Định lượng polymer: mắt xích, độ polymer hóa, hiệu suất và nhóm cuối
Từ đếm nguyên tử đến bảo toàn khối lượng: chọn đúng mắt xích, phân biệt mô hình chuỗi dài với chuỗi hữu hạn và giải thích rõ mẫu số của hiệu suất.
LUKATO Hóa học · Polymer
Bí quyết 04 · Hiểu để vận dụng
Định lượng polymer: mắt xích, độ polymer hóa, hiệu suất và nhóm cuối
Mỗi phép chia đều cần một mô hình. Mỗi gam mất khỏi polymer phải có nơi để đi.
8 bí quyết có điều kiện 3 phòng thực hành 8 câu tự kiểm tra
MỤC TIÊU 01
Tính khối lượng mol mắt xích bằng cách đếm nguyên tử, không lấy máy móc khối lượng mol monomer.
MỤC TIÊU 02
Giải thích điều kiện dùng khối lượng mol chuỗi chia cho khối lượng mol mắt xích.
MỤC TIÊU 03
Đếm số liên kết và nước trong một chuỗi thẳng hữu hạn với nhóm cuối được xác định.
MỤC TIÊU 04
Thiết lập hiệu suất theo sản phẩm lí thuyết và kiểm tra bảo toàn khối lượng toàn hệ.
Lộ trình tư duy
01 / 01 · Mô hình
Con số đúng bắt đầu từ câu hỏi đúng
Hai học sinh cùng lấy khối lượng mol polymer chia cho khối lượng mol monomer. Với PE, kết quả có thể đúng trong mô hình phổ thông. Với nylon-6 tạo từ amino acid, cách ấy thường sai. Khác biệt không nằm ở tốc độ bấm máy: trước khi chia, ta phải biết phần nào của nguyên liệu thực sự còn trong chuỗi.
Hãy hình dung một bàn cân có nguyên liệu ở bên trái, polymer và các chất còn lại ở bên phải. Trùng ngưng làm khối lượng polymer riêng nhỏ hơn khối lượng nguyên liệu đã phản ứng vì có chất nhỏ tách ra; tổng khối lượng toàn hệ vẫn được bảo toàn. Đừng dùng câu “trùng ngưng không bảo toàn khối lượng”. Câu ấy nhầm ranh giới của hệ với một sản phẩm trong hệ.
Trong bài này dùng khối lượng nguyên tử quy ước: C = 12, H = 1, O = 16, N = 14, Cl = 35,5, Na = 23. Khối lượng mol có đơn vị g/mol; khối lượng mẫu có thể là g hoặc kg nhưng phải đổi thống nhất trước phép tính. Kí hiệu chỉ khối lượng mol mắt xích đã chọn, chỉ khối lượng mol một loại chuỗi được mô tả cụ thể.
Hai tầng cần tách: phần cốt lõi THPT dùng mắt xích và mô hình chuỗi dài. Phần mở rộng về nhóm cuối chỉ dùng khi đề xác định một chuỗi thẳng, không vòng, không phân nhánh, không mất chất khác và không có tác nhân khóa đầu mạch. Không tự áp công thức nhóm cuối cho mẫu polymer thực tế có nhiều chiều dài chuỗi.
Một hệ, ba ngăn khối lượng
Đối với phản ứng ngưng tụ đã xác định, khối lượng nguyên liệu phản ứng bằng tổng khối lượng polymer và sản phẩm nhỏ; nguyên liệu dư thuộc một ngăn riêng.
02 / 02 · Hệ khái niệm
Đếm nguyên tử, rồi mới đếm mắt xích
Bảng đối chiếu có thể tự kiểm tra
Mỗi dòng dưới đây là công thức của mắt xích , không mặc nhiên là công thức của monomer ban đầu. Với nylon-6,6, mắt xích được chọn chứa phần còn lại của một diamine và một diacid; do đó một mắt xích không tương ứng với một phân tử nguyên liệu duy nhất.
Polymer · Công thức mắt xích · Khối lượng mol, g/mol
PE · · 28
PP · · 42
PVC · · 62,5
PS · · 104
PVA · · 44
PVAc · · 86
PET · · 192
Nylon-6 · · 113
Nylon-6,6 · · 226
Ví dụ hoàn chỉnh: vì sao mắt xích nylon-6,6 là 226?
Adipic acid có công thức , khối lượng mol 146; hexane-1,6-diamine có công thức , khối lượng mol 116. Một cặp nguyên liệu có tổng 262 g/mol. Trong cách chọn mắt xích ở phần trong chuỗi dài, hai liên kết amide tương ứng với việc tách hai nước: . Kiểm tra nguyên tử: lấy trừ được .
Nếu đề cho mô hình chuỗi dài có khối lượng mol 45 200 g/mol và yêu cầu số mắt xích nylon-6,6, bỏ qua nhóm cuối, ta có . Kết quả là 200 mắt xích đã chọn , mỗi mắt xích gồm hai phần nguồn gốc monomer. Đừng lập tức gọi đó là 200 phân tử nguyên liệu tất cả.
Thuật ngữ độ polymer hóa trong khoa học liên quan đến số đơn vị monomer trong chuỗi; trong bài tập THPT, phép tính thường gắn với số mắt xích của công thức được cho. Để tránh nhập nhằng, bài này luôn nói rõ n đang đếm mắt xích nào. Nếu đề cho khối lượng mol trung bình của cả mẫu, thương số mô hình là số trung bình tương ứng, không chứng minh mọi chuỗi đều dài bằng nhau.
Từ nhiều phân tử đến một chuỗi
Khi nối k phân tử thành một chuỗi thẳng không có vòng, cần liên kết giữa các phân tử. Chỉ trong phản ứng đã nêu mới gắn mỗi liên kết ấy với một phân tử nước.
03 / 03 · Tám nguyên tắc
Công thức đi cùng điều kiện
Trước mỗi phép tính, tự trả lời ba câu: n đang đếm cái gì, hệ được cân gồm những chất nào, và đề đang dùng chuỗi lí tưởng hay một chuỗi hữu hạn có đầu mạch? Tám nguyên tắc dưới đây giúp giữ ba câu ấy trong suốt lời giải.
Đọc cột ngoại lệ trước khi dùng quy tắc. Ngoại lệ không làm công thức vô ích: nó chỉ ra khi nào ta cần một mô hình khác. Trong bài kiểm tra, ưu tiên đúng giả thiết đã cho, thay vì đưa hiệu chỉnh đầu mạch vào một bài vốn yêu cầu bỏ qua nó.
BÍ QUYẾT 01
01 · Mẫu số là mắt xích
Quy tắc Tính từ công thức mắt xích được chọn.
Vì sao Những nguyên tử rời thành chất nhỏ không còn nằm trong phần lặp của chuỗi.
Khi nào dùng Cấu trúc hoặc thành phần mắt xích phải được xác định.
Giới hạn và ngoại lệ Copolymer hay polymer biến đổi một phần cần thành phần trung bình; không tự chọn một mắt xích duy nhất.
Đối chiếu bằng chứng Nylon-6: g/mol.
BÍ QUYẾT 02
02 · Độ dài có quy ước
Quy tắc Dùng khi bỏ qua nhóm cuối.
Vì sao Khối lượng chuỗi dài chủ yếu nằm ở phần lặp; đầu mạch góp một phần nhỏ.
Khi nào dùng Phải nói n đếm mắt xích nào và đề cho loại khối lượng mol nào.
Giới hạn và ngoại lệ Chuỗi ngắn có đầu mạch xác định cần hiệu chỉnh; giá trị trung bình không cho độ dài từng chuỗi.
Đối chiếu bằng chứng PVC lí tưởng: mắt xích.
BÍ QUYẾT 03
03 · Đóng bàn cân toàn hệ
Quy tắc Cộng polymer, chất nhỏ, nguyên liệu dư và các ngăn khác đã biết.
Vì sao Phản ứng sắp xếp nguyên tử; không xóa khối lượng khỏi toàn hệ.
Khi nào dùng Xác định ranh giới hệ và những chất đi vào, đi ra.
Giới hạn và ngoại lệ Hệ mở có nước bay ra vẫn bảo toàn khi tính cả dòng nước ra; không chỉ cân chất còn trong bình.
Đối chiếu bằng chứng Một cặp nguyên liệu nylon-6,6: theo mô hình chuỗi dài.
BÍ QUYẾT 04
04 · Hiệu suất theo sản phẩm
Quy tắc .
Vì sao Mẫu số lí thuyết thuộc sản phẩm mục tiêu, được tính từ nguyên liệu giới hạn.
Khi nào dùng H là hiệu suất sản phẩm xác định và được đổi thành số thập phân.
Giới hạn và ngoại lệ Không tự đồng nhất H với độ chuyển hóa hoặc độ tinh khiết.
Đối chiếu bằng chứng 2,24 kg PE ở 80% cần 2,80 kg ethene tinh khiết theo mô hình.
BÍ QUYẾT 05
05 · Nối k phân tử cần mối nối
Quy tắc Một chuỗi thẳng mở nối từ k phân tử có liên kết nối mới.
Vì sao Mỗi lần nối hai thành phần làm số thành phần rời giảm một.
Khi nào dùng Chỉ một chuỗi, không vòng, không phân nhánh; mỗi liên kết amide đã nêu tách một nước.
Giới hạn và ngoại lệ Nhiều chuỗi, vòng hay tác nhân khóa đầu cần đếm lại số liên kết và nhóm cuối.
Đối chiếu bằng chứng 20 amino acid tạo một chuỗi mở: 19 nước, .
BÍ QUYẾT 06
06 · Hai monomer, một mắt xích
Quy tắc Nylon-6,6 từ n diacid và n diamine thành một chuỗi mở: nước.
Vì sao Có phân tử cần nối; phần lặp theo cặp có khối lượng mol 226.
Khi nào dùng Số phân tử hai loại bằng nhau; một chuỗi xen kẽ, đầu amino và đầu carboxyl, không chất khóa đầu.
Giới hạn và ngoại lệ Đề theo mắt xích chuỗi dài dùng hệ số nước lí tưởng; không trộn với mô hình chuỗi hữu hạn.
Đối chiếu bằng chứng .
BÍ QUYẾT 07
07 · Đường tổng hợp quyết định sổ chất nhỏ
Quy tắc Không trừ nước chỉ vì tên sản phẩm là polyamide.
Vì sao Nylon-6 từ amino acid và từ caprolactam có cùng phần lặp nhưng khác sổ nguyên liệu và vai trò của nước.
Khi nào dùng Phải chỉ rõ monomer, đường phản ứng và giả thiết về tác nhân khơi mào, nhóm cuối.
Giới hạn và ngoại lệ Trong mở vòng có nước tham gia tạo đầu mạch, khối lượng chuỗi chính xác cần tính cả phần nước ấy.
Đối chiếu bằng chứng Caprolactam và mắt xích cùng 113 g/mol; amino acid là 131 g/mol.
BÍ QUYẾT 08
08 · Giữ chiều dài không giữ khối lượng
Quy tắc Biến đổi nhóm bên có thể đổi khối lượng mol mắt xích mà không cắt mạch.
Vì sao Thành phần nguyên tử mỗi vị trí lặp thay đổi dù số vị trí lặp trên chuỗi được giữ.
Khi nào dùng PVAc thủy phân hoàn toàn, không cắt mạch carbon; bỏ qua đầu mạch.
Giới hạn và ngoại lệ Thủy phân một phần cần biết tỉ lệ chuyển hóa; cắt mạch làm số mắt xích mỗi chuỗi thay đổi.
Đối chiếu bằng chứng Từ 172 g PVAc: PVA lí thuyết g, không phải 172 g.
04 / 04 · Phòng suy luận 1
Hiệu suất không thay thế phương trình
Đọc mẫu số trước khi nhân phần trăm
Hiệu suất sản phẩm được xác định bởi , với H viết dưới dạng số thập phân. Nếu cho phần trăm thì chia 100 trước khi dùng. Khối lượng lí thuyết phải được suy ra từ nguyên liệu giới hạn và phản ứng, không tự động bằng tổng khối lượng ban đầu. Hiệu suất thu hồi, độ chuyển hóa và độ tinh khiết là những đại lượng khác nhau; chỉ gộp khi đề cho phép.
Ví dụ: trùng hợp ethene để thu 2,24 kg PE khô, hiệu suất sản phẩm 80%, bỏ qua khối lượng nhóm cuối. Vì mắt xích giữ nguyên thành phần ethene, khối lượng PE lí thuyết bằng khối lượng ethene tinh khiết nạp theo mô hình. Cần . Nếu dòng nguyên liệu chỉ chứa 70% ethene theo khối lượng, các chất còn lại không phản ứng, thì khối lượng dòng nạp là .
Hai lần chia có hai ý nghĩa: lần thứ nhất bù hiệu suất sản phẩm; lần thứ hai bù độ tinh khiết nguyên liệu. Không dùng 70% như hiệu suất phản ứng, cũng không kết luận 0,56 kg ethene nhất thiết chưa phản ứng: hiệu suất sản phẩm có thể bao gồm thất thoát thu hồi. Muốn chia cụ thể các ngăn chưa phản ứng, sản phẩm phụ và hao hụt, cần dữ kiện bổ sung.
Trùng ngưng: phải trừ đúng phần chất nhỏ
Trong mô hình chuỗi dài nylon-6,6, 146 g adipic acid và 116 g diamine đúng tỉ lệ cung cấp 226 g polymer lí thuyết và 36 g nước. Nếu hiệu suất sản phẩm là 90%, lượng polymer khô thu được bằng . Dùng 262 g làm mẫu số lí thuyết của polymer sẽ bỏ qua nước. Đây là mô hình theo mắt xích, chưa phải phép đếm chính xác đầu mạch của một chuỗi hữu hạn.
PHÒNG THỰC HÀNH 01
Phòng 1 · Chọn đúng mẫu số
Mỗi tình huống có một mô hình đã nêu. Chọn đại lượng lí thuyết trước khi áp dụng hiệu suất.
MÔ HÌNH CÓ THỂ THAO TÁC
Kiểm tra khối lượng của một chuỗi hữu hạn
Hệ chuỗi mở, tuyến tính n (số nguyên từ 1 đến 10000)
Mô hình một chuỗi mở không vòng: không mất monomer, không phản ứng phụ, không chất khơi mào. Khối lượng nguyên tử quy ước: C 12, H 1, N 14, O 16; đây không phải phân bố molar mass của một mẫu polymer thật.
05 / 05 · Phòng suy luận 2
Nhóm cuối: phần nhỏ nhưng không bằng không
Đếm liên kết thay cho thuộc lòng hệ số
Nối k phân tử rời thành một chuỗi thẳng không vòng cần liên kết nối giữa chúng. Có thể thử ba phân tử: nối phân tử thứ nhất với thứ hai, rồi nối chuỗi ấy với thứ ba; chỉ cần hai mối nối. Mỗi liên kết amide hình thành từ một nhóm carboxyl và một nhóm amino giải phóng một nước trong mô hình trùng ngưng đang xét.
Một loại amino acid: n phân tử 6-aminohexanoic acid, mỗi phân tử có một amino và một carboxyl, tạo đúng một chuỗi thẳng mở, không vòng và không bị khóa đầu. Có liên kết amide, còn một nhóm amino và một carboxyl ở hai đầu. Monomer có khối lượng mol 131 nên . Chẳng hạn n = 20 cho 19 nước và chuỗi có khối lượng mol 2278 g/mol. Đó là minh họa oligomer hữu hạn để nhìn rõ nhóm cuối, không phải mô tả mọi mẫu nylon-6 thương mại.
Hai loại monomer: lấy n phân tử adipic acid và n phân tử diamine, tạo đúng một chuỗi thẳng mở xen kẽ. Có tổng phân tử ban đầu, nên số mối nối là . Chuỗi còn một carboxyl và một amino ở hai đầu; khi đó . Với n = 10: tổng nguyên liệu 2620 g cho một mol loại chuỗi mô hình; nước 342 g; chuỗi 2278 g. Tổng 2278 + 342 = 2620 khép kín bàn cân.
Phạm vi của phép đếm: chuỗi vòng, số phân tử hai loại không bằng nhau, nhiều chuỗi riêng, tác nhân khóa đầu hoặc phản ứng phụ sẽ làm bài toán khác đi. Không sửa mọi phương trình nylon-6,6 thành cùng một hệ số nước. Mô hình mắt xích chuỗi dài và mô hình một chuỗi hữu hạn đang trả lời hai câu hỏi khác nhau.
Vì sao bỏ qua đầu mạch thường hợp lí?
Trong mô hình nylon-6,6 trên, phần chênh khối lượng mol so với là 18 g/mol. Tỉ lệ phần chênh trong chuỗi bằng . Với n = 100, tỉ lệ ấy xấp xỉ 0,0796%. Với n = 1000, xấp xỉ 0,00796%. Nhỏ không có nghĩa là bằng không; muốn dùng gần đúng phải so nó với độ chính xác mà đề yêu cầu.
PHÒNG THỰC HÀNH 02
Phòng 2 · Tự đếm nhóm cuối
Sắp xếp các bước theo thứ tự lập luận. Đây là một chuỗi mô hình, không phải phân bố chiều dài của một mẫu thực.
06 / 06 · Phòng suy luận 3
Giữ số mắt xích chưa chắc giữ khối lượng
So sánh hai đường tạo nylon-6
6-aminohexanoic acid có khối lượng mol 131; mắt xích nylon-6 có khối lượng mol 113. Khi tự trùng ngưng, nước đi ra khỏi hệ polymer. Caprolactam có khối lượng mol 113, bằng khối lượng mol mắt xích. Trong mô hình tổng thể mở vòng giữ nguyên thành phần monomer và bỏ qua đóng góp tác nhân khơi mào, ta dùng . Không lấy n mol caprolactam rồi trừ máy móc n mol nước.