Lý thuyết trọng tâm

I. Khái niệm và danh pháp

1. Khái niệm

Polymer là những hợp chất có phân tử khối lớn do nhiều đơn vị nhỏ (gọi là mắt xích) liên kết với nhau tạo nên.

Monomer là những phân tử nhỏ, phản ứng với nhau để tạo nên polymer.

Ví dụ:

$$n\text{CH}_2\text{=CH}_2 \xrightarrow{t°, p, xt} \left(-\text{CH}_2\text{-CH}_2-\right)_n$$

Hệ số n được gọi là hệ số trùng hợp (hay độ trùng hợp).

2. Danh pháp

Quy tắc gọi tên polymer:

$$\boxed{\text{Poly} + \text{Tên monomer}}$$

Lưu ý: Thêm ngoặc đơn nếu tên của monomer gồm hai cụm từ trở lên.

Ví dụ:

• Ethylene → Polyethylene (PE)
• Vinyl chloride → Poly(vinyl chloride) (PVC)
• Styrene → Polystyrene (PS)
• Methyl methacrylate → Poly(methyl methacrylate) (PMMA)

3. Một số polymer thường gặp (Bảng SGK)

II. Phân loại polymer

1. Theo nguồn gốc

2. Theo cấu trúc mạch

III. Tính chất vật lý

1. Trạng thái và tính tan

• Hầu hết polymer là chất rắn, không bay hơi, không bị nóng chảy hoặc nóng chảy ở khoảng nhiệt độ khá rộng.
• Hầu hết polymer không tan trong nước, một số tan được trong dung môi hữu cơ.

2. Phân loại theo tính chất nhiệt

3. Một số tính chất cơ học

4. Ký hiệu nhận dạng polymer tái chế

Sáu polymer nhiệt dẻo phổ biến có ký hiệu nhận dạng được in trên bao bì, vỏ hộp:

IV. Tính chất hóa học

Polymer có thể tham gia các phản ứng hóa học theo 3 hướng chính:

1. Phản ứng cắt mạch polymer

Polymer có thể bị phân cắt thành monomer bởi nhiệt, tác nhân hóa học hoặc sinh học.

a) Nhiệt phân (depolymerization)

Polystyrene bị nhiệt phân thu được styrene:

$$\left(-\text{CH}_2\text{-CH(C}_6\text{H}_5)-\right)_n \xrightarrow{t°} n\text{CH}_2\text{=CH-C}_6\text{H}_5$$

b) Thủy phân polyamide

Capron bị thủy phân trong môi trường acid hoặc base:

$$\left(-\text{NH-(CH}_2)_5\text{-CO}-\right)_n + n\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{t°, xt} n\text{H}_2\text{N-(CH}_2)_5\text{-COOH}$$

Nylon-6,6 bị thủy phân trong môi trường acid:

$$\left(-\text{NH-(CH}_2)_6\text{-NH-CO-(CH}_2)_4\text{-CO}-\right)_n + 2n\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{t°, \text{H}^+} n\text{H}_2\text{N-(CH}_2)_6\text{-NH}_2 + n\text{HOOC-(CH}_2)_4\text{-COOH}$$

c) Thủy phân polysaccharide

Tinh bột và cellulose bị thủy phân trong môi trường acid hoặc bởi enzyme:

$$(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5)_n + n\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{H}^+,\ t°\ \text{hoặc enzyme}} n\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$$

d) Thủy phân polyester

Poly(methyl methacrylate) bị thủy phân trong môi trường base:

$$\left(-\text{CH}_2\text{-C(CH}_3)(\text{COOCH}_3)-\right)_n + n\text{NaOH} \xrightarrow{t°} \left(-\text{CH}_2\text{-C(CH}_3)(\text{COONa})-\right)_n + n\text{CH}_3\text{OH}$$

2. Phản ứng tăng mạch polymer (lưu hóa cao su)

Khi có điều kiện thích hợp (nhiệt độ, chất xúc tác…), các mạch polymer có thể nối với nhau thành mạch dài hơn hoặc thành mạng lưới.

Ví dụ: Lưu hóa cao su

$$\text{Cao su thô} + n\text{S} \xrightarrow{t°} \text{Cao su lưu hóa}$$

Ở cao su lưu hóa, các mạch polymer được nối với nhau chủ yếu bởi các cầu nối disulfide (-S-S-).

Ưu điểm của cao su lưu hóa so với cao su thô:

• Đàn hồi tốt hơn
• Bền với nhiệt hơn
• Khó bị lão hóa hơn
• Không bị dính khi nóng

3. Phản ứng giữ nguyên mạch polymer

Polymer có thể tham gia các phản ứng hóa học mà không làm thay đổi chiều dài mạch. Phản ứng có thể xảy ra ở:

• Nhóm thế đính vào mạch polymer
• Liên kết đôi trong mạch polymer

Ví dụ: Poly(vinyl acetate) tác dụng với dung dịch NaOH:

$$\left(-\text{CH}_2\text{-CH(OCOCH}_3)-\right)_n + n\text{NaOH} \xrightarrow{t°} \left(-\text{CH}_2\text{-CH(OH)}-\right)_n + n\text{CH}_3\text{COONa}$$

(Poly(vinyl acetate) → Poly(vinyl alcohol) + Sodium acetate)

4. Bảng tổng hợp tính chất hóa học

V. Phương pháp tổng hợp polymer

1. Phương pháp trùng hợp

a) Định nghĩa

Trùng hợp là quá trình kết hợp liên tiếp nhiều phân tử nhỏ giống nhau hoặc tương tự nhau (monomer) tạo thành phân tử có khối lượng lớn (polymer).

b) Điều kiện monomer tham gia trùng hợp

Monomer phải có liên kết bội (C=C, C≡C) hoặc vòng không bền có thể mở ra.

Các loại monomer:

• Liên kết đôi C=C: CH₂=CH₂, CH₂=CHCl, CH₂=CH-C₆H₅, CH₂=CH-CH=CH₂…
• Vòng không bền: Caprolactam (vòng 7 cạnh chứa nhóm -NH-CO-)

c) Phương trình tổng quát

$$n\text{CH}_2\text{=CHR} \xrightarrow{xt, t°, p} \left(-\text{CH}_2\text{-CHR}-\right)_n$$

d) Ví dụ

Trùng hợp ethylene:

$$n\text{CH}_2\text{=CH}_2 \xrightarrow{xt, t°, p} \left(-\text{CH}_2\text{-CH}_2-\right)_n$$

Trùng hợp vinyl chloride:

$$n\text{CH}_2\text{=CHCl} \xrightarrow{xt, t°, p} \left(-\text{CH}_2\text{-CHCl}-\right)_n$$

Trùng hợp propylene:

$$n\text{CH}_2\text{=CH-CH}_3 \xrightarrow{xt, t°, p} \left(-\text{CH}_2\text{-CH(CH}_3)-\right)_n$$

Trùng hợp buta-1,3-diene:

$$n\text{CH}_2\text{=CH-CH=CH}_2 \xrightarrow{xt, t°, p} \left(-\text{CH}_2\text{-CH=CH-CH}_2-\right)_n$$

Trùng hợp caprolactam:

$$n \text{ caprolactam} \xrightarrow{t°} \left(-\text{NH-(CH}_2)_5\text{-CO}-\right)_n$$

2. Phương pháp trùng ngưng

a) Định nghĩa

Trùng ngưng là quá trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ (monomer) thành phân tử lớn (polymer), đồng thời giải phóng những phân tử nhỏ khác (thường là nước).

b) Điều kiện monomer tham gia trùng ngưng

Monomer phải có ít nhất hai nhóm chức có khả năng phản ứng.

Các loại monomer:

• Amino acid: H₂N-R-COOH (có nhóm -NH₂ và -COOH)
• Diamine + Diacid: H₂N-R-NH₂ + HOOC-R’-COOH
• Diol + Diacid: HO-R-OH + HOOC-R’-COOH
• Hydroxy acid: HO-R-COOH

c) Phương trình tổng quát

$$n\text{H}_2\text{N-R-COOH} \xrightarrow{t°} \left(-\text{NH-R-CO}-\right)_n + n\text{H}_2\text{O}$$

d) Ví dụ

Trùng ngưng 6-aminohexanoic acid (tạo capron):

$$n\text{H}_2\text{N-(CH}_2)_5\text{-COOH} \xrightarrow{t°} \left(-\text{NH-(CH}_2)_5\text{-CO}-\right)_n + n\text{H}_2\text{O}$$

Trùng ngưng hexamethylenediamine với adipic acid (tạo nylon-6,6):

$$n\text{H}_2\text{N-(CH}_2)_6\text{-NH}_2 + n\text{HOOC-(CH}_2)_4\text{-COOH} \xrightarrow{t°} \left(-\text{NH-(CH}_2)_6\text{-NH-CO-(CH}_2)_4\text{-CO}-\right)_n + 2n\text{H}_2\text{O}$$

Trùng ngưng phenol với formaldehyde (tạo PPF):

$$n\text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + n\text{HCHO} \xrightarrow{t°, xt} \text{PPF} + n\text{H}_2\text{O}$$

3. So sánh trùng hợp và trùng ngưng

VI. Ứng dụng của polymer

1. Chất dẻo (plastic)

2. Cao su

3. Tơ sợi

4. Keo dán và sơn

VII. Vấn đề môi trường và tái chế polymer

1. Vấn đề ô nhiễm nhựa

• Hầu hết polymer tổng hợp rất khó phân hủy trong môi trường tự nhiên (hàng trăm năm)
• Rác thải nhựa gây ô nhiễm đất, nước, đại dương
• Vi nhựa (microplastic) xâm nhập vào chuỗi thức ăn

2. Giải pháp

• Giảm thiểu (Reduce): Hạn chế sử dụng đồ nhựa dùng một lần
• Tái sử dụng (Reuse): Sử dụng lại các sản phẩm nhựa
• Tái chế (Recycle): Thu gom và tái chế polymer nhiệt dẻo
• Phát triển polymer phân hủy sinh học (biodegradable polymer)

3. Lưu ý khi sử dụng

Không nên dùng hộp xốp polystyrene (PS) để đựng thức ăn nóng hoặc cho vào lò vi sóng, vì PS bị phân hủy ở nhiệt độ cao, giải phóng styrene – chất có thể gây hại cho sức khỏe.

Phương pháp giải bài tập

Dạng 1: Xác định monomer từ polymer và ngược lại

Phương pháp

Từ polymer → monomer (trùng hợp):

• Bỏ ngoặc đơn và chỉ số n
• Thêm liên kết đôi C=C vào vị trí thích hợp

Từ monomer → polymer:

• Phá liên kết π
• Nối các mắt xích lại với nhau

Ví dụ 1

Bài toán: Xác định monomer tương ứng để tổng hợp các polymer sau: PE, PS, PVC.

Giải:

Ví dụ 2

Bài toán: Viết công thức cấu tạo và gọi tên polymer được tổng hợp từ các monomer sau: a) Propylene (CH₂=CH-CH₃) b) Methyl methacrylate (CH₂=C(CH₃)-COOCH₃)

Giải:

a) Propylene:

$$n\text{CH}_2\text{=CH-CH}_3 \xrightarrow{xt, t°, p} \left(-\text{CH}_2\text{-CH(CH}_3)-\right)_n$$

Tên: Polypropylene (PP)

b) Methyl methacrylate:

$$n\text{CH}_2\text{=C(CH}_3)\text{-COOCH}_3 \xrightarrow{xt, t°, p} \left(-\text{CH}_2\text{-C(CH}_3)(\text{COOCH}_3)-\right)_n$$

Tên: Poly(methyl methacrylate) (PMMA)

Dạng 2: Phân biệt trùng hợp và trùng ngưng

Phương pháp

Ví dụ

Bài toán: Cho các polymer sau: PS, nylon-6,6, PVC. Polymer nào được điều chế bằng phản ứng trùng hợp? Polymer nào được điều chế bằng phản ứng trùng ngưng?

Giải:

Dạng 3: Viết phương trình phản ứng tổng hợp polymer

Phương pháp

Trùng hợp: $$n\text{CH}_2\text{=CHR} \xrightarrow{xt, t°, p} (-\text{CH}_2\text{-CHR}-)_n$$

Trùng ngưng: $$n\text{H}_2\text{N-R-COOH} \xrightarrow{t°} (-\text{NH-R-CO}-)_n + n\text{H}_2\text{O}$$

Ví dụ

Bài toán: Viết phương trình hóa học của phản ứng điều chế polymer từ các monomer sau: a) CH₂=CH-CH₃ b) H₂N-(CH₂)₅-COOH

Giải:

a) Trùng hợp propylene:

$$n\text{CH}_2\text{=CH-CH}_3 \xrightarrow{xt, t°, p} \left(-\text{CH}_2\text{-CH(CH}_3)-\right)_n$$

b) Trùng ngưng 6-aminohexanoic acid:

$$n\text{H}_2\text{N-(CH}_2)_5\text{-COOH} \xrightarrow{t°} \left(-\text{NH-(CH}_2)_5\text{-CO}-\right)_n + n\text{H}_2\text{O}$$

Dạng 4: Viết phương trình thủy phân polymer

Phương pháp

• Polyamide (capron, nylon-6,6): Thủy phân trong môi trường acid hoặc base → amino acid hoặc diamine + diacid
• Polyester (PMMA): Thủy phân trong môi trường base → alcohol + muối của acid
• Polysaccharide (tinh bột, cellulose): Thủy phân → monosaccharide

Ví dụ

Bài toán: Viết PTHH của các phản ứng sau: a) Thủy phân hoàn toàn poly(methyl methacrylate) trong môi trường base. b) Thủy phân hoàn toàn nylon-6,6 trong môi trường acid.

Giải:

a) Thủy phân PMMA trong môi trường base:

$$\left(-\text{CH}_2\text{-C(CH}_3)(\text{COOCH}_3)-\right)_n + n\text{NaOH} \xrightarrow{t°} \left(-\text{CH}_2\text{-C(CH}_3)(\text{COONa})-\right)_n + n\text{CH}_3\text{OH}$$

b) Thủy phân nylon-6,6 trong môi trường acid:

$$\left(-\text{NH-(CH}_2)_6\text{-NH-CO-(CH}_2)_4\text{-CO}-\right)_n + 2n\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{t°, \text{H}^+} n\text{H}_2\text{N-(CH}_2)_6\text{-NH}_2 + n\text{HOOC-(CH}_2)_4\text{-COOH}$$

Dạng 5: Bài toán tính khối lượng polymer

Phương pháp

Công thức tính hệ số trùng hợp:

$$n = \frac{M_{\text{polymer}}}{M_{\text{mắt xích}}}$$

Công thức tính khối lượng:

• Trùng hợp: $m_{\text{polymer}} = m_{\text{monomer}} \times H\%$
• Trùng ngưng: $m_{\text{polymer}} = m_{\text{monomer}} – m_{\text{H}_2\text{O}}$

Ví dụ 1

Bài toán: Trùng hợp 5,6 gam ethylene với hiệu suất 80%. Tính khối lượng PE thu được.

Giải:

$$n\text{CH}_2\text{=CH}_2 \xrightarrow{xt, t°, p} (-\text{CH}_2\text{-CH}_2-)_n$$

Theo định luật bảo toàn khối lượng (trùng hợp không có sản phẩm phụ):

$$m_{\text{PE}} = m_{\text{ethylene}} \times H\% = 5,6 \times 80\% = 4,48 \text{ g}$$

Đáp án: 4,48 g

Ví dụ 2

Bài toán: Trùng ngưng 26,2 gam 6-aminohexanoic acid (H₂N-(CH₂)₅-COOH) với hiệu suất 100%. Tính khối lượng capron thu được.

Giải:

$$n\text{H}_2\text{N-(CH}_2)_5\text{-COOH} \xrightarrow{t°} (-\text{NH-(CH}_2)_5\text{-CO}-)_n + n\text{H}_2\text{O}$$

• $M_{\text{amino acid}} = 131$ g/mol
• $n_{\text{amino acid}} = \frac{26,2}{131} = 0,2$ mol
• $n_{\text{H}_2\text{O}} = 0,2$ mol
• $m_{\text{H}_2\text{O}} = 0,2 \times 18 = 3,6$ g

Theo định luật bảo toàn khối lượng:

$$m_{\text{capron}} = m_{\text{amino acid}} – m_{\text{H}_2\text{O}} = 26,2 – 3,6 = 22,6 \text{ g}$$

Đáp án: 22,6 g

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ