Polime là những chất có phân tử khối rất lớn, tạo thành từ nhiều đơn vị cấu trúc nhỏ giống nhau gọi là mắt xích, nối với nhau bằng liên kết cộng hoá trị. Chất ban đầu tạo nên polime gọi là monome; số mắt xích trong một phân tử gọi là hệ số polime hoá, ký hiệu n. Tinh bột, xenlulozơ, protein, cao su thiên nhiên là polime tự nhiên; túi nilon, ống nước PVC, sợi nilon, chai nhựa là polime tổng hợp.
Đây là chương khép lại phần hoá hữu cơ phổ thông và gắn trực tiếp với đời sống. Bài này giải thích hai cách tạo polime là trùng hợp và trùng ngưng, phân loại vật liệu polime, bài toán hệ số polime hoá, ý nghĩa thật của các ký hiệu số 1 đến 7 trên đồ nhựa, chuyện nhựa và môi trường, và cách dùng AI để học chương này cho chắc.
Mắt xích, monome và hệ số polime hoá
Hình dung một chuỗi hạt: mỗi hạt là một mắt xích, cả chuỗi là một phân tử polime. Với polietilen, mắt xích là –CH2–CH2–, monome là etilen CH2=CH2, và công thức polime viết là (–CH2–CH2–)n. Khối lượng mol của polime bằng khối lượng mắt xích nhân n, nên PE có M = 28n, PVC có mắt xích –CH2–CHCl– nặng 62,5 nên M = 62,5n.
Một mẫu polime thực tế không gồm các phân tử dài bằng nhau; người ta chỉ nói được hệ số polime hoá trung bình. Ví dụ giả định: một mẫu PVC có khối lượng mol trung bình 250 000 g/mol thì hệ số polime hoá trung bình là 250 000 : 62,5 = 4 000. Một mẫu PE khối lượng mol trung bình 56 000 g/mol có n = 56 000 : 28 = 2 000. Đây là dạng bài tính nhanh rất hay gặp; điểm cần nhớ là khối lượng mắt xích tính bằng khối lượng monome khi trùng hợp, vì trùng hợp không mất nguyên tử nào.
Phân tử dài như vậy làm polime có tính chất mà phân tử nhỏ không có: dẻo, dai, kéo thành sợi được, không có nhiệt độ nóng chảy xác định mà mềm dần trong một khoảng nhiệt độ. Phần lớn polime không tan trong nước và dung môi thông thường, và đó vừa là ưu điểm khi dùng làm vật liệu, vừa là gốc của vấn đề rác thải nhựa.
Trùng hợp và trùng ngưng: hai cách nối mắt xích
Hai loại phản ứng điều chế polime khác nhau ở điều kiện của monome và ở việc có sinh ra phân tử nhỏ hay không. Bảng dưới so sánh kèm ví dụ quen thuộc.
| Tiêu chí | Trùng hợp | Trùng ngưng |
|---|---|---|
| Điều kiện của monome | Có liên kết bội hoặc vòng kém bền | Có ít nhất hai nhóm chức có khả năng phản ứng |
| Có sinh phân tử nhỏ không | Không, mọi nguyên tử của monome đi vào polime | Có, thường là nước |
| Ví dụ phương trình | nCH2=CHCl → (–CH2–CHCl–)n, tạo PVC | Axit ađipic với hexametylenđiamin tạo nilon-6,6 và nước |
| Vật liệu tiêu biểu | PE, PP, PVC, PS, cao su buna | Nilon-6,6, tơ lapsan (PET), nhựa phenol fomanđehit |
| Khối lượng mắt xích | Bằng khối lượng monome | Nhỏ hơn tổng khối lượng monome vì mất phân tử nhỏ |
Thêm hai phương trình trùng hợp nên tự viết: nCH2=CH–CH3 → (–CH2–CH(CH3)–)n tạo polipropilen PP, và nC6H5–CH=CH2 → (–CH2–CH(C6H5)–)n tạo polistiren PS, loại nhựa làm hộp xốp. Mẹo kiểm: mắt xích phải có đúng số nguyên tử của monome, chỉ đổi liên kết đôi thành liên kết đơn và mở hai "tay" ở hai đầu.
Bốn nhóm vật liệu polime trong chương trình
Chất dẻo. Vật liệu polime có tính dẻo, bị biến dạng khi chịu nhiệt hoặc áp lực và giữ nguyên hình dạng mới khi thôi tác dụng. Nhựa nhiệt dẻo như PE, PP, PVC có mạch thẳng hoặc nhánh, đun nóng thì mềm, có thể ép lại thành hình khác. Nhựa nhiệt rắn như nhựa phenol fomanđehit có mạng lưới không gian, đã đóng rắn thì không nóng chảy lại được, nên dùng làm ổ cắm điện, tay cầm chịu nhiệt.
Tơ. Polime hình sợi dài, mảnh, bền. Tơ thiên nhiên có bông (xenlulozơ), tơ tằm và len (protein); tơ tổng hợp có nilon-6,6, tơ capron, tơ lapsan, tơ nitron; tơ bán tổng hợp như tơ visco, tơ axetat đi từ xenlulozơ được chế biến hoá học.
Cao su. Polime có tính đàn hồi. Cao su thiên nhiên từ mủ cây cao su, thành phần chính là poliisopren. Cao su sống dính khi nóng, giòn khi lạnh; khi lưu hoá, các nguyên tử lưu huỳnh tạo cầu nối giữa các mạch, biến cao su thành mạng lưới đàn hồi, bền hơn, dùng làm lốp xe.
Keo dán và vật liệu compozit. Keo dán là polime có khả năng kết dính hai bề mặt, như keo epoxy. Vật liệu compozit gồm polime làm chất nền kết hợp với chất độn như sợi thuỷ tinh, sợi cacbon, tạo vật liệu nhẹ mà bền, dùng trong thuyền, vợt cầu lông, cánh quạt.
Protein cũng là polime: amino axit và liên kết peptit
Polime không chỉ có nhựa. Protein trong thịt, trứng, sữa, tơ tằm là polime thiên nhiên mà mắt xích là các amino axit. Amino axit là hợp chất có đồng thời nhóm amino –NH2 và nhóm cacboxyl –COOH, chất đơn giản nhất là glyxin H2N–CH2–COOH. Nhóm COOH của amino axit này nối với nhóm NH2 của amino axit kia, tách ra một phân tử nước, tạo liên kết –CO–NH– gọi là liên kết peptit. Về hình thức, đây chính là phản ứng trùng ngưng; trong cơ thể, quá trình nối các amino axit theo đúng trình tự do thông tin di truyền quy định.
Liên kết –CO–NH– cũng có mặt trong tơ nilon-6,6 và tơ capron, gọi chung là liên kết amit. Đó là lý do nilon bền nhưng kém bền trong axit và kiềm mạnh, giống như protein bị thuỷ phân khi đun lâu với axit hay kiềm. Một kiểu liên kết, hai thế giới vật liệu rất khác nhau.
Hai hiện tượng đời thường giúp nhớ tính chất của protein. Khi luộc trứng, lòng trắng từ trong suốt chuyển sang trắng đục và rắn lại: nhiệt làm protein bị đông tụ, mạch protein mất cấu trúc không gian ban đầu. Khi vắt chanh hay cho giấm vào sữa đậu nành nóng, protein đông thành từng mảng, đó là nguyên lý làm đậu phụ bằng nước chua. Ở phòng thí nghiệm, protein cho màu tím đặc trưng với Cu(OH)2, gọi là phản ứng màu biure, dùng để nhận biết.
Ký hiệu số 1 đến 7 trên đồ nhựa nghĩa là gì
Ký hiệu hình tam giác có số ở đáy chai, hộp là mã nhận diện loại nhựa, giúp phân loại khi tái chế. Nó cho biết vật liệu là polime gì, không phải dấu chứng nhận an toàn. Bảng dưới liệt kê bảy mã và vật dụng thường gặp.
| Số | Loại nhựa | Thường gặp ở |
|---|---|---|
| 1 | PET (polietylen terephtalat), một polieste trùng ngưng | Chai nước uống, chai nước ngọt |
| 2 | HDPE (polietilen tỉ trọng cao) | Can sữa, chai dầu gội, can đựng nước |
| 3 | PVC (poli(vinyl clorua)) | Ống nước, vỏ dây điện, một số màng bọc |
| 4 | LDPE (polietilen tỉ trọng thấp) | Túi nilon mềm, màng bọc thực phẩm |
| 5 | PP (polipropilen) | Hộp đựng thực phẩm, nắp chai, cốc nhựa cứng |
| 6 | PS (polistiren) | Hộp xốp, khay xốp, cốc dùng một lần |
| 7 | Nhóm khác hoặc nhựa trộn nhiều loại | Một số bình, hộp, vật dụng đặc thù |
Hai hiểu lầm cần tránh. Thứ nhất, số không phải thang điểm: số 5 không "an toàn gấp" số 1. Mỗi loại nhựa phù hợp với cách dùng riêng; có dùng được trong lò vi sóng, đựng đồ nóng hay không phải theo hướng dẫn và ký hiệu riêng của nhà sản xuất in trên sản phẩm. Thứ hai, có mã tái chế không có nghĩa là sẽ được tái chế: việc đó phụ thuộc hệ thống thu gom ở nơi bạn sống.
Nhựa và môi trường: hoá học giải thích vì sao khó phân huỷ
Chính đặc điểm làm nhựa hữu ích, mạch C–C dài và bền, không bị nước hay axit loãng tấn công, cũng làm nó tồn tại rất lâu trong tự nhiên. Vi sinh vật phân huỷ được tinh bột, xenlulozơ vì chúng có enzim cắt các liên kết trong những polime đó; với PE, PP, PS, hầu như không có enzim tự nhiên nào làm việc này hiệu quả. Dưới ánh nắng và tác động cơ học, nhựa bị giòn và vỡ thành mảnh nhỏ, đến cỡ vi nhựa, chứ không biến mất.
Đốt nhựa không phải cách xử lý an toàn ở quy mô gia đình. Nhiều loại nhựa cháy không hoàn toàn sinh muội và khí CO; PVC chứa clo nên khi cháy còn sinh khí HCl và các hợp chất chứa clo độc hại. Đây là lý do việc đốt rác nhựa ngoài trời bị khuyến cáo tránh, và các lò đốt rác công nghiệp phải có hệ thống xử lý khí thải.
Hướng đi mà hoá học đóng góp gồm: giảm dùng nhựa một lần, phân loại đúng để tái chế cơ học các loại dễ tái chế như PET và HDPE, nghiên cứu polime phân huỷ sinh học có liên kết dễ bị enzim cắt như một số polieste, và tái chế hoá học bẻ polime về monome. Mỗi hướng có giới hạn riêng; ví dụ nhựa "phân huỷ sinh học" nhiều loại chỉ phân huỷ tốt trong điều kiện ủ công nghiệp, không phải trong đất vườn hay ngoài biển.
Học chương polime với AI
Chương polime ít tính toán nhưng nhiều tên gọi và phân loại, rất hợp để luyện hỏi đáp với chatbot. Gợi ý cách dùng:
- Ôn tên và loại: "Cho mình mười lăm tên polime, mình sẽ ghi monome, loại phản ứng điều chế và nhóm vật liệu. Chấm từng câu sau khi mình gửi."
- Kiểm mắt xích: khi AI viết công thức polime, đếm nguyên tử trong mắt xích và so với monome. Với polime trùng hợp, hai bên phải khớp; nếu lệch là AI viết sai.
- Kiểm phát biểu về an toàn nhựa: nếu chatbot khẳng định chắc chắn một loại nhựa "an toàn tuyệt đối khi đun nóng", hỏi lại nguồn và nhớ rằng hướng dẫn của nhà sản xuất trên sản phẩm mới là căn cứ.
- Làm dự án nhỏ: chụp ảnh đáy các chai, hộp nhựa trong nhà (không chụp nhãn có tên gia đình hay địa chỉ), tự lập bảng phân loại theo mã số, rồi nhờ AI góp ý cách trình bày bảng thành bài thuyết trình cho lớp.
- Giáo viên có thể nhờ AI soạn câu hỏi liên hệ thực tế về rác nhựa, nhưng cần kiểm lại từng nhận định về môi trường trước khi dùng, vì đây là chỗ chatbot dễ đưa số liệu không có nguồn.
Điểm đến của chương này không phải thuộc lòng tên mọi loại tơ, mà là nhìn một vật dụng bằng nhựa và nói được nó làm từ monome nào, bằng phản ứng gì, và nên xử lý thế nào khi bỏ đi.
Câu hỏi thường gặp
Polime khác monome thế nào?
Monome là phân tử nhỏ ban đầu, như etilen hay vinyl clorua. Polime là phân tử rất lớn tạo thành khi rất nhiều monome nối với nhau, như polietilen hay PVC. Một phân tử polime có thể chứa hàng nghìn mắt xích.
Điều kiện để một chất tham gia phản ứng trùng hợp là gì?
Phân tử phải có liên kết bội như liên kết đôi C=C, hoặc có vòng kém bền có thể mở ra. Ví dụ etilen, propilen, vinyl clorua, stiren trùng hợp được; etan và propan chỉ có liên kết đơn nên không trùng hợp được.
Số trên đáy chai nhựa có phải là mức độ an toàn không?
Không. Đó là mã nhận diện loại nhựa để phân loại khi tái chế, từ 1 là PET đến 7 là nhóm khác. Việc dùng được cho đồ nóng hay lò vi sóng phải theo hướng dẫn và ký hiệu riêng của nhà sản xuất trên sản phẩm.
Nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn khác nhau thế nào?
Nhựa nhiệt dẻo có mạch thẳng hoặc nhánh, đun nóng thì mềm và có thể tạo hình lại, như PE, PP, PVC. Nhựa nhiệt rắn có cấu trúc mạng không gian, đã đóng rắn thì không nóng chảy lại được, như nhựa phenol fomanđehit.
Vì sao cao su phải lưu hoá?
Cao su sống có các mạch rời nhau nên dính khi nóng, giòn khi lạnh và kém bền. Lưu hoá tạo cầu nối lưu huỳnh giữa các mạch, biến cao su thành mạng lưới đàn hồi, chịu nhiệt và chịu mài mòn tốt hơn, dùng được cho lốp xe và đồ gia dụng.
Tơ nilon-6,6 được tạo ra bằng phản ứng gì?
Bằng phản ứng trùng ngưng giữa axit ađipic và hexametylenđiamin, mỗi lần nối một liên kết amit thì tách ra một phân tử nước. Tơ nilon-6,6 dai, bền, dùng làm vải, dây dù và lưới đánh cá.