Bổ trợ kiến thức và tư duy giải nhanh siêu tốc chuyên đề polime và vật liệu polime

Nhựa novolac là chất rắn, dễ nóng chảy, dễ tan trong một số dung môi hữu cơ, dùng để sản xuất vecni, sơn,… * Nhựa rezol: Đun nóng hỗn hợp phenol và fomanđehit theo tỉ lệ mol 1:1,2, có xú[r]

Trang 1 - https://thi247.com/

CHUYÊN ĐỀ 7: POLIME VÀ VẬT LIỆU POLIME

BÀI 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ POLIME

I KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI VÀ DANH PHÁP

1 Khái niệm:

Polime là những hợp chất có phân tử khối rất lớn do nhiều đơn vị nhỏ (gọi là

mắt xích) liên kết với nhau

Thí duï: polietilen (CH2 CH2) , nilon-6 NH [CHn ( 2]5 CO)n

Mỗi đoạn –CH2 - CH2- được gọi là một mắt xích

n: là hệ số polime hóa hay độ polime hóa (hay số mắt xích)

Các phân tử như CH2=CH2, H2N[CH2]5COOH được gọi là monome

Polime thường là hỗn hợp của các phân tử có hệ số polime hóa khác nhau, vì vậy đôi khi người ta còn dùng khái niệm hệ số polime hóa trung bình; n càng lớn, phân

tử khối của polime càng cao Các phân tử tạo nên từng mắt xích của polime được gọi là monome

2 Phân loại:

* Theo nguồn gốc:

- Polime thiên nhiên (có nguồn gốc từ thiên nhiên) như cao su, xenlulozơ, …

- Polime tổng hợp (do con người tổng hợp nên) như polietilen, nhựa fomanđehit,…

phenol Polime nhân tạo hay bán tổng hợp (do chế hóa một phần polime thiên nhiên) như xenlulozơ trinitrat, tơ visco,…

(được tổng hợp từ hai loại monome nên giữa tên của hai monome có dấu gạch ngang)

- Một số polime có tên riêng (tên thông thường), ví dụ :

Teflon: CF2 CF2 n

Nilon-6: NH [CH2]5 CO n

Xenlulozơ: (C6H10O5)n

II CẤU TRÚC CỦA POLIME

Các mắt xích của polime có thể nối với nhau thành:

+ Mạch không nhánh như amilozơ của tinh bột, xenlulozơ,…

+ Mạch phân nhánh như amilopectin của tinh bột, glicogen,…

+ Mạch mạng không gian như nhựa bakelit, cao su lưu hóa,

III TÍNH CHẤT

1 Tính chất vật lí:

Hầu hết các polime là những chất rắn, không bay hơi (do KLPT và lực liên kết

giữa các phân tử lớn), không có nhiệt độ nóng chảy xác định, mà nóng chảy ở một khoảng nhiệt độ khá rộng (vì hệ số polime hóa n của polime không phải là một số xác định) Đa số polime khi nóng chảy, cho chất lỏng nhớt, để nguội sẽ rắn lại

chúng được gọi là chất nhiệt dẻo Một số polime không bị nóng chảy mà bị phân hủy khi đun nóng, gọi là chất nhiệt rắn

Đa số polime không tan trong dung môi thông thường, một số tan được trong dung môi thích hợp tạo ra dung dịch nhớt (Polime có cấu trúc mạch không phân nhánh thì có thể tan được trong một số dung môi Polime có cấu trúc mạch mạng lưới không gian thì không nóng chảy và không tan trong nhiều dung môi)

poli (vinyl axetat)

t0

Những polime có liên kết đôi trong mạch có thể tham gia phản ứng cộng vào liên kết đôi mà không làm thay đổi mạch polime Ví dụ, cao su tác dụng với HCl cho sao su hiđroclo hóa

(HN−(CH )2 5−CO )n + nH2O ⎯⎯⎯t0,xt→

nH2N-(CH2)5-COOH Nilon-6

(C6H10O5)n + nH2O ⎯⎯→H+ nC6H12O6

Tinh bột hoặc xenlulozơ

Polime trùng hợp bị nhiệt phân hay quang phân thành các đoạn nhỏ và cuối cùng

là monome ban đầu, gọi là phản ứng giải trùng hợp hay đepolime hóa

rezol rezit

Polime khâu mạch có cấu trúc không gian do đó trở nên khó nóng chảy, khó tan

và bền hơn so với polime chưa khâu mạch

Điều kiện cần về cấu tạo của monome tham gia phản ứng trùng hợp là trong

phân tử phải có liên kết bội (như CH2=CH2, CH2=CHC6H5,…) hoặc vòng kém bền

có thể mở ra như:

+ Phản ứng trùng hợp thường: chỉ có một loại monome tham gia phản ứng

o

xt, t , p 2

Khi đun nóng, các phân tử axit-aminocaproic kết hợp với nhau tạo ra

policaproamit và giải phóng những phân tử nước

nHOOC −C H −COOH +nHO−CH −CH −OH⎯⎯⎯→

axit terephtalic etylen glicol

(CO−C H6 4 −CO− −O CH2 −CH2 −O )n + 2nH O2 poli(etylen terephtalat)

Trùng ngưng là quá trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ (monome) thành phân tử lớn (polime) đồng thời giải phóng những phân tử khác (như H 2 O,…)

Điều kiện có phản ứng trùng ngưng là: Các monome tham gia phản ứng trùng

ngưng phải có ít nhất hai nhóm chức có khả năng phản ứng để tạo được liên kết với nhau Ví dụ: HO-CH2CH2-OH, HOOC-C6H4-COOH,…

Trang 5 - https://thi247.com/

PHÂN LOẠI BÀI TẬP

I BÀI TẬP VỀ TÍNH SỐ MẮT XÍCH CỦA POLIME

* Cách tính số mắt xích (hay hệ số polime hóa) n:

- Nếu đề cho khối lượng polime là đvC thì tính:

 Số mắt xích = 6,02.1023 số mol mắt xích = 6,02.1023 .nmắt xích

Bài tập minh họa

trung bình của chúng lần lượt là 420.000; 250.000; 1.620.000

Hướng dẫn giải:

PTK của PE = 28n = 42.000  n = 15.000;

PTK của PVC = 62,5n = 250.000  n = 4000

PTK của xenlulozơ = 162n = 1.620.000  n = 10.000

tơ enang ( NH[CH ] CO )2 6 n bằng 21590 đvC Số mắt xích trong CTPT của mỗi loại tở trên lần lượt là

Hướng dẫn giải:

Chọn C

Tơ capron (nilon-6): ( NH[CH ] CO )2 5 n

KLPT của tơ capron = 113n = 16950  n = 150

Tơ enang (tơ nilon-7): ( NH[CH ] CO )2 6 n

KLPT của tơ enang = 125n = 21590  n = 170

-NH-CO-CH(CH3)-NH-) Biết khối lượng phân tử trung bình của phân tử polipeptit vào khoảng 128640 đvC Hãy cho biết trong mỗi phân tử polipeptit có trung bình bao nhiêu gốc glyxin?

II BÀI TẬP VỀ CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT, ĐIỀU CHẾ POLIME

A glucozơ, fructozơ, saccarozơ, mantozơ đều hòa tan được Cu(OH)2

B tinh bột tan được trong Cu[(NH3)4]2+

C Tơ xenlulozơ axetat được điều chế sau khi thực hiện phản ứng este hóa

D xenlulozơ vừa có cấu tạo mạch thẳng, vừa có cấu tạo mạch phân nhánh

Hướng dẫn giải:

Chọn D

Xenlulozơ chỉ có một loại cấu trúc đó là cấu trúc mạch không phân nhánh

Bài 2 Cho sơ đồ biến hoá:

poli (vinyl axetat)

t0

CH3COONa + NaOH ⎯⎯⎯→CaO t,0 CH4 + Na2CO3

ngay cả trong bình đựng dung dịch HCHO để lâu ngày X là

A ( CH2 − − O CH )2 n B ( CH2 − O )n

C ( CH2 − CH2 − O )n D ( CH2 − CO )n

Hướng dẫn giải:

n CH2=O ⎯⎯⎯→t0,xt P, ( CH2 − O )n  chọn B

III BÀI TẬP TÍNH TOÁN

Trang 7 - https://thi247.com/

nalanin bđ = 0,1 mol

a nH2N-CH(CH3)-COOH ⎯⎯t0→ ( NH − CH(CH )3 − CO )n + nH2O mol 0,09 0,09

polipropilen (nhựa PP) Giá trị của m là

16 gam Br2 trong dung dịch Hiệu suất phản ứng trùng hợp và khối lượng PE thu được lần lượt là

được hỗn hợp sản phẩm X Cho toàn bộ X lội qua 100 ml dung dịch Br2 1,0M Để làm mất màu hoàn toàn dung dịch Br2 thì phải sục vào dung dịch còn lại 1,12 lít

Hỗn hợp X gồm: polistiren, stiren dư = (0,15 – x) mol

۞ Lời bình: Ta có thể BTKL như sau:

mstiren bđ = mpolime + mstiren dư  mpolime = 15,6 – 104.(0,15 – 0,1) = 10,4 gam

 chọn A

*Lưu ý với phản ứng trùng ngưng thì BTKL như sau:

mmonome pư = mpolime + mH O2 tạo ra

chất xúc tác benzoyl peoxit Cho toàn bộ hỗn hợp sau phản ứng (đã loại hết xúc tác) vào 1 lít dung dịch Br2 0,5M, sau đó thêm KI (dư) thấy sinh ra 63,5 gam I2 Hiệu suất phản ứng trùng hợp là

Hướng dẫn giải:

nstiren bđ = 0,625 mol;

2 r

B

n = 1.0,5 = 0,5 mol; nI2 = 63,5

254 = 0,25 mol Hỗn hợp sau phản ứng trùng hợp gồm: polime; stiren dư = x mol

ta thu được m gam polime và 2,88 gam H2O Giá trị của m và a lần lượt là

Trang 9 - https://thi247.com/

và 7,2 gam H2O Hiệu suất của phản ứng trùng ngưng là

1 Khái niệm về chất dẻo

Chất dẻo là vật liệu polime có tính dẻo

Polipropilen -CH3 Poli(vinyl axetat) -OOC-CH3

Polivinylclorua -Cl Poli (vinyl ancol) -OH

PE là chất dẻo mềm, nóng chảy ở nhiệt độ trên 1100C, có tính “trơ tương đối” của ankan mạch không phân nhánh, được dùng làm màng mỏng, vật liệu điện, bình chứa,…

b Poli(vinyl clorua) (PVC)

vinyl clorua poli(vinyl clorua)

PVC là chất rắn vô định hình, cách điện tốt, bền với axit, được dùng làm vật liệu cách điện, ống dẫn nước, vải che mưa

n

metyl metacylat

poli(metyl metacrylat)

Poli(metyl metacrylat) là chất rắn trong suốt cho ánh sáng truyền qua tốt (gần

90%) nên được dùng chế tạo thuỷ tinh hữu cơ plexiglat

d Poli(phenol-fomanđehit) (PPF)

Có 3 dạng: Nhựa novolac, nhựa rezol và nhựa rezit

* Nhựa novolac:

Đun nóng hỗn hợp fomanđehit và phenol lấy dư với xúc tác axit được nhựa

novolac (mạch không phân nhánh)

Nhựa novolac là chất rắn, dễ nóng chảy, dễ tan trong một số dung môi hữu cơ, dùng để sản xuất vecni, sơn,…

* Nhựa rezol:

Đun nóng hỗn hợp phenol và fomanđehit theo tỉ lệ mol 1:1,2, có xúc tác kiềm,

thu được nhựa rezol (mạch không phân nhánh), nhưng có một số nhóm –CH2OH còn tự do ở vị trí số 4 hoặc số 2 của nhân phenol

HO

CH2OH

1 2 3 4 5

6 1

Trang 11 - https://thi247.com/

Khi đun nóng nhựa rezol ở nhiệt độ 1500C thu được nhựa có cấu tạo mạng lưới không gian gọi là nhựa rezit hay nhựa bakelit Nhựa rezit không nóng chảy, không tan nhiều trong dung môi hữu cơ Để chế tạo các vỏ máy, các dụng cụ cách điện,…

3 Khái niệm về vật liệu compozit

Vật liệu compozit là vật liệu hỗn hợp gồm ít nhất hai thành phần phân tán vào

nhau và không tan vào nhau

Thành phần của vật liệu compozit gồm chất nền (polime) và các chất phụ gia khác Các chất nền có thể là nhựa nhiệt dẻo hay nhựa nhiệt rắn Chất độn có thể là sợi (bông, đay, poliamit, amiăng,…) hoặc bột (silicat, bột nhe (CaCO3), bột tan (3MgO.4SiO2.2H2O),…

II TƠ

1 Khái niệm

Tơ là những polime hình sợi dài và mảnh với độ bền nhất định

Cấu trúc của các phân tử polime tạo nên tơ: mạch không phân nhánh, sắp xếp song song với nhau

2 Phân loại

a Tơ thiên nhiên (sẵn có trong thiên nhiên) như: bông, len, tơ tằm

b Tơ hoá học (chế tạo bằng phương pháp hoá học): được chia làm hai nhóm:

- Tơ tổng hợp (chế tạo từ polime tổng hợp): tơ poliamit (chứa nhóm amit

–CO-NH-, như tơ nilon, tơ capron), tơ vinylic ( chứa nhóm 2

|

vinilon, tơ nitron,…)

- Tơ bán tổng hợp hay tơ nhân tạo (xuất phát từ polime thiên nhiên nhưng được

chế biến thêm bằng con đường hoá học): Ví dụ từ xenlulozơ đã chế tạo ra tơ visco,

tơ xenlulozơ axetat,…

3 Một số loại tơ tổng hợp thường gặp

a Tơ nilon-6,6: được điều chế bằng phản ứng đồng trùng ngưng giữa hexametylen

điamin và axit ađipic (axit hexanđioic)

H2N CH2]6NH2 + nHOOC-[CH2]4-COOH

NH [CH2]6 NHCO [CH2]4 CO n + 2nH2O

poli(hexametylen añipamit) hay nilon-6,6

Vì chứa nhiều nhóm amit –CO-NH- nên tơ nilon-6,6 thuộc loại tơ poliamit

Tính chất: Tơ nilon-6,6 dai, bền, mềm mại, óng mượt, ít thấm nước, giặt mau

khô nhưng kém bền với nhiệt, với axit và kiềm (khi đun nóng hoặc trong môi trường axit, kiềm thì liên kết amit bị phá vỡ)

Ứng dụng: Dệt vải may mặc, vải lót săm lốp xe, dệt bít tất, bện làm dây cáp, dây

dù, đan lưới,…

b Tơ lapsan: được tổng hợp bằng phản ứng đồng trùng ngưng giữa axit

terephatlic (axit p-phtalic) và etylenglicol

n(p-HOOC-C6H4-COOH) + n HO-CH2-CH2-OH ⎯⎯t0→

axit terephtalic etylenglicol

c Tơ nitron (hay olon): được tổng hợp từ vinyl xianua (hay acrilonitrin) nên

được gọi là poliacrilonitrin

acrilonitrin poliacrilonitrin

Vì chứa nhiều nhóm 2

|

CH C H

− − − nên tơ nitron thuộc loại tơ vinylic

Tính chất: Dai, bền với nhiệt và giữ nhiệt tốt

Ứng dụng: Dệt vải, may quần áo ấm, bện len đan áo rét

d Tơ nilon-6 (tơ capron)

Điều chế: 2 cách: Bằng phản ứng trùng hợp caprolactam hoặc trùng ngưng axit

Tơ clorin thu được khi clo hóa không hoàn toàn PVC Thường thì cứ 1 phân tử

Cl sẽ clo hóa được với một số mắt xích của PVC, chẳng hạn 1 phân tử Cl2 phản ứng được với 2 mắt xích của PVC thì phương trình là:

Tính chất và ứng dụng: tơ clrrin tan nhiều trong axeton vì thế được kéo thành

sợi từ dung dịch clorin trong axeton Tơ clorin có ưu điểm là rất bền vững về mặt hóa học và đặc biệt là không chảy, rất thuận lợi cho việc chế tạo vải bọc và quần áo bảo hiểm

III CAO SU

1 Khái niệm: Cao su là vật liệu có tính đàn hồi

2 Phân loại: Có hai loại cao su: Cao su thiên nhiên và cao su tổng hợp

a Cao su thiên nhiên

❖ Cấu trúc:

Cao su thieân nhieân 250-3000C isopren

 Cao su thiên nhiên là polime của isopren Người ta đã xác định được các mắt

xích isopren đều có cấu hình cis

- Tính chất vật lí: cao su thiên nhiên có tính đàn hồi (vì mạch phân tử có cấu hình

cis), không dẫn điện và nhiệt, không thấm khí và nước, không tan trong nước, etanol, axeton,…nhưng tan trong xăng, benzen

Cao su buna có tính đàn hồi và độ bền kém cao su thiên nhiên

* Cao su buna-S: điều chế bằng phản ứng đồng trùng hợp từ buta-1,3-đien và

stiren có mặt xúc tác Na

* Cao su buna-N: điều chế bằng phản ứng đồng trùng hợp buta-1,3-đien và

Tương tự là cao su flopren:

CH2-C=CH-CH2

n F

IV – KEO DÁN TỔNG HỢP

1 Khái niệm:

Keo dán là vật liệu có khả năng kết dính hai mảnh vật liệu rắn giống hoặc khác

nhau mà không làm biến đổi bản chất của các vật liệu được kết dính

2 Một số loại keo dán tổng hợp thông dụng

a Nhựa vá săm: Là dung dịch đặc của cao su thiên nhiên trong dung môi hữu cơ

như toluen, xilen,

b Keo dán epoxi: Làm từ polime có chứa nhóm epoxi

CH3-CH(OH)-COOH, để tạo polime mạng không gian, rắn lại, bền với dầu mỡ

và một số dung môi thông dụng

Ứng dụng: keo ure-fomanđehit dùng để dán các vật liệu bằng gỗ, kim loại

BÀI TẬP CỦNG CỐ, HỆ THỐNG LÍ THUYẾT

poli(vinyl xianua) hay tơ

olon hay tơ nitron

( 2 −

|

CH C H )n

ClPoli(vinyl axetat) hay PVA

Poli(metyl metacrylat) hay

PMM

Poli(tetrafloetilen) hay teflon

Policaproamit hay nilon - 6

(tơ capron)

Tơ enang hay tơ nilon - 7

(HN−(CH )2 6 −NH−CO−(CH )2 4 −CO )nPoli(etylen-terephtalat) hay

tơ lapsan

Buna

(CH2 −CH=CH−CH )2 nPoli(butađien-stiren) hay cao

poli(vinyl xianua) hay tơ

olon hay tơ nitron

( 2 −

|

CH C H )n

CNPolivinylclorua (PVC) ( 2 −

|

CH C H )n

ClPoli(vinyl axetat) hay PVA ( 2 −

|

CH C H )n

3

OOC-CHPoli(metyl metacrylat) hay

Policaproamit hay nilon - 6

Trang 17 - https://thi247.com/

CH2n

poli(vinyl xianua) hay tơ

olon hay tơ nitron

Hướng dẫn giải:

poli(vinyl xianua) hay tơ

Trang 19 - https://thi247.com/

Tên gọi

ứng Polime

thiên nhiên

Polime tổng hợp

Polime nhân tạo (bán tổng hợp)

Trùng hợp

Trùng ngưng

poli(vinyl xianua) hay

tơ olon hay tơ nitron

nilon - 6 (tơ capron)

Tơ enang hay tơ nilon

Len lông cừu

Hướng dẫn giải:

Tên gọi

ứng Polime

thiên nhiên

Polime tổng hợp

Polime nhân tạo (bán tổng hợp)

Trùng hợp Trùng ngưng

poli(vinyl xianua) hay

tơ olon hay tơ nitron

Tơ enang hay tơ nilon

Để tổng hợp được 250 kg PVC theo sơ đồ trên thì cần V m3 khí thiên nhiên (đktc) (biết CH4 chiếm 80% thể tích khí thiên nhiên và hiệu suất của cả quá trình là 50%)

V = ?

(Đề thi tuyển sinh đại học khối A, năm 2008)

* Phương pháp giải các bài toán về thực tế sản xuất:

- Các bài toán về thực tế sản xuất đề thường cho phản ứng trải qua nhiều giai đoạn, thường cho khối lượng rất lớn, vì vậy không nhất thiết phải chuyển đổi đơn

vị về số mol mà nên tính trực tiếp theo theo sơ đồ phản ứng

* Bước 1: viết sơ đồ phản ứng cần chú ý hệ số của chất đầu và chất cuối

* Bước 2: tính theo hiệu suất H = 100%

* Bước 3: tính theo hiệu suất thực tế bài cho

- Chất tham gia = lượng chất tính theo (H = 100%).100

H

- Chất tạo thành = lượng chất tính theo (H = 100%).

100

H

- Nếu đề yêu cầu tính thể tích khí theo dm 3 (1 dm 3 = 1 lít), theo m 3 (1 m 3 = 10 3 dm 3

= 10 3 lít) thì ta cứ tính toán theo mol hoặc kmol, cuối cùng ta suy ra dm 3 , m 3 như sau:

+ V khí = n mol 22,4 = …lít (dm 3

) + V khí = n kmol 22,4 = … m 3

Hướng dẫn giải:

Viết sơ đồ phản ứng có chú ý hệ số của chất đầu và chất cuối

- Trước tiên ta giải với H = 100%

- Vì CH4 chỉ chiếm 80% thể tích khí thiên nhiên và H = 50% nên thể tích khí thiên nhiên cần lấy là:

- Do CH4 chiếm 80% thể tích khí thiên nhiên và H = 20% nên thể tích khí thiên nhiên cần lấy là:

V = 100 100

716,8 4480

20 80 = m3  chọn C

Bài 4 Cho 2,24 lít khí C2H2 (đktc) tác dụng hết với HCl (t0, HgCl2) để điều chế

ra vinyl clorua Sau đó tiến hành trùng hợp vinyl clorua thành poli(vinyl clorua) Tính khối lượng poli(vinyl clorua) thu được nếu hiệu suất mỗi giai đoạn là 90%

Trang 23 - https://thi247.com/

Hchung = 0,9.0,9 = 0,81 hay 81%

 mpolime thu được = 6,25.0,81 = 5,0625 gam  chọn A

axit metacrylic cần lấy lần lượt là (biết hiệu suất của cả quá trình đạt 80%)

II BÀI TẬP VỀ TƠ

CH3CH2CH3 → CH2=CH-CH3 → CH2=CH-CN → tơ nitron

Từ 10000 m3 khí thiên nhiên (đktc) có chứa 11% propan về thể tích, tổng hợp được 1,6 tấn tơ nitron Nếu coi hiệu suất mỗi giai đoạn như nhau thì hiệu suất của mỗi giai đoạn là

Hướng dẫn giải:

VC H3 8= 0,11.10000 = 1100 m3 = 1100.103 lít  nC H3 8 =

511.1022,4 mol Nếu H = 100% thì khối lượng tơ nitron thu được là:

nCH3CH2CH3 → nCH2=CH-CH3 → nCH2=CH-CN → (-CH2-CH(CN)-)n

5

11.10

22,4 mol →

511.1022,4.n mol

bình một phân tử clo phản ứng với k mắt xích trong mạch PVC Giá trị của k là

17,53% về khối lượng Trung bình một phân tử clo tác dụng được với k mắt xích

buna và butađien-1,3 dư Lấy 1

2 lượng sản phẩm cho tác dụng hoàn toàn với dung dịch Br2 dư, thấy có 19,2 gam Br2 phản ứng Hiệu suất phản ứng trùng hợp là

Mol a

2n→

a2

buna-N chứa 10,44% N theo khối lượng Tỉ lệ số mắt xích buta-1,3-đien và

acrilonitrin trong loại cao su trên là

Tỉ lệ số mắt xích buta-1,3-đien và stiren trong cao su buna-S là