Bài học

Phản ứng hoá học của cellulose

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được phương trình phản ứng ester hoá của cellulose với $HNO_3$ đặc tạo cellulose trinitrat, tính toán được lượng chất theo phản ứng đó, và giải thích được phản ứng thuỷ phân cellulose cùng ứng dụng công nghiệp của các phản ứng này.

Kiến thức nền cần nhớ

Same-grade bridge: bài trước đã xác định mỗi mắt xích cellulose $C_6H_7O_2(OH)_3$ mang 3 nhóm OH tự do. Prior-grade review: ở lớp 12 (Chương ester và lipid, khoá học trước trong lộ trình), em đã học phản ứng ester hoá giữa nhóm OH của ancol với acid, xúc tác $H_2SO_4$ đặc. Bài này áp dụng đúng phản ứng ester hoá đó, chỉ khác acid dùng là $HNO_3$ đặc thay vì một acid hữu cơ thông thường.

Khởi động

Bông y tế thấm nước tốt, mềm mại, còn thuốc súng không khói dùng trong đạn dược lại là chất rắn dễ cháy nổ mạnh. Điều bất ngờ: cả hai đều bắt nguồn từ cùng một nguyên liệu — cellulose trong sợi bông — chỉ khác nhau ở một phản ứng hoá học duy nhất được thực hiện lên nó. Phản ứng đó là gì?

Kiến thức trọng tâm

Nhờ mang 3 nhóm −OH tự do trên mỗi mắt xích, cellulose có phản ứng ester hoá với acid nitric đặc, xúc tác $H_2SO_4$ đặc, đun nóng nhẹ:

$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 3nHNO_3(đặc) \xrightarrow[t^\circ]{H_2SO_4\ đặc} [C_6H_7O_2(ONO_2)_3]_n + 3nH_2O$

Sản phẩm cellulose trinitrat là chất rắn dễ cháy và cháy rất mạnh, gần như không sinh khói (khác thuốc súng đen cổ điển sinh nhiều khói), nên được gọi là thuốc súng không khói, dùng trong đạn dược và pháo hoa công nghiệp. Vì phản ứng ester hoá xảy ra ở cả 3 nhóm OH mỗi mắt xích, tỉ lệ mol dùng để tính toán là $n(HNO_3) = 3 \times n(mắt\ xích\ cellulose)$ — đây là điểm khác biệt quan trọng so với phản ứng ester hoá của một ancol đơn chức thông thường (tỉ lệ 1:1), và là lỗi tính toán phổ biến nhất của dạng bài này nếu quên nhân 3.

Cellulose cũng phản ứng ester hoá với anhiđrit acetic (thay vì acid acetic thông thường, vì phản ứng với anhiđrit hiệu quả hơn nhiều với cellulose) tạo cellulose triacetat, nguyên liệu chính để sản xuất tơ axetat — loại tơ nhân tạo dùng dệt vải, có độ bóng và cảm giác mềm mại gần giống tơ tằm tự nhiên nhưng giá thành rẻ hơn nhiều.

Giống tinh bột, liên kết glycosic trong cellulose cũng bị thuỷ phân bởi acid đun nóng (khó hơn tinh bột nhiều vì cấu trúc bó sợi bền chắc, cần điều kiện acid đặc và nhiệt độ, áp suất cao hơn): $(C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \xrightarrow[t^\circ,\ p]{H^+} nC_6H_{12}O_6$ . Phản ứng này được nghiên cứu để sản xuất cồn công nghiệp từ phế phẩm nông nghiệp giàu cellulose (mùn cưa, vỏ trấu, bã mía) — nguồn nguyên liệu rẻ và không cạnh tranh với lương thực như tinh bột từ gạo, ngô — nhưng hiệu suất thuỷ phân công nghiệp trên cellulose hiện vẫn thấp hơn nhiều so với thuỷ phân tinh bột, do liên kết β-1,4-glycosic bền và khó tiếp cận hơn. Việc tận dụng cellulose từ phế phẩm nông nghiệp làm nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học (cồn sinh học thế hệ hai) vẫn đang là hướng nghiên cứu được nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam, quan tâm — vì tận dụng được nguồn phụ phẩm dồi dào từ nông nghiệp mà không cạnh tranh trực tiếp với nguồn lương thực như tinh bột từ gạo, ngô.

Nhờ mang 3 nhóm −OH tự do trên mỗi mắt xích, cellulose có phản ứng **ester hoá** với acid nitric đặc, xúc tác $H_2SO_4$ đặc, đun nóng nhẹ: $$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 3nHNO_3(đặc) \xrightarrow[t^\circ]{H_2SO_4\ đặc} [C_6H_7O_2(ONO_2)_3]_n + 3nH_2O$$ Sản phẩm **cellulose trinitrat** là chất rắn dễ cháy và cháy rất mạnh, gần như không sinh khói (khác thuốc súng đen cổ điển sinh nhiều khói), nên được gọi là **thuốc súng không khói**, dùng trong đạn dược và pháo hoa công nghiệp. Vì phản ứng ester hoá xảy ra ở cả 3 nhóm OH mỗi mắt xích, tỉ lệ mol dùng để tính toán là $n(HNO_3) = 3 \times n(mắt\ xích\ cellulose)$ — đây là điểm khác biệt quan trọng so với phản ứng ester hoá của một ancol đơn chức thông thường (tỉ lệ 1:1), và là lỗi tính toán phổ biến nhất của dạng bài này nếu quên nhân 3. Cellulose cũng phản ứng ester hoá với **anhiđrit acetic** (thay vì acid acetic thông thường, vì phản ứng với anhiđrit hiệu quả hơn nhiều với cellulose) tạo **cellulose triacetat**, nguyên liệu chính để sản xuất **tơ axetat** — loại tơ nhân tạo dùng dệt vải, có độ bóng và cảm giác mềm mại gần giống tơ tằm tự nhiên nhưng giá thành rẻ hơn nhiều. Giống tinh bột, liên kết glycosic trong cellulose cũng bị **thuỷ phân** bởi acid đun nóng (khó hơn tinh bột nhiều vì cấu trúc bó sợi bền chắc, cần điều kiện acid đặc và nhiệt độ, áp suất cao hơn): $(C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \xrightarrow[t^\circ,\ p]{H^+} nC_6H_{12}O_6$. Phản ứng này được nghiên cứu để sản xuất cồn công nghiệp từ phế phẩm nông nghiệp giàu cellulose (mùn cưa, vỏ trấu, bã mía) — nguồn nguyên liệu rẻ và không cạnh tranh với lương thực như tinh bột từ gạo, ngô — nhưng hiệu suất thuỷ phân công nghiệp trên cellulose hiện vẫn thấp hơn nhiều so với thuỷ phân tinh bột, do liên kết β-1,4-glycosic bền và khó tiếp cận hơn. Việc tận dụng cellulose từ phế phẩm nông nghiệp làm nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học (cồn sinh học thế hệ hai) vẫn đang là hướng nghiên cứu được nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam, quan tâm — vì tận dụng được nguồn phụ phẩm dồi dào từ nông nghiệp mà không cạnh tranh trực tiếp với nguồn lương thực như tinh bột từ gạo, ngô.

Ví dụ

Tính khối lượng cellulose trinitrat từ bông

1
Cho 16,2 gam bông (chứa 100% cellulose) tác dụng hoàn toàn với lượng dư dung dịch $HNO_3$ đặc, xúc tác $H_2SO_4$ đặc, hiệu suất phản ứng đạt 75%. Tính khối lượng cellulose trinitrat thu được.
Cho 16,2 gam bông (chứa 100% cellulose) tác dụng hoàn toàn với lượng dư dung dịch $HNO_3$ đặc, xúc tác $H_2SO_4$ đặc, hiệu suất phản ứng đạt 75%. Tính khối lượng cellulose trinitrat thu được.
2
$M_1(C_6H_{10}O_5) = 162$ g/mol. $n(mắt\ xích) = \dfrac{16{,}2}{162} = 0{,}1$ mol.
$M_1(C_6H_{10}O_5) = 162$ g/mol. $n(mắt\ xích) = \dfrac{16{,}2}{162} = 0{,}1$ mol.
3
$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 3nHNO_3 \xrightarrow[t^\circ]{H_2SO_4\ đặc} [C_6H_7O_2(ONO_2)_3]_n + 3nH_2O$ . Theo tỉ lệ mắt xích 1:1, lượng cellulose trinitrat lý thuyết bằng đúng số mol mắt xích cellulose ban đầu: $0{,}1$ mol. Vì hiệu suất chỉ đạt 75%: $n(cellulose\ trinitrat) = 0{,}1 \times 75\% = 0{,}075$ mol.
$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 3nHNO_3 \xrightarrow[t^\circ]{H_2SO_4\ đặc} [C_6H_7O_2(ONO_2)_3]_n + 3nH_2O$. Theo tỉ lệ mắt xích 1:1, lượng cellulose trinitrat lý thuyết bằng đúng số mol mắt xích cellulose ban đầu: $0{,}1$ mol. Vì hiệu suất chỉ đạt 75%: $n(cellulose\ trinitrat) = 0{,}1 \times 75\% = 0{,}075$ mol.
4
Mỗi mắt xích cellulose trinitrat $C_6H_7N_3O_{11}$ có $M_2 = 6\times12+7\times1+3\times14+11\times16 = 72+7+42+176 = 297$ g/mol. $m = 0{,}075 \times 297 = 22{,}275$ gam.
Mỗi mắt xích cellulose trinitrat $C_6H_7N_3O_{11}$ có $M_2 = 6\times12+7\times1+3\times14+11\times16 = 72+7+42+176 = 297$ g/mol. $m = 0{,}075 \times 297 = 22{,}275$ gam.
5
Vậy khối lượng cellulose trinitrat thu được là $22{,}275$ gam.
Vậy khối lượng cellulose trinitrat thu được là $22{,}275$ gam.

Ví dụ

Tính khối lượng HNO₃ cần dùng theo đúng tỉ lệ 3 nhóm OH

1
Để điều chế cellulose trinitrat từ 8,1 gam cellulose (hiệu suất phản ứng 80%), cần dùng tối thiểu bao nhiêu gam dung dịch $HNO_3$ 63% (khối lượng riêng dung dịch không xét, chỉ tính theo khối lượng chất tan nguyên chất cần dùng, quy đổi ra khối lượng dung dịch 63%)?
Để điều chế cellulose trinitrat từ 8,1 gam cellulose (hiệu suất phản ứng 80%), cần dùng tối thiểu bao nhiêu gam dung dịch $HNO_3$ 63% (khối lượng riêng dung dịch không xét, chỉ tính theo khối lượng chất tan nguyên chất cần dùng, quy đổi ra khối lượng dung dịch 63%)?
2
$n(mắt\ xích) = \dfrac{8{,}1}{162} = 0{,}05$ mol.
$n(mắt\ xích) = \dfrac{8{,}1}{162} = 0{,}05$ mol.
3
Mỗi mắt xích cellulose có 3 nhóm OH, mỗi nhóm phản ứng với 1 phân tử $HNO_3$ , nên $n(HNO_3) = 3 \times n(mắt\ xích) = 3 \times 0{,}05 = 0{,}15$ mol — đây là điểm bắt buộc phải nhân 3, khác hẳn ester hoá một ancol đơn chức thông thường.
Mỗi mắt xích cellulose có 3 nhóm OH, mỗi nhóm phản ứng với 1 phân tử $HNO_3$, nên $n(HNO_3) = 3 \times n(mắt\ xích) = 3 \times 0{,}05 = 0{,}15$ mol — đây là điểm bắt buộc phải nhân 3, khác hẳn ester hoá một ancol đơn chức thông thường.
4
Vì hiệu suất phản ứng chỉ đạt 80%, để tạo đủ lượng sản phẩm lý thuyết cần một lượng $HNO_3$ nhiều hơn lượng phản ứng vừa đủ theo đúng tỉ lệ đó — trong bài toán này đề cho hiệu suất tính trên sản phẩm, còn $HNO_3$ vẫn cần đúng theo tỉ lệ hoá học nếu tính theo lượng phản ứng thực tế: $n(HNO_3\ phản\ ứng) = 0{,}15 \times 80\% = 0{,}12$ mol, suy ra $m(HNO_3\ nguyên\ chất) = 0{,}12 \times 63 = 7{,}56$ gam.
Vì hiệu suất phản ứng chỉ đạt 80%, để tạo đủ lượng sản phẩm lý thuyết cần một lượng $HNO_3$ nhiều hơn lượng phản ứng vừa đủ theo đúng tỉ lệ đó — trong bài toán này đề cho hiệu suất tính trên sản phẩm, còn $HNO_3$ vẫn cần đúng theo tỉ lệ hoá học nếu tính theo lượng phản ứng thực tế: $n(HNO_3\ phản\ ứng) = 0{,}15 \times 80\% = 0{,}12$ mol, suy ra $m(HNO_3\ nguyên\ chất) = 0{,}12 \times 63 = 7{,}56$ gam.
5
$m(dung\ dịch\ HNO_3\ 63\%) = \dfrac{7{,}56}{63\%} = 12$ gam.
$m(dung\ dịch\ HNO_3\ 63\%) = \dfrac{7{,}56}{63\%} = 12$ gam.
6
Vậy cần tối thiểu $12$ gam dung dịch $HNO_3$ 63%. Bài toán này nhấn mạnh hai điểm dễ sai: hệ số 3 trước $HNO_3$ (ứng với 3 nhóm OH mỗi mắt xích) và bước quy đổi cuối cùng từ khối lượng chất tan nguyên chất sang khối lượng dung dịch theo nồng độ phần trăm.
Vậy cần tối thiểu $12$ gam dung dịch $HNO_3$ 63%. Bài toán này nhấn mạnh hai điểm dễ sai: hệ số 3 trước $HNO_3$ (ứng với 3 nhóm OH mỗi mắt xích) và bước quy đổi cuối cùng từ khối lượng chất tan nguyên chất sang khối lượng dung dịch theo nồng độ phần trăm.

Sai lầm thường gặp

Lỗi phổ biến nhất khi tính toán phản ứng ester hoá cellulose là quên hệ số 3 trước $HNO_3$ — nhầm tưởng mỗi mắt xích chỉ phản ứng với 1 phân tử $HNO_3$ như một ancol đơn chức thông thường. Luôn nhớ: mỗi mắt xích cellulose mang đúng 3 nhóm OH tự do, nên tỉ lệ chuẩn là $n(HNO_3) = 3 \times n(mắt\ xích\ cellulose)$ .

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 3nHNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4\ đặc,\ t^\circ} [C_6H_7O_2(ONO_2)_3]_n + 3nH_2O$ (thuốc súng không khói) — luôn nhân 3 vì 3 nhóm OH/mắt xích. Cellulose + anhiđrit acetic → tơ axetat. Cellulose cũng thuỷ phân (acid, to, khó hơn tinh bột) → glucose.

Bốn chương vừa qua đã đi trọn vẹn từ monosaccharide, đisaccharide, đến hai polysaccharide chính. Chương cuối cùng hệ thống hoá lại toàn bộ chuỗi carbohydrate này và luyện tập theo đúng ba định dạng câu hỏi của kỳ thi tốt nghiệp THPT 2025: trắc nghiệm nhiều lựa chọn, đúng/sai từng ý, và trả lời ngắn.