Bạn hãy nhìn quanh mình: túi nilon đựng đồ, chai nước nhựa, ống nước trong nhà, vỏ bọc dây điện, chiếc áo mưa — tất cả đều làm từ polymer, những phân tử khổng lồ được tạo thành từ hàng nghìn mắt xích nhỏ giống hệt nhau nối tiếp nhau. Một phân tử polymer có thể dài gấp hàng nghìn lần phân tử nước, và độ dài đó quyết định chất nhựa cứng hay mềm, dai hay giòn, dùng làm túi mỏng hay làm ống nước chịu lực. Đếm xem một phân tử polymer có bao nhiêu mắt xích chính là bài toán mà bài này sẽ giúp bạn giải quyết, chỉ bằng một phép chia rất đơn giản — và đó cũng là bài toán tổng kết cho cả loạt công thức về số mắt xích mà bạn đã học từ tinh bột, cellulose đến polymer.
Polymer được tạo thành từ phản ứng polymer hóa, trong đó nhiều phân tử nhỏ gọi là monomer nối với nhau thành một chuỗi dài. Số mắt xích trong chuỗi, còn gọi là hệ số polymer hóa, kí hiệu là n, cho biết có bao nhiêu monomer đã tham gia tạo thành một phân tử polymer. Khối lượng mol của polymer bằng khối lượng mol của một monomer nhân với số mắt xích, tức là M(polymer) = n × M(monomer). Từ đó bạn suy ra công thức tính số mắt xích: n = M(polymer) / M(monomer). Chỉ một phép chia duy nhất, nhưng bạn phải xác định đúng khối lượng mol của monomer — và đó là bước nhiều bạn hay nhầm lẫn nhất.
Số mắt xích polymer tính như thế nào
Công thức tính số mắt xích, hay hệ số polymer hóa, của một polymer viết như sau: n = M(polymer) / M(monomer). Trong đó M(polymer) là khối lượng mol của cả phân tử polymer, M(monomer) là khối lượng mol của một đơn vị monomer, còn n là số mắt xích trong phân tử. Khi đề bài cho khối lượng mol của polymer, bạn chia cho khối lượng mol của monomer là ra số mắt xích. Khi đề bài cho số mắt xích, bạn nhân với khối lượng mol của monomer là ra khối lượng mol của polymer. Công thức chỉ có vậy, nhưng điều quan trọng là bạn phải nhớ đúng khối lượng mol của từng loại monomer quen thuộc.
Bạn hãy ghi nhớ khối lượng mol của một số monomer thường gặp trong chương trình lớp 12. Etilen C₂H₄ có M = 28, dùng để tạo polyethylene, loại nhựa làm túi nilon và chai nhựa. Propilen C₃H₆ có M = 42, dùng để tạo polypropylene, loại nhựa làm hộp đựng thực phẩm và sợi dệt. Vinyl chloride C₂H₃Cl có M = 62,5, dùng để tạo PVC, loại nhựa làm ống nước và vỏ bọc dây điện. Styrene C₈H₈ có M = 104, dùng để tạo polystyrene, loại nhựa làm hộp xốp và đồ dùng một lần. Chỉ cần thuộc bốn con số 28, 42, 62,5 và 104 là bạn giải được hầu hết bài tập về số mắt xích polymer trong đề thi.
Một điểm bạn cần lưu ý là khối lượng mol của polymer không phải là một hằng số cố định như khối lượng mol của nước hay glucose. Tùy thuộc vào điều kiện polymer hóa mà mỗi mẻ nhựa có độ dài chuỗi trung bình khác nhau, nên người ta thường nói khối lượng mol trung bình của polymer. Trong bài tập, đề bài sẽ cho cụ thể khối lượng mol của mẫu polymer đang xét, và nhiệm vụ của bạn là chia cho khối lượng mol của monomer. Nếu đề bài cho số mắt xích và hỏi khối lượng mol, bạn làm ngược lại: nhân số mắt xích với khối lượng mol của monomer.
Công thức tính số mắt xích polymer thực ra là công thức tổng quát cho mọi polymer, kể cả polymer thiên nhiên như tinh bột và cellulose. Với tinh bột và cellulose, mắt xích là C₆H₁₀O₅ có khối lượng mol bằng 162, nên công thức trở thành n = M / 162 — đúng như bạn đã học trong hai bài trước. Với polyethylene, mắt xích là C₂H₄ có khối lượng mol bằng 28, nên công thức trở thành n = M / 28. Bạn thấy đấy: chỉ cần thay khối lượng mol của mắt xích là công thức dùng được cho mọi loại polymer, từ nhựa tổng hợp đến cacbohiđrat thiên nhiên. Nếu muốn ôn lại tinh bột, bạn hãy xem bài tính số mắt xích tinh bột.
Bốn bài toán mẫu tính từng bước
Ví dụ 1 (dùng đúng số liệu mẫu): Một mẫu polyethylene (C₂H₄)n có khối lượng mol bằng 28.000 gam trên mol. Tính số mắt xích của mẫu polymer này.
Khối lượng mol của monomer etilen C₂H₄ bằng 2 × 12 + 4 × 1 = 28 gam trên mol. Bạn áp dụng công thức n = M(polymer) / M(monomer) = 28.000 / 28 = 1.000. Vậy mẫu polyethylene này có 1.000 mắt xích. Bạn hãy hình dung một chuỗi dài 1.000 đơn vị etilen nối tiếp nhau — đó là một phân tử có kích thước rất lớn so với các phân tử nhỏ, và chính độ dài này làm cho túi nilon dai và khó rách dù rất mỏng.
Ví dụ 2 (nhựa PVC): Một mẫu nhựa PVC (C₂H₃Cl)n có khối lượng mol bằng 62.500 gam trên mol. Tính số mắt xích của mẫu polymer này.
Khối lượng mol của monomer vinyl chloride C₂H₃Cl bằng 2 × 12 + 3 × 1 + 35,5 = 24 + 3 + 35,5 = 62,5 gam trên mol. Bạn áp dụng công thức n = 62.500 / 62,5 = 1.000. Vậy mẫu nhựa PVC này có 1.000 mắt xích. Bạn hãy để ý: dù khối lượng mol của PVC là 62.500, lớn hơn nhiều so với 28.000 của polyethylene trong ví dụ 1, số mắt xích vẫn bằng 1.000 vì monomer của PVC nặng hơn. 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 mẫu polystyrene (C₈H₈)n có 500 mắt xích. Tính khối lượng mol của mẫu polymer này.
Khối lượng mol của monomer styrene C₈H₈ bằng 8 × 12 + 8 × 1 = 96 + 8 = 104 gam trên mol. Bạn dùng công thức M = n × M(monomer) = 500 × 104 = 52.000 gam trên mol. Vậy khối lượng mol của mẫu polystyrene này bằng 52.000 gam trên mol. Dạng bài tính ngược này thường xuất hiện khi đề bài mô tả độ dài chuỗi polymer rồi hỏi khối lượng mol, hoặc khi so sánh hai mẫu polymer có số mắt xích khác nhau.
Ví dụ 4 (nhựa polypropylene): Một mẫu polypropylene (C₃H₆)n có khối lượng mol bằng 84.000 gam trên mol. Tính số mắt xích của mẫu polymer này.
Khối lượng mol của monomer propilen C₃H₆ bằng 3 × 12 + 6 × 1 = 36 + 6 = 42 gam trên mol. Bạn áp dụng công thức n = 84.000 / 42 = 2.000. Vậy mẫu polypropylene này có 2.000 mắt xích. Bạn thấy polypropylene có số mắt xích gấp đôi polyethylene trong ví dụ 1 dù khối lượng mol chỉ gấp ba lần — vì monomer propilen nặng hơn monomer etilen. So sánh như vậy giúp bạn hiểu vì sao cùng một khối lượng mol mà các loại nhựa khác nhau lại có số mắt xích khác nhau.
Năm lỗi sai thường gặp — và cách tránh
Lỗi 1: Dùng sai khối lượng mol của monomer.
Nhiều bạn lấy khối lượng mol của polymer chia cho 28 trong mọi bài tập, dù polymer đang xét là PVC hay polystyrene. Cách tránh: bạn hãy xác định đúng loại polymer đề cho rồi tra khối lượng mol của monomer tương ứng — etilen 28, propilen 42, vinyl chloride 62,5, styrene 104. Viết rõ dòng M(monomer) = ... ra giấy nháp trước khi tính sẽ giúp bạn không nhầm.
Lỗi 2: Nhầm lẫn giữa số mắt xích và số mol polymer.
Nhiều bạn tính ra n = 1.000 rồi kết luận "có 1.000 mol polymer", trong khi 1.000 là số mắt xích trong một phân tử, không phải số mol. Cách tránh: bạn hãy luôn ghi rõ ý nghĩa — n là số mắt xích, là số đếm không có đơn vị; còn số mol polymer phải tính bằng khối lượng chia cho khối lượng mol của cả phân tử, thường là một con số rất nhỏ.
Lỗi 3: Tính khối lượng mol của monomer vinyl chloride sai.
Nhiều bạn tính M của C₂H₃Cl thành 62 hoặc 63 vì quên khối lượng nguyên tử của clo là 35,5 chứ không phải 35 hay 36. Cách tránh: bạn tính từng phần rồi cộng lại — 2 cacbon là 24, 3 hiđro là 3, 1 clo là 35,5, tổng là 62,5. Con số 35,5 là khối lượng nguyên tử trung bình của clo, bạn phải nhớ đúng nó.
Lỗi 4: Cho rằng mọi polymer đều có cùng một số mắt xích.
Nhiều bạn nghĩ polyethylene nào cũng có 1.000 mắt xích. Cách tránh: bạn hãy nhớ số mắt xích phụ thuộc vào khối lượng mol của từng mẫu polymer cụ thể, mỗi mẻ sản xuất có thể cho ra chuỗi dài ngắn khác nhau. Trong bài tập, đề bài luôn cho khối lượng mol cụ thể của mẫu đang xét, và nhiệm vụ của bạn là chia cho khối lượng mol của monomer.
Lỗi 5: Quên rằng công thức n = M / M(monomer) dùng được cho cả polymer thiên nhiên.
Nhiều bạn chỉ áp dụng công thức này cho nhựa tổng hợp mà quên mất tinh bột và cellulose cũng là polymer với mắt xích C₆H₁₀O₅ nặng 162 gam trên mol. Cách tránh: bạn hãy nhớ công thức này là tổng quát — chỉ cần biết khối lượng mol của mắt xích là áp dụng được cho mọi polymer. Nếu muốn ôn lại cellulose, bạn hãy xem bài tính số mắt xích cellulose.
Năm bài tập tự luyện
Hãy làm 5 bài tập sau đây rồi đối chiếu với bảng đáp án bên dưới. Nhớ xác định đúng khối lượng mol của monomer trước khi chia.
Câu 1: Một mẫu polyethylene (C₂H₄)n có khối lượng mol bằng 28.000 gam trên mol. Số mắt xích của mẫu polymer này bằng bao nhiêu?
A. 1.000
B. 2.000
C. 500
D. 28
Câu 2: Một mẫu nhựa PVC (C₂H₃Cl)n có khối lượng mol bằng 125.000 gam trên mol. Số mắt xích của mẫu polymer này bằng bao nhiêu?
A. 1.000
B. 2.000
C. 2.500
D. 1.500
Câu 3: Một mẫu polystyrene (C₈H₈)n có 250 mắt xích. Khối lượng mol của mẫu polymer này bằng bao nhiêu?
A. 52.000 gam trên mol
B. 26.000 gam trên mol
C. 25.000 gam trên mol
D. 104.000 gam trên mol
Câu 4: Một mẫu polypropylene (C₃H₆)n có khối lượng mol bằng 126.000 gam trên mol. Số mắt xích của mẫu polymer này bằng bao nhiêu?
A. 2.000
B. 4.500
C. 2.500
D. 3.000
Câu 5: Hệ số polymer hóa n của một phân tử polymer cho biết điều gì?
A. Số mắt xích monomer trong một phân tử polymer
B. Số mol polymer trong một gam mẫu
C. Khối lượng mol của monomer
D. Số liên kết đôi trong phân tử polymer
| Câu | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Đáp án | A | B | B | D | A |
Giải thích Câu 1 — Đáp án A (1.000) đúng: Khối lượng mol của monomer etilen bằng 28, số mắt xích bằng n = 28.000 / 28 = 1.000. Đáp án B (2.000) sai vì 2.000 ứng với khối lượng mol 56.000 — bạn đã lấy sai số liệu. Đáp án C (500) sai vì 500 ứng với khối lượng mol 14.000. Đáp án D (28) sai vì đó là khối lượng mol của monomer, không phải số mắt xích.
Giải thích Câu 2 — Đáp án B (2.000) đúng: Khối lượng mol của monomer vinyl chloride bằng 62,5, số mắt xích bằng n = 125.000 / 62,5 = 2.000. Đáp án A (1.000) sai vì 1.000 ứng với khối lượng mol 62.500 — bạn đã lấy sai số liệu. Đáp án C (2.500) sai vì 2.500 = 125.000 / 50 — bạn đã lấy sai khối lượng mol monomer. Đáp án D (1.500) sai vì không có cơ sở nào cho ra 1.500.
Giải thích Câu 3 — Đáp án B (26.000 gam trên mol) đúng: Khối lượng mol của monomer styrene bằng 104, khối lượng mol của polymer bằng M = 250 × 104 = 26.000 gam trên mol. Đáp án A (52.000) sai vì đó là khối lượng mol của mẫu có 500 mắt xích, gấp đôi số liệu đề cho. Đáp án C (25.000) sai vì 25.000 = 250 × 100 — bạn đã lấy khối lượng mol monomer là 100. Đáp án D (104.000) sai vì đó là khối lượng mol của mẫu có 1.000 mắt xích.
Giải thích Câu 4 — Đáp án D (3.000) đúng: Khối lượng mol của monomer propilen bằng 42, số mắt xích bằng n = 126.000 / 42 = 3.000. Đáp án A (2.000) sai vì 2.000 ứng với khối lượng mol 84.000 — bạn đã lấy sai số liệu. Đáp án B (4.500) sai vì 4.500 = 126.000 / 28 — bạn đã lấy khối lượng mol monomer của etilen thay vì propilen. Đáp án C (2.500) sai vì không có cơ sở nào cho ra 2.500.
Giải thích Câu 5 — Đáp án A đúng: Hệ số polymer hóa n là số mắt xích monomer trong một phân tử polymer, tức là số đơn vị monomer đã nối với nhau để tạo thành chuỗi. Đáp án B sai vì số mol polymer phải tính bằng khối lượng chia cho khối lượng mol của cả phân tử. Đáp án C sai vì khối lượng mol của monomer là một đại lượng khác, kí hiệu là M(monomer). Đáp án D sai vì số liên kết đôi không liên quan gì tới hệ số polymer hóa.
Câu hỏi thường gặp về số mắt xích polymer
Hỏi: Vì sao cùng là polyethylene mà có loại mềm, có loại cứng?
Đáp: Vì số mắt xích và cách các chuỗi sắp xếp khác nhau. Polyethylene mật độ thấp có nhiều nhánh nên các chuỗi xếp lỏng lẻo, nhựa mềm và dẻo, dùng làm túi nilon. Polyethylene mật độ cao có chuỗi thẳng, xếp chặt với nhau, nhựa cứng và bền hơn, dùng làm chai lọ và thùng chứa. Số mắt xích càng lớn thì nhựa càng dai và bền, nhưng cũng khó gia công hơn.
Hỏi: Polymer có tái chế được không?
Đáp: Có, nhiều loại nhựa nhiệt dẻo như PE, PP, PVC và PS đều tái chế được bằng cách nung chảy và tạo hình lại. Tuy nhiên mỗi lần tái chế, các chuỗi polymer bị cắt ngắn dần, số mắt xích trung bình giảm xuống, nên nhựa tái chế thường kém bền hơn nhựa mới. Vì vậy người ta thường trộn nhựa tái chế với nhựa mới để giữ chất lượng sản phẩm.
Hỏi: Tinh bột và cellulose có phải là polymer không?
Đáp: Đúng, cả hai đều là polymer thiên nhiên, còn gọi là polysaccharide. Tinh bột và cellulose đều có mắt xích là C₆H₁₀O₅ với khối lượng mol 162 gam trên mol, nên công thức tính số mắt xích của chúng cũng là n = M / 162 — đúng dạng tổng quát n = M(polymer) / M(monomer). Điểm khác là tinh bột và cellulose được tạo ra bởi cây xanh, còn nhựa PE, PP, PVC được con người tổng hợp từ dầu mỏ.
Hỏi: Số mắt xích có ảnh hưởng đến tính chất của polymer như thế nào?
Đáp: Rất nhiều. Polymer có số mắt xích càng lớn thì phân tử càng dài, các chuỗi càng dễ đan xen và bám chặt vào nhau, nên vật liệu càng dai, càng bền và càng khó nóng chảy. Ngược lại, polymer có số mắt xích nhỏ thì mềm hơn, dễ nóng chảy hơn nhưng cũng kém bền hơn. Trong công nghiệp, người ta điều chỉnh số mắt xích trung bình để tạo ra loại nhựa phù hợp với từng mục đích sử dụng.
Hỏi: Học bài này để làm gì trong các bài sau?
Đáp: Công thức n = M(polymer) / M(monomer) là công thức tổng kết cho cả chương polymer, và nó bao quát cả tinh bột, cellulose lẫn các loại nhựa tổng hợp. Nắm chắc nó, bạn đã nắm được một nửa chương trình Hóa học hữu cơ lớp 12 về polymer. Từ đây, bạn có thể tự tính số mắt xích của bất kì polymer nào khi biết khối lượng mol của nó và của monomer — từ hạt cơm trong bát đến chiếc túi nilon trong tay bạn.
Kết luận
Số mắt xích của polymer chỉ gói gọn trong một phép chia: n = M(polymer) / M(monomer), trong đó M(monomer) là khối lượng mol của một đơn vị monomer — etilen 28, propilen 42, vinyl chloride 62,5, styrene 104, và mắt xích C₆H₁₀O₅ của tinh bột và cellulose là 162. Bạn hãy nhớ ba điều: xác định đúng loại polymer để lấy đúng khối lượng mol monomer, số mắt xích là số đếm trong một phân tử chứ không phải số mol, và công thức này dùng được cho mọi polymer từ thiên nhiên đến tổng hợp. Làm xong 5 bài tập ở trên, bạn đã đủ tự tin để tính số mắt xích, khối lượng mol hay so sánh độ dài chuỗi của bất kì polymer nào — và hiểu thêm vì sao thế giới quanh bạn, từ bát cơm đến chiếc túi nilon, đều được dệt nên từ những chuỗi phân tử dài hàng nghìn mắt xích.