Polymer

Polymer thường có 1–2 câu nhiều lựa chọn (polymer nào điều chế bằng trùng ngưng, tơ nào là tơ bán tổng hợp) và một câu đếm ở phần trả lời ngắn. Câu tính toán ít hơn nhưng vẫn gặp: hệ số polymer hóa, tỉ lệ mắt xích, khối lượng monomer theo hiệu suất. Chìa khóa là thuộc monomer – polymer – phương pháp – ứng dụng của khoảng 15 vật liệu quen thuộc.

Kiến thức trọng tâm

Khái niệm, danh pháp, phân loại

Polymer là hợp chất có phân tử khối rất lớn, do nhiều đơn vị nhỏ (mắt xích) liên kết với nhau. Phân tử nhỏ tạo nên mắt xích là monomer; số mắt xích $n$ là hệ số polymer hóa:

với $M$ là phân tử khối (trung bình) của polymer, $M_0$ là khối lượng của một mắt xích.

Tên polymer = poly + tên monomer; tên monomer có hai từ trở lên thì đặt trong ngoặc: polyethylene, poly(vinyl chloride).

Tính chất vật lí và hóa học

• Hầu hết là chất rắn, không bay hơi, không có nhiệt độ nóng chảy xác định (nóng chảy trong một khoảng nhiệt độ), không tan trong dung môi thông thường. Chất nhiệt dẻo nóng chảy khi đun, để nguội lại rắn (PE, PVC); chất nhiệt rắn không nóng chảy mà bị phân hủy (poly(phenol formaldehyde) – PPF).
• Phản ứng cắt mạch: thủy phân tinh bột, protein, polyamide, polyester; nhiệt phân polystyrene:

• Phản ứng giữ nguyên mạch (biến đổi nhóm thế), ví dụ thủy phân poly(vinyl acetate):

• Phản ứng tăng mạch: lưu hóa cao su (cầu nối –S–S– giữa các mạch); keo epoxy, keo poly(urea–formaldehyde) trộn chất đóng rắn cũng tạo polymer mạng không gian.

Hai phương pháp điều chế

Chất dẻo và vật liệu composite

Chất dẻo là vật liệu polymer có tính dẻo (bị biến dạng khi chịu tác dụng của nhiệt, áp lực và giữ nguyên biến dạng đó).

• Polyethylene (PE) từ $\ce{CH2=CH2}$⁠: màng mỏng, túi, chai lọ.
• Polypropylene (PP) từ $\ce{CH2=CH-CH3}$⁠: hộp đựng thực phẩm, chai lọ.
• Poly(vinyl chloride) (PVC) từ $\ce{CH2=CHCl}$⁠: ống dẫn nước, vỏ dây điện, vải giả da.
• Polystyrene (PS) từ $\ce{CH2=CH-C6H5}$⁠: hộp xốp, vật liệu cách nhiệt.
• Poly(methyl methacrylate) (PMMA) từ $\ce{CH2=C(CH3)COOCH3}$⁠: thủy tinh hữu cơ, kính máy bay, răng giả.
• Poly(phenol formaldehyde) (PPF) trùng ngưng phenol với formaldehyde (xúc tác acid): polymer nhiệt rắn, làm bột ép, tay cầm xoong chảo, vỏ công tắc điện. Sách cũ còn chia PPF thành nhựa novolac, rezol, rezit; SGK hiện hành (cả ba bộ) không dùng các tên này.

Vật liệu composite gồm vật liệu nền (thường là polymer) và vật liệu cốt (sợi thủy tinh, sợi carbon, bột gỗ, bột đá…) phân tán trong nền, không hòa tan vào nhau. Composite bền, nhẹ, chịu nhiệt, chống ăn mòn: vỏ thuyền, mũ bảo hiểm, cánh quạt điện gió, tay giả.

Tơ

Tơ polyamide (có nhóm –CO–NH–) và polyester (có nhóm –COO–) kém bền trong acid, kiềm vì bị thủy phân. Tơ nitron giữ nhiệt tốt, dùng dệt vải may quần áo ấm.

Cao su và keo dán

Cao su là vật liệu polymer có tính đàn hồi.

• Cao su thiên nhiên: polyisoprene $\ce{(-CH2-C(CH3)=CH-CH2-)_n}$ cấu hình cis. Lưu hóa (đun với sulfur) tạo cầu disulfide → mạng không gian, cao su bền, đàn hồi tốt hơn.
• Cao su tổng hợp: cao su buna (trùng hợp buta-1,3-diene), buna-S (đồng trùng hợp với styrene), buna-N (đồng trùng hợp với acrylonitrile), cao su chloroprene.

Keo dán là vật liệu có khả năng kết dính bề mặt hai vật liệu rắn mà không làm biến đổi bản chất các vật liệu đó: keo epoxy (dán kim loại, gỗ, gốm), keo poly(urea–formaldehyde) (sản xuất gỗ ép), keo dán từ cao su thiên nhiên hòa tan trong dung môi.

Dạng bài thường gặp trong đề thi

Dạng 1: Thí nghiệm phân biệt vật liệu (đúng/sai)

Xem lời giải

• a) Đúng. Len lông cừu có bản chất protein; protein cháy có mùi khét đặc trưng.
• b) Đúng. PVC chứa chlorine, khi cháy giải phóng khí $\ce{HCl}$ làm quỳ ẩm hóa đỏ.
• c) Sai. Sợi bông là cellulose nhưng len lông cừu là protein.
• d) Đúng. PE là polymer nhiệt dẻo.

Dạng 2: Hệ số polymer hóa

Xem lời giải

Mắt xích $\ce{(-NH[CH2]6NHCO[CH2]4CO-)}$ có công thức $\ce{C12H22N2O2}$⁠, $M = 226$⁠. $n = \dfrac{27\,120}{226} = 120$⁠.

Dạng 3: Tỉ lệ mắt xích trong cao su đồng trùng hợp

Xem lời giải

1. Mắt xích butadiene $\ce{C4H6}$ (⁠$M = 54$⁠), acrylonitrile $\ce{C3H3N}$ (⁠$M = 53$⁠). Gọi tỉ lệ là $k : 1$⁠.
2. $\%N = \dfrac{14}{54k + 53} \cdot 100\% = 8{,}70\%$ → $54k + 53 \approx 161$ → $k = 2$⁠.
3. Tỉ lệ $2 : 1$⁠.

Dạng 4: Sản xuất polymer theo hiệu suất

Xem lời giải

1. Số mol mắt xích $\ce{C2H3Cl}$⁠: $\dfrac{10^6}{62{,}5} = 16\,000$ mol. Mỗi mắt xích cần 1 phân tử ethylene.
2. Hiệu suất chung: $0{,}9 \cdot 0{,}8 \cdot 0{,}95 = 0{,}684$ → $n_{\ce{C2H4}} = \dfrac{16\,000}{0{,}684} \approx 23\,392$ mol.
3. $V = 23\,392 \cdot 24{,}79 \approx 579\,883$ L $\approx 580\ \text{m}^3$⁠.

Dạng 5: Hiệu suất trùng hợp

Xem lời giải

Polystyrene không còn liên kết C=C ngoài vòng nên không phản ứng với bromine; chỉ styrene dư phản ứng (1 : 1). Styrene ban đầu: 0,1 mol; styrene dư $= n_{\ce{Br2}} = 0{,}03$ mol → $H = \dfrac{0{,}1 - 0{,}03}{0{,}1} = 70\%$⁠.

Lỗi thường gặp

Mẹo làm bài

Tự kiểm tra nhanh

1. Cho các tơ: tơ tằm, tơ visco, nylon-6,6, tơ nitron, tơ cellulose acetate, capron, bông. Có bao nhiêu tơ tổng hợp?

Xem đáp án

3 tơ: nylon-6,6, nitron, capron.

2. Một đoạn mạch PVC có phân tử khối 125 000. Tính số mắt xích.

Xem đáp án

$n = \dfrac{125\,000}{62{,}5} = 2000$⁠.

3. Viết phương trình trùng hợp methyl methacrylate tạo thủy tinh hữu cơ.

Xem đáp án

$$\begin{aligned}&\ce{nCH2=C(CH3)COOCH3 ->[t^\circ, p, xt]} \\ &\ce{(-CH2-C(CH3)(COOCH3)-)_n}\end{aligned}$$

4. Vì sao cao su lưu hóa bền và đàn hồi tốt hơn cao su chưa lưu hóa?

Xem đáp án

Các cầu disulfide –S–S– nối các mạch polyisoprene thành mạng không gian, mạch khó trượt lên nhau nên cao su bền cơ học, ít bị dính, đàn hồi tốt hơn.

5. Cho biết thành phần chung của một vật liệu composite và nêu một ứng dụng.

Xem đáp án

Vật liệu nền (thường là polymer) và vật liệu cốt (sợi thủy tinh, sợi carbon…). Ví dụ: composite sợi thủy tinh làm vỏ thuyền, cánh quạt điện gió.