

5. Phương pháp giải bài tập

Dạng 1: Từ mắt xích tìm monomer.
  1. 1.
    Với polymer trùng hợp từ alkene (mắt xích chỉ có liên kết đơn trên mạch chính): biến đổi liên kết đơn giữa hai carbon mạch chính thành liên kết đôi để được monomer. Ví dụ mắt xích [−CH2−CHCl−]\mathrm{[{-}CH_2{-}CHCl{-}]} suy ra monomer CH2=CHCl\mathrm{CH_2=CHCl}. Với polymer trùng hợp từ điene (mắt xích còn chứa C=C\mathrm{C=C} như cao su thiên nhiên), cần phục hồi hai liên kết đôi đúng vị trí của monomer.
  2. 2.
    Với polymer trùng ngưng: xác định đoạn ester −OCO−\mathrm{-OCO-} hoặc amide −NHCO−\mathrm{-NHCO-}. Mở liên kết, cộng H\mathrm{H} vào nguyên tử O\mathrm{O} hoặc N\mathrm{N}, cộng OH\mathrm{OH} vào nguyên tử carbon của nhóm CO\mathrm{CO}. Ví dụ mắt xích [−NH(CH2)6NHCO(CH2)4CO−]\mathrm{[{-}NH(CH_2)_6NHCO(CH_2)_4CO{-}]} cho hai monomer: H2N(CH2)6NH2\mathrm{H_2N(CH_2)_6NH_2} và HOOC(CH2)4COOH\mathrm{HOOC(CH_2)_4COOH}.
Dạng 2: Viết phương trình trùng hợp hoặc trùng ngưng.

Xác định đúng cơ chế phản ứng từ cấu trúc monomer; ghi rất cẩn thận môi trường phản ứng và sản phẩm phụ (có H2O\mathrm{H_2O} là trùng ngưng).

Dạng 3: Tính toán liên quan phân tử khối và khối lượng.
  1. 1.
    Tính khối lượng mol một mắt xích; dùng M=n⋅Mma˘ˊt xıˊch\mathrm{M}=n\cdot \mathrm{M_{\text{mắt xích}}}.
  2. 2.
    Trùng ngưng: dùng tỉ lệ mol theo hệ số, xác định chất phản ứng hết, suy ra khối lượng polymer và khối lượng nước thoát ra; kiểm tra bằng bảo toàn khối lượng.

6. Ví dụ có lời giải

Ví dụ 1

Cho polymer có mắt xích [−CH2−CHCl−]n\mathrm{[{-}CH_2{-}CHCl{-}]_n}. Hãy viết công thức monomer, gọi tên polymer và phản ứng tạo ra nó.

Lời giải · 2 bước

Mắt xích chỉ chứa hai carbon đơn trên mạch chính, phù hợp cơ chế mở liên kết đôi. Thay liên kết đơn C−C\mathrm{C-C} bằng liên kết đôi được monomer:

[−CH2−CHCl−]n⟶CH2=CHCl. \mathrm{[{-}CH_2{-}CHCl{-}]_n \longrightarrow CH_2=CHCl.}
Bước 2

Đây là monomer vinyl chloride; polymer thu được là poly(vinyl chloride) (PVC), tạo ra bằng phản ứng trùng hợp:

nCH2=CHCl⟶[−CH2−CHCl−]n. \mathrm{nCH_2=CHCl \longrightarrow [{-}CH_2{-}CHCl{-}]_n.}
Ví dụ 2

Cho polymer có mắt xích [−NH(CH2)6NHCO(CH2)4CO−]n\mathrm{[{-}NH(CH_2)_6NHCO(CH_2)_4CO{-}]_n}. Hãy tìm hai monomer và tên polymer.

Lời giải · 5 bước

Mắt xích chứa nhóm amide nên do phản ứng trùng ngưng giữa một diamine và một dicarboxylic acid.

Bước 2

Phần −NH(CH2)6NH−\mathrm{-NH(CH_2)_6NH-} gắn với hai nguyên tử H\mathrm{H} của hai nhóm NH2\mathrm{NH_2} cho monomer:

H2N(CH2)6NH2. \mathrm{H_2N(CH_2)_6NH_2.}
Bước 3

Phần −CO(CH2)4CO−\mathrm{-CO(CH_2)_4CO-} cộng nhóm OH\mathrm{OH} vào hai nhóm CO\mathrm{CO} cho monomer:

HOOC(CH2)4COOH. \mathrm{HOOC(CH_2)_4COOH.}
Bước 4

Vậy đây là nylon-6,6, tạo thành theo phản ứng:

nH2N(CH2)6NH2+nHOOC(CH2)4COOH⟶[−NH(CH2)6NHCO(CH2)4CO−]n+2nH2O. \begin{gathered} \mathrm{nH_2N(CH_2)_6NH_2 + nHOOC(CH_2)_4COOH}\\ \mathrm{\longrightarrow [{-}NH(CH_2)_6NHCO(CH_2)_4CO{-}]_n + 2nH_2O.} \end{gathered}
Bước 5

Phản ứng này có thoát ra nước nên thuộc loại trùng ngưng.

Ví dụ 3

Polystyrene có hệ số polymer hoá n=10 000n=10\,000. Tính khối lượng phân tử trung bình của nó (C8H8)(\mathrm{C_8H_8}).

Lời giải · 3 bước

Một mắt xích có khối lượng mol:

Mma˘ˊt xıˊch=8(12)+8(1)=96+8=104. \mathrm{M_{\text{mắt xích}}}=8(12)+8(1)=96+8=104.
Bước 2

Suy ra:

M=10 000⋅104=1 040 000. \mathrm{M}=10\,000\cdot 104=1\,040\,000.
Bước 3

Vậy khối lượng phân tử trung bình của polystyrene trong trường hợp này là 1 040 0001\,040\,000.

Ví dụ 4

Cho 6,26{,}2 kg ethylene glycol phản ứng với 16,616{,}6 kg terephthalic acid tạo PET. Biết phản ứng xảy ra hoàn toàn. Tính khối lượng PET và khối lượng nước thoát ra.

Lời giải · 7 bước

Số mol ethylene glycol:

n1=6,262=0,1 kmol. n_1=\frac{6{,}2}{62}=0{,}1\ \text{kmol}.
Bước 2

Số mol terephthalic acid:

n2=16,6166=0,1 kmol. n_2=\frac{16{,}6}{166}=0{,}1\ \text{kmol}.
Bước 3

Tỉ lệ phản ứng ethylene glycol và acid là 1:11:1, hai chất cho vừa đủ nhau. Do đó:

nma˘ˊt xıˊch=0,1 kmol;nH2O=2×0,1=0,2 kmol. n_{\text{mắt xích}}=0{,}1\ \text{kmol};\qquad n_{\mathrm{H_2O}}=2\times 0{,}1=0{,}2\ \text{kmol}.
Bước 4

Khối lượng một mắt xích PET:

Mma˘ˊt xıˊch=10(12)+8(1)+4(16)=192. \mathrm{M_{\text{mắt xích}}}=10(12)+8(1)+4(16)=192.
Bước 5

Suy ra:

mPET=0,1×192=19,2 kg;mH2O=0,2×18=3,6 kg. m_{\text{PET}}=0{,}1\times 192=19{,}2\ \text{kg};\qquad m_{\mathrm{H_2O}}=0{,}2\times 18=3{,}6\ \text{kg}.
Bước 6

Kiểm tra:

6,2+16,6=22,8;19,2+3,6=22,8. 6{,}2+16{,}6=22{,}8;\qquad 19{,}2+3{,}6=22{,}8.
Bước 7

Bảo toàn khối lượng thỏa mãn.

7. Lưu ý hay nhầm lẫn

Lưu ý
  • Không nhầm monomer với mắt xích. Trong trùng hợp, mắt xích có cùng công thức với monomer; trong trùng ngưng, mắt xích ít nguyên tử hơn do đã mất H2O\mathrm{H_2O}.
  • Phản ứng trùng hợp không sinh sản phẩm phụ; nếu thấy thoát ra nước thì bắt buộc phải là trùng ngưng.
  • Polymer nhiệt rắn không nóng chảy, nên không thể tái chế bằng cách đun nóng như polymer nhiệt dẻo.
  • Khi tính bằng trùng ngưng, phải dùng khối lượng một mắt xích đã trừ sản phẩm phụ, không dùng tổng khối lượng các monomer.
  • Hệ số polymer hoá nn trong tự nhiên và trong công nghiệp là giá trị trung bình, nên khối lượng phân tử polymer thường được đề cập dưới dạng khối lượng trung bình.
Gặp bài khó? Chụp ảnh để CEAO giảiAI giải từng bước, đề kiểm tra theo bài, thẻ ghi nhớ. Đăng ký miễn phí.
Thử ngay