Giáo án Bài 12. Đại cương về polymer

Huy động kiến thức nền của HS về các vật liệu quen thuộc và nêu được vấn đề: các vật liệu này có điểm chung gì về cấu tạo.

GV đưa ra hình ảnh hoặc mẫu vật: túi nilon, ống nhựa PVC, sợi tơ nylon, miếng cao su, bát tinh bột. HS trả lời nhanh các câu hỏi:

• Kể tên ba vật liệu có trong đời sống mà em biết và cho biết chúng được làm từ đâu.
• Các vật liệu này có phải là chất có công thức phân tử đơn giản như nước, muối ăn không?
• Theo em, một phân tử lớn được tạo thành từ những đơn vị nhỏ nào?

Các ý kiến HS nêu ra, ví dụ: túi nilon làm từ nhựa PE; ống nước PVC; tơ nylon và cao su đều có phân tử rất lớn; phân tử lớn được tạo từ nhiều phân tử nhỏ giống nhau. Từ đó GV xác định nhiệm vụ: tìm hiểu khái niệm, cấu trúc và các phản ứng của polymer.

Nêu được khái niệm polymer, monomer, mắt xích, hệ số polymer hoá; phân loại được polymer; nêu được cấu trúc mạch và tính chất vật lí chung của polymer.

HS hoạt động nhóm 4 người theo kĩ thuật khăn trải bàn, hoàn thành Phiếu học tập số 1. Nhóm dùng mô phỏng NeoEdu về trùng hợp ethylene để quan sát mạch polymer dài dần và trả lời các câu hỏi:

• Monomer của polyethylene là gì? Mắt xích của PE là gì?
• Vì sao mắt xích của polyamide không luôn có cùng thành phần nguyên tố với monomer?
• Hệ số polymer hoá n là gì? Trong mẫu polymer thực tế, mọi phân tử có cùng n không?
• Polymer được phân loại theo nguồn gốc và theo cấu trúc mạch như thế nào? Cho ví dụ cho mỗi loại.
• Vì sao polymer không có nhiệt độ nóng chảy sắc nét? Vì sao không gọi mọi polymer là chất dẻo?

Kết quả thảo luận nhóm, dự kiến:

• Khái niệm: polymer là hợp chất có phân tử khối rất lớn, do nhiều mắt xích liên kết với nhau; monomer là phân tử nhỏ phản ứng tạo polymer; mắt xích là phần cấu trúc lặp trong chuỗi; hệ số polymer hoá n là số mắt xích trong một phân tử polymer.
• Với PE: monomer là ethene CH₂=CH₂, mắt xích là $-\mathrm{CH_2}-\mathrm{CH_2}-$.
• Công thức: $n = \dfrac{M_{\text{polymer}}}{M_{\text{mắt xích}}}$ (bỏ qua nhóm cuối). Mẫu polymer thực tế gồm các phân tử có độ dài khác nhau, nên n là giá trị trung bình.
• Phân loại theo nguồn gốc: thiên nhiên (tinh bột, cellulose, protein), tổng hợp (PE, PVC), bán tổng hợp (polymer thiên nhiên được biến đổi). Theo cấu trúc: mạch không nhánh, mạch nhánh, mạng không gian.
• Tính chất: không có nhiệt độ nóng chảy xác định, một số phân huỷ trước khi nóng chảy; cấu trúc mạch ảnh hưởng đến cơ tính và khả năng hoà tan. Polymer gồm cả chất dẻo, tơ, cao su, nên không đồng nhất với chất dẻo.

Phân biệt được phản ứng trùng hợp và trùng ngưng về điều kiện monomer, sự tách phân tử nhỏ; viết được phương trình minh hoạ.

HS làm việc theo cặp đôi, so sánh hai quá trình thông qua Phiếu học tập số 2. Cặp đôi quan sát mô phỏng NeoEdu về trùng ngưng ε-aminocaproic acid H₂N[CH₂]₅COOH để tạo nylon-6 và trả lời:

• Monomer của trùng hợp cần có đặc điểm gì? Monomer của trùng ngưng cần có đặc điểm gì?
• Khi trùng hợp ethene, khối lượng polymer có bằng khối lượng monomer đã phản ứng không? Vì sao?
• Khi trùng ngưng ε-aminocaproic acid, mỗi liên kết –CO–NH– mới hình thành có sinh ra chất gì?
• Có phải phân tử nào có một liên kết đôi cũng trùng hợp được ở điều kiện thường không?
• Vì sao khi dùng hỗn hợp diamine và di carboxylic acid phải cân bằng số nhóm chức?

Kết quả dự kiến (Phiếu học tập số 2):

• Trùng hợp: monomer có liên kết bội (C=C) hoặc vòng kém bền; không tách phân tử nhỏ; ví dụ: $n\mathrm{CH_2{=}CH_2} \rightarrow (-\mathrm{CH_2}-\mathrm{CH_2}-)_n$.
• Trùng ngưng: monomer có ít nhất hai nhóm chức; tạo polymer đồng thời giải phóng phân tử nhỏ (H₂O); ví dụ: $n\,\mathrm{H_2N(CH_2)_5COOH} \rightarrow (-\mathrm{NH}(\mathrm{CH_2})_5\mathrm{CO}-)_n + n\mathrm{H_2O}$.
• Khối lượng: trùng hợp không tách phân tử nhỏ nên khối lượng polymer bằng khối lượng monomer đã phản ứng; trùng ngưng phải trừ khối lượng nước.
• Không phải mọi phân tử có một liên kết đôi đều tự trùng hợp ở điều kiện thường.
• Với hỗn hợp diamine và di carboxylic acid, số nhóm –NH₂ và –COOH phải cân bằng để mạch được kéo dài hoàn toàn.
• Kết luận: trùng hợp và trùng ngưng khác nhau ở điều kiện monomer và sự có hay không tách phân tử nhỏ; mắt xích của nylon-6 là $-\mathrm{NH}(\mathrm{CH_2})_5\mathrm{CO}-$.

Trình bày được ba kiểu phản ứng trên mạch polymer (giữ nguyên mạch carbon chính, cắt mạch, tăng mạch/nối mạng) và lấy được ví dụ minh hoạ.

HS hoạt động theo nhóm mảnh ghép: mỗi nhóm 3 HS, mỗi HS nghiên cứu một kiểu phản ứng rồi về nhóm giảng lại. Các kiểu phản ứng:

• Giữ nguyên mạch carbon chính: thuỷ phân nhóm ester bên của poly(vinyl acetate) $[-\mathrm{CH_2}-\mathrm{CH(OCOCH_3)}-]_n + n\mathrm{NaOH} \rightarrow [-\mathrm{CH_2}-\mathrm{CH(OH)}-]_n + n\mathrm{CH_3COONa}$.
• Cắt mạch: thuỷ phân amide trong mạch nylon-6 làm ngắn chuỗi.
• Tăng mạch/nối mạng: lưu hoá cao su tạo cầu sulfur giữa các chuỗi.
  Câu hỏi chung: Kiểu phản ứng này làm thay đổi mạch polymer như thế nào? Mạch C–C có bị cắt không?

• Giữ mạch carbon chính: chỉ thuỷ phân nhóm ester nằm bên, mạch –CH₂–CH– vẫn nguyên vẹn; khác với polyester vì ester nằm trên xương sống mạch nên bị cắt mạch.
• Cắt mạch: liên kết –CO–NH– trong mạch nylon-6 bị thuỷ phân, chuỗi ngắn đi; thuỷ phân hoàn toàn cho $\mathrm{H_2N(CH_2)_5COOH}$ (trong môi trường acid hoặc base thu được muối tương ứng).
• Tăng mạch/nối mạng: lưu hoá cao su tạo cầu nối sulfur giữa các chuỗi; số cầu và cấu trúc ảnh hưởng đến độ đàn hồi, không phải lưu hoá luôn làm mềm hơn.
• Kết luận: phản ứng trên mạch có thể làm ngắn mạch, giữ nguyên mạch, hoặc nối các mạch lại với nhau; mức độ phụ thuộc vào vị trí nhóm chức và điều kiện phản ứng.

Vận dụng được khái niệm, phân loại, công thức tính hệ số polymer hoá và cách phân biệt trùng hợp, trùng ngưng để giải bài tập trắc nghiệm và tính toán.

HS làm việc cá nhân 5 phút, sau đó đổi chéo phiếu với bạn bên cạnh để kiểm tra. Đề bài:

1. Monomer của polyethylene là gì? A. Ethene; B. Ethane; C. Ethanol; D. Ethanoic acid.
2. Dấu hiệu nào là đặc trưng của trùng ngưng trong phạm vi bài? A. Chỉ mở liên kết C=C, không tách phân tử nhỏ; B. Luôn chỉ cần monomer một nhóm chức; C. Luôn bảo toàn toàn bộ khối lượng monomer vào polymer; D. Tạo polymer và phân tử nhỏ.
3. Polyethylene có M = 56000, mắt xích có M = 28. Tính hệ số polymer hoá n (bỏ qua nhóm cuối).
4. Xét các phát biểu: a) Monomer và mắt xích luôn cùng công thức trong trùng ngưng. b) Mẫu polymer thường có phân bố độ dài mạch. c) Polyester có thể thuỷ phân liên kết ester. d) Mọi polymer đều là chất dẻo. Phát biểu nào đúng, sai?
5. Ghép polymer với mắt xích: PE; PVC; Polyamide với: –CH₂–CH₂–; –CH₂–CHCl–; chứa –CO–NH– trong mạch.
6. Trùng hợp 2,8 kg ethene tạo PE với hiệu suất 90%. Tính khối lượng PE thu được (kg).

Đáp án:

1. A (nCH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)ₙ).
2. D (tạo polymer và phân tử nhỏ tách ra).
3. $n = \dfrac{56000}{28} = 2000$.
4. a) Sai (trùng ngưng tách phân tử nhỏ nên mắt xích khác monomer về thành phần); b) Đúng; c) Đúng; d) Sai (chất dẻo chỉ là một loại vật liệu polymer; còn có tơ, cao su).
5. PE – –CH₂–CH₂–; PVC – –CH₂–CHCl–; Polyamide – chứa –CO–NH– trong mạch.
6. $m_{\text{PE}} = 2{,}8 \times 0{,}90 = 2{,}52$ kg (trùng hợp không tách phân tử nhỏ).

Vận dụng kiến thức về polymer để giải thích tính chất và ứng dụng của vật liệu quen thuộc, đề xuất hành vi bảo vệ môi trường và an toàn.

Đóng vai: mỗi nhóm nhận một tình huống từ đời sống, thảo luận và trình bày 2 phút.

• Tình huống 1: Vì sao túi nilon PE mềm, nhưng ống nhựa PVC cứng hơn? Gợi ý: xem xét mắt xích và cấu trúc mạch.
• Tình huống 2: Vì sao cao su sau lưu hoá đàn hồi tốt hơn cao su chưa lưu hoá?
• Tình huống 3: Một bạn định đốt túi nilon cũ để xử lí rác. Em sẽ khuyên bạn thế nào?
  GV yêu cầu mỗi nhóm nêu ít nhất một đề xuất cá nhân để giao về nhà.

Kết quả dự kiến:

• Tình huống 1: PE có mạch –CH₂–CH₂– không nhánh hoặc ít nhánh, cấu trúc đơn giản; PVC có nguyên tử Cl trên mắt xích gây tương tác mạnh hơn, mạch cứng hơn. Đây là ý vận dụng cấu trúc mắt xích và mạch vào tính chất.
• Tình huống 2: Lưu hoá tạo cầu sulfur nối các chuỗi, làm mạch khó trượt tự do, tăng độ đàn hồi và độ bền; số cầu và công thức vật liệu ảnh hưởng đến kết quả.
• Tình huống 3: Không đốt rác nhựa vì khi cháy có thể sinh khí độc và phụ gia; nên phân loại, thu gom và chuyển đến nơi xử lí phù hợp, giảm sử dụng túi nilon một lần.