Polymer là những hợp chất có phân tử khối rất lớn, do nhiều đơn vị nhỏ giống nhau lặp đi lặp lại nối với nhau tạo nên. Mỗi đơn vị lặp lại đó gọi là một mắt xích. Phân tử nhỏ ban đầu sinh ra mắt xích gọi là monomer.
Số mắt xích có trong một phân tử polymer gọi là hệ số polymer hoá, ký hiệu n. Vì n rất lớn và không giống nhau ở mọi phân tử nên polymer không có phân tử khối xác định, người ta chỉ nói tới phân tử khối trung bình. Quan hệ đơn giản nhưng phải nhớ kỹ:
n = (phân tử khối trung bình của polymer) : (phân tử khối của một mắt xích)
Ba khái niệm rất hay bị lẫn: monomer là chất phản ứng ban đầu, mắt xích là mảnh nằm trong mạch polymer, còn phân tử polymer là cả chuỗi. Với phản ứng trùng hợp, phân tử khối của mắt xích đúng bằng phân tử khối của monomer. Với phản ứng trùng ngưng, phân tử khối của mắt xích nhỏ hơn tổng phân tử khối các monomer đúng bằng khối lượng phần đã tách ra.
Trùng hợp là quá trình kết hợp nhiều monomer giống nhau hoặc tương tự nhau thành polymer, không có phân tử nhỏ nào tách ra. Điều kiện cần của monomer: trong phân tử phải có liên kết bội (C=C, C≡C) hoặc vòng kém bền có thể mở ra.
Trùng ngưng là quá trình kết hợp nhiều monomer thành polymer đồng thời giải phóng những phân tử nhỏ, thường là H2O. Điều kiện cần của monomer: trong phân tử phải có ít nhất hai nhóm chức có khả năng phản ứng với nhau, chẳng hạn hai nhóm –COOH và hai nhóm –NH2, hoặc nhóm –OH và nhóm –COOH.
Cách nhận biết nhanh gọn trong phòng thi: nhìn vào monomer. Có liên kết đôi và không có nhóm chức nào tách nước được thì là trùng hợp; có từ hai nhóm chức trở lên và sản phẩm kèm theo nước thì là trùng ngưng. Một dấu hiệu định lượng nữa: nếu khối lượng polymer đúng bằng khối lượng monomer đã phản ứng thì đó là trùng hợp; nếu nhỏ hơn thì phần hụt chính là nước tách ra, đó là trùng ngưng.
Hầu hết polymer là chất rắn, không bay hơi, không có nhiệt độ nóng chảy xác định mà nóng chảy trong một khoảng nhiệt độ khá rộng, do các phân tử trong mẫu có hệ số polymer hoá khác nhau. Đa số polymer không tan trong nước và trong các dung môi thông thường; một số tan được trong dung môi thích hợp và cho dung dịch nhớt.
Nhiều polymer có tính dẻo (polyethylene, poly(vinyl chloride)), một số có tính đàn hồi (cao su buna), một số kéo được thành sợi dai bền (nylon-6,6, tơ capron), một số trong suốt mà không giòn (poly(methyl methacrylate)), một số cách điện và cách nhiệt tốt nên dùng làm vật liệu kỹ thuật.
| Polymer | Monomer | Mắt xích | M mắt xích | Loại phản ứng |
|---|---|---|---|---|
| Polyethylene (PE) | CH2=CH2 | –CH2–CH2– | 28 | trùng hợp |
| Poly(vinyl chloride) (PVC) | CH2=CHCl | –CH2–CHCl– | 62,5 | trùng hợp |
| Polystyrene (PS) | C6H5–CH=CH2 | –CH2–CH(C6H5)– | 104 | trùng hợp |
| Poly(methyl methacrylate) (PMMA) | CH2=C(CH3)–COOCH3 | –CH2–C(CH3)(COOCH3)– | 100 | trùng hợp |
| Cao su buna | CH2=CH–CH=CH2 | –CH2–CH=CH–CH2– | 54 | trùng hợp |
| Nylon-6,6 | H2N–(CH2)6–NH2 và HOOC–(CH2)4–COOH | –NH–(CH2)6–NH–CO–(CH2)4–CO– | 226 | trùng ngưng |
| Tơ capron (nylon-6) | H2N–(CH2)5–COOH | –NH–(CH2)5–CO– | 113 | trùng ngưng |
Bốn dòng đầu và dòng cao su buna đều là trùng hợp, dễ nhận ra vì monomer nào cũng mang liên kết đôi C=C. Hai dòng cuối là trùng ngưng, monomer không có liên kết bội nhưng có hai nhóm chức. Riêng nylon-6,6 phải nhớ là nó cần hai monomer khác nhau: một diamine và một diacid; thiếu một trong hai thì không có mạch polyamide nào hình thành.
Công thức của một số polymer viết gọn theo mắt xích: PE là (–CH2–CH2–)n, PVC là (–CH2–CHCl–)n, cao su buna là (–CH2–CH=CH–CH2–)n. Chú ý cao su buna vẫn còn liên kết đôi trong mạch, đó là lý do nó lưu hoá được với lưu huỳnh.
Bước 1 — polyethylene. Monomer là ethylene CH2=CH2. Khi trùng hợp, liên kết đôi mở ra và các đơn vị nối tiếp nhau, mắt xích là –CH2–CH2–, công thức polymer viết gọn là (–CH2–CH2–)n. Phân tử khối mắt xích bằng 2 nhân 12 cộng 4 nhân 1, tức 24 cộng 4, bằng 28, đúng bằng phân tử khối của monomer.
Bước 2 — poly(vinyl chloride). Monomer là vinyl chloride CH2=CHCl. Mắt xích là –CH2–CHCl–, công thức polymer là (–CH2–CHCl–)n. Phân tử khối mắt xích bằng 2 nhân 12 cộng 3 nhân 1 cộng 35,5, tức 24 cộng 3 cộng 35,5, bằng 62,5.
Bước 3 — polystyrene. Monomer là styrene C6H5–CH=CH2. Mắt xích là –CH2–CH(C6H5)–. Phân tử khối mắt xích bằng 8 nhân 12 cộng 8 nhân 1, tức 96 cộng 8, bằng 104.
Nhận xét chung: cả ba đều điều chế bằng phản ứng trùng hợp, dấu hiệu là monomer nào cũng có một liên kết đôi C=C và phản ứng không tách ra chất nào. Vì thế phân tử khối của mắt xích luôn đúng bằng phân tử khối của monomer, và khối lượng polymer thu được đúng bằng khối lượng monomer đã phản ứng.
Trường hợp thứ nhất — cao su buna. Monomer là buta-1,3-diene CH2=CH–CH=CH2, phân tử có hai liên kết đôi. Khi trùng hợp, hai liên kết đôi này sắp xếp lại thành một liên kết đôi ở giữa mắt xích, sản phẩm là (–CH2–CH=CH–CH2–)n. Phản ứng không giải phóng chất nào, phân tử khối mắt xích bằng 54, đúng bằng phân tử khối monomer.
Trường hợp thứ hai — nylon-6,6. Cần hai monomer khác nhau: hexamethylenediamine H2N–(CH2)6–NH2 có phân tử khối 116 và adipic acid HOOC–(CH2)4–COOH có phân tử khối 146. Nhóm –COOH của acid tách nước với nhóm –NH2 của amine tạo liên kết amide, mắt xích là –NH–(CH2)6–NH–CO–(CH2)4–CO–. Mỗi mắt xích sinh ra thì tách đi hai phân tử nước, nên phân tử khối mắt xích bằng 116 cộng 146 trừ 2 nhân 18, tức 262 trừ 36, bằng 226.
Dấu hiệu phân biệt. Thứ nhất, nhìn monomer: có liên kết bội hoặc vòng kém bền thì là trùng hợp; có từ hai nhóm chức trở lên phản ứng được với nhau thì là trùng ngưng. Thứ hai, nhìn sản phẩm: trùng hợp chỉ cho polymer, trùng ngưng luôn kèm theo phân tử nhỏ tách ra. Thứ ba, nhìn khối lượng: trùng hợp bảo toàn khối lượng giữa monomer và polymer, còn trùng ngưng thì khối lượng polymer nhỏ hơn tổng khối lượng monomer đúng bằng khối lượng nước đã tách.
Bước 1 — xác định mắt xích. Poly(methyl methacrylate) điều chế bằng phản ứng trùng hợp methyl methacrylate CH2=C(CH3)–COOCH3. Vì là trùng hợp nên mắt xích –CH2–C(CH3)(COOCH3)– có cùng công thức phân tử với monomer, đó là C5H8O2.
Bước 2 — tính phân tử khối mắt xích. Lấy 5 nhân 12 bằng 60, cộng 8 nhân 1 bằng 8, cộng 2 nhân 16 bằng 32. Tổng là 60 cộng 8 cộng 32, bằng 100.
Bước 3 — tính hệ số polymer hoá. Hệ số polymer hoá bằng phân tử khối trung bình của polymer chia phân tử khối của mắt xích, tức 250 000 chia 100, bằng 2 500. Nghĩa là trung bình mỗi phân tử polymer gồm 2 500 mắt xích nối tiếp nhau.
Bước 4 — tính khối lượng monomer. Phản ứng trùng hợp không tách ra chất nào nên khối lượng polymer thu được đúng bằng khối lượng monomer đã phản ứng. Với hiệu suất 100%, muốn có 1 kg polymer thì cần đúng 1 kg monomer.
Lưu ý quan trọng: kết luận ở bước 4 chỉ đúng cho phản ứng trùng hợp. Nếu là trùng ngưng thì khối lượng monomer phải lớn hơn khối lượng polymer, phần dôi ra chính là khối lượng nước đã tách đi.