Bài 12. Đại cương về polymer – Hóa học 12 Kết nối tri thức

Yêu cầu cần đạt

Viết được công thức cấu tạo và gọi được tên của một số polymer thường gặp (polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), poly(vinyl chloride) (PVC), polybuta-1,3-diene, polyisoprene, poly(methyl methacrylate), poly(phenol formaldehyde) (PPF), capron, nylon-6,6).
Nêu được đặc điểm về tính chất vật lí (trạng thái, nhiệt độ nóng chảy, tính chất cơ học) và tính chất hoá học (phản ứng cắt mạch (tinh bột, cellulose, polyamide, polystyrene), tăng mạch (lưu hoá cao su), giữ nguyên mạch của một số polymer).
Trình bày được phương pháp trùng hợp, trùng ngưng để tổng hợp một số polymer thường gặp.

Thuật ngữ: Polymer · Monomer

Các polymer tự nhiên (tinh bột, cellulose, tơ tằm....) hay polymer tổng hợp (PE, PVC, nylon-6,6,...) được sử dụng rộng rãi trong đời sống và sản xuất. Vậy, polymer là gì và chúng có các tính chất cơ bản nào?

Khái niệm, danh pháp

1. Khái niệm

Trùng hợp ethylene tạo thành polyethylene (PE):

$n C H_{2} = C H_{2} \overset{t^{\circ}, x t, p}{\to} (- C H_{2} - C H_{2} -) n$
ethylene (monomer) polyethylene (polymer)

Em hãy so sánh về thành phần nguyên tổ, phân tử khối của polyethylene so với ethylene.

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.

2. Danh pháp

Các polymer đơn giản có tên gọi chung như sau:

Poly Tên monomer
(thêm ngoặc đơn nếu tên của monomer gồm hai cụm từ)

Dưới đây là công thức cấu tạo và tên gọi của một số polymer thường gặp.
Công thức cấu tạo của polymer và tên gọi
$(- C H_{2} - C H_{2} -) n$
polyethylene (PE)
$(- C H_{2} - C H -) n$
$C_{6} H_{5}$
polystyrene (PS)
$(- C H_{2} - C H = C H - C H_{2} -) n$
polybuta-1,3-diene
$(- C H_{2} - C (C H_{3}) = C H - C H_{2} -) n$
polyisoprene
$(- C H_{2} - C H -) n$
$C l$
poly(vinyl chloride) (PVC)
$(- C_{6} H_{3} (O H) - C H_{2} -) n$
poly(phenol formaldehyde) (PPF)
$(- N H - [C H_{2}]_{5} - C O -) n$
capron
$(- N H - [C H_{2}]_{6} - N H - C O - [C H_{2}]_{4} - C O -) n$
nylon-6,6

1. Hãy xác định các monomer tương ứng dùng để tổng hợp các polymer sau: PE, PS và PVC.

2. Viết công thức cấu tạo và gọi tên polymer được tổng hợp từ monomer sau:
a) propylene;
b) methyl methacrylate $(C H_{2} = C (C H_{3}) C O O C H_{3})$ .

Tính chất vật lí

Hầu hết polymer là những chất rắn, không bay hơi, không bị nóng chảy hoặc nóng chảy ở một khoảng nhiệt độ khá rộng. Các polymer bị nóng chảy khi đun nóng được gọi là polymer nhiệt dẻo. Các polymer không bị nóng chảy mà bị phân huỷ bởi nhiệt được gọi là polymer nhiệt rắn.

Hầu hết polymer không tan trong nước, một số tan được trong dung môi hữu cơ.

Tính chất vật lí của polymer thường phụ thuộc vào cấu tạo: nhiều polymer có tính dẻo (PE, PP (polypropylene),...); một số polymer có tính đàn hồi (polyisoprene, polybuta-1,3-diene,...); một số polymer khác có tính dai, bền và có thể kéo sợi (capron, nylon-6,6,...). Nhiều polymer có tính cách điện (PE, PVC,...); một số polymer có tính bán dẫn.

EM CÓ BIẾT

Sáu polymer nhiệt dẻo phổ biến, có kí hiệu được mô tả như Hình 12.1. Các polymer này có thể tái chế được. Các kí hiệu này thường được in trên bao bì, vỏ hộp, đồ dùng,... để giúp nhận biết vật liệu polymer cũng như thuận lợi cho việc thu gom, tái chế.

Hình 12.1.. Hình 12.1. Kí hiệu của sáu polymer nhiệt dẻo phổ biến. Shows symbols for PET (Poly(ethylene terephthalate)), HDPE (High density polyethylene), PVC (Poly(vinyl chloride)), LDPE (Low density polyethylene), PP (Polypropylene), PS (Polystyrene).

Tính chất hoá học

1. Phản ứng cắt mạch polymer

Polymer có thể bị phân cắt thành monomer bởi nhiệt, tác nhân hoá học, sinh học,...
Ví dụ:

Polystyrene bị nhiệt phân thu được styrene:

$(- C H_{2} - C H -) n \overset{t^{\circ}}{\to} n C H_{2} = C H^{-}$
$C_{6} H_{5}$ $C_{6} H_{5}$
polystyrene styrene

Polyamide có thể bị thuỷ phân hoàn toàn trong môi trường acid hoặc môi trường base thu được amino acid:

$(- N H - [C H_{2}]_{5} - C O -) n + n H_{2} O \overset{t^{\circ}, x t}{\to} n H_{2} N - [C H_{2}]_{5} - C O O H$
capron 6-aminohexanoic acid

Tinh bột và cellulose có thể bị thuỷ phân hoàn toàn trong môi trường acid hoặc bởi enzyme thu được glucose:

$(C_{6} H_{10} O_{5}) n + n H_{2} O \overset{H^{+}, t^{\circ} hoặc enzyme}{\to} n C_{6} H_{12} O_{6}$
tinh bột, cellulose glucose

2. Phản ứng tăng mạch polymer

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

Ví dụ: Khi đun cao su với lưu huỳnh thì thu được cao su lưu hoá. Ở cao su lưu hoá, các mạch polymer được nối với nhau chủ yếu bởi các cầu nối -S-S- (cầu nối disulfide).

Hình 12.2.. Hình 12.2. Sơ đồ lưu hoá cao su. Shows a diagram of rubber chains with disulfide bridges forming cross-links.

3. Phản ứng giữ nguyên mạch polymer

Polymer có thể tham gia các phản ứng hoá học mà không làm thay đổi chiều dài mạch polymer. Phản ứng có thể xảy ra ở nhóm thế đính vào mạch polymer, cộng vào liên kết đôi trong mạch polymer....

Ví dụ: Poly(vinyl acetate) tác dụng với dung dịch $N a O H$ :
$(- C H_{2} - C H -) n + n N a O H \overset{}{\to} (- C H_{2} - C H -) n + n C H_{3} C O O N a$
$O C O C H_{3}$ $O H$

3. Viết phương trình hoá học của các phản ứng sau:
a) Thuỷ phân hoàn toàn poly(methyl methacrylate) trong môi trường base.
b) Thuỷ phân hoàn toàn nylon-6,6 trong môi trường acid.

4. Hộp xốp đựng thực phẩm chế biến sẵn thường làm bằng polystyrene. Hãy tìm hiểu và cho biết có nên sử dụng các hộp này để đựng thức ăn nóng hoặc cho hộp vào lò vi sóng để hâm nóng thức ăn hay không. Tại sao?

Phương pháp tổng hợp

Polymer thường được tổng hợp theo hai phương pháp phổ biến là phương pháp trùng hợp và phương pháp trùng ngưng.

1. Phương pháp trùng hợp

Trùng hợp là quá trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ giống nhau hay tương tự nhau tạo thành phân tử có phân tử khối lớn (polymer).

$n C H_{2} = C H_{2} \overset{x t, t^{\circ}, p}{\to} (- C H_{2} - C H_{2} -) n$
ethylene polyethylene (PE)

Các monomer tham gia phản ứng trùng hợp thường có liên kết đôi $(C H_{2} = C H R)$ hoặc vòng như:

$H N - (C H_{2})_{5} - C O$
caprolactam

2. Phương pháp trùng ngưng

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).

Các monomer tham gia phản ứng trùng ngưng phải có ít nhất hai nhóm chức có khả năng phản ứng.

Ví dụ: Nylon-6,6 thu được từ phản ứng trùng ngưng adipic acid với hexamethylenediamine:
$n H_{2} N - (C H_{2})_{6} - N H_{2} + n H O O C - (C H_{2})_{4} - C O O H \overset{}{\to} (- N H - (C H_{2})_{6} - N H - C O - (C H_{2})_{4} - C O -) n + 2 n H_{2} O$
nylon-6,6

5. 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?

EM ĐÃ HỌC

Polymer là những hợp chất có phân tử khối rất lớn do nhiều đơn vị nhỏ (gọi là mắt xích) liên kết với nhau.
Monomer: là những phân tử nhỏ, phản ứng với nhau tạo thành polymer.
Các polymer thường là chất rắn, không nóng chảy hoặc nóng chảy ở một khoảng nhiệt độ khá rộng. Hầu hết polymer không tan trong nước, một số tan được trong dung môi hữu cơ. Nhiều polymer có tính dẻo (nhựa); một số polymer có tính đàn hồi (cao su); một số polymer khác thường dai, bền và dễ kéo sợi. Nhiều polymer không dẫn điện nhưng có một số polymer có tính bán dẫn.
Polymer có thể tham gia phản ứng cắt mạch, giữ nguyên mạch và tăng mạch.
Nhiều polymer thường gặp có thể được tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp hoặc trùng ngưng.

EM CÓ THỂ

Vận dụng các tính chất của polymer như tính đàn hồi, tính dai bền và có thể kéo sợi,... để giải thích ứng dụng của một số vật liệu polymer được tổng hợp từ các polymer đó.
Biết cách sử dụng hợp lí một số polymer theo tính chất của chúng.

Xem bản PDF nguyên trang sách: Hóa học 12 – Kết nối tri thức với cuộc sống (trang 51–55).