Giải mã PE và PVC: từ monomer đến mắt xích, hệ số trùng hợp và phần trăm clo
Đọc polymer như sợi dây chuyền: cắt mắt xích, tính hệ số trùng hợp, phần trăm clo, chuỗi điều chế PVC, phản ứng cháy và bài toán tơ clorin.
Hóa học 9 · Polymer và hợp chất hữu cơ
Giải mã PE và PVC: từ monomer đến mắt xích, hệ số trùng hợp và phần trăm clo
Một túi nilon và một đoạn ống nước nhìn khác nhau hoàn toàn, nhưng cả hai đều là những sợi dây chuyền khổng lồ mà mỗi mắt xích chỉ nặng vài chục đơn vị. Học cách đếm mắt xích, em sẽ đọc được khối lượng phân tử, thành phần và cả số phận của chúng khi bị đốt.
90 phút Mức: khá – giỏi
Bạn sẽ học: cắt mắt xích từ mạch carbon · tìm hệ số trùng hợp từ khối lượng mol · phần trăm khối lượng của PE và PVC · chuỗi điều chế PVC và sổ cái clo · đốt PE, PVC · tơ clorin và bài toán tìm k
1 Sợi dây chuyền có hàng nghìn mắt
Trước khi tính, phải gọi đúng tên từng khái niệm.
Hãy nhìn quanh phòng học: chai nước, túi đựng bánh, ống luồn dây điện, áo mưa, khung cửa sổ nhựa. Phần lớn những vật đó làm từ hai họ nhựa: PE (polyethylene) và PVC (poly(vinyl chloride)). Về mặt hóa học, chúng không phải là chất có một phân tử nhỏ và cố định như nước hay ethanol. Mỗi phân tử là một chuỗi rất dài , gồm hàng nghìn phần nhỏ giống hệt nhau nối liền nhau, giống một sợi dây chuyền có hàng nghìn mắt.
Cách nhìn này biến một chủ đề tưởng như xa lạ thành phép đếm quen thuộc: đếm mắt xích, nhân với khối lượng một mắt, rồi suy ra khối lượng cả sợi. Mọi công thức trong bài đều xuất phát từ hình ảnh đó, và em sẽ kiểm chứng từng công thức bằng con số thật.
Thuật ngữ · Nghĩa · Với PVC
Monomer · Phân tử nhỏ, chưa nối · \mathrm{CH_{2}=CHCl}
Mắt xích · Một mắt sau khi nối · \mathrm{-CH_{2}-CHCl-}
Hệ số n · Số mắt của một sợi · Ví dụ 6000
Polymer · Cả sợi dây chuyền · \mathrm{(CH_{2}-CHCl)_{n}}
Trùng hợp · Quá trình nối các mắt · Cần chất khơi mào
Phản ứng trùng hợp nối nhiều phân tử monomer có liên kết đôi thành một phân tử polymer. Trong lúc nối, một liên kết của nối đôi được mở ra để bắt tay với monomer bên cạnh, và không có phân tử nhỏ nào bị tách ra .
\mathrm{nCH_{2}=CH_{2}\overset{\text{xt, }t^{\circ}\text{, }p}{\longrightarrow}(CH_{2}-CH_{2})_{n}}\mathrm{nCH_{2}=CHCl\overset{\text{xt, }t^{\circ}}{\longrightarrow}(CH_{2}-CHCl)_{n}}
Ghi nhớ
Nhớ hai điều: mắt xích là phần còn lại của monomer sau khi mở nối đôi, và mắt xích có cùng thành phần nguyên tố với monomer . Vì vậy khối lượng mol của mắt xích PE là 28, của mắt xích PVC là 62{,}5, đúng bằng khối lượng mol monomer tương ứng.
Mọi phép tính về PE và PVC trong bài chỉ cần ba nguyên tử khối (theo sách giáo khoa): \mathrm{C}=12, \mathrm{H}=1, \mathrm{Cl}=35{,}5; riêng các bài đốt cháy polymer thì thêm \mathrm{O}=16 để tính khí carbon dioxide và nước.
GV
Cô Lukato
Cô hay bảo học trò: đừng học thuộc từng công thức polymer. Chỉ cần nhớ khung \mathrm{CH_{2}=CH-X}. Đổi X là ra monomer khác, đổi mắt xích khác, đổi khối lượng khác. Cả bài này là hệ quả của cái khung đó.
Bản đồ bài học
Mục · Nội dung · Bạn làm được gì
2 · Mắt xích và hệ số trùng hợp · Cắt hai carbon để tìm mắt xích, tính n từ khối lượng mol
3 · Khối lượng mol polymer · Dùng công thức M_{\text{mắt xích}}=27+M_{X}
4 · Phần trăm khối lượng · Tính \%C, \%H, \%Cl của PE và PVC
5 · Chuỗi điều chế PVC · Ghi sổ cái nguyên tử clo qua ba bước
6 · Tính chất và ứng dụng · Phân biệt PE và PVC, biết cách dùng an toàn
7 · Phản ứng cháy · Tính sản phẩm khi đốt PE, PVC và hỗn hợp
8 · Mở rộng: tơ clorin · Tìm k từ phần trăm clo
9–11 · Chiến lược, luyện tập, tự kiểm tra · Mười lăm bài có chấm điểm
Khởi động: ba câu hỏi nhanh
Mắt xích trong phân tử polyethylene (PE) có công thức
Sai: đây là monomer ethylene, còn có nối đôi. Mắt xích là phần đã mở nối đôi để nối vào mạch.
Đúng: hai carbon liền nhau trong mạch, không còn nối đôi, mỗi carbon vẫn mang hai hydrogen.
Sai: đây là ethane, một phân tử no riêng lẻ, không phải một khúc của mạch polymer.
Sai: đó là mắt xích của PVC, có thêm nguyên tử Cl.
Một sợi PVC gồm 1000 mắt xích \mathrm{-CH_{2}-CHCl-}. Khối lượng mol xấp xỉ của sợi đó là
Sai: đó chỉ là khối lượng mol của một mắt xích.
Sai: bạn chỉ nhân 62{,}5 với 100. Đề cho 1000 mắt xích.
Đúng: 1000\times 62{,}5=62\,500.
Sai: bạn nhân với 10\,000, thừa một chữ số không.
Xét phản ứng \mathrm{nCH_{2}=CH_{2}\longrightarrow(CH_{2}-CH_{2})_{n}}.
a) Ethylene là monomer, và mắt xích có cùng thành phần nguyên tố với monomer.
Đúng: mắt xích chỉ là monomer sau khi mở nối đôi, các nguyên tử không thêm, không bớt.
b) Phản ứng tách ra nước như phản ứng ester hóa.
Sai: trùng hợp không tách phân tử nhỏ nào. Đó là khác biệt với phản ứng trùng ngưng.
c) n là số nguyên tử carbon trong một phân tử PE.
Sai: n là số mắt xích. Mỗi mắt xích có 2 carbon nên phân tử có khoảng 2n carbon.
d) Khối lượng PE thu được bằng khối lượng ethylene đã phản ứng.
Đúng: không có chất nào thoát ra nên khối lượng bảo toàn. Còn lượng ethylene đã phản ứng thì tính theo hiệu suất.
2 Mắt xích: cắt hai carbon và đếm
Một quy tắc cắt và một phép chia đủ để mở nhiều bài.
Nhìn một đoạn mạch polymer, làm sao biết mắt xích của nó là gì? Với PE và PVC có một quy tắc gọn: mạch chính chỉ gồm các nguyên tử carbon, và mỗi mắt xích chiếm đúng hai carbon liên tiếp . Chỉ việc chọn hai carbon kề nhau, ghép cả những gì gắn vào chúng, đó là một mắt xích.
Hình 1. Nhìn khung carbon, PE và PVC giống nhau. Điểm khác duy nhất là cứ hai carbon PVC có thêm một nguyên tử Cl (chỉ vẽ Cl, các H được lược bớt).
Nhìn hình, PE và PVC có cùng khung carbon. Ở PE mọi carbon chỉ mang hydrogen, nên mắt xích là \mathrm{-CH_{2}-CH_{2}-}. Ở PVC cứ carbon thứ hai lại mang một Cl, nên mắt xích là \mathrm{-CH_{2}-CHCl-}. Nối ngược lại bằng nối đôi ta có monomer:
\mathrm{nCH_{2}=CH-X\longrightarrow(CH_{2}-CHX)_{n}}
X · Monomer (polymer) · Mắt xích
\mathrm{H} · Ethylene (PE) · \mathrm{C_{2}H_{4}}
\mathrm{Cl} · Vinyl chloride (PVC) · \mathrm{C_{2}H_{3}Cl}
\mathrm{CH_{3}} · Propylene (PP) · \mathrm{C_{3}H_{6}}
\mathrm{C_{6}H_{5}} · Styrene (PS) · \mathrm{C_{8}H_{8}}
Ghi nhớ
Quy tắc cắt hai carbon. Chọn hai carbon liền nhau trên mạch chính, giữ nguyên các nguyên tử gắn vào chúng. Đó là một mắt xích. Thêm lại nối đôi giữa hai carbon đó thì được monomer.
Bẫy thường gặp
Đừng nhầm mắt xích với monomer . Hai thứ có cùng thành phần nguyên tố và cùng khối lượng mol, nhưng monomer là một phân tử có nối đôi, còn mắt xích là một khúc trong mạch, không còn nối đôi. Nếu đề hỏi "công thức mắt xích" mà em viết \mathrm{CH_{2}=CHCl} thì bị coi là sai.
Có thêm một điểm tinh tế. Ngoài đời, các phân tử polymer trong cùng một mẻ không có cùng chiều dài: chỗ dài, chỗ ngắn, giống một rổ dây chuyền được cắt ngẫu nhiên. Vì vậy n và khối lượng mol polymer đều là giá trị trung bình . Bài toán thường cho khối lượng mol đẹp để n ra số nguyên.
Ví dụ 1: từ khối lượng mol đến hệ số trùng hợp
Ví dụ 1 · PVC có khối lượng mol trung bình 375\,000. Tính n
Viết mắt xích của PVC: \mathrm{-CH_{2}-CHCl-}, tức là \mathrm{C_{2}H_{3}Cl}.
Muốn đếm mắt phải biết một mắt là gì.
Khối lượng mol mắt xích: M=2\times 12+3\times 1+35{,}5=62{,}5.
Dùng nguyên tử khối theo sách giáo khoa.
Khối lượng cả sợi bằng n lần khối lượng một mắt: M_{\text{polymer}}=n\times 62{,}5.
Đây chính là phép đếm mắt xích.
Suy ra n=\dfrac{375\,000}{62{,}5}=6000.
Chia khối lượng cả sợi cho khối lượng một mắt.
Kiểm tra ngược: 6000\times 62{,}5=375\,000. Mạch chính có 2\times 6000=12\,000 nguyên tử carbon.
Luôn nhân ngược để bắt lỗi chia sai.
Mẹo ước lượng
Ước lượng trước khi bấm máy: mắt xích chỉ nặng vài chục, nên n xấp xỉ khối lượng mol polymer chia cho vài chục. Với 375\,000 và mắt xích 62{,}5, n phải cỡ vài nghìn. Nếu ra n cỡ vài chục hoặc vài triệu thì em đã chia nhầm.
Bẫy thường gặp
Bẫy phổ biến là chia cho khối lượng mol của cả monomer khác . Ví dụ dùng 28 của ethylene cho PVC sẽ ra n=13\,393, sai hoàn toàn. Chia cho 36{,}5 của HCl cũng sai. Luôn viết mắt xích của đúng polymer đề cho rồi mới tính khối lượng mol.
Luyện tập tại chỗ
Bài 1 Mức 1 · Nhận biết
Một mẫu polyethylene (PE) có khối lượng mol trung bình 280\,000. Tính hệ số trùng hợp n (nhập số nguyên).
Gợi ý 1. Viết mắt xích của PE.
Gợi ý 2. Khối lượng mol mắt xích \mathrm{C_{2}H_{4}} là bao nhiêu?
Gợi ý 3. Lấy khối lượng mol polymer chia cho khối lượng mol mắt xích.
Chính xác! Mắt xích \mathrm{C_{2}H_{4}} có M=28, n=\dfrac{280\,000}{28}=10\,000.
Bạn đã chia cho 62{,}5, khối lượng mol mắt xích của PVC. PE không có clo nên mắt xích chỉ nặng 28.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
Mắt xích \mathrm{-CH_{2}-CH_{2}-} có M=28. n=\dfrac{280\,000}{28}=10\,000.
Bài 2 Mức 1 · Nhận biết
Polystyrene (PS) được trùng hợp từ styrene \mathrm{C_{6}H_{5}-CH=CH_{2}}. Một mẫu PS có khối lượng mol trung bình 208\,000. Tính hệ số trùng hợp n.
Gợi ý 1. Mắt xích của PS có cùng công thức phân tử với styrene: \mathrm{C_{8}H_{8}}.
Gợi ý 2. Khối lượng mol \mathrm{C_{8}H_{8}} bằng 8\times 12+8.
Gợi ý 3. Chia khối lượng mol polymer cho khối lượng mol mắt xích.
Chính xác! Mắt xích \mathrm{C_{8}H_{8}} có M=104, n=\dfrac{208\,000}{104}=2000.
Bạn đã chia cho 28, khối lượng mol của mắt xích PE. Với PS mắt xích nặng 104.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
M_{\text{mắt xích}}=8\times 12+8\times 1=104. n=\dfrac{208\,000}{104}=2000.
3 Khối lượng mol polymer và nhóm thế X
Một phần khung cố định 27 và một nhóm thế thay đổi.
Bốn polymer trong bảng ở Mục 2 có chung khung \mathrm{-CH_{2}-CH-} và chỉ khác nhóm thế X. Phần khung nặng bao nhiêu? Tính một lần rồi dùng mãi:
M_{\mathrm{CH_{2}-CH}}=12+2+12+1=27
Ghi nhớ
Với monomer \mathrm{CH_{2}=CH-X}: khối lượng mol mắt xích =27+M_{X} , và khối lượng mol polymer =n\times(27+M_{X}).
X · M_{X} · Mắt xích · Polymer
\mathrm{H} · 1 · 28 · PE
\mathrm{Cl} · 35{,}5 · 62{,}5 · PVC
\mathrm{CH_{3}} · 15 · 42 · PP
\mathrm{C_{6}H_{5}} · 77 · 104 · PS
Công thức này đảo ngược rất tiện. Biết M và n, ta tìm được khối lượng mol mắt xích, rồi trừ 27 để ra M_{X}, từ đó đoán X là nhóm nào.
Ví dụ 2: nhận ra polymer chưa biết
Ví dụ 2 · Polymer từ \mathrm{CH_{2}=CH-X}, khối lượng mol 252\,000, n=6000. Tìm X
Khối lượng mol mắt xích: \dfrac{252\,000}{6000}=42.
Chia khối lượng cả sợi cho số mắt.
Trừ phần khung: M_{X}=42-27=15.
Phần khung \mathrm{CH_{2}-CH} luôn nặng 27.
Nhóm có khối lượng mol 15 là \mathrm{CH_{3}} (12+3=15).
Thử vài nhóm quen thuộc: H, CH3, Cl, C6H5.
Vậy monomer là \mathrm{CH_{2}=CH-CH_{3}} (propylene) và polymer là PP.
Kiểm tra: mắt xích \mathrm{C_{3}H_{6}} có M=42, khớp.
Bẫy thường gặp
Khi trừ phần khung, có em trừ 26 hoặc 28 vì nhớ nhầm. Nguyên nhân thường là quên một nguyên tử hydrogen. Cách chắc chắn: đếm lại \mathrm{CH_{2}-CH} gồm 2 carbon và 3 hydrogen, tức 24+3=27.
Poly(acrylonitrile), nguyên liệu làm tơ nitron (olon), trùng hợp từ \mathrm{CH_{2}=CH-CN}. Khối lượng mol của một mắt xích là
Sai: 26 là khối lượng mol nhóm \mathrm{CN}, mới chỉ là phần nhóm thế.
Đúng: 27+26=53. Kiểm tra bằng công thức \mathrm{C_{3}H_{3}N}: 36+3+14=53.
Sai: 27 chỉ là phần khung \mathrm{CH_{2}-CH}, chưa cộng nhóm thế.
Sai: 79=27+2\cdot 26, bạn đã cộng nhầm hai lần nhóm thế \mathrm{CN}. Mỗi mắt xích chỉ có một nhóm \mathrm{CN}.
Bài 3 Mức 2 · Vận dụng
Poly(vinyl acetate) có mắt xích \mathrm{-CH_{2}-CH(OCOCH_{3})-}, tức polymer của \mathrm{CH_{2}=CH-X} với X=\mathrm{OCOCH_{3}}. Một mẫu có khối lượng mol 129\,000 và n=1500. Tính khối lượng mol của nhóm X.
Gợi ý 1. Tính khối lượng mol một mắt xích từ khối lượng mol polymer và hệ số trùng hợp n.
Gợi ý 2. Mắt xích gồm phần khung \mathrm{-CH_{2}-CH-} (nặng 27) và nhóm X; tách phần khung ra.
Gợi ý 3. Kiểm tra: \mathrm{OCOCH_{3}} gồm 2 C, 3 H, 2 O.
Chính xác! Mắt xích nặng 86, M_{X}=86-27=59, khớp \mathrm{C_{2}H_{3}O_{2}}: 24+3+32=59.
Đó là khối lượng mol cả mắt xích. Đề hỏi riêng nhóm X nên còn phải trừ phần khung 27.
Bạn đã cộng 27 thay vì trừ.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
M_{\text{mắt xích}}=\dfrac{129\,000}{1500}=86. M_{X}=86-27=59. Kiểm tra: \mathrm{OCOCH_{3}}=\mathrm{C_{2}H_{3}O_{2}} có 2\times 12+3+2\times 16=59.
Bài 4 Mức 2 · Vận dụng
Một phân tử PVC có n=6000 (bỏ qua hai đầu mạch). Tính tổng số nguyên tử của phân tử đó (nhập số nguyên).
Gợi ý 1. Đếm nguyên tử trong một mắt xích \mathrm{C_{2}H_{3}Cl}.
Gợi ý 2. Một mắt xích có 2+3+1 nguyên tử.
Gợi ý 3. Nhân với số mắt xích.
Chính xác! Một mắt xích có 6 nguyên tử, 6000\times 6=36\,000.
Đó là số nguyên tử carbon trong mạch (2\times 6000), chưa tính H và Cl.
Đó là số mắt xích, còn đề hỏi số nguyên tử.