Polyme | Khái niệm hoá học

1. Polime là gì?

Khái niệm polime thường mang ý nghĩa chỉ những chất cao phân tử tổng hợp từ những đơn vị phân tử nhỏ (monome). Hiện danh từ polime cũng được dùng chỉ chung cho các hợp chất có khối lượng phân tử cao.

Mỗi đơn vị mắt xích của polime có thể tương đương hoặc gần tương đương với monome. 

Thí dụ. chất polime poli(vinyl clorua), (C₂H₃Cl)_n, mỗi đơn vị mắt xích -CH₂-CH-Cl- tương đương với monome vinyl clorua CH₂=CH-Cl.

Hệ số n trong công thức của polime xác định số lượng đơn vị mắt xích rong mỗi phân tử polime gọi là hệ số polime hóa hay đội polime hóa.

Tích số của khối lượng một đơn vị mắt xích trong phân tử polime với độ polime hóa là khối lượng phân tử của polime. Độ polime hóa càng lớn, polime có khối lượng phân tử càng cao.

Tuy nhiên, vì số lượng các monome trong phân tử polime thay đổi nên mỗi mẫu của một polime thường bao gồm hỗn hợp các phân tử đồng đẳng của polime có khối lượng phân tử khác nhau. Do đó, khối lượng phân tử của một hợp chất polime không phải là một hằng số xác định mà chỉ là một đại lượng thống kê trung bình.

Khối lượng phân tử polyme:

M = n.m

trong đó

M: khối lượng phân tử polyme

m: khối lượng của một đơn vị monome

n: hệ số trùng hợp hoặc hệ số trùng ngưng

Trong khoa học nghiên cứu polyme, người ta thường sử dụng 2 khái niệm khác của khối lượng phân tử:

+ Khối lượng phân tử trung bình số (the number average molecular mass):

+ Khối lượng phân tử trung bình khối (the weight average molecular mass):

2. Phân loại

a. Xuất phát từ nguồn gốc, có thể phân chia các hợp chất polime thành

- Polime thiên nhiên: lấy từ các vật liệu có trong thiên nhiên như cao su thiên nhiên, tinh bột, xenlulozơ, protein...

- Polime tổng hợp: do con người tổng hợp từ các monome, ví dụ polietilen, polistiren,..

- Polime bán tổng hợp (polime nhân tạo): được tổng hợp bằng cách biến tính hóa học các polime thiên nhiên như tơ visco, tơ xenlulozơ axetat,...

b. Xuất phát từ sự điều chế các polime, có thể chia các polime thành 3 nhóm chính:

- Loại polime được điều chế bằng phản ứng trùng hợp

Thí dụ, poli(vinylclorua) được điều chế bằng phản ứng trùng hợp monome vinyl clorua:

Polime thuộc loại này có thành phần giống như monome

- Loại polime được điều chế bằng phản ứng trùng cộng hợp

Thí dụ, Cao su buna S, được điều chế bằng phản ứng cộng trùng hợp:

Polime thuộc loại này cũng có thành phần như các monome

- Loại polime được điều chế bằng phản ứng trùng ngưng

Thí dụ, nilon - 7 được điều chế bằng phản ứng trùng ngưng axit ω-aminoenantoic

Polime thuộc loại này có thành phần khác với thành phần của monome, vì phản ứng trùng ngưng còn tạo thành những phân tử đơn giản như H₂O

c. Xuất phát từ số loại monome tạo nên polime, có thể phân polime thành hai loại

- Homopolime, được tổng hợp chỉ từ một loại monome

Thí dụ: polietilen; polistiren,...

- Copolime, được tổng hợp từ hai hay nhiều loại monome 

Thí dụ: Cao su buna-S là sản phẩm trùng hợp có xúc tác của buta-1,3-dien và stiren.

d. Dựa vào cấu trúc mạch chính, các polime được chia thành 3 loại

- Polime đồng mạch: Mạch chính chỉ gồm một loại nguyên tử, chẳng hạn chỉ từ nguyên tử C, ta có loại polime mạch cacbon. Các nguyên tử C của mạch chính có thể liên kết với H hoặc với các nguyên tử hay nhóm nguyên tử bất kì.

Tên gọi của polime mạch cacbon lấy từ tên gọi của monome ban đầu dùng để tổng hợp và trở thành mắt xích cơ sở trong phân tử polime, cộng thêm tiếp đầu ngữ poli-. Thí dụ, polime từ etilen gọi là polietilen, từ stiren gọi là polistiren...

Nếu các mắt xích có nhóm thế hoặc có hai loại mắt xích khác nhau thì tên các monome phải để trong ngoặc sau chữ poli. Thí du, poli(Vinyl clorua)..

- Polime dị mạch

Là loại polime mà phân tử có mạch chính được cấu tạo bởi hai hay nhiều loại nguyên tử khác nhau, chẳng hạn cacbon và oxi, cacbon và nito, cacbon và lưu huỳnh...

Thí dụ: PoliHidrazit;  Polisunfon...

- Polime có hệ thống liên kết liên hợp

Loại polime này chứa một hệ thống liên tục các liên kết liên hợp dọc theo toàn bộ mạch phân tử, hoặc trên những đoạn khá lớn của mạch polime

Thí dụ, poliphenylen; polibenzimidazol,...

3. Tính chất vật lý

Polyme có 2 tính chất chính:

- Thường là chất rắn, không bay hơi.

- Hầu hết Polyme không tan trong nước hoặc các dung môi thông thường. Một số polime tan được trong axeton (thí dụ, xenluloit - nhựa bóng bàn); xăng (thí dụ cao su thô),...

4. Ứng dụng

Polime được ứng dụng trong đời sống và trong kĩ thuật dưới những dạng khác nhau, phổ biến là chất dẻo, cao su, tơ.

5. Một số polime tiêu biểu

a. Tơ

Tơ cũng gồm có hai loại: loại tơ tự nhiên và loại tơ hóa học.

Tơ tự nhiên là tơ có sẵn trong tự nhiên như bông, tơ tằm.

Tơ hóa học gồm 2 nhóm:

-Tơ tổng hợp(chế tạo từ polyme tổng hợp) như các loại poliamit (nilon 6),tơ vinylic(nitron)...

-Tơ bán tổng hợp (tơ nhân tạo):Chế tạo từ các polyme thiên nhiên thông qua một số phương trình hóa học. VD: tơ visco, xenlulozơ axetat

Tơ hóa học thường có ưu điểm là bền, đẹp, phơi mau khô,...

b. Cao su

Cao su có hai loại:

Cao su tự nhiên được lấy từ nhựa của cây cao su.

Cao su tổng hợp được chế ra từ các chất đơn giản

Thí dụ: Cao su Buna được điều chế từ butadien

c. Celluloid

Năm 1869, Hai - ớt (John Wesley Hyatt), một công nhân in ấn và một nhà phát minh ở New York, dựa trên một bằng sáng chế, trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu vật liệu thay thế ngà voi (trong thời kỳ đó được dùng làm bóng bàn bi-a), đã thành công sáng chế ra vật liệu mới celluloid. Celluloid được chế tạo từ nitrocellulose, cồn và long não (camphor). Celluloid được coi là một trong những loại nhựa tổng hợp nhân tạo đầu tiên và được phổ biến rộng rãi trong những đầu tiên được sản xuất, tuy nhiên c không còn được sản xuất rộng rãi vì quá trình sản xuất ra sản phẩm này không an toàn.