Bạn hãy nhìn chiếc áo thun mình đang mặc, tờ giấy trong vở hay khúc gỗ trong sân trường. Ba thứ tưởng như chẳng liên quan gì đến nhau ấy lại có chung một thành phần chính: cellulose. Cellulose là chất tạo nên thành tế bào thực vật, chiếm phần lớn khối lượng của gỗ, bông và giấy. Nó cũng là một phân tử khổng lồ giống như tinh bột, được tạo thành từ hàng nghìn mắt xích nối với nhau. Nhưng vì sao cơ thể bạn tiêu hóa được cơm mà lại không tiêu hóa được giấy, dù cả hai đều làm từ những mắt xích giống hệt nhau? Câu trả lời nằm ở cách các mắt xích nối với nhau — và bài này sẽ giúp bạn tính được số mắt xích của cellulose, đồng thời hiểu vì sao nó bền đến vậy.
Cellulose và tinh bột là hai anh em sinh đôi: cùng có công thức tổng quát (C₆H₁₀O₅)n, cùng một loại mắt xích, cùng dùng một công thức tính số mắt xích. Điểm khác biệt duy nhất nằm ở liên kết giữa các mắt xích: tinh bột dùng liên kết α-1,4-glycoside còn cellulose dùng liên kết β-1,4-glycoside. Chỉ một chữ α và β khác nhau, nhưng nó khiến các chuỗi cellulose xếp thẳng hàng, kết chặt với nhau bằng liên kết hiđro, tạo thành sợi rất bền mà enzim trong cơ thể người không phá vỡ được. Vì vậy bạn ăn cơm thì no, còn ăn giấy thì không — dù về mặt hóa học, cả hai đều là chuỗi glucose.
Cellulose dài bao nhiêu: công thức tính số mắt xích
Cellulose có công thức tổng quát là (C₆H₁₀O₅)n, trong đó n là số mắt xích, mỗi mắt xích là một đơn vị C₆H₁₀O₅ có khối lượng mol bằng 162 gam trên mol. Khối lượng mol của cả phân tử cellulose bằng 162 nhân với số mắt xích, tức là M(cellulose) = 162 × n. Từ đó bạn suy ra công thức tính số mắt xích: n = M(cellulose) / 162. Công thức này giống hệt công thức tính số mắt xích của tinh bột, vì hai chất có cùng loại mắt xích. Bạn chỉ cần nhớ mẫu số 162 và thực hiện một phép chia duy nhất.
Số mắt xích của cellulose thường rất lớn, lớn hơn nhiều so với tinh bột. Trong bông, mỗi phân tử cellulose có thể chứa từ 10.000 đến 15.000 mắt xích, còn trong gỗ con số này có thể lên tới hàng chục nghìn. Chính vì chuỗi dài như vậy mà các phân tử cellulose xếp song song với nhau, tạo thành những sợi có độ bền cơ học rất cao — đó là lí do gỗ cứng, vải bông dai và giấy khó xé theo chiều ngang sợi. Khi đề bài cho khối lượng mol của cellulose là 1.620.000 gam trên mol, bạn chia cho 162 sẽ được 10.000 mắt xích, một con số điển hình cho cellulose trong bông.
Bạn hãy chú ý một điểm quan trọng: khối lượng mol của cellulose không phải là một hằng số cố định. Tùy thuộc vào nguồn gốc — bông, gỗ, đay hay giấy — mà mỗi mẫu cellulose có khối lượng mol khác nhau, tức là số mắt xích khác nhau. Trong bài tập, đề bài sẽ cho cụ thể khối lượng mol của mẫu đang xét, và nhiệm vụ của bạn là chia cho 162. Nếu đề bài cho số mắt xích và hỏi khối lượng mol, bạn làm ngược lại: nhân số mắt xích với 162. Hai chiều của công thức đều chỉ là một phép tính, nhưng bạn phải đọc kĩ đề để biết mình đang cần tìm đại lượng nào.
Một ứng dụng thực tế của việc tính số mắt xích cellulose là sản xuất giấy và vải sợi. Người ta cần biết độ dài trung bình của chuỗi cellulose để đánh giá chất lượng nguyên liệu: chuỗi càng dài thì sợi càng bền, giấy càng dai và vải càng chắc. Trong công nghiệp, cellulose còn được dùng để sản xuất tơ visco, thuốc súng không khói và nhiều loại vật liệu khác. Hiểu được số mắt xích, bạn sẽ hiểu vì sao cùng là cellulose mà bông mềm mại còn gỗ thì cứng rắn — một phần là do số mắt xích và cách sắp xếp của chúng khác nhau.
Bốn bài toán mẫu tính từng bước
Ví dụ 1 (dùng đúng số liệu mẫu): Một phân tử cellulose trong sợi bông có khối lượng mol bằng 1.620.000 gam trên mol. Tính số mắt xích của phân tử cellulose đó.
Bạn áp dụng công thức n = M / 162 = 1.620.000 / 162 = 10.000. Vậy phân tử cellulose này có 10.000 mắt xích. Bạn hãy hình dung một chuỗi dài 10.000 đơn vị glucose nối tiếp nhau — nếu mỗi mắt xích dài khoảng 1 nanomet thì cả chuỗi dài tới 10 micromet, đủ dài để nhìn thấy dưới kính hiển vi quang học. Đó là kích thước điển hình của một phân tử cellulose trong bông tự nhiên.
Ví dụ 2 (khối lượng mol nhỏ hơn): Một mẫu cellulose có khối lượng mol bằng 810.000 gam trên mol. Tính số mắt xích của mẫu cellulose này.
Bạn làm tương tự ví dụ 1: n = 810.000 / 162 = 5.000 mắt xích. Vậy mẫu cellulose này có 5.000 mắt xích, bằng một nửa số mắt xích của phân tử trong ví dụ 1. Bạn thấy quy luật: khối lượng mol tỉ lệ thuận với số mắt xích, khối lượng mol giảm một nửa thì số mắt xích cũng giảm một nửa. Khi cần kiểm tra lại phép tính, bạn có thể nhờ máy tính Casio online trên ClassOn hỗ trợ.
Ví dụ 3 (tính ngược từ số mắt xích): Một phân tử cellulose có 2.000 mắt xích. Tính khối lượng mol của phân tử cellulose đó.
Bạn dùng công thức M = 162 × n = 162 × 2.000 = 324.000 gam trên mol. Vậy khối lượng mol của phân tử cellulose này bằng 324.000 gam trên mol. Dạng bài tính ngược này thường xuất hiện khi đề bài mô tả độ dài chuỗi cellulose rồi hỏi khối lượng mol, hoặc khi so sánh hai mẫu cellulose có số mắt xích khác nhau. Bạn chỉ cần nhớ: muốn tìm n thì chia cho 162, muốn tìm M thì nhân với 162.
Ví dụ 4 (thủy phân cellulose): Thủy phân hoàn toàn 16,2 gam cellulose có khối lượng mol bằng 1.620.000 gam trên mol. Tính khối lượng glucose thu được.
Trước hết bạn tính số mol cellulose: n(cellulose) = 16,2 / 1.620.000 = 0,00001 mol, tức là 1 × 10⁻⁵ mol. Mỗi phân tử cellulose có 10.000 mắt xích, nên số mol mắt xích bằng 10.000 × 1 × 10⁻⁵ = 0,1 mol. Mỗi mắt xích thủy phân cho 1 phân tử glucose, nên số mol glucose thu được bằng 0,1 mol, khối lượng bằng 0,1 × 180 = 18 gam. Bạn thấy khối lượng glucose thu được là 18 gam, lớn hơn 16,2 gam cellulose ban đầu, vì mỗi mắt xích đã nhận thêm một phân tử nước. Cách tính nhanh: khối lượng glucose bằng khối lượng cellulose nhân với 180 / 162, tức là 16,2 × 180 / 162 = 18 gam. Trong thực tế, việc thủy phân cellulose rất khó vì liên kết β bền và các sợi xếp chặt, cần axit đặc và nhiệt độ cao hoặc enzim đặc biệt mới phá vỡ được.
Năm lỗi sai thường gặp — và cách tránh
Lỗi 1: Chia cho 180 thay vì 162.
Nhiều bạn nhớ khối lượng mol của glucose là 180 rồi lấy luôn con số đó làm mẫu số. Cách tránh: bạn hãy nhớ mắt xích của cellulose là C₆H₁₀O₅, đã mất một phân tử nước so với glucose, nên khối lượng mol của mắt xích chỉ còn 162. Viết rõ dòng M(mắt xích) = 162 ra giấy nháp trước khi tính sẽ giúp bạn không nhầm.
Lỗi 2: Cho rằng cellulose và tinh bột có công thức tính khác nhau.
Nhiều bạn lo lắng vì hai chất có tên khác nhau nên công thức tính số mắt xích cũng phải khác nhau. Cách tránh: bạn hãy nhớ cả hai đều là (C₆H₁₀O₅)n, cùng mắt xích, cùng mẫu số 162. Điểm khác nhau duy nhất là loại liên kết glycoside — α ở tinh bột và β ở cellulose — chứ không phải công thức tính. Nếu muốn ôn lại tinh bột, bạn hãy xem bài tính số mắt xích tinh bột.
Lỗi 3: Nhầm số mắt xích với số mol cellulose.
Nhiều bạn tính ra n = 10.000 rồi viết "số mol cellulose bằng 10.000 mol". Cách tránh: bạn hãy phân biệt rõ — n là số mắt xích trong một phân tử, là số đếm không có đơn vị; còn số mol cellulose phải tính bằng khối lượng chia cho khối lượng mol của cả phân tử, thường là một con số rất nhỏ như 1 × 10⁻⁵ mol.
Lỗi 4: Tính khối lượng glucose thủy phân bằng khối lượng cellulose ban đầu.
Nhiều bạn cho rằng thủy phân 16,2 gam cellulose thì thu được 16,2 gam glucose. Cách tránh: bạn hãy nhớ mỗi mắt xích nhận thêm một phân tử nước, nên khối lượng glucose luôn lớn hơn khối lượng cellulose theo tỉ lệ 180 / 162. Bạn có thể kiểm tra nhanh: nếu kết quả nhỏ hơn hoặc bằng khối lượng ban đầu thì chắc chắn đã sai.
Lỗi 5: Nghĩ rằng cơ thể người tiêu hóa được cellulose vì nó giống tinh bột.
Nhiều bạn suy luận rằng cellulose cũng là chuỗi glucose nên ăn vào sẽ tiêu hóa như cơm. Cách tránh: bạn hãy nhớ enzim amylase trong cơ thể chỉ cắt được liên kết α-1,4-glycoside của tinh bột, còn liên kết β-1,4-glycoside của cellulose thì không cắt được. Vì vậy cellulose đi qua hệ tiêu hóa gần như nguyên vẹn và được gọi là chất xơ, có tác dụng tốt cho tiêu hóa nhưng không cung cấp năng lượng.
Năm bài tập tự luyện
Hãy làm 5 bài tập sau đây rồi đối chiếu với bảng đáp án bên dưới. Nhớ mẫu số là 162 và phân biệt rõ số mắt xích với số mol.
Câu 1: Một phân tử cellulose có khối lượng mol bằng 1.620.000 gam trên mol. Số mắt xích của phân tử cellulose đó bằng bao nhiêu?
A. 10.000
B. 9.000
C. 1.000
D. 16.200
Câu 2: Một mẫu cellulose có khối lượng mol bằng 810.000 gam trên mol. Số mắt xích của mẫu cellulose này bằng bao nhiêu?
A. 10.000
B. 4.500
C. 5.000
D. 8.100
Câu 3: Một phân tử cellulose có 3.000 mắt xích. Khối lượng mol của phân tử cellulose đó bằng bao nhiêu?
A. 486.000 gam trên mol
B. 540.000 gam trên mol
C. 300.000 gam trên mol
D. 480.000 gam trên mol
Câu 4: Thủy phân hoàn toàn 32,4 gam cellulose, thu được bao nhiêu gam glucose?
A. 32,4 gam
B. 36 gam
C. 30 gam
D. 29,16 gam
Câu 5: Điểm khác biệt quan trọng nhất giữa cellulose và tinh bột là gì?
A. Cellulose có mắt xích nặng hơn tinh bột
B. Cellulose dùng liên kết β-1,4-glycoside còn tinh bột dùng liên kết α-1,4-glycoside
C. Cellulose không chứa nguyên tử cacbon
D. Cellulose có số mắt xích luôn nhỏ hơn tinh bột
| Câu | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Đáp án | A | C | A | B | B |
Giải thích Câu 1 — Đáp án A (10.000) đúng: Số mắt xích bằng n = 1.620.000 / 162 = 10.000. Đáp án B (9.000) sai vì 9.000 = 1.620.000 / 180 — bạn đã chia cho khối lượng mol của glucose. Đáp án C (1.000) sai vì 1.000 ứng với khối lượng mol 162.000 — bạn đã lấy thiếu một số 0. Đáp án D (16.200) sai vì không có cơ sở nào cho ra 16.200.
Giải thích Câu 2 — Đáp án C (5.000) đúng: Số mắt xích bằng n = 810.000 / 162 = 5.000. Đáp án A (10.000) sai vì 10.000 ứng với khối lượng mol 1.620.000, gấp đôi số liệu đề cho. Đáp án B (4.500) sai vì 4.500 = 810.000 / 180 — bạn đã chia cho 180. Đáp án D (8.100) sai vì không có cơ sở nào cho ra 8.100.
Giải thích Câu 3 — Đáp án A (486.000 gam trên mol) đúng: Khối lượng mol bằng M = 162 × 3.000 = 486.000 gam trên mol. Đáp án B (540.000) sai vì 540.000 = 180 × 3.000 — bạn đã nhân với 180. Đáp án C (300.000) sai vì bạn lấy số mắt xích nhân với 100. Đáp án D (480.000) sai vì 480.000 = 160 × 3.000 — bạn đã lấy sai khối lượng mol mắt xích.
Giải thích Câu 4 — Đáp án B (36 gam) đúng: Khối lượng glucose bằng 32,4 × 180 / 162 = 36 gam. Đáp án A (32,4 gam) sai vì bạn cho rằng khối lượng glucose bằng khối lượng cellulose, quên mất mỗi mắt xích nhận thêm một phân tử nước. Đáp án C (30 gam) sai vì không có cơ sở nào cho ra 30. Đáp án D (29,16 gam) sai vì 29,16 = 32,4 × 162 / 180 — bạn đã nhân chia ngược, tức là trừ đi khối lượng nước thay vì cộng thêm.
Giải thích Câu 5 — Đáp án B đúng: Cellulose dùng liên kết β-1,4-glycoside còn tinh bột dùng liên kết α-1,4-glycoside, chính điểm khác này làm cho cellulose bền và cơ thể người không tiêu hóa được. Đáp án A sai vì mắt xích của hai chất đều là C₆H₁₀O₅, cùng nặng 162 gam trên mol. Đáp án C sai vì cellulose chứa rất nhiều nguyên tử cacbon. Đáp án D sai vì số mắt xích của cellulose thường lớn hơn chứ không nhỏ hơn tinh bột.
Câu hỏi thường gặp về số mắt xích cellulose
Hỏi: Vì sao giấy làm từ cellulose mà lại dai và khó xé?
Đáp: Vì các chuỗi cellulose rất dài, có tới hàng nghìn mắt xích, và chúng xếp song song với nhau, liên kết với nhau bằng nhiều liên kết hiđro. Cấu trúc này tạo thành sợi có độ bền cơ học cao. Khi bạn xé giấy, bạn phải phá vỡ hàng loạt liên kết hiđro giữa các sợi, nên giấy dai hơn nhiều so với vẻ ngoài mỏng manh của nó.
Hỏi: Bông và gỗ đều chứa cellulose, vì sao bông mềm còn gỗ cứng?
Đáp: Vì cách sắp xếp của cellulose khác nhau. Trong bông, các sợi cellulose gần như tinh khiết và xếp song song, tạo thành sợi mềm mại. Trong gỗ, cellulose kết hợp với lignin — một chất như keo gắn các sợi lại với nhau thành khối cứng. Ngoài ra số mắt xích và mức độ kết tinh của cellulose trong gỗ cũng khác với trong bông.
Hỏi: Con bò ăn cỏ tiêu hóa cellulose bằng cách nào?
Đáp: Dạ dày của bò chứa vi sinh vật có enzim cellulase, loại enzim cắt được liên kết β-1,4-glycoside của cellulose. Vi sinh vật phân giải cellulose thành glucose rồi lên men tiếp, bò hấp thụ sản phẩm lên men đó. Cơ thể người không có vi sinh vật này với số lượng đủ lớn và không có enzim cellulase, nên chúng ta không tiêu hóa được cellulose.
Hỏi: Thủy phân cellulose trong công nghiệp dùng để làm gì?
Đáp: Thủy phân cellulose thu được glucose, từ glucose người ta lên men thành ethanol để làm nhiên liệu sinh học, hoặc sản xuất các hóa chất khác. Đây là hướng nghiên cứu quan trọng vì cellulose có sẵn rất nhiều trong phế phẩm nông nghiệp như rơm rạ, bã mía và mùn cưa. Tuy nhiên việc thủy phân cellulose khó hơn tinh bột nhiều vì cấu trúc sợi của nó rất bền.
Hỏi: Học bài này để làm gì trong các bài sau?
Đáp: Công thức n = M / 162 là mẫu chung cho mọi polymer: số mắt xích bằng khối lượng mol của polymer chia cho khối lượng mol của mắt xích. Bạn sẽ gặp lại cách tính này với polyethylene, PVC và mọi loại polymer khác trong chương trình lớp 12. Nếu muốn đi tiếp, bạn hãy xem bài tính số mắt xích polymer.
Kết luận
Số mắt xích của cellulose cũng chỉ gói gọn trong một phép chia: n = M(cellulose) / 162, trong đó 162 là khối lượng mol của mắt xích C₆H₁₀O₅. Bạn hãy nhớ ba điều: mẫu số là 162 chứ không phải 180, cellulose và tinh bột dùng chung một công thức tính vì có cùng mắt xích, và điểm làm nên sự khác biệt của cellulose là liên kết β-1,4-glycoside khiến nó bền và không tiêu hóa được. Làm xong 5 bài tập ở trên, bạn đã đủ tự tin để tính số mắt xích, khối lượng mol hay lượng glucose thủy phân trong bất kì bài toán cellulose nào — và hiểu thêm vì sao chiếc áo bông bạn mặc và tờ giấy bạn viết đều là những chuỗi phân tử dài hàng nghìn mắt xích.