Bài 12. Đại cương về polymer
Tìm hiểu về khái niệm, phân loại và phương pháp tổng hợp polymer.
Lý thuyết Đại cương về Polymer
1. Khái niệm và đặc điểm
a) Định nghĩa
Polymer (Polyme): Hợp chất có phân tử khối lớn, được tạo thành từ nhiều đơn vị nhỏ (monomer) liên kết với nhau.
Monomer: Phân tử nhỏ tham gia tạo polymer
Mắt xích: Nhóm nguyên tử lặp lại trong mạch polymer
Ví dụ:
nCH₂=CH₂ → (-CH₂-CH₂-)ₙ
Ethylene (monomer) → Polyethylene (polymer)
b) Đặc điểm
- Phân tử khối lớn (10³ - 10⁶)
- Không có nhiệt độ nóng chảy xác định
- Không bay hơi
- Ít tan trong dung môi thông thường
- Độ bền cơ học cao
c) Phân loại
1. Theo nguồn gốc:
- Polymer thiên nhiên: Tinh bột, cellulose, protein, cao su thiên nhiên
- Polymer tổng hợp: PE, PVC, nylon, teflon
2. Theo thành phần:
- Polymer đồng nhất: Từ 1 loại monomer (PE, PVC)
- Copolymer: Từ 2+ loại monomer (nylon-6,6)
3. Theo cấu trúc:
- Mạch thẳng: PE, PVC
- Mạch nhánh: Tinh bột
- Mạch không gian: Cao su lưu hóa
4. Theo tính chất nhiệt:
- Polymer nhiệt dẻo: Nóng chảy khi đun (PE, PVC)
- Polymer nhiệt rắn: Không nóng chảy (bakelite)
2. Phương pháp tổng hợp polymer
a) Phản ứng trùng hợp
Định nghĩa: Nhiều phân tử nhỏ (monomer) liên kết với nhau tạo polymer, không tạo sản phẩm phụ.
Điều kiện: Monomer có liên kết bội (C=C, C≡C)
Ví dụ 1: Polyethylene (PE)
nCH₂=CH₂ → (-CH₂-CH₂-)ₙ (t°, p, xúc tác)
Ví dụ 2: Polyvinyl chloride (PVC)
nCH₂=CHCl → (-CH₂-CHCl-)ₙ
Ví dụ 3: Polystyrene (PS)
nCH₂=CH-C₆H₅ → (-CH₂-CH(C₆H₅)-)ₙ
b) Phản ứng trùng ngưng
Định nghĩa: Nhiều phân tử nhỏ liên kết với nhau tạo polymer và giải phóng phân tử nhỏ (H₂O, HCl...).
Điều kiện: Monomer có ≥2 nhóm chức phản ứng
Ví dụ 1: Nylon-6,6
nHOOC-(CH₂)₄-COOH + nH₂N-(CH₂)₆-NH₂ → [-OC-(CH₂)₄-CO-NH-(CH₂)₆-NH-]ₙ + 2nH₂O
Ví dụ 2: Polyester (PET)
nHOOC-C₆H₄-COOH + nHO-CH₂-CH₂-OH → [-OC-C₆H₄-CO-O-CH₂-CH₂-O-]ₙ + 2nH₂O
c) So sánh trùng hợp và trùng ngưng
| Đặc điểm | Trùng hợp | Trùng ngưng |
|---|---|---|
| Monomer | Có liên kết bội | Có ≥2 nhóm chức |
| Sản phẩm phụ | Không | Có (H₂O, HCl...) |
| Mắt xích | Giống monomer | Khác monomer |
| Ví dụ | PE, PVC, PS | Nylon, PET |
3. Một số polymer quan trọng
a) Polyethylene (PE)
- Monomer: CH₂=CH₂
- Tính chất: Nhẹ, bền, cách điện
- Ứng dụng: Túi nilon, màng bọc, ống nước
b) Polyvinyl chloride (PVC)
- Monomer: CH₂=CHCl
- Tính chất: Cứng, bền, chống ăn mòn
- Ứng dụng: Ống nước, dây điện, sàn nhà
c) Polystyrene (PS)
- Monomer: CH₂=CH-C₆H₅
- Tính chất: Trong suốt, cứng, cách nhiệt
- Ứng dụng: Hộp xốp, đồ dùng nhựa
d) Teflon (PTFE)
- Monomer: CF₂=CF₂
- Tính chất: Chịu nhiệt cao, không dính
- Ứng dụng: Chảo chống dính, băng keo
e) Nylon-6,6
- Monomer: Acid adipic + Hexamethylenediamine
- Tính chất: Bền, dai, đàn hồi
- Ứng dụng: Sợi dệt, dây cáp, bánh răng
f) Polyester (PET)
- Monomer: Acid terephthalic + Ethylene glycol
- Tính chất: Bền, trong suốt
- Ứng dụng: Chai nước, sợi vải, màng phim
Các dạng bài tập
Dạng 1: Dạng 1: Xác định monomer và viết phương trình
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Từ polymer → Xác định mắt xích
- Từ mắt xích → Xác định monomer
- Viết phương trình trùng hợp/trùng ngưng
Ví dụ:
a) Xác định monomer:
Mắt xích: -CH₂-CHCl-
Monomer: CH₂=CHCl (vinyl chloride)
b) Phương trình:
nCH₂=CHCl → (-CH₂-CHCl-)ₙ
Phản ứng trùng hợp (không có sản phẩm phụ)
c) Tính khối lượng monomer:
M(monomer) = M(mắt xích) = 62.5 g/mol
Vì không có sản phẩm phụ:
m(monomer) lý thuyết = m(polymer) = 1000 kg
m(monomer) thực tế = 1000 / 90% = 1111 kg
Đáp án: a) CH₂=CHCl; c) 1111 kg
Dạng 2: Dạng 2: Tính khối lượng phân tử polymer
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- M(polymer) = n × M(mắt xích)
- Với trùng ngưng: Trừ khối lượng H₂O
- Tính số mắt xích n
Ví dụ:
a) Tính M(mắt xích):
Mắt xích: -OC-(CH₂)₄-CO-NH-(CH₂)₆-NH-
M = 12×12 + 22×1 + 2×14 + 2×16 = 226 g/mol
b) Tính M(polymer):
M(polymer) = 100 × 226 = 22,600 g/mol
c) Tính khối lượng H₂O:
Phương trình:
nHOOC-(CH₂)₄-COOH + nH₂N-(CH₂)₆-NH₂ → Nylon + 2nH₂O
M(acid) = 146 g/mol
M(amine) = 116 g/mol
M(monomer tổng) = 146 + 116 = 262 g/mol
M(mắt xích) = 226 g/mol
M(H₂O) = 262 - 226 = 36 g/mol (2 phân tử H₂O)
Tính cho 1 tấn nylon:
m(nylon) thực tế = 1000 kg
m(nylon) lý thuyết = 1000 × 95% = 950 kg
Tỉ lệ: 226 kg nylon → 36 kg H₂O
950 kg nylon → x kg H₂O
x = 950 × 36 / 226 = 151.3 kg
Đáp án: a) 226 g/mol; b) 22,600 g/mol; c) 151.3 kg
Dạng 3: Dạng 3: Bài toán thực tế - Tái chế polymer
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Phân tích lợi ích tái chế
- Tính toán kinh tế
- Đánh giá môi trường
Ví dụ:
a) Tính PET thu hồi:
m(PET thu hồi) = 100 × 85% = 85 tấn
b) So sánh chi phí:
Phương án 1: Tái chế
- Chi phí thu gom: 100 × 15,000 = 1,500,000,000 đ
- Chi phí tái chế: 100 × 8,000 = 800,000,000 đ
- Tổng chi phí: 2,300,000,000 đ
- Sản phẩm: 85 tấn PET
- Chi phí/kg: 2,300,000,000 / 85,000 = 27,059 đ/kg
Phương án 2: Sản xuất mới
- Chi phí: 85 × 30,000 = 2,550,000,000 đ
- Chi phí/kg: 30,000 đ/kg
So sánh:
- Tái chế rẻ hơn: 30,000 - 27,059 = 2,941 đ/kg
- Tiết kiệm: 2,941 × 85,000 = 250,000,000 đ (10%)
c) Tác động môi trường:
Lợi ích tái chế:
- ✓ Giảm 60% năng lượng so với sản xuất mới
- ✓ Giảm 70% khí thải CO₂
- ✓ Tiết kiệm tài nguyên dầu mỏ
- ✓ Giảm rác thải nhựa (100 tấn không vào bãi rác)
- ✓ Giảm ô nhiễm đại dương
Tính toán cụ thể:
| Tiêu chí | Tái chế | Sản xuất mới | Tiết kiệm |
|---|---|---|---|
| Năng lượng (kWh) | 40,000 | 100,000 | 60% |
| CO₂ (tấn) | 30 | 100 | 70% |
| Nước (m³) | 500 | 2000 | 75% |
| Dầu mỏ (tấn) | 0 | 150 | 100% |
Thách thức:
- ⚠️ Cần phân loại rác tại nguồn
- ⚠️ Chi phí thu gom cao
- ⚠️ Chất lượng PET tái chế thấp hơn
- ⚠️ Cần công nghệ tái chế hiện đại
Giải pháp:
- Khuyến khích phân loại rác (giảm giá thu gom)
- Đầu tư công nghệ tái chế tiên tiến
- Chính sách thuế ưu đãi cho tái chế
- Giáo dục cộng đồng về tái chế
- Xây dựng hệ thống thu gom hiệu quả
Kết luận:
Tái chế PET tiết kiệm 250 triệu đồng (10%) và giảm 70% tác động môi trường. Đây là giải pháp bền vững, cần được khuyến khích và phát triển mạnh mẽ.
Đáp án: a) 85 tấn; b) Tiết kiệm 250 triệu đồng; c) Giảm 60% năng lượng, 70% CO₂