Giáo án Bài 13. Vật liệu polymer

Huy động kiến thức nền của HS về các vật liệu quen thuộc; nhận ra các đồ vật đều thuộc nhóm polymer và xác định nhiệm vụ học tập của bài.

GV chiếu ảnh hoặc trình bày vật thật gồm năm vật dụng: túi nilon, ống nước nhựa, dây thun, áo sợi, lốp xe đạp. Câu hỏi GV đặt ra: (1) Mỗi vật được làm từ vật liệu gì? (2) Điểm chung của các vật liệu đó là gì? (3) Em muốn biết điều gì về các vật liệu này?

• HS lập danh sách năm vật liệu tương ứng: túi nilon – PE (chất dẻo); ống nước – PVC (chất dẻo); dây thun – cao su; áo sợi – tơ; lốp xe – cao su đã lưu hoá.
• Kết luận sơ bộ: các vật liệu đều là polymer, tức phân tử lớn gồm nhiều mắt xích lặp lại.
• Nhiệm vụ học tập: phân biệt chất dẻo, composite, tơ, cao su, keo dán; viết mắt xích và phương trình điều chế; nêu tác hại của chất dẻo và cách xử lí an toàn.

Viết được mắt xích từ monomer của PE, PP, PVC, PS, PMMA; nêu được ứng dụng; phân biệt chất dẻo nhiệt dẻo và nhiệt rắn qua mô phỏng.

HS làm việc nhóm 4 với Phiếu học tập số 1 và mô phỏng trên NeoEdu.
Nhiệm vụ 1: Hoàn thành bảng monomer, mắt xích và ứng dụng của PE, PP, PVC, PS, PMMA.
Nhiệm vụ 2: Quan sát mô phỏng màng PE, ống PVC và PPF khi hơ nóng (chỉ quan sát trên màn hình). Phân tích mẫu A và mẫu B trong dữ liệu giả định, trả lời: Mẫu nào nhiệt dẻo, mẫu nào nhiệt rắn? Vì sao?
Nhiệm vụ 3: Viết phương trình trùng hợp điều chế PVC.
Câu hỏi GV đặt ra: Chất dẻo gồm những thành phần nào? Vì sao không thể nói mọi nhựa đều chịu được cùng một nhiệt độ?

• Bảng mắt xích:
  • PE: ethene CH₂=CH₂ → $[\mathrm{-CH_2-CH_2-}]_n$; dùng làm túi, màng bọc.
  • PP: propene CH₂=CH–CH₃ → $[\mathrm{-CH_2-CH(CH_3)-}]_n$; dùng làm bao gói, chi tiết máy.
  • PVC: vinyl chloride CH₂=CHCl → $[\mathrm{-CH_2-CHCl-}]_n$; dùng làm ống nước, vỏ cách điện.
  • PS: styrene CH₂=CH–C₆H₅ → $[\mathrm{-CH_2-CH(C_6H_5)-}]_n$; dùng làm bao gói, cách nhiệt.
  • PMMA: methyl methacrylate CH₂=C(CH₃)COOCH₃ → $[\mathrm{-CH_2-C(CH_3)(COOCH_3)-}]_n$; dùng làm kính hữu cơ trong suốt.
• Phương trình điều chế (phản ứng trùng hợp, mở liên kết đôi C=C):
  • $n\,\mathrm{CH_2{=}CH_2} \rightarrow [\mathrm{-CH_2-CH_2-}]_n$
  • $n\,\mathrm{CH_2{=}CHCl} \rightarrow [\mathrm{-CH_2-CHCl-}]_n$
  • $n\,\mathrm{CH_2{=}C(CH_3)COOCH_3} \rightarrow [\mathrm{-CH_2-C(CH_3)(COOCH_3)-}]_n$
• Kết luận: Chất dẻo = polymer nền + phụ gia phù hợp. Mẫu A (PE) là nhiệt dẻo: mềm, chảy khi gia nhiệt thích hợp nên có thể gia công lại trong công nghiệp. Mẫu B (PPF) là nhiệt rắn: có mạng không gian, không nóng chảy lại, quá nhiệt sẽ phân huỷ.
• PPF được tạo từ phenol và formaldehyde bằng phản ứng ngưng tụ, có cầu –CH₂– nối các vòng thơm.

Phân loại được tơ thiên nhiên, bán tổng hợp, tổng hợp; viết được mắt xích và phương trình trùng ngưng của nylon-6,6; nhận biết liên kết amide trong nylon và không có trong nitron.

Kĩ thuật mảnh ghép: nhóm gốc 3 HS đánh số 1–3, sau đó tách thành nhóm chuyên gia: chuyên gia tơ thiên nhiên, chuyên gia tơ bán tổng hợp, chuyên gia tơ tổng hợp. Mỗi chuyên gia đọc thông tin và hoàn thành phần tương ứng trong Phiếu học tập số 1 (phần Tơ).
Câu hỏi GV đặt ra: (1) Bông và tơ tằm khác nhau về thành phần nào? (2) Viscose có phải polymer tổng hợp từ monomer mới không? (3) Nylon-6,6 được tạo ra bằng phản ứng gì? Vì sao nitron không phải polyamide?

• Tơ thiên nhiên: bông giàu cellulose; tơ tằm và len giàu protein.
• Tơ bán tổng hợp: viscose là cellulose tái sinh (không tạo từ monomer mới); cellulose acetate là dẫn xuất ester của cellulose.
• Tơ tổng hợp:
  • Nylon-6,6: mắt xích $[\mathrm{-NH(CH_2)_6NHCO(CH_2)_4CO-}]_n$, điều chế từ H₂N(CH₂)₆NH₂ và HOOC(CH₂)₄COOH bằng phản ứng trùng ngưng: $n\,\mathrm{H_2N(CH_2)_6NH_2} + n\,\mathrm{HOOC(CH_2)_4COOH} \rightarrow [\mathrm{-NH(CH_2)_6NHCO(CH_2)_4CO-}]_n + 2n\,\mathrm{H_2O}$.
  • Capron (nylon-6): mắt xích $[\mathrm{-NH(CH_2)_5CO-}]_n$, thường điều chế bằng trùng hợp mở vòng caprolactam.
  • Nitron: polyacrylonitrile $[\mathrm{-CH_2-CH(CN)-}]_n$ từ CH₂=CHCN, không có liên kết amide trong mắt xích.
• Kết luận: nylon-6,6 và capron là polyamide; nitron không phải polyamide.

Viết được mắt xích của cao su isoprene và buna; nêu được vai trò của lưu hoá; mô tả thành phần composite; phân biệt ba cơ chế keo dán.

Kĩ thuật trạm học tập: lớp chia 3 nhóm, mỗi nhóm lần lượt qua 3 trạm, mỗi trạm 5 phút. Trạm 1 (Cao su): mắt xích isoprene và buta-1,3-diene, lưu hoá, buna-S, buna-N; quan sát mô phỏng dây cao su kéo dãn và phân tích mẫu C. Trạm 2 (Composite): nền và cốt, composite sợi thuỷ tinh/polyester, composite cốt hạt. Trạm 3 (Keo dán): nhựa vá săm, epoxy hai thành phần, poly(urea–formaldehyde). Mỗi trạm có Phiếu học tập số 2 để ghi nội dung.
Câu hỏi GV đặt ra: (1) Lưu hoá làm cao su thay đổi như thế nào? (2) Vì sao composite không chỉ là hỗn hợp ngẫu nhiên? (3) Keo epoxy đóng rắn theo cơ chế gì, khác gì nhựa vá săm?

• Cao su: isoprene CH₂=C(CH₃)–CH=CH₂ → $[\mathrm{-CH_2-C(CH_3)=CH-CH_2-}]_n$ (cis-polyisoprene là cao su thiên nhiên); buta-1,3-diene CH₂=CH–CH=CH₂ → $[\mathrm{-CH_2-CH=CH-CH_2-}]_n$. Buna-S là đồng trùng hợp với styrene; buna-N là đồng trùng hợp với acrylonitrile. Lưu hoá tạo cầu nối sulfur giữa các mạch, giúp cao su bền và đàn hồi trong phạm vi làm việc.
• Dữ liệu mẫu C (giả định): dây dài 10,0 cm, chịu lực 1,0 N dài 12,0 cm, bỏ lực trở về 10,0 cm → thể hiện tính đàn hồi trong khoảng lực đang xét, chưa chứng minh bền với mọi lực.
• Composite: nền (thường là polymer) giữ cốt và truyền lực; cốt (sợi hoặc hạt) chịu tải hoặc gia cường. Ví dụ sợi thuỷ tinh/polyester: cốt sợi thuỷ tinh, nền polyester.
• Keo dán:
  • Nhựa vá săm: cao su hoà tan trong dung môi; dung môi bay hơi tạo màng bám. Dung môi dễ cháy, không tự pha hoặc xịt gần lửa.
  • Keo epoxy hai thành phần: nhóm epoxy phản ứng với chất đóng rắn amine, mở vòng và tạo mạng gắn hai bề mặt; amine có thể gây kích ứng, phải đeo bảo hộ theo nhãn.
  • Keo poly(urea–formaldehyde): tạo liên kết –NH–CO–NH–CH₂–, thường dùng cho gỗ ván ép; không tự tổng hợp vì formaldehyde độc.

Vận dụng kiến thức về mắt xích, phân loại vật liệu và tính toán khối lượng để giải các bài tập định tính và định lượng cơ bản.

HS làm bài cá nhân 6 phút, sau đó đổi vở kiểm tra theo cặp trong 4 phút; cuối cùng GV chữa bài trên bảng. Các câu hỏi:
(1) Tơ nào là tơ tổng hợp? A. Tơ tằm; B. Nylon-6,6; C. Len; D. Bông.
(2) Vai trò cốt trong composite theo thiết kế thường là gì? A. Chỉ tạo màu, không tham gia cơ tính; B. Luôn làm vật liệu mềm hơn nền; C. Tăng khả năng chịu lực; D. Hoà tan polymer nền trong mọi dung môi.
(3) Composite giả định có 30% khối lượng cốt. Mẫu 200 g chứa bao nhiêu gam cốt?
(4) Xét vật liệu polymer, đánh Đ hoặc S: a) Cao su thiên nhiên chủ yếu cis-polyisoprene; b) Lưu hoá tạo liên kết ngang phù hợp; c) Mọi nhựa đều hâm nóng thực phẩm được; d) Đốt hoặc ngửi nhựa là cách nhận biết an toàn.
(5) Ghép vật liệu với nhóm tương ứng: Bông; Viscose; Buna-S. Nhóm: cellulose thiên nhiên / tơ cellulose tái sinh / cao su butadiene–styrene.
(6) Mẫu keo giả định 100 g có 40% dung môi bay hơi hết, phần rắn không đổi. Khối lượng phần rắn còn lại là bao nhiêu gam?

Đáp án:
(1) B. Nylon-6,6 được tổng hợp hoá học; ba loại còn lại là tơ thiên nhiên.
(2) C. Cốt gia cường, tăng khả năng chịu lực; nền liên kết và truyền ứng suất cho cốt.
(3) $200 \times 0{,}30 = 60$ g cốt.
(4) a) Đ; b) Đ; c) S, khả năng dùng phụ thuộc loại polymer, phụ gia và nhãn sản phẩm; d) S, đốt nhựa có thể sinh khí nguy hại.
(5) Bông – cellulose thiên nhiên; Viscose – tơ cellulose tái sinh (bán tổng hợp); Buna-S – cao su tổng hợp từ butadiene và styrene.
(6) $100 - 40 = 60$ g phần rắn còn lại (mô hình khối lượng giả định, không áp dụng cho mọi loại keo).

Vận dụng kiến thức về cấu trúc, tính chất và ứng dụng để chọn vật liệu phù hợp; nêu tác hại của chất dẻo đối với môi trường và cách sử dụng, xử lí an toàn trong gia đình.

Mỗi nhóm nhận một tình huống trong gia đình và viết tư vấn ngắn (khoảng 5 dòng) theo mẫu: loại vật liệu đề xuất, lí do dựa trên cấu trúc và tính chất, lưu ý sử dụng an toàn, cách xử lí khi hết dùng.
(a) Hộp đựng thức ăn nóng cho bữa trưa;
(b) Đường ống dẫn nước sinh hoạt trong nhà;
(c) Dán một mảnh gỗ ván ép bị tách rời;
(d) Vá một chiếc săm xe đạp bị thủng.
Câu hỏi GV đặt ra: Vì sao không nên đốt rác nhựa ở sân nhà? Có thể giảm tác hại của chất dẻo đối với môi trường bằng những cách nào?

Gợi ý tư vấn:
(a) Chọn hộp làm từ nhựa có nhãn ghi tiếp xúc thực phẩm và phù hợp nhiệt độ theo nhãn; không hâm nóng trong bao bì không có nhãn; không dùng hộp đã nứt, xước. Không tự suy mọi nhựa đều chịu nhiệt như nhau.
(b) Chọn ống nhựa PVC hoặc vật liệu được nhà sản xuất ghi dùng cho nước sinh hoạt; lắp theo hướng dẫn kĩ thuật, không dùng ống không rõ nguồn gốc.
(c) Keo epoxy hai thành phần phù hợp với bề mặt cứng theo nhãn; đeo bảo hộ, thông gió tốt vì amine có thể gây kích ứng. Không tự tổng hợp keo poly(urea–formaldehyde) tại nhà vì formaldehyde độc.
(d) Nhựa vá săm là cao su hoà tan trong dung môi dễ cháy: không pha hoặc xịt gần lửa, làm việc nơi thoáng gió.
Cách giảm tác hại: giảm dùng đồ nhựa một lần khi có thay thế phù hợp; tái sử dụng khi vật dụng còn an toàn và phù hợp mục đích; phân loại rác đúng hướng dẫn nơi thu gom. Không đốt nhựa vì có thể sinh khí độc như HCl từ PVC.