Đang tải bài học…

AP Chemistry

polymer

Polymer là đại phân tử cấu tạo từ nhiều mắt xích monome lặp lại, nối với nhau bằng liên kết cộng hóa trị, có khối lượng mol rất lớn.

Polime là loại đại phân tử có khối lượng mol rất lớn, được tạo thành từ sự liên kết của hàng nghìn, thậm chí hàng triệu đơn vị nhỏ hơn gọi là monome. Mỗi monome đóng vai trò như một mắt xích, và chính sự lặp đi lặp lại của mắt xích ấy dọc theo mạch dài mang lại cho polime khối lượng phân tử (molecular mass) khổng lồ. Nhờ cấu trúc mạch dài này, polime có tính chất vật lý khác hẳn so với các phân tử nhỏ mà ta gặp trong hóa học hữu cơ thông thường.

Quá trình tổng hợp polime diễn ra theo hai cơ chế chính. Trong phép trùng hợp, các monome chứa liên kết bội — thường là liên kết đôi (double bond) C=C — mở liên kết $\pi$ để nối trực tiếp với nhau thành mạch dài mà không mất đi nguyên tử nào. Ngược lại, trong phép trùng ngưng, hai monome kết hợp với nhau đồng thời giải phóng một phân tử nhỏ, thường là nước, giữa mỗi bước nối. Do đó, sản phẩm trùng ngưng luôn có khối lượng nhỏ hơn tổng khối lượng các monome ban đầu.

Dù các nguyên tử trong cùng một mạch polime liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị (covalent bond) bền vững, các mạch polime lân cận chỉ hút nhau qua lực liên phân tử yếu hơn nhiều. Chính sự khác biệt này quyết định tính chất cơ học của vật liệu: mạch càng dài và lực liên phân tử giữa các mạch càng mạnh thì polime càng bền và có nhiệt độ nóng chảy (melting point) càng cao. Vì vậy, khi so sánh hai loại polime, ta không chỉ xét thành phần monome mà còn phải xét cả độ dài mạch lẫn bản chất của lực giữa các mạch.

Trực giác: Mỗi polymer giống một đoàn tàu hỏa ghép từ hàng nghìn toa giống hệt nhau — mỗi toa là một monome, và cả đoàn tàu dài mới có những tính chất mà một toa đơn lẻ không bao giờ có.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1833Jöns Jacob BerzeliusHermann StaudingerHenri BraconnotChristian Schönbein

Thuật ngữ "polymer" do nhà hóa học Thụy Điển Jöns Jacob Berzelius đặt ra năm 1833, nhưng cách hiểu hiện đại — chuỗi dài các đơn vị nối nhau bằng liên kết cộng hóa trị — chỉ ra đời năm 1920 với đề xuất của Hermann Staudinger.

Hay hiểu sai

Phá vỡ tương tác không cộng hóa trị không làm đứt mạch polymer.

Hình dạng của phân tử lớn không do một mình liên kết cộng hóa trị quyết định.

Polymer không phải kim loại và cũng không phải hợp chất ion.

Khác biệt tính chất vật lý giữa hai polymer đến từ nhóm thế, không từ độ dài mạch.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một polymer sinh học mạch dài giữ được hình xoắn đặc trưng nhờ hàng trăm liên kết hydrogen (hydrogen bond) hình thành giữa những đoạn nằm cách xa nhau trên cùng một mạch. Khung mạch được nối bằng các liên kết cộng hóa trị C–C và C–N với năng lượng liên kết lần lượt khoảng 348 kJ/mol và 293 kJ/mol, trong khi mỗi liên kết hydrogen chỉ vào cỡ 5–30 kJ/mol. Khi đun dung dịch chứa polymer này lên 80 °C, học sinh quan sát thấy mạch duỗi ra và mất hoàn toàn hoạt tính sinh học, nhưng phép đo khối lượng mol trung bình sau thí nghiệm vẫn cho kết quả gần như không đổi.

aDựa vào năng lượng liên kết, hãy giải thích vì sao việc đun nóng làm mất hình xoắn nhưng không cắt đứt khung mạch.
bSau khi đun, trình tự các đơn vị lặp và khối lượng mol của polymer có thay đổi không? Tính chất nào của mẫu đã thay đổi?

1Bước 1: Trước hết phải tách bạch hai loại lực đang cùng tồn tại trong một phân tử polymer. Các liên kết C–C và C–N là liên kết cộng hóa trị nối các nguyên tử thành khung mạch, quyết định polymer đó là chất gì. Ngược lại, các liên kết hydrogen giữa những đoạn xa nhau trên mạch không tạo ra chất mới; chúng chỉ giữ mạch ở một tư thế gấp cuộn nhất định, tức là quyết định polymer đó có hình dạng nào.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyCấu trúc phân tử & ion · bài “Các loại liên kết hóa học” — khoá AP Chemistry

Cần trướcmonomer (sắp có)

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 17, 22–23.

Con người đã dùng các polymer tự nhiên từ rất lâu để dệt vải, bện dây và dựng chỗ ở, nhưng ngành khoa học về chúng lại sinh sau đẻ muộn. Trong thập niên 1830, Henri Braconnot và Christian Schönbein bắt đầu chế các dẫn xuất từ cellulose, mở đường cho những vật liệu bán tổng hợp như celluloid và cellulose acetate dùng trong phim ảnh. Chính giữa giai đoạn đó, Berzelius đặt tên cho lớp chất này. Tuy vậy, suốt gần một thế kỷ giới hóa học vẫn tranh cãi xem chúng là phân tử khổng lồ hay chỉ là tập hợp các phân tử nhỏ bám vào nhau; phải đến khi Staudinger nêu giả thuyết về đại phân tử (macromolecule) năm 1920 và dành cả thập kỷ sau đó tìm bằng chứng thực nghiệm, cách hiểu ngày nay mới được chấp nhận.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi ghép từ hai gốc Hy Lạp: "polys" nghĩa là "nhiều" và "meros" nghĩa là "phần" — tức "nhiều phần", đúng với hình dung về một chuỗi gồm vô số mắt xích giống nhau. Điều thú vị là Berzelius hiểu chữ này khác hẳn định nghĩa hiện hành: với ông, benzene $\mathrm{C_6H_6}$ là một polymer của ethyne $\mathrm{C_2H_2}$ , vì công thức phân tử của chất này đúng bằng bội số công thức của chất kia. Nói cách khác, ban đầu "polymer" chỉ mô tả quan hệ về tỉ lệ công thức chứ không nói gì đến kích thước phân tử hay liên kết cộng hóa trị nối các đơn phân (monomer). Định nghĩa dần được chỉnh lại, và mãi sau này tên gọi cũ mới mang nội dung mới: chuỗi dài thật sự, chứ không phải hai chất tình cờ cùng công thức thực nghiệm.

Mẹo phòng thi

Khi giải thích tính chất polymer, phải viết rõ lực nào nằm TRONG mạch, lực nào nằm GIỮA các mạch.

Muốn so sánh hai polymer thì so sánh đơn vị lặp lại của chúng, đừng so cả phân tử.

Với câu hỏi về hình dạng phân tử lớn, hãy viết ba chữ: tương tác yếu, hình dạng, chức năng.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

2Bước 2: So sánh định lượng cho thấy khoảng cách năng lượng giữa hai loại lực là rất lớn:

E_{\text{C-C}} \approx 348

kJ/mol còn

E_{\text{H-bond}} \approx 5\text{–}30

kJ/mol, tức chênh nhau khoảng một bậc độ lớn. Tỉ số

348/20 \approx 17

nói rằng phải cấp năng lượng gấp chừng mười bảy lần mới đủ để cắt một liên kết khung so với việc phá một điểm hút giữa hai đoạn mạch. Do đó, năng lượng nhiệt ở 80 °C thừa sức làm rung động và tách rời các liên kết hydrogen, nhưng còn xa mới đủ để bẻ gãy liên kết cộng hóa trị dọc mạch.

3Bước 3: Vì khung mạch còn nguyên nên số nguyên tử và thứ tự nối của chúng không đổi, kéo theo trình tự các đơn vị lặp (repeat unit) và khối lượng mol trung bình giữ nguyên — đúng như số liệu đo được. Cái đã mất là cấu hình không gian: mạch từ trạng thái xoắn chặt chuyển sang trạng thái duỗi ngẫu nhiên, hiện tượng thường gọi là sự biến tính (denaturation). Vì vậy các nhóm chức từng được xếp đúng vị trí để tạo trung tâm hoạt động nay nằm rải rác, và hoạt tính sinh học biến mất dù thành phần hóa học không hề thay đổi.

(a) Đun nóng chỉ cung cấp đủ năng lượng để phá các tương tác không cộng hóa trị yếu (5–30 kJ/mol) giữ hình xoắn, chứ không đủ để cắt các liên kết C–C (348 kJ/mol) và C–N (293 kJ/mol) của khung mạch; vì thế mạch duỗi ra mà vẫn liền một khối. (b) Trình tự đơn vị lặp và khối lượng mol không đổi, phù hợp với phép đo; thứ thay đổi là cấu trúc không gian ba chiều, và chính sự mất hình dạng này làm polymer mất hoạt tính sinh học.

2Ví dụ 2/2

Một học sinh cho hỗn hợp hạt nhựa gồm polypropylene (PP) và polyvinyl chloride (PVC) vào cốc 1,0 L đựng nước cất ở 25 °C rồi khuấy mạnh. Sau khi để yên, một loại hạt nổi lên mặt nước còn loại kia chìm xuống đáy cốc. Đơn vị lặp của PP là –CH₂–CH(CH₃)– với khối lượng mol 42,08 g/mol, còn đơn vị lặp của PVC là –CH₂–CHCl– với khối lượng mol 62,50 g/mol. Khối lượng riêng của PP là 0,90 g/cm³, của PVC là 1,38 g/cm³ và của nước là 1,00 g/mL.

aLoại hạt nào nổi, loại nào chìm? Giải thích dựa trên khối lượng riêng.
bỞ mức phân tử, hãy giải thích vì sao PVC có khối lượng riêng lớn hơn PP.

1Bước 1: Vật chìm hay nổi được quyết định bởi việc so sánh khối lượng riêng của nó với khối lượng riêng của chất lỏng. Ở đây

0{,}90 < 1{,}00 < 1{,}38

, nên hạt PP nổi còn hạt PVC chìm. Đây chính là nguyên tắc tách nhựa bằng phương pháp tuyển nổi trong công nghiệp tái chế.

2Bước 2: Để hiểu vì sao PVC nặng hơn, hãy tính thể tích mà mỗi mol đơn vị lặp chiếm chỗ theo

V_m = M/d

. Với PP:

V_m = 42{,}08/0{,}90 = 46{,}8

cm³/mol; với PVC:

V_m = 62{,}50/1{,}38 = 45{,}3

cm³/mol. Hai giá trị gần bằng nhau, nghĩa là mỗi đơn vị lặp của hai polymer chiếm một khoảng không gian xấp xỉ như nhau.

3Bước 3: Vì thể tích chiếm chỗ gần như bằng nhau, chênh lệch khối lượng riêng phải đến từ khối lượng: một nguyên tử Cl (35,45 u) thay cho một nguyên tử H (1,01 u) làm đơn vị lặp của PVC nặng hơn của PP tới

62{,}50 - 42{,}08 = 20{,}42

g/mol, tức nặng hơn khoảng 49 %. Bên cạnh đó, nguyên tử Cl nhiều electron nên lực London (London dispersion forces) giữa các mạch PVC mạnh hơn, lại thêm liên kết C–Cl phân cực tạo tương tác lưỡng cực–lưỡng cực mà PP hoàn toàn không có. Nhờ các lực liên phân tử mạnh hơn này, các mạch PVC bị kéo lại gần nhau và xếp chặt hơn, càng làm tăng khối lượng riêng.

4Bước 4: Cần lưu ý một điểm mà đề hay gài: nhựa không tan trong nước, nên cả PP lẫn PVC đều chỉ bị nước bao quanh chứ không bị hòa tan. Cả hai đều là mạch hydrocarbon chủ yếu không phân cực, không tạo được liên kết hydrogen với nước, nên nước không đủ sức tách rời các mạch polymer khỏi nhau. Vì vậy khuấy mạnh chỉ phân tán hạt trong thời gian ngắn, sau đó chênh lệch khối lượng riêng lập tức đưa mỗi loại về đúng vị trí của nó.

(a) Hạt PP ( $d = 0{,}90$ g/cm³) nổi vì nhẹ hơn nước, còn hạt PVC ( $d = 1{,}38$ g/cm³) chìm vì nặng hơn nước. (b) Mỗi đơn vị lặp của hai polymer chiếm thể tích gần như nhau (46,8 so với 45,3 cm³/mol), nhưng đơn vị lặp của PVC nặng hơn 20,42 g/mol do có nguyên tử Cl thay cho H; đồng thời lực London mạnh hơn và tương tác lưỡng cực–lưỡng cực của liên kết C–Cl giúp các mạch PVC xếp sát nhau hơn. Cả hai yếu tố cùng làm khối lượng riêng của PVC vượt quá 1,00 g/mL, nên hỗn hợp tự tách thành hai lớp trong nước.

chất dẻo (sắp có)

Liên quanliên kết cộng hóa trịphản ứng ngưng tụ (sắp có)protein (sắp có)

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.