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 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 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 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
1 Dạng 1: Xác định monomer và viết phương trình
Phương pháp:
- Từ polymer → Xác định mắt xích
- Từ mắt xích → Xác định monomer
- Viết phương trình trùng hợp/trùng ngưng
Ví dụ minh họa
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
2 Dạng 2: Tính khối lượng phân tử polymer
Phương pháp:
- M(polymer) = n × M(mắt xích)
- Với trùng ngưng: Trừ khối lượng H₂O
- Tính số mắt xích n
Ví dụ minh họa
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
3 Dạng 3: Bài toán thực tế - Tái chế polymer
Phương pháp:
- Phân tích lợi ích tái chế
- Tính toán kinh tế
- Đánh giá môi trường
Ví dụ minh họa
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
Sẵn sàng thử thách bản thân?
Hoàn thành 22 câu hỏi để củng cố kiến thức và kiểm tra mức độ hiểu bài
Làm bài tập ngay