Bài học

Tính chất chung của polymer và phản ứng trùng hợp

Em sẽ làm được gì?

Sau bài này, em nêu được tính chất vật lí chung của polymer (rắn, không bay hơi, thường không tan trong nước, bền với hóa chất thông thường), viết được phương trình trùng hợp tạo PE, PP, và tính được hệ số trùng hợp từ phân tử khối.

Cần nhớ trước

Em cần nhớ lại monomer, mắt xích, hệ số trùng hợp $n$ từ bài trước, và liên kết đôi $C{=}C$ trong alkene (Course Hydrocarbon).

Vì sao ghế nhựa để ngoài mưa nắng nhiều năm không bị mục nát như gỗ, nhưng lại rất khó bị các dung môi thông thường (như nước, giấm) hòa tan? Bí mật nằm ở cách các monomer nối với nhau tạo thành mạch polymer dài — quá trình gọi là phản ứng trùng hợp.

Tính chất chung của polymer

Đa số polymer có những tính chất vật lí chung sau:

Là chất rắn, không bay hơi (vì phân tử khối quá lớn).
Phần lớn không tan trong nước, nhiều loại cũng khó tan trong các dung môi thông thường.
Khá bền với acid, base loãng và nhiều hóa chất thông thường ở điều kiện thường.
Một số polymer có tính dẻo (chất dẻo), một số có tính đàn hồi (cao su), một số kéo được thành sợi (tơ) — ta sẽ tìm hiểu kỹ ở các bài sau.

Chính vì mạch polymer rất dài và các liên kết trong mạch bền vững, polymer khó bị phá vỡ ở điều kiện thường — đây cũng là lý do vì sao rác thải nhựa tồn tại rất lâu trong môi trường.

Đa số polymer có những tính chất vật lí chung sau: - Là chất **rắn**, không bay hơi (vì phân tử khối quá lớn). - Phần lớn **không tan trong nước**, nhiều loại cũng khó tan trong các dung môi thông thường. - Khá **bền với acid, base loãng** và nhiều hóa chất thông thường ở điều kiện thường. - Một số polymer có tính dẻo (chất dẻo), một số có tính đàn hồi (cao su), một số kéo được thành sợi (tơ) — ta sẽ tìm hiểu kỹ ở các bài sau. Chính vì mạch polymer rất dài và các liên kết trong mạch bền vững, polymer khó bị phá vỡ ở điều kiện thường — đây cũng là lý do vì sao rác thải nhựa tồn tại rất lâu trong môi trường.

Phản ứng trùng hợp

Phản ứng trùng hợp là quá trình nhiều phân tử monomer nhỏ (có liên kết đôi $C{=}C$ ) kết hợp liên tiếp với nhau tạo thành phân tử polymer mạch dài, thường cần chất xúc tác, nhiệt độ và áp suất thích hợp.

Ví dụ, ethylene trùng hợp tạo polyethylene (PE):

$n\,CH_2{=}CH_2 \xrightarrow{xt,\,t^{\circ},\,p} (-CH_2{-}CH_2{-})_n$

Tương tự, propylene $CH_2{=}CH{-}CH_3$ trùng hợp tạo polypropylene (PP):

$n\,CH_2{=}CH{-}CH_3 \xrightarrow{xt,\,t^{\circ},\,p} (-CH_2{-}CH(CH_3){-})_n$

Trong cả hai phản ứng, liên kết đôi $C{=}C$ của monomer mở ra, mỗi phân tử monomer dùng một liên kết mới để nối với monomer bên cạnh, tạo thành mạch dài gồm $n$ mắt xích.

**Phản ứng trùng hợp** là quá trình nhiều phân tử monomer nhỏ (có liên kết đôi $C{=}C$) kết hợp liên tiếp với nhau tạo thành phân tử polymer mạch dài, thường cần chất xúc tác, nhiệt độ và áp suất thích hợp. Ví dụ, ethylene trùng hợp tạo polyethylene (PE): $$n\,CH_2{=}CH_2 \xrightarrow{xt,\,t^{\circ},\,p} (-CH_2{-}CH_2{-})_n$$ Tương tự, propylene $CH_2{=}CH{-}CH_3$ trùng hợp tạo polypropylene (PP): $$n\,CH_2{=}CH{-}CH_3 \xrightarrow{xt,\,t^{\circ},\,p} (-CH_2{-}CH(CH_3){-})_n$$ Trong cả hai phản ứng, liên kết đôi $C{=}C$ của monomer mở ra, mỗi phân tử monomer dùng một liên kết mới để nối với monomer bên cạnh, tạo thành mạch dài gồm $n$ mắt xích.

Trùng hợp là quá trình liên kết đôi C=C của monomer mở ra và nối tiếp nhau thành mạch polymer dài.

Cùng một monomer ethylene, tùy xúc tác, nhiệt độ, áp suất và hệ số trùng hợp $n$ đạt được, lại cho ra những loại PE khác hẳn nhau — loại mềm dẻo làm túi nilon, loại cứng hơn làm chai lọ. Xúc tác, nhiệt độ, áp suất không đơn thuần quyết định phản ứng có xảy ra hay không — chúng còn quyết định luôn chất lượng và công dụng của vật liệu, nên trong sản xuất, kỹ sư hóa học phải kiểm soát rất chặt những điều kiện này. Vì vậy khi tính hệ số trùng hợp $n$ , đừng nghĩ $n$ là một con số cố định cho mỗi loại polymer: mẫu nào có phân tử khối trung bình lớn hơn thì $n$ của mẫu đó cũng lớn hơn.

Cùng một monomer ethylene, tùy xúc tác, nhiệt độ, áp suất và hệ số trùng hợp $n$ đạt được, lại cho ra những loại PE khác hẳn nhau — loại mềm dẻo làm túi nilon, loại cứng hơn làm chai lọ. Xúc tác, nhiệt độ, áp suất không đơn thuần quyết định phản ứng có xảy ra hay không — chúng còn quyết định luôn chất lượng và công dụng của vật liệu, nên trong sản xuất, kỹ sư hóa học phải kiểm soát rất chặt những điều kiện này. Vì vậy khi tính hệ số trùng hợp $n$, đừng nghĩ $n$ là một con số cố định cho mỗi loại polymer: mẫu nào có phân tử khối trung bình lớn hơn thì $n$ của mẫu đó cũng lớn hơn.

Ví dụ áp dụng

Ví dụ

Ví dụ 1 — Viết phương trình trùng hợp và tính hệ số trùng hợp

1
Một mẫu polypropylene (PP) có phân tử khối trung bình là 42 000 đvC. Biết mắt xích của PP là $-CH_2{-}CH(CH_3){-}$ có phân tử khối 42. Viết phương trình trùng hợp tạo PP và tính hệ số trùng hợp $n$ .
Một mẫu polypropylene (PP) có phân tử khối trung bình là 42 000 đvC. Biết mắt xích của PP là $-CH_2{-}CH(CH_3){-}$ có phân tử khối 42. Viết phương trình trùng hợp tạo PP và tính hệ số trùng hợp $n$.
2
Phương trình trùng hợp: $n\,CH_2{=}CH{-}CH_3 \xrightarrow{xt,\,t^{\circ},\,p} (-CH_2{-}CH(CH_3){-})_n$ . Hệ số trùng hợp $n$ = phân tử khối polymer chia cho phân tử khối một mắt xích.
Phương trình trùng hợp: $n\,CH_2{=}CH{-}CH_3 \xrightarrow{xt,\,t^{\circ},\,p} (-CH_2{-}CH(CH_3){-})_n$. Hệ số trùng hợp $n$ = phân tử khối polymer chia cho phân tử khối một mắt xích.
3
$n = \dfrac{42\,000}{42} = 1000$ . Vậy phân tử PP này có khoảng 1000 mắt xích nối tiếp nhau.
$n = \dfrac{42\,000}{42} = 1000$. Vậy phân tử PP này có khoảng 1000 mắt xích nối tiếp nhau.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Bài toán trùng hợp có dữ kiện thực tế

1
Một mẫu màng bọc thực phẩm làm từ PE có phân tử khối trung bình 280 000 đvC. Biết mắt xích PE là $-CH_2{-}CH_2{-}$ có phân tử khối 28. a) Tính hệ số trùng hợp $n$ . b) Cho biết cần bao nhiêu phân tử ethylene để tạo ra một phân tử polymer đó.
Một mẫu màng bọc thực phẩm làm từ PE có phân tử khối trung bình 280 000 đvC. Biết mắt xích PE là $-CH_2{-}CH_2{-}$ có phân tử khối 28. a) Tính hệ số trùng hợp $n$. b) Cho biết cần bao nhiêu phân tử ethylene để tạo ra một phân tử polymer đó.
2
$n = \dfrac{280\,000}{28} = 10\,000$ mắt xích.
$n = \dfrac{280\,000}{28} = 10\,000$ mắt xích.
3
Mỗi mắt xích sinh ra từ đúng một phân tử monomer ethylene, nên cần $10\,000$ phân tử ethylene để tạo ra một phân tử PE này. Đây là lý do vì sao chỉ một lượng nhỏ ethylene ban đầu có thể tạo ra khối lượng lớn polymer.
Mỗi mắt xích sinh ra từ đúng một phân tử monomer ethylene, nên cần $10\,000$ phân tử ethylene để tạo ra một phân tử PE này. Đây là lý do vì sao chỉ một lượng nhỏ ethylene ban đầu có thể tạo ra khối lượng lớn polymer.

Lỗi thường gặp

Nhiều em nhầm hệ số trùng hợp $n$ trong phương trình trùng hợp với hệ số cân bằng phản ứng thông thường. $n$ không phải một số ta tự chọn để cân bằng — nó là số mắt xích thực tế trong phân tử polymer, tính từ tỉ số phân tử khối polymer trên phân tử khối một mắt xích. Và phản ứng trùng hợp không tự xảy ra ở điều kiện thường — luôn cần xúc tác, nhiệt độ, áp suất phù hợp.

Nhiều em nhầm hệ số trùng hợp $n$ trong phương trình trùng hợp với hệ số cân bằng phản ứng thông thường. $n$ không phải một số ta tự chọn để cân bằng — nó là **số mắt xích thực tế** trong phân tử polymer, tính từ tỉ số phân tử khối polymer trên phân tử khối một mắt xích. Và phản ứng trùng hợp **không tự xảy ra ở điều kiện thường** — luôn cần xúc tác, nhiệt độ, áp suất phù hợp.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Ghi nhớ

Polymer thường là chất rắn, không bay hơi, khó tan, bền với hóa chất thông thường — vì mạch phân tử rất dài. Phản ứng trùng hợp: nhiều monomer có liên kết đôi $C{=}C$ nối tiếp nhau (cần xúc tác, nhiệt độ, áp suất) tạo mạch polymer; hệ số trùng hợp $n$ = phân tử khối polymer ÷ phân tử khối một mắt xích.

Polymer tổng hợp được gia công thành những vật liệu cụ thể nào trong đời sống? Bài sau ta sẽ tìm hiểu chất dẻo và tơ — hai nhóm vật liệu polymer quen thuộc nhất.