CHUYÊN ĐỀ 18: POLYMER – 1,01^365 = 37,8 (Mỗi nỗ lực, dù là nhỏ nhất, đều có Ý nghĩa)

CẨM NANG ÔN THI TỐT NGHIỆP

Khái niệm, danh pháp
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.

VD: nCH₂ = CH₂

Monomer: CH₂ = CH₂, polymer: , mắt xích: – CH₂ – CH₂ –

Danh pháp

– Tên polymer = poly + tên monomer (thêm ngoặc đơn nếu tên monomer gồm hai cụm từ)

Công thức cấu tạo của polymer và tên gọi
Polyethylene (PE)	Poly(vinyl chloride) (PVC)
Polypropylene (PP)	Polystyrene (PS)
Polybuta – 1,3 – diene	Polyisoprene
Poly(methyl methacrylate)	Poly(Phenol formaldehyde) (PPF)
Capron	Nylon – 6,6

Phân loại

Polymer tổng hợp

Polymer bán tổng hợp (nhân tạo)

Polymer thiên nhiên

– Do con người tổng hợp.

VD: PE, PVC, Cao su buna, nylon – 6, nylon – 7, ….

– Tạo nên từ polymer thiên nhiên.

VD: Tơ visco, tơ cellulose acetate, …

– Có sẵn trong thiên nhiên.

VD: Tinh bột, cellulose, bông, len, tơ tằm, cao su thiên nhiên.

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.

+ Polymer nhiệt dẻo (nóng chảy khi đun nóng, có thể tái chế): PE, PP, PVC, PS, …

+ Polymer nhiệt rắn (phân hủy bởi nhiệt khi đun nóng, không thể tái chế): PPF, …

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

Polymer	Tính chất	Ứng dụng
PE, PP	Tính dẻo	Chế tạo chất dẻo
Polyisoprene	Tính đàn hồi	Chế tạo cao su
Capron; nylon – 6,6	Kéo thành sợi dai, bền	Chế tạo tơ
Poly(methyl methacrylate)	Trong suốt, không giòn	Chế tạo thủy tinh hữu cơ
PE, PVC, PPF	Cách điện, cách nhiệt	Chế tạo vật liệu cách điện, cách nhiệt.

III. Tính chất hóa học

Phản ứng cắt mạch polymer

– Một số polymer chứa nhóm chức trong mạch có khả năng bị thủy phân cắt mạch như tinh bột, cellulose, capron, nylon – 6,6, ….

+ nH₂O nH₂N – [CH₂]₅ – COOH

Capron 6 – aminohexanoic acid

(C₆H₁₀O₅)_n + nH₂O nC₆H₁₂O₆

Tinh bột, cellulose glucose

– Một số polymer bị phân hủy nhiệt thành các polymer mạch ngắn, cuối cùng tạo ra monomer ban đầu → Phản ứng depolymer hóa.

Phản ứng tăng mạch polymer

– Ở điều kiện thích hợp như nhiệt độ, chất xúc tác, … các mạch polymer có thể phản ứng với nhau tạo thành mạch dài hơn hoặc tạo mạng lưới.

Phản ứng giữ nguyên mạch polymer

– Polymer có thể tham gia các phản ứng hóa học mà không làm thay đổi chiều dài mạch polymer.

+ Phản ứng thủy phân:

+ Phản ứng cộng vào liên kết đôi trong mạch polymer:

Phương pháp tổng hợp

Phương pháp trùng hợp

Phương pháp trùng ngưng

– ĐN: 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).

– Điều kiện monomer tham gia trùng hợp: chứa liên kết đôi hoặc vòng kém bền (như vòng caprolactam).

ethylene polyethylene (PE)

Caprolactam tơ capron

– ĐN: 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).

– Điều kiện monomer tham gia trùng ngưng: Có ít nhất hai nhóm chức có khả năng phản ứng (-OH, -NH₂, -COOH).

VD: HOOC–C₆H₄–COOH, HOCH₂CH₂OH,

H₂N[CH₂]₅COOH, H₂N[CH₂]₆NH₂, HOOC[CH₂]₄COOH, …

VẬT LIỆU POLYMER

Chất dẻo
Khái niệm

– Chất dẻo là các vật liệu polymer có tính dẻo. Tính dẻo của vật liệu là tính bị biến dạng khi chịu tác dụng của nhiệt, áp lực bên ngoài và vẫn giữ được sự biến dạng đó khi thôi tác dụng.

– Thành phần của chất dẻo gồm: polymer, chất hóa dẻo, chất độn, chất tạo màu, …

Tổng hợp và ứng dụng một số polymer dùng làm chất dẻo

Polymer	Điều chế	Ứng dụng
Polyethylene (PE)		– Sx túi nylon, chai lọ, màng bọc thực phẩm
Polypropylene (PP)		– Sản xuất bao gói, hộp đựng, ống nước, …
Polystyrene (PS)		– Sản xuất bao gói thực phẩm, hộp xốp, …
Poly(vinyl clorua) (PVC)		– Sản xuất giày ủng, rèm nhựa, ống nước, …
Poly(methyl methacrylate)		– Sản xuất thủy tinh hữu cơ dùng làm kính máy bay, kính xây dựng, bể cá, …
Poly(phenol formaldehyde) (PPF)		– Sản xuất bộ phận cách điện, các thiết bị điện, bao bì y tế, …

Ô nhiễm môi trường do chất dẻo và rác thải nhựa

Vật liệu composite
Khái niệm

– Vật liệu composite là loại vật liệu được tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo nên vật liệu mới có các tính chất vượt trội so với vật liệu ban đầu.

– Vật liệu composite thường gồm hai thành phần chính:

+ Vật liệu cốt có vai trò đảm bảo cho composite có được các đặc tính cơ học cần thiết. Có hai dạng chính là cốt sợi (sợi thủy tinh, sợi carbon, …) và dạng cốt hạt (hạt kim loại, bột gỗ, …).

+ Vật liệu nền đóng vai trò liên kết các vật liệu cốt với nhau nhằm tạo tính thống nhất cho vật liệu composite. Vật liệu nền điển hình như nền hữu cơ (nhựa polymer), nền kim loại, nền gốm, …

Ứng dụng

Loại composite	Tính chất	Ứng dụng
Composite sợi carbon	– Nhẹ và có độ bền cao.	– Làm vật liệu chế tạo các bộ phận quan trọng trong lĩnh vực hàng không, vũ trụ, ô tô, thiết bị và dụng cụ thể thao, …
Composite sợi thủy tinh	– Nhẹ, độ cứng và độ uốn kéo tốt, độ bền cơ học cao, cách điện tốt, bền với môi trường.	– Làm vật liệu chế tạo các bộ phận trong thiết bị hàng không (giá để hành lí, vách ngăn, thùng chứa, ống dẫn), đóng tàu, thuyền, …
Composite bột gỗ và bột đá	– Nhẹ, độ bền cao, cách điện và cách nhiệt tốt, dễ tạo hình và phối màu.	– Làm tấm ốp trang trí nhà, làm cánh cửa, ván lát sàn, …

III. Tơ

Khái niệm

– Tơ là những vật liệu polymer có dạng sợi mảnh và có độ bền nhất định.

– Các polymer dùng làm tơ thường có mạch không phân nhánh, xếp song song với nhau, bền với các dung môi thông thường, dai, mềm, không đọc và có khả năng nhuộm màu.

Phân loại

Tơ tự nhiên	Tơ tổng hợp	Tơ bán tổng hợp
– Có sẵn trong tự nhiên như bông, len, tơ tằm, …	– Chế tạo từ các polymer tổng hợp: tơ capron; tơ nylon – 6,6; tơ nitron; …	– Chế biến từ các polyner tự nhiên bằng phương pháp hóa học như tơ visco, tơ cellulose acetate, …

Một số loại tơ thường gặp

(a) Tơ tự nhiên

Sợi bông

Len

Tơ tằm

– Là loại tơ sợi lấy từ quả bông, thành phần chủ yếu là cellulose.

– Sợi bông mềm mịn, thấm hút mồ hôi tốt, thông thoáng nên vải từ sợi bông (cotton) sử dụng phổ biến trong may mặc.

– Là loại tơ được làm từ lông một số động vật như cừu, dê, … có thành phần chính là protein.

– Sợi len giữ nhiệt tốt nên được dùng để dệt áo len, áo choàng, khăn len, …

– Là loại tơ được lấy từ kén của con sâu tằm, thành phần chính là protein.

– Vải dệt từ sợi tơ tằm có độ bóng cao, mềm mại, hút ẩm tốt nên được dùng dệt vải may trang phục vào mùa hè.

(b) Tơ tổng hợp và tơ bán tổng hợp

Loại tơ	Cấu tạo	Tính chất	Ứng dụng
Tơ nylon – 6,6	– Thuộc loại tơ polyamide:	– Dai, bền, bóng mượt, mềm mại, ít thấm nước, giặt mau khô, kém bền bởi nhiệt, acid và kiềm.	– Dệt vải may mặc, vải lót săm lốp xe, bít tất, dây cáp, dây dù, đan lưới, …
Tơ capron	– Thuộc loại tơ polyamide:	– Dai, đàn hồi, ít thấm nước, mềm mại, dáng đẹp hơn tơ tằm, giặt mau khô, kém bền bởi nhiệt, acid và kiềm.	– Dệt vải may mặc, làm võng, lưới bắt cá, chỉ khâu, sợi dây thừng, …
Tơ nitron (olon)	– Thuộc loại vinylic:	– Dai, bền với nhiệt và giữ nhiệt tốt.	Dệt vải may áo ấm, bện thành len đan áo rét.
Tơ visco	– Thành phần chính là cellulose đã xử lí hóa chất.	– Dai, bền, thấm mồ hôi, thoáng khí.	Làm vải may trang phục thoáng, mát.
Tơ cellulose acetate	– Là hỗn hợp gồm cellulose diacetate [C₆H₇O₂(OH)(OCOCH₃)₂]_n và cellulose triacetate [C₆H₇O₂(OCOCH₃)₃]_n	Cách nhiệt tốt	Làm vải may áo ấm và thường được phối trộn với len.

Cao su
Khái niệm

– Cao su là vật liệu polymer có tính đàn hồi. Tính đàn hồi là tính biến dạng khi chịu lực tác dụng bên ngoài và trở lại dạng ban đầu khi lực đó thôi tác dụng.

Cao su tự nhiên

– Cao su tự nhiên lấy từ mủ cây cao su, là một polymer chứa các mắt xích isoprene đều ở dạng cis:

– Cao su tự nhiên có tính đàn hồi, không dẫn điện, chịu mài mòn, không thấm khí và nước, không tan trong nước và ethanol, … tan trong xăng, benzene, … Cao su tự nhiên được dùng để sản xuất các loại lốp xe, băng tải, ống dẫn, gioăng, đệm, gối, …

– Do có liên kết đôi trong phân tử nên cao su tự nhiên tham gia các phản ứng cộng H₂, Cl₂, HCl, … – Cao su tự nhiên có phản ứng với lưu huỳnh tạo cao su lưu hóa. Cao su sau khi lưu hóa có các cầu nối disulfide tạo mạng lưới không gian nên có tính đàn hồi, chịu nhiệt, lâu mòn, khó tan trong dung môi hơn cao su không lưu hóa.

Cao su tổng hợp

– Cao su tổng hợp là loại vật liệu polymer có tính chất đàn hồi tương tự cao su tự nhiên, được điều chế bằng phản ứng trùng hợp.

Cao su	Điều chế – ứng dụng
Cao su buna	– Cao su buna có tính đàn hồi và độ bền kém cao su thiên nhiên. Buta – 1,3 – diene cao su buna
Cao su buna – S	– Cao su buna – S có tính đàn hồi cao, dùng để sản xuất lốp xe, đệm lót, đế giày Buta – 1,3 – diene styrene cao su buna – S
Cao su buna – N	– Cao su buna – N có tính chống dầu tốt, dùng sản xuất găng tay cao su y tế, đai truyền động, … Buta – 1,3 – diene acrylonitrile cao su buna – N
Cao su isoprene	– Cao su isoprene có tính đàn hồi tốt, độ bền cao, chống mài mòn và chịu nhiệt tốt Sản xuất lốp xe, đệm giảm xóc, giày dép, dụng cụ thể thao, thiết bị y tế. Isoprene cao su isoprene
Cao su chloroprene	– Cao su chloroprene có tính đàn hồi cao, bền với dầu mỡ, dùng để bọc ống thủy lực công nghiệp, đệm làm kín, đai truyền năng lượng, … Chloroprene cao su chloroprene

Keo dán tổng hợp
Khái niệm

– Keo dán là loại vật liệu có khả năng kết dính bề mặt của hai vật liệu rắn với nhau mà không làm biến đổi bản chất các vật liệu được kết dính.

– Bản chất kết dính của keo dán là tạo ra lớp màng mỏng bám chắc vài hai mảnh vật liệu được dán.

Một số loại keo dán thông dụng

Keo dán	Thành phần, tính chất, ứng dụng
Nhựa vá săm	– Là dung dịch dạng keo của cao su được hòa tan trong các dung môi hữu cơ như xăng, toluene, xylene, … Dùng vá chỗ thủng của săm.
Keo dán epoxy	– Là loại keo dán hai thành phần: Trộn thành phần chính là hợp chất hữu cơ có hai nhóm epoxy ở hai đầu và thành phần thứ hai là chất đóng rắn, thường là các amine như H₂NCH₂CH₂NHCH₂CH₂NH₂tạo polymer mạng không gian.
Keo dán poly(urea – formaldehyde)	– Sản xuất từ urea và formaldehyde: – Dùng để làm chất kết dính trong gỗ ván ép, chất dẻo, … Khi sử dụng cần bổ sung thêm chất đóng rắn như oxalic acid để tạo polymer mạng không gian.

Dạng 1: Bài toán tính số mắt xích của polymer

LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI

Polymer: (X)_n (X là mắt xích, n là hệ số polymer hóa – số lượng mắt xích) ⇒

Cao su TN

Thủy tinh hữu cơ

Tơ nylon – 6

(tơ capron)

Tơ nylon – 6,6

Tơ nylon – 7

(tơ enang)

Tơ nitron

(tơ olon)

M_{mắt xích}

100

113

226

127

Dạng 2: Bài toán điều chế polymer

LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI

– Chuỗi điều chế: (1) 2CH₄ → C₂H₂ → C₂H₃Cl → PVC

(2) (C₆H₁₀O₅)_n → C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH → C₄H₆ → Cao su buna

(3)

– H%_{(quá trình)} = H₁.H₂.H₃…100% (H₁, H₂, H_3,… là hiệu suất các giai đoạn).