Vật liệu polymer: năm họ, bảng đọc ba cột và bảy kỹ thuật tính
Chuyên đề Hóa 12 nâng cao: nhận ra năm họ vật liệu polymer bằng hành vi, đọc cấu trúc, tính chất, ứng dụng và con số, cùng bảy kỹ thuật tính (nguyên tố đánh…
LUKATO AI · CHUYÊN ĐỀ HÓA 12 NÂNG CAO
VẬT LIỆU POLYMER · ĐỒNG TRÙNG HỢP · LƯU HÓA · CHUỖI ĐIỀU CHẾ
Năm họ vật liệu polymer,
một bảng đọc ba cột:
từ cấu trúc đến tính chất, ứng dụng và con số
Một ống nước PVC, một sợi nylon, một chiếc lốp, một tuýp keo, một thân thuyền bằng sợi thủy tinh. Năm vật dụng, năm tên gọi, nhưng đề thi hỏi em đúng ba thứ: vật liệu này được tạo ra từ gì, vì sao nó có tính chất ấy, và cần bao nhiêu nguyên liệu để làm ra một lượng cho trước . Chuyên đề này không học thuộc danh sách. Nó dạy em một cách đọc (bảng ba cột) và một bộ công cụ tính (tỉ lệ mắt xích từ phần trăm nguyên tố, cầu nối lưu hóa, chỉ số brom, chuỗi điều chế nhiều bước) mà chương trình chỉ chạm tới rất mỏng.
- 1. Nhận ra họ vật liệu bằng hành vi
- 2. Đọc nguyên tố đặc trưng của mắt xích
- 3. Quy mọi bài toán về mol mắt xích
5 họ vật liệu
chất dẻo, tơ, cao su, keo dán, composite
7 phòng lab
bật, kéo, thử để thấy quy luật rồi tự tính
16 bài
trả lời ngắn, giải đủ bốn ô, có phân tích đáp án sai
01
Ý tưởng cốt lõi · Phòng thí nghiệm 1
Họ vật liệu được định nghĩa bằng hành vi, không bằng tên gọi
Nhiều học sinh học chương vật liệu polymer như một danh sách: PE, PVC, nylon, buna, epoxy, composite. Đến lúc làm đề, danh sách ấy không đủ, vì đề hỏi theo ba hướng khác nhau: nhận ra polymer từ nguyên liệu hay từ nguyên tố, giải thích tính chất từ cấu trúc, và tính thành phần hay lượng nguyên liệu. Cái gắn ba hướng ấy lại là một thói quen: trước khi gọi tên, hãy hỏi vật liệu này cư xử thế nào khi nóng, khi kéo, khi bị phết lên bề mặt.
Năm họ được phân biệt bằng một hành vi quan sát được. Cùng một polymer có thể đứng ở hai cột, tùy cách gia công và cách dùng.
Năm họ, năm định nghĩa theo hành vi
Họ
Hành vi định nghĩa
Điều kiện về cấu trúc
Cái bẫy hay gặp
Chất dẻo
Biến dạng khi chịu nhiệt và áp suất, rồi giữ hình mới sau khi thôi tác dụng
Polymer là thành phần chính, có thể thêm chất độn, chất hóa dẻo, chất ổn định
«Polymer» và «chất dẻo» không đồng nghĩa: chất dẻo là polymer cộng phụ gia
Tơ
Kéo được thành sợi dài, mảnh, mềm, đủ bền để dệt
Mạch dài, thẳng, ít nhánh, xếp song song được, giữa các mạch có tương tác đủ mạnh
Tơ không chỉ là polymer tổng hợp: còn tơ thiên nhiên và tơ bán tổng hợp
Cao su
Biến dạng đàn hồi rất lớn rồi trở về gần hình cũ khi buông
Mạch dài, mềm, nối thưa với nhau thành mạng (sau lưu hóa)
Cao su không chỉ từ thiên nhiên, và buna không phải chất dẻo
Keo dán
Tạo một lớp màng gắn hai bề mặt vào nhau
Đóng rắn bằng bay hơi dung môi, trùng hợp tại chỗ, hoặc tạo mạng sau khi trộn
Keo là một hệ (polymer hoặc tiền polymer), không là một chất cố định
Composite
Một vật liệu gồm hai pha khác bản chất, ranh giới rõ, tính chất vượt từng pha riêng
Chất nền cộng cốt (sợi, hạt)
Composite là một hệ vật liệu, không phải một polymer
Bảng đọc ba cột
1 · CẤU TRÚC Mạch thẳng, nhánh hay mạng? Nhóm thế \mathrm{X} ở mắt xích là gì? Còn liên kết đôi hay nhóm chức nào trên mạch?
2 · TÍNH CHẤT Hành vi dưới nhiệt, dưới lực, trong dung môi: mềm chảy, đàn hồi, kéo sợi, kết dính, hay cứng giòn?
3 · ỨNG DỤNG VÀ CON SỐ Dạng sử dụng (khối, sợi, màng, hệ pha) và các con số đo được: phần trăm nguyên tố, tỉ lệ mắt xích, hiệu suất.
Đọc từ trái sang phải để dự đoán : biết cấu trúc thì nói được tính chất. Đọc từ phải sang trái để nhận dạng : nhìn phần trăm nguyên tố hay hành vi mà ngược lại về cấu trúc. Đề thi dùng cả hai chiều, và các chương sau của chuyên đề đều là một cách đọc ngược như thế.
Cùng một polymer, hai họ
nylon-6,6
Tơ và chất dẻo kỹ thuật
Kéo qua lỗ nhỏ rồi kéo giãn thì thành sợi dệt vải. Ép khuôn thành khối thì thành bánh răng, ổ trượt. Polymer không đổi, cách gia công đổi, nên họ đổi.
PET (lapsan)
Tơ polyester và chai nhựa
Cùng một polyester: kéo sợi cho vải lapsan, thổi khuôn cho chai nước. Câu hỏi «lapsan là tơ hay chất dẻo?» chỉ có nghĩa khi nói rõ đang xét dạng nào.
lốp xe
Cao su, nhưng cũng là một hệ pha
Nền là cao su lưu hóa, được gia cường bằng muội than và lớp sợi (hoặc dây thép). Xét tính đàn hồi thì là cao su, xét cấu tạo thì là một hệ composite.
Vì sao hành vi mới là tiêu chí đúng
Tên gọi là nhãn do con người đặt, còn hành vi là kết quả của cấu trúc. Hai polymer khác tên có thể cư xử giống nhau (PE và PP đều là chất dẻo nhiệt dẻo), và một polymer có thể cư xử khác nhau khi cấu trúc ở trạng thái khác (nylon trong sợi đã kéo và nylon ép khuôn). Khi đề cho một mô tả hành vi, hãy dùng định nghĩa ở bảng trên, đừng dùng trí nhớ về tên.
Đoán trước khi tính
Nylon-6,6 vừa được kéo thành sợi dệt vải, vừa được ép khuôn thành bánh răng nhỏ. Cách phân loại nào đúng?
Bài học: hãy hỏi «dạng nào?» trước khi hỏi «họ nào?». Đây là câu hỏi đầu tiên em đặt cho mọi đề ở chuyên đề này.
Phòng 1 · Phễu họ vật liệu: bật hành vi, đọc họ BẬT ĐỂ THỬ
Bật các hành vi quan sát được ở một mẫu. Phễu sẽ cho biết họ nào phù hợp, và nói rõ khi một mẫu thuộc nhiều họ cùng lúc. Hoặc chọn nhanh một mẫu có sẵn.
Mẫu có sẵn:
Chất dẻo
chưa
Cao su
chưa
Tơ
chưa
Keo dán
chưa
Composite
chưa
Thử tay: đọc bảng ba cột cho một mẫu chưa biết tên
Số liệu: monomer là \mathrm{CH_2=CH-CN}. Polymer của nó được kéo thành sợi mảnh, cháy với khói đen. Hãy điền ba cột và nêu phần trăm nguyên tố đặc trưng.
Gợi ý 1 · Cột cấu trúc
Mắt xích là \mathrm{[-CH_2-CH(CN)-]}, khung vinyl với nhóm thế \mathrm{X=CN}. Công thức mắt xích \mathrm{C_3H_3N}, khối lượng mol 3\cdot12+3+14=53 g/mol.
Gợi ý 2 · Cột tính chất và ứng dụng
Nhóm \mathrm{C\!\equiv\!N} phân cực mạnh nên giữa các mạch có lực hút đáng kể, mạch thẳng xếp song song được: kéo thành sợi. Đây là tơ nitron (còn gọi olon).
Đáp án
Họ: tơ tổng hợp, điều chế bằng trùng hợp acrylonitrile. Nguyên tố đặc trưng là nitơ: \%\mathrm{N}=\dfrac{14}{53}\cdot100\%\approx26{,}4\%. Kiểm: \mathrm{C_3H_3N} có tổng 36+3+14=53, khớp.
KỸ THUẬT 1
Gọi họ bằng hành vi, rồi mới gọi tên bằng nguyên liệu
Quy tắc
Đọc đề theo thứ tự: (a) mô tả hành vi hay dạng sử dụng, (b) nguyên liệu và loại phản ứng tạo mạch, (c) nguyên tố đặc trưng. Từ (a) suy ra họ, từ (b) suy ra monomer và mắt xích, từ (c) kiểm lại. Ba kết luận phải khớp nhau.
Lý do
Đề hay cố tình đưa một thông tin gây nhiễu (tên thương mại, tên dạng sản phẩm). Hành vi và nguyên liệu thì khó đánh lừa.
Khi gãy
Khi một mẫu thỏa hai hành vi, đừng chọn một họ rồi bỏ họ kia: nói rõ «ở dạng sợi là tơ, ở dạng khối là chất dẻo». Đề trắc nghiệm thường hỏi đúng chỗ giao này.
02
Chất dẻo · Phòng thí nghiệm 2
Chất dẻo là polymer cộng phụ gia, và nguyên tố là dấu vân tay của nó
Chất dẻo là họ quen thuộc nhất: túi nilon, ống nước, hộp xốp, vỏ ổ cắm. Học sinh thường nhớ chúng bằng ứng dụng, nhưng đề thi định lượng lại hỏi bằng thành phần nguyên tố . Lý do đơn giản: nhiều chất dẻo cùng có khung vinyl \mathrm{[-CH_2-CHX-]_n}, và chỉ nhóm thế \mathrm{X} làm nên khác biệt. Mỗi nhóm \mathrm{X} để lại một «dấu vân tay» trong phần trăm khối lượng nguyên tố.
Một khung chung, năm nhóm thế, năm dấu vân tay. Chú ý hai cột đầu: PE và PP cho cùng một giá trị, nên phần trăm carbon không phân biệt được hai chất này.
Định nghĩa chuẩn xác
Chất dẻo là vật liệu có thành phần chính là polymer, bị biến dạng khi chịu tác dụng của nhiệt và áp suất, và vẫn giữ nguyên hình dạng mới khi thôi tác dụng. Hai chữ «thành phần chính» rất quan trọng: chất dẻo là hỗn hợp, polymer chỉ là một phần. Phần còn lại là phụ gia: chất hóa dẻo làm mềm, chất độn làm rẻ hoặc tăng cứng, chất ổn định chống lão hóa, chất màu. Hệ quả: phần trăm một nguyên tố đo trên mẫu chất dẻo thường thấp hơn giá trị lí thuyết của polymer nguyên chất .
Sáu chất dẻo phải đọc được ngay
Chất dẻo
Monomer
Phản ứng
Dấu hiệu nguyên tố hoặc cấu trúc
Dùng làm
PE
\mathrm{CH_2=CH_2} (ethylene)
Trùng hợp
Chỉ C và H, mạch no, không nhóm thế
Màng bọc, túi, bình, ống
PP
\mathrm{CH_2=CH-CH_3} (propylene)
Trùng hợp
Chỉ C và H, nhóm thế \mathrm{CH_3}
Hộp đựng chịu nhiệt, dây, vỏ thiết bị
PVC
\mathrm{CH_2=CHCl} (vinyl chloride)
Trùng hợp
Có Cl, \%\mathrm{Cl}=56{,}8\%
Ống nước, vỏ dây điện, da giả
PS
\mathrm{C_6H_5CH=CH_2} (styrene)
Trùng hợp
Có vòng benzene, \%\mathrm{C}=92{,}3\%
Hộp xốp, vỏ đồ điện, đồ chơi
PMMA
\mathrm{CH_2=C(CH_3)COOCH_3}
Trùng hợp
Có nhóm ester, trong suốt (thủy tinh hữu cơ)
Kính an toàn, biển quảng cáo
PPF
Phenol và formaldehyde
Trùng ngưng
Chứa O, vòng thơm; có dạng mạch thẳng và dạng mạng
Vỏ ổ cắm, tay cầm, nhựa bakelit
Năm chất đầu đều được tạo bằng phản ứng cộng ở liên kết đôi, nên mắt xích có cùng thành phần với monomer. PPF là chất duy nhất trong bảng tạo ra nước, nên mắt xích ít hơn tổng khối lượng monomer.
PPF: hai dạng, hai hành vi
Phenol và formaldehyde trùng ngưng tạo ba dạng nhựa. Dạng novolac (xúc tác acid, dư phenol) có mạch thẳng, nóng chảy được, tan trong một số dung môi: nhiệt dẻo. Dạng rezol (xúc tác base, dư formaldehyde) có mạch ngắn còn nhiều nhóm hoạt động. Khi đun nóng, rezol tiếp tục trùng ngưng tạo rezit (bakelit) , một mạng không gian không nóng chảy, không tan: nhiệt rắn. Cùng một cặp monomer, hai điều kiện, hai hành vi trái ngược. Đó là ví dụ đẹp nhất của ý «họ do hành vi quyết định».
Chất hóa dẻo và con số 56,8 %
Ống nước dùng PVC cứng, còn vỏ dây điện và da giả dùng PVC mềm. Hai loại có cùng polymer, khác nhau ở lượng chất hóa dẻo (hợp chất hữu cơ phân tử nhỏ như các ester phthalate, không chứa Cl). Vì Cl chỉ có trong PVC, ta có một cách đo tỉ lệ rất sạch: so phần trăm Cl của mẫu với phần trăm Cl của PVC nguyên chất.
\%\mathrm{Cl}(\text{PVC})=\dfrac{35{,}5}{62{,}5}\cdot100\%=56{,}8\%,\qquad w_{\mathrm{PVC}}=\dfrac{\%\mathrm{Cl}(\text{mẫu})}{56{,}8\%}.
Ví dụ: một mẫu vỏ dây điện chứa 38{,}0\% Cl theo khối lượng. Thì w_{\mathrm{PVC}}=\dfrac{38{,}0}{56{,}8}=0{,}669, tức 66{,}9\% là PVC, và phần còn lại 33{,}1\% là chất hóa dẻo cùng các phụ gia khác (giả thiết chúng không chứa Cl). Hai điều kiện cần nhớ: Cl chỉ đến từ PVC, và đáp số là phần trăm theo khối lượng mẫu, không phải theo mol.
Hai chất, một dấu vân tay
Phần trăm nguyên tố không phải lúc nào cũng phân biệt được polymer. Hai trường hợp em phải thuộc:
PE và PP
Cùng 85{,}7\% C và 14{,}3\% H
Cả hai có công thức mắt xích dạng \mathrm{(CH_2)_n}: \dfrac{24}{28}=\dfrac{36}{42}. Biết \%\mathrm{C} chỉ cho em biết mạch chỉ gồm C, H và no. Để phân biệt cần thêm dữ kiện về monomer hoặc cấu tạo.
nylon-6 và nylon-6,6
Cùng 12{,}4\% N
Mắt xích nylon-6 là \mathrm{C_6H_{11}NO} (113), mắt xích nylon-6,6 là \mathrm{C_{12}H_{22}N_2O_2} (226) = hai lần \mathrm{C_6H_{11}NO}. Tỉ lệ nguyên tố giống nhau, nên \%\mathrm{N} đúng cho cả hai.
Cái bẫy của phần trăm nguyên tố
Phần trăm nguyên tố chỉ cho công thức đơn giản nhất , không cho cấu tạo. Hai polymer có cùng công thức đơn giản nhất không thể tách bằng phần trăm nguyên tố. Khi đề cho %, hãy hỏi: mọi ứng viên có phần trăm khác nhau không?
Đoán trước khi tính
Một mẫu polymer chỉ chứa carbon và hydrogen, phân tích cho 85{,}7\% C theo khối lượng. Kết luận nào chặt chẽ nhất?
Bài học: trước khi kết luận từ một phần trăm, hãy tự tính phần trăm của vài ứng viên. Nếu hai ứng viên trùng nhau thì con số không đủ.
Phòng 2 · Thẻ nhân dạng: chọn một vật liệu, đọc cả ba cột CHỌN ĐỂ ĐỌC
Chọn một polymer. Thẻ cho công thức mắt xích, khối lượng mol, phần trăm từng nguyên tố (tính trực tiếp từ công thức), họ vật liệu và cách điều chế. Đáy thẻ tự báo khi có một polymer khác cùng phần trăm nguyên tố.
Khối lượng mol mắt xích
28 g/mol
% C
85,7 %
% H
14,3 %
Nguyên tố đặc trưng
không có
Thử tay: một mẫu PVC mềm
Số liệu: một mẫu da giả chứa 34{,}1\% Cl theo khối lượng. Giả sử Cl chỉ có trong PVC. Tìm phần trăm khối lượng PVC trong mẫu.
Gợi ý 1 · Dấu vân tay
PVC nguyên chất có \%\mathrm{Cl}=\dfrac{35{,}5}{62{,}5}\cdot100\%=56{,}8\%. Cl của mẫu hoàn toàn đến từ phần PVC.
Gợi ý 2 · Quy đổi
w_{\mathrm{PVC}}=\dfrac{34{,}1}{56{,}8}=0{,}600.
Đáp án
60{,}0\% khối lượng mẫu là PVC, 40{,}0\% là phụ gia không chứa Cl. Kiểm: 0{,}600\cdot56{,}8=34{,}08\approx34{,}1. Phần phụ gia lớn như vậy hợp lí với vật liệu mềm như da giả.
KỸ THUẬT 2
Nguyên tố đánh dấu: một nguyên tố, một thành phần
Quy tắc
Khi hỗn hợp gồm nhiều thành phần mà chỉ một thành phần chứa nguyên tố \mathrm{E}, phần khối lượng của thành phần ấy là w=\dfrac{\%\mathrm{E}(\text{mẫu})}{\%\mathrm{E}(\text{thành phần})}. Phần trăm lí thuyết của thành phần phải tính từ công thức, với khối lượng nguyên tử đề cho.
Lý do
Nguyên tố đánh dấu biến một bài toán nhiều ẩn thành một phép chia. Nó dùng được cho PVC dẻo (Cl), vải pha nylon và cotton (N), tơ pha (N hay Cl), và cho cả copolymer ở chương sau.