Bài học

Đồng trùng hợp và cao su tổng hợp

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân biệt được trùng hợp đơn (từ một monomer) với đồng trùng hợp (từ hai monomer trở lên), viết được phương trình tạo cao su buna, buna-S, buna-N và tơ nitron, đồng thời tính được thành phần phần trăm khối lượng các đơn vị mắt xích trong một copolime.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã học phản ứng trùng hợp từ MỘT loại monomer duy nhất, tạo mắt xích lặp lại đồng nhất như PE, PP, PVC, PS. Bài này xét trường hợp có HAI loại monomer khác nhau cùng tham gia một phản ứng trùng hợp — trường hợp thường gặp khi điều chế cao su tổng hợp. Điều kiện monomer (phải mang liên kết bội) và cách viết phương trình trùng hợp tổng quát vẫn giữ nguyên như bài trước — chỉ khác là lần này có hai "loại gạch" khác nhau cùng được xếp xen kẽ vào một bức tường mạch dài.

Khởi động

Lốp xe ô tô cần một loại cao su vừa đàn hồi tốt như cao su thiên nhiên, vừa chịu mài mòn tốt hơn để chạy được hàng chục nghìn kilômét. Các nhà hóa học đã giải bài toán này bằng cách trộn HAI monomer khác nhau vào cùng một phản ứng trùng hợp, để "lai" tính chất của cả hai. Kết quả là cao su buna-S — loại cao su tổng hợp phổ biến nhất trong sản xuất lốp xe ngày nay.

Kiến thức trọng tâm

Khi phản ứng trùng hợp chỉ dùng một loại monomer, sản phẩm là một polymer có mắt xích đồng nhất — gọi là trùng hợp (hay trùng hợp đơn, homopolime). Khi phản ứng dùng hai loại monomer khác nhau trở lên, cùng có liên kết bội, tham gia đồng thời vào một mạch polymer, quá trình đó gọi là đồng trùng hợp, và sản phẩm là copolime — như đã gọi tên ở bài Danh pháp.

Trùng hợp buta-1,3-đien $CH_2=CH-CH=CH_2$ (một monomer có HAI liên kết đôi liên hợp) tạo ra cao su buna, còn gọi là polibutađien, mắt xích $-CH_2-CH=CH-CH_2-$ : $n\,CH_2=CH-CH=CH_2 \xrightarrow{t^\circ, p, xt} (-CH_2-CH=CH-CH_2-)_n$ . Cao su buna đàn hồi tốt hơn PE nhờ mạch còn giữ lại một liên kết đôi ở mỗi mắt xích, giúp mạch dễ xoắn, dễ duỗi khi kéo căng rồi phục hồi.

Khi đồng trùng hợp buta-1,3-đien với stiren $C_6H_5-CH=CH_2$ , sản phẩm là cao su buna-S — cứng và chịu mài mòn tốt hơn cao su buna nguyên chất, được dùng phổ biến làm lốp xe. Khi đồng trùng hợp buta-1,3-đien với acrilonitrin $CH_2=CH-CN$ , sản phẩm là cao su buna-N — có ưu điểm nổi bật là chịu dầu mỡ, xăng tốt hơn hẳn cao su buna-S, nên dùng làm gioăng, ống dẫn xăng dầu, găng tay chịu dầu.

Ngoài đồng trùng hợp, monomer acrilonitrin còn tự trùng hợp riêng (không kèm monomer thứ hai) tạo tơ nitron (tơ olon), mắt xích $-CH_2-CH(CN)-$ — một loại tơ tổng hợp bền, giữ nhiệt tốt, thường dệt thành áo len ấm mùa đông. Đây vẫn là trùng hợp đơn, không phải đồng trùng hợp — vì chỉ có một loại monomer tham gia.

Việt Nam là một trong những nước trồng cao su thiên nhiên lớn trên thế giới, tập trung ở Đông Nam Bộ và Tây Nguyên, nhưng ngành công nghiệp lốp xe hiện đại lại dùng chủ yếu cao su tổng hợp buna-S trộn với cao su thiên nhiên theo tỉ lệ tính toán kỹ lưỡng — cao su thiên nhiên cho độ đàn hồi và độ bám đường, cao su buna-S cho độ chịu mài mòn và giá thành ổn định hơn (không phụ thuộc thời tiết, mùa vụ như cao su thiên nhiên). Đây là lý do vì sao gần như không có loại lốp xe nào trên thị trường chỉ dùng một loại cao su duy nhất.

Khi phản ứng trùng hợp chỉ dùng **một loại monomer**, sản phẩm là một polymer có mắt xích đồng nhất — gọi là **trùng hợp** (hay trùng hợp đơn, homopolime). Khi phản ứng dùng **hai loại monomer khác nhau trở lên**, cùng có liên kết bội, tham gia đồng thời vào một mạch polymer, quá trình đó gọi là **đồng trùng hợp**, và sản phẩm là **copolime** — như đã gọi tên ở bài Danh pháp. Trùng hợp buta-1,3-đien $CH_2=CH-CH=CH_2$ (một monomer có HAI liên kết đôi liên hợp) tạo ra **cao su buna**, còn gọi là polibutađien, mắt xích $-CH_2-CH=CH-CH_2-$: $n\,CH_2=CH-CH=CH_2 \xrightarrow{t^\circ, p, xt} (-CH_2-CH=CH-CH_2-)_n$. Cao su buna đàn hồi tốt hơn PE nhờ mạch còn giữ lại một liên kết đôi ở mỗi mắt xích, giúp mạch dễ xoắn, dễ duỗi khi kéo căng rồi phục hồi. Khi đồng trùng hợp buta-1,3-đien với **stiren** $C_6H_5-CH=CH_2$, sản phẩm là **cao su buna-S** — cứng và chịu mài mòn tốt hơn cao su buna nguyên chất, được dùng phổ biến làm lốp xe. Khi đồng trùng hợp buta-1,3-đien với **acrilonitrin** $CH_2=CH-CN$, sản phẩm là **cao su buna-N** — có ưu điểm nổi bật là chịu dầu mỡ, xăng tốt hơn hẳn cao su buna-S, nên dùng làm gioăng, ống dẫn xăng dầu, găng tay chịu dầu. Ngoài đồng trùng hợp, monomer acrilonitrin còn tự trùng hợp riêng (không kèm monomer thứ hai) tạo **tơ nitron** (tơ olon), mắt xích $-CH_2-CH(CN)-$ — một loại tơ tổng hợp bền, giữ nhiệt tốt, thường dệt thành áo len ấm mùa đông. Đây vẫn là trùng hợp đơn, không phải đồng trùng hợp — vì chỉ có một loại monomer tham gia. Việt Nam là một trong những nước trồng cao su thiên nhiên lớn trên thế giới, tập trung ở Đông Nam Bộ và Tây Nguyên, nhưng ngành công nghiệp lốp xe hiện đại lại dùng chủ yếu cao su tổng hợp buna-S trộn với cao su thiên nhiên theo tỉ lệ tính toán kỹ lưỡng — cao su thiên nhiên cho độ đàn hồi và độ bám đường, cao su buna-S cho độ chịu mài mòn và giá thành ổn định hơn (không phụ thuộc thời tiết, mùa vụ như cao su thiên nhiên). Đây là lý do vì sao gần như không có loại lốp xe nào trên thị trường chỉ dùng một loại cao su duy nhất.

Ví dụ

Viết phương trình trùng hợp buta-1,3-đien tạo cao su buna

1
Viết phương trình hóa học của phản ứng trùng hợp buta-1,3-đien tạo cao su buna.
2
Buta-1,3-đien $CH_2=CH-CH=CH_2$ có hai liên kết đôi liên hợp — thỏa điều kiện tham gia trùng hợp.
Buta-1,3-đien $CH_2=CH-CH=CH_2$ có hai liên kết đôi liên hợp — thỏa điều kiện tham gia trùng hợp.
3
$n\,CH_2=CH-CH=CH_2 \xrightarrow{t^\circ, p, xt} (-CH_2-CH=CH-CH_2-)_n$ (cao su buna).
$n\,CH_2=CH-CH=CH_2 \xrightarrow{t^\circ, p, xt} (-CH_2-CH=CH-CH_2-)_n$ (cao su buna).
4
Vậy trùng hợp buta-1,3-đien tạo cao su buna với mắt xích $-CH_2-CH=CH-CH_2-$ , còn giữ lại một liên kết đôi trong mỗi mắt xích.
Vậy trùng hợp buta-1,3-đien tạo cao su buna với mắt xích $-CH_2-CH=CH-CH_2-$, còn giữ lại một liên kết đôi trong mỗi mắt xích.

Ví dụ

Tính thành phần phần trăm khối lượng của cao su buna-S

1
Cao su buna-S được tạo từ buta-1,3-đien và stiren theo tỉ lệ mol 3 : 1. Biết mắt xích butađien có $M = 54$ đvC và mắt xích stiren có $M = 104$ đvC, tính phần trăm khối lượng của mỗi loại mắt xích trong copolime.
Cao su buna-S được tạo từ buta-1,3-đien và stiren theo tỉ lệ mol 3 : 1. Biết mắt xích butađien có $M = 54$ đvC và mắt xích stiren có $M = 104$ đvC, tính phần trăm khối lượng của mỗi loại mắt xích trong copolime.
2
Giả sử có 3 mol mắt xích butađien và 1 mol mắt xích stiren (đúng tỉ lệ 3 : 1) trong một đơn vị lặp lớn.
3
$m_{butadien} = 3 \times 54 = 162$ đvC; $m_{stiren} = 1 \times 104 = 104$ đvC. Tổng khối lượng đơn vị lặp: $162 + 104 = 266$ đvC.
$m_{butadien} = 3 \times 54 = 162$ đvC; $m_{stiren} = 1 \times 104 = 104$ đvC. Tổng khối lượng đơn vị lặp: $162 + 104 = 266$ đvC.
4
$\%m_{butadien} = \dfrac{162}{266} \times 100\% \approx 60{,}9\%$ ; suy ra $\%m_{stiren} \approx 100\% - 60{,}9\% = 39{,}1\%$ .
$\%m_{butadien} = \dfrac{162}{266} \times 100\% \approx 60{,}9\%$; suy ra $\%m_{stiren} \approx 100\% - 60{,}9\% = 39{,}1\%$.
5
Vậy trong cao su buna-S với tỉ lệ mol 3 : 1, mắt xích butađien chiếm khoảng 60,9% khối lượng, mắt xích stiren chiếm khoảng 39,1% khối lượng.

Sai lầm thường gặp

Học sinh dễ nhầm tỉ lệ MOL với tỉ lệ KHỐI LƯỢNG khi tính thành phần copolime — vì hai mắt xích khác nhau có khối lượng mol khác nhau, tỉ lệ mol 3 : 1 không đồng nghĩa với tỉ lệ khối lượng 3 : 1. Luôn quy đổi qua khối lượng ( $n \times M$ ) trước khi tính phần trăm khối lượng. Một nhầm lẫn khác cũng thường gặp: cho rằng cao su buna-S và buna-N là hai tên gọi khác nhau của cùng một chất — thực chất chữ S và N chỉ monomer thứ hai đi kèm buta-1,3-đien (S = stiren, N = acrilonitrin có nhóm $-CN$ , viết tắt từ "nitrile"), quyết định trực tiếp tính chất chịu dầu mỡ khác nhau giữa hai loại cao su.

Học sinh dễ nhầm tỉ lệ MOL với tỉ lệ KHỐI LƯỢNG khi tính thành phần copolime — vì hai mắt xích khác nhau có khối lượng mol khác nhau, tỉ lệ mol 3 : 1 không đồng nghĩa với tỉ lệ khối lượng 3 : 1. Luôn quy đổi qua khối lượng ($n \times M$) trước khi tính phần trăm khối lượng. Một nhầm lẫn khác cũng thường gặp: cho rằng cao su buna-S và buna-N là hai tên gọi khác nhau của cùng một chất — thực chất chữ S và N chỉ monomer thứ hai đi kèm buta-1,3-đien (S = stiren, N = acrilonitrin có nhóm $-CN$, viết tắt từ "nitrile"), quyết định trực tiếp tính chất chịu dầu mỡ khác nhau giữa hai loại cao su.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Trùng hợp đơn: một monomer, mắt xích đồng nhất. Đồng trùng hợp: từ hai monomer trở lên, tạo copolime. Cao su buna (từ butađien), buna-S (butađien + stiren), buna-N (butađien + acrilonitrin, chịu dầu tốt nhất). Tính thành phần copolime phải quy đổi qua khối lượng, không dùng thẳng tỉ lệ mol.

Chương tiếp theo học một kiểu phản ứng tạo polymer hoàn toàn khác — phản ứng trùng ngưng — nơi các monomer nối với nhau và đồng thời TÁCH ra phân tử nhỏ, khác hẳn với trùng hợp và đồng trùng hợp vừa học ở chương này. Hai kiểu phản ứng này là hai con đường chính để tạo ra mọi vật liệu polymer tổng hợp em sẽ gặp trong suốt khóa học, nên nắm chắc sự khác biệt giữa chúng là nền tảng cho toàn bộ phần còn lại.

Chương tiếp theo học một kiểu phản ứng tạo polymer hoàn toàn khác — **phản ứng trùng ngưng** — nơi các monomer nối với nhau và đồng thời TÁCH ra phân tử nhỏ, khác hẳn với trùng hợp và đồng trùng hợp vừa học ở chương này. Hai kiểu phản ứng này là hai con đường chính để tạo ra mọi vật liệu polymer tổng hợp em sẽ gặp trong suốt khóa học, nên nắm chắc sự khác biệt giữa chúng là nền tảng cho toàn bộ phần còn lại.