Bài học

Đọc ngược mắt xích: xác định monome và hệ số polymer hóa

Em sẽ làm được gì?

Đọc một đoạn mắt xích polymer cho trước, suy ngược ra (các) monome đã tạo ra nó, gọi đúng tên kiểu phản ứng, và tính hệ số polymer hóa n từ phân tử khối trung bình.

Cần nhớ trước

Lớp 12 nền tảng đã cho em biết monome là gì, mắt xích là gì, và phân biệt trùng hợp (cộng monome có liên kết bội, không tách ra chất nhỏ) với trùng ngưng (monome có ít nhất hai nhóm chức, tách ra $H_2O$ hoặc chất nhỏ khác). Bài này dùng lại đúng hai khái niệm đó, chỉ đổi chiều: đề bài lớp 12 cho monome, hỏi mắt xích; đề bài ở đây cho mắt xích, hỏi ngược lại monome.

Một đề thi HSG hiếm khi viết sẵn "đây là phản ứng của etilen". Đề thường cho một đoạn mạch polymer — chuỗi ký tự lặp đi lặp lại trong ngoặc đơn kèm chỉ số $n$ — rồi bắt em tự nhận ra polymer đó dệt từ những viên gạch nào. Đây là kỹ năng đọc ngược, và nó quan trọng vì phần lớn bài toán định lượng ở chương này (hiệu suất, tỉ lệ mắt xích, phần trăm nguyên tố) đều bắt đầu bằng đúng một bước: xác định đúng monome và đúng kiểu phản ứng trước khi tính bất cứ con số nào.

Một đề thi HSG hiếm khi viết sẵn \"đây là phản ứng của etilen\". Đề thường cho một đoạn mạch polymer — chuỗi ký tự lặp đi lặp lại trong ngoặc đơn kèm chỉ số $n$ — rồi bắt em tự nhận ra polymer đó dệt từ những viên gạch nào. Đây là kỹ năng đọc ngược, và nó quan trọng vì phần lớn bài toán định lượng ở chương này (hiệu suất, tỉ lệ mắt xích, phần trăm nguyên tố) đều bắt đầu bằng đúng một bước: xác định đúng monome và đúng kiểu phản ứng trước khi tính bất cứ con số nào.

Đọc ngược một mắt xích: bốn câu hỏi cần trả lời

Đứng trước một công thức mắt xích $[-\ldots-]_n$ , hỏi lần lượt bốn câu. Mắt xích có nhóm chức nào lặp lại — $-CO-NH-$ (amit), $-CO-O-$ (este), hay chỉ một mạch carbon liên tục không có nhóm chức? Nếu có nhóm amit hoặc este, mắt xích chắc chắn sinh từ trùng ngưng, vì chỉ phản ứng giữa nhóm $-COOH$ và $-NH_2$ (hoặc $-OH$ ) mới tạo ra liên kết đó, đồng thời tách ra $H_2O$ . Nếu mạch chỉ toàn liên kết $C-C$ không nhóm chức xen giữa, mắt xích sinh từ trùng hợp — monome ban đầu có liên kết đôi hoặc ba, và trùng hợp chỉ mở liên kết bội ra để nối mạch, không tách gì cả. Câu hỏi thứ ba: mắt xích có đối xứng hay không — một loại đơn vị lặp lại (trùng hợp một monome, hoặc trùng ngưng một loại amino acid) hay hai đơn vị xen kẽ (trùng ngưng điamin + điaxit, hoặc đồng trùng hợp hai monome khác nhau)? Câu hỏi thứ tư, cũng là câu dễ bị bỏ qua nhất: đếm đúng số nguyên tử trong MỘT mắt xích, không đếm nhầm sang mắt xích bên cạnh — ranh giới mắt xích là chỗ mà nếu cắt ra, phần còn lại vẫn lặp lại y hệt.

Đứng trước một công thức mắt xích $[-\ldots-]_n$, hỏi lần lượt bốn câu. Mắt xích có nhóm chức nào lặp lại — $-CO-NH-$ (amit), $-CO-O-$ (este), hay chỉ một mạch carbon liên tục không có nhóm chức? Nếu có nhóm amit hoặc este, mắt xích chắc chắn sinh từ trùng ngưng, vì chỉ phản ứng giữa nhóm $-COOH$ và $-NH_2$ (hoặc $-OH$) mới tạo ra liên kết đó, đồng thời tách ra $H_2O$. Nếu mạch chỉ toàn liên kết $C-C$ không nhóm chức xen giữa, mắt xích sinh từ trùng hợp — monome ban đầu có liên kết đôi hoặc ba, và trùng hợp chỉ mở liên kết bội ra để nối mạch, không tách gì cả. Câu hỏi thứ ba: mắt xích có đối xứng hay không — một loại đơn vị lặp lại (trùng hợp một monome, hoặc trùng ngưng một loại amino acid) hay hai đơn vị xen kẽ (trùng ngưng điamin + điaxit, hoặc đồng trùng hợp hai monome khác nhau)? Câu hỏi thứ tư, cũng là câu dễ bị bỏ qua nhất: đếm đúng số nguyên tử trong MỘT mắt xích, không đếm nhầm sang mắt xích bên cạnh — ranh giới mắt xích là chỗ mà nếu cắt ra, phần còn lại vẫn lặp lại y hệt.

Dấu hiệu nhận ra kiểu phản ứng nằm ngay trong cấu trúc mắt xích — không cần biết trước quy trình điều chế.

Hệ số polymer hóa n: cầu nối giữa mắt xích và phân tử khối trung bình

Hệ số polymer hóa $n$ (đôi khi đề gọi là độ trùng hợp) là số lần mắt xích lặp lại trong một phân tử polymer. Vì phân tử polymer chỉ là $n$ mắt xích nối liền nhau (cộng thêm hai đầu mạch, nhưng khối lượng hai đầu mạch quá nhỏ so với khối lượng cả chuỗi nên bài toán luôn cho phép bỏ qua), phân tử khối trung bình của polymer gần đúng bằng $n$ lần phân tử khối một mắt xích: $\overline{M}_{polymer} \approx n \times M_{mắt\ xích}$ . Biết hai trong ba đại lượng, tính ra đại lượng còn lại — đây là công thức nền cho mọi bài hiệu suất và tỉ lệ mắt xích ở các bài sau trong khóa.

Hệ số polymer hóa $n$ (đôi khi đề gọi là độ trùng hợp) là số lần mắt xích lặp lại trong một phân tử polymer. Vì phân tử polymer chỉ là $n$ mắt xích nối liền nhau (cộng thêm hai đầu mạch, nhưng khối lượng hai đầu mạch quá nhỏ so với khối lượng cả chuỗi nên bài toán luôn cho phép bỏ qua), phân tử khối trung bình của polymer gần đúng bằng $n$ lần phân tử khối một mắt xích: $\overline{M}_{polymer} \approx n \times M_{mắt\ xích}$. Biết hai trong ba đại lượng, tính ra đại lượng còn lại — đây là công thức nền cho mọi bài hiệu suất và tỉ lệ mắt xích ở các bài sau trong khóa.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Xác định monome của nilon-6,6 và tính hệ số polymer hóa

1
Một đoạn mạch tơ nilon-6,6 có công thức $[-NH-(CH_2)_6-NH-CO-(CH_2)_4-CO-]_n$ . Xác định hai monome đã tạo ra tơ này, viết phương trình trùng ngưng, và tính hệ số polymer hóa $n$ khi phân tử khối trung bình của mẫu tơ là $33900$ .
Một đoạn mạch tơ nilon-6,6 có công thức $[-NH-(CH_2)_6-NH-CO-(CH_2)_4-CO-]_n$. Xác định hai monome đã tạo ra tơ này, viết phương trình trùng ngưng, và tính hệ số polymer hóa $n$ khi phân tử khối trung bình của mẫu tơ là $33900$.
2
Mắt xích chứa nhóm $-CO-NH-$ (amit) lặp lại hai lần, xen giữa hai đoạn $(CH_2)_6$ và $(CH_2)_4$ khác độ dài nhau — đây là dấu hiệu trùng ngưng từ HAI monome khác nhau, không phải một.
Mắt xích chứa nhóm $-CO-NH-$ (amit) lặp lại hai lần, xen giữa hai đoạn $(CH_2)_6$ và $(CH_2)_4$ khác độ dài nhau — đây là dấu hiệu trùng ngưng từ HAI monome khác nhau, không phải một.
3
Cắt mắt xích tại hai liên kết amit, mỗi nửa gắn thêm nhóm chức đã mất khi trùng ngưng ( $-NH-$ nhận lại $H$ thành $-NH_2$ , $-CO-$ nhận lại $-OH$ thành $-COOH$ ): nửa $-NH-(CH_2)_6-NH-$ trở lại thành hexametylenđiamin $H_2N-(CH_2)_6-NH_2$ ; nửa $-CO-(CH_2)_4-CO-$ trở lại thành axit ađipic $HOOC-(CH_2)_4-COOH$ .
Cắt mắt xích tại hai liên kết amit, mỗi nửa gắn thêm nhóm chức đã mất khi trùng ngưng ($-NH-$ nhận lại $H$ thành $-NH_2$, $-CO-$ nhận lại $-OH$ thành $-COOH$): nửa $-NH-(CH_2)_6-NH-$ trở lại thành hexametylenđiamin $H_2N-(CH_2)_6-NH_2$; nửa $-CO-(CH_2)_4-CO-$ trở lại thành axit ađipic $HOOC-(CH_2)_4-COOH$.
4
Theo tính chất trùng ngưng của điamin và điaxit, ta có: $nH_2N-(CH_2)_6-NH_2 + nHOOC-(CH_2)_4-COOH \rightarrow [-NH-(CH_2)_6-NH-CO-(CH_2)_4-CO-]_n + 2nH_2O$ .
Theo tính chất trùng ngưng của điamin và điaxit, ta có: $nH_2N-(CH_2)_6-NH_2 + nHOOC-(CH_2)_4-COOH \rightarrow [-NH-(CH_2)_6-NH-CO-(CH_2)_4-CO-]_n + 2nH_2O$.
5
Mắt xích $-[NH-(CH_2)_6-NH-CO-(CH_2)_4-CO]-$ có công thức $C_{12}H_{22}N_2O_2$ , nên $M_{mắt\ xích} = 12\times12+22\times1+2\times14+2\times16=226$ .
Mắt xích $-[NH-(CH_2)_6-NH-CO-(CH_2)_4-CO]-$ có công thức $C_{12}H_{22}N_2O_2$, nên $M_{mắt\ xích} = 12\times12+22\times1+2\times14+2\times16=226$.
6
Theo công thức $\overline{M}_{polymer} \approx n\times M_{mắt\ xích}$ , ta có $n = \dfrac{33900}{226}=150$ .
Theo công thức $\overline{M}_{polymer} \approx n\times M_{mắt\ xích}$, ta có $n = \dfrac{33900}{226}=150$.
7
Vậy tơ nilon-6,6 được tạo từ hexametylenđiamin và axit ađipic qua phản ứng trùng ngưng, và mẫu tơ đã cho có hệ số polymer hóa $n=150$ .
Vậy tơ nilon-6,6 được tạo từ hexametylenđiamin và axit ađipic qua phản ứng trùng ngưng, và mẫu tơ đã cho có hệ số polymer hóa $n=150$.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Tách hai monome của cao su buna-S từ một đoạn mắt xích

1
Cao su buna-S là sản phẩm đồng trùng hợp của buta-1,3-đien và stiren. Một đoạn mạch của nó viết dưới dạng $-CH_2-CH=CH-CH_2-CH_2-CH(C_6H_5)-$ . Xác định monome tương ứng với mỗi đoạn, và giải thích vì sao đoạn từ buta-1,3-đien chỉ còn MỘT liên kết đôi thay vì hai.
Cao su buna-S là sản phẩm đồng trùng hợp của buta-1,3-đien và stiren. Một đoạn mạch của nó viết dưới dạng $-CH_2-CH=CH-CH_2-CH_2-CH(C_6H_5)-$. Xác định monome tương ứng với mỗi đoạn, và giải thích vì sao đoạn từ buta-1,3-đien chỉ còn MỘT liên kết đôi thay vì hai.
2
Đoạn $-CH_2-CH=CH-CH_2-$ có 4 carbon liên tục kèm một liên kết đôi ở giữa — đúng khung của buta-1,3-đien sau khi trùng hợp kiểu 1,4. Đoạn $-CH_2-CH(C_6H_5)-$ có 2 carbon mang một vòng benzen — đúng khung của stiren $CH_2=CH-C_6H_5$ .
Đoạn $-CH_2-CH=CH-CH_2-$ có 4 carbon liên tục kèm một liên kết đôi ở giữa — đúng khung của buta-1,3-đien sau khi trùng hợp kiểu 1,4. Đoạn $-CH_2-CH(C_6H_5)-$ có 2 carbon mang một vòng benzen — đúng khung của stiren $CH_2=CH-C_6H_5$.
3
Buta-1,3-đien $CH_2=CH-CH=CH_2$ có hai liên kết đôi liên hợp ở carbon 1-2 và 3-4. Khi trùng hợp kiểu 1,4 (kiểu chiếm ưu thế trong cao su buna), liên kết đôi ở giữa (carbon 2-3) hình thành MỚI, còn hai liên kết đôi cũ ở đầu mạch mất đi để tạo hai liên kết đơn nối sang mắt xích bên cạnh — mắt xích sau phản ứng chỉ giữ lại đúng một liên kết đôi ở vị trí giữa.
Buta-1,3-đien $CH_2=CH-CH=CH_2$ có hai liên kết đôi liên hợp ở carbon 1-2 và 3-4. Khi trùng hợp kiểu 1,4 (kiểu chiếm ưu thế trong cao su buna), liên kết đôi ở giữa (carbon 2-3) hình thành MỚI, còn hai liên kết đôi cũ ở đầu mạch mất đi để tạo hai liên kết đơn nối sang mắt xích bên cạnh — mắt xích sau phản ứng chỉ giữ lại đúng một liên kết đôi ở vị trí giữa.
4
$nCH_2=CH-CH=CH_2 + nCH_2=CH-C_6H_5 \xrightarrow{xt,t^{\circ},p} (-CH_2-CH=CH-CH_2-CH_2-CH(C_6H_5)-)_n$ .
$nCH_2=CH-CH=CH_2 + nCH_2=CH-C_6H_5 \xrightarrow{xt,t^{\circ},p} (-CH_2-CH=CH-CH_2-CH_2-CH(C_6H_5)-)_n$.
5
Vậy đoạn mắt xích đã cho tách thành đúng hai monome: buta-1,3-đien (giữ lại một liên kết đôi ở vị trí 1,4-polymer hóa) và stiren (giữ nguyên vòng benzen, mất liên kết đôi mạch nhánh). Liên kết đôi còn sót lại của phần buta-1,3-đien chính là chỗ cao su buna-S còn phản ứng được với $Br_2$ — điều bài sau trong chương sẽ dùng lại.
Vậy đoạn mắt xích đã cho tách thành đúng hai monome: buta-1,3-đien (giữ lại một liên kết đôi ở vị trí 1,4-polymer hóa) và stiren (giữ nguyên vòng benzen, mất liên kết đôi mạch nhánh). Liên kết đôi còn sót lại của phần buta-1,3-đien chính là chỗ cao su buna-S còn phản ứng được với $Br_2$ — điều bài sau trong chương sẽ dùng lại.

Bẫy thường gặp

Đừng đếm nguyên tử theo cách chia đôi mắt xích một cách máy móc. Với nilon-6,6, nhiều học sinh gán nhầm $(CH_2)_6$ cho axit và $(CH_2)_4$ cho điamin — thực ra nhóm $-NH-$ đứng NGAY CẠNH đoạn nào thì đoạn đó thuộc về điamin (vì $-NH_2$ là nhóm chức của amin), còn nhóm $-CO-$ đứng cạnh đoạn nào thì đoạn đó thuộc về axit. Đọc sai chiều này khiến em viết ngược công thức cấu tạo của cả hai monome dù số carbon đếm đúng.

Luyện phản xạ

Tóm tắt

Đọc ngược mắt xích theo bốn câu hỏi (nhóm chức nào lặp lại, trùng hợp hay trùng ngưng, một hay hai loại monome, đếm đúng ranh giới mắt xích), rồi dùng $\overline{M}_{polymer}\approx n\times M_{mắt\ xích}$ để nối phân tử khối trung bình với hệ số polymer hóa. Hai kỹ năng này là nền cho toàn bộ bài toán định lượng của chương.

Bài sau giữ nguyên monome đã học ở đây (vinyl clorua tạo PVC) nhưng đặt vào một chuỗi tổng hợp nhiều giai đoạn có hiệu suất riêng từng bước — kỹ năng đọc ngược mắt xích chỉ là bước đầu, bước tiếp theo là theo dõi một đại lượng qua nhiều phản ứng liên tiếp.