Bài học

Cao su thiên nhiên và phản ứng lưu hóa

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được cấu tạo cao su thiên nhiên (polyisopren), giải thích được nguồn gốc tính đàn hồi của cao su, mô tả được quá trình lưu hóa và giải thích vì sao lưu hóa làm tăng độ bền cơ học của cao su.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã học chất dẻo — vật liệu polymer giữ nguyên hình dạng sau khi tạo hình. Cao su thì khác hẳn: nó co giãn rồi TRỞ VỀ hình dạng ban đầu. Bài này giải thích nguồn gốc của tính chất đặc biệt đó, bắt đầu từ chính monomer isopren mà em đã thấy thấp thoáng qua cao su buna (Chương 2) — chỉ khác cấu hình không gian. Kiến thức về cấu hình cis/trans quanh liên kết đôi, vốn học ở phần hóa hữu cơ lớp 11, được vận dụng lại ở đây để giải thích một tính chất vật lí quan trọng bậc nhất của cao su.

Khởi động

Một sợi dây thun kéo dài gấp đôi rồi buông ra, lập tức co lại đúng như ban đầu — lặp lại hàng trăm lần vẫn vậy. Không loại chất dẻo nào (PE, PVC) làm được điều này: kéo căng một tấm nhựa PE, nó biến dạng vĩnh viễn, không tự co lại. Điều gì trong cấu trúc phân tử cao su cho nó "trí nhớ hình dạng" đặc biệt như vậy?

Kiến thức trọng tâm

Cao su thiên nhiên là polymer của isopren ( $CH_2=C(CH_3)-CH=CH_2$ ), lấy từ mủ cây cao su (Hevea brasiliensis) — Việt Nam là một trong những nước xuất khẩu cao su thiên nhiên hàng đầu thế giới, tập trung ở Đông Nam Bộ và Tây Nguyên. Về cấu tạo, cao su thiên nhiên là poliisopren với cấu hình cis ở mọi mắt xích — nghĩa là hai nhóm $-CH_3$ và mạch chính nằm cùng phía quanh liên kết đôi còn lại trong mắt xích. Cấu hình cis khiến mạch polymer cuộn xoắn tự nhiên như lò xo; khi bị kéo căng, các mạch duỗi thẳng ra tạm thời, nhưng ngay khi lực kéo mất đi, mạch có xu hướng cuộn xoắn trở lại trạng thái ban đầu — đó chính là nguồn gốc của tính đàn hồi.

Cao su thiên nhiên chưa qua xử lý có một số nhược điểm thực tế: kém bền với nhiệt độ cao (hóa dính, chảy nhựa khi trời nóng), dễ bị oxi hóa theo thời gian (hóa giòn, nứt), và tan trong một số dung môi hữu cơ như xăng, benzen. Năm 1839, nhà hóa học người Mỹ Charles Goodyear tình cờ làm rơi hỗn hợp cao su và lưu huỳnh lên bếp nóng, phát hiện ra hỗn hợp trở nên bền chắc bất ngờ — mở đường cho phát minh lưu hóa cao su.

Lưu hóa là quá trình đun nóng cao su thô trộn với lưu huỳnh (S). Ở nhiệt độ cao, các nguyên tử lưu huỳnh tạo thành cầu nối $-S-S-$ (đisulfua) giữa các mạch polyisopren khác nhau, liên kết chúng lại thành một mạng lưới không gian — đúng loại cấu trúc mạch đã học ở Chương 1. Nhờ mạng lưới này, cao su lưu hóa có độ bền cơ học, độ đàn hồi, khả năng chịu nhiệt và chịu hóa chất cao hơn hẳn cao su thô, đồng thời giảm hẳn độ dính bề mặt — đó là lý do lốp xe, đế giày, gioăng cao su công nghiệp đều dùng cao su đã lưu hóa chứ không phải cao su thô.

Cần phân biệt rõ mạng lưới không gian của cao su lưu hóa với mạng lưới không gian của nhựa rezit (Chương 3): ở nhựa rezit, mật độ liên kết ngang rất dày đặc nên vật liệu cứng, không đàn hồi; ở cao su lưu hóa, các cầu nối $-S-S-$ chỉ rải rác dọc mạch (thường vài chục đến vài trăm mắt xích mới có một cầu nối), nên mạch vẫn còn đủ khoảng trống để cuộn xoắn và duỗi ra khi chịu lực — đó là lý do cao su lưu hóa vẫn đàn hồi tốt trong khi độ bền được cải thiện rõ rệt so với cao su thô.

**Cao su thiên nhiên** là polymer của isopren ($CH_2=C(CH_3)-CH=CH_2$), lấy từ mủ cây cao su (Hevea brasiliensis) — Việt Nam là một trong những nước xuất khẩu cao su thiên nhiên hàng đầu thế giới, tập trung ở Đông Nam Bộ và Tây Nguyên. Về cấu tạo, cao su thiên nhiên là **poliisopren** với cấu hình **cis** ở mọi mắt xích — nghĩa là hai nhóm $-CH_3$ và mạch chính nằm cùng phía quanh liên kết đôi còn lại trong mắt xích. Cấu hình cis khiến mạch polymer cuộn xoắn tự nhiên như lò xo; khi bị kéo căng, các mạch duỗi thẳng ra tạm thời, nhưng ngay khi lực kéo mất đi, mạch có xu hướng cuộn xoắn trở lại trạng thái ban đầu — đó chính là nguồn gốc của **tính đàn hồi**. Cao su thiên nhiên chưa qua xử lý có một số nhược điểm thực tế: kém bền với nhiệt độ cao (hóa dính, chảy nhựa khi trời nóng), dễ bị oxi hóa theo thời gian (hóa giòn, nứt), và tan trong một số dung môi hữu cơ như xăng, benzen. Năm 1839, nhà hóa học người Mỹ Charles Goodyear tình cờ làm rơi hỗn hợp cao su và lưu huỳnh lên bếp nóng, phát hiện ra hỗn hợp trở nên bền chắc bất ngờ — mở đường cho phát minh **lưu hóa cao su**. **Lưu hóa** là quá trình đun nóng cao su thô trộn với lưu huỳnh (S). Ở nhiệt độ cao, các nguyên tử lưu huỳnh tạo thành **cầu nối $-S-S-$** (đisulfua) giữa các mạch polyisopren khác nhau, liên kết chúng lại thành một **mạng lưới không gian** — đúng loại cấu trúc mạch đã học ở Chương 1. Nhờ mạng lưới này, cao su lưu hóa có độ bền cơ học, độ đàn hồi, khả năng chịu nhiệt và chịu hóa chất cao hơn hẳn cao su thô, đồng thời giảm hẳn độ dính bề mặt — đó là lý do lốp xe, đế giày, gioăng cao su công nghiệp đều dùng cao su đã lưu hóa chứ không phải cao su thô. Cần phân biệt rõ mạng lưới không gian của cao su lưu hóa với mạng lưới không gian của nhựa rezit (Chương 3): ở nhựa rezit, mật độ liên kết ngang rất dày đặc nên vật liệu cứng, không đàn hồi; ở cao su lưu hóa, các cầu nối $-S-S-$ chỉ rải rác dọc mạch (thường vài chục đến vài trăm mắt xích mới có một cầu nối), nên mạch vẫn còn đủ khoảng trống để cuộn xoắn và duỗi ra khi chịu lực — đó là lý do cao su lưu hóa vẫn đàn hồi tốt trong khi độ bền được cải thiện rõ rệt so với cao su thô.

Ví dụ

Viết sơ đồ tổng quát của phản ứng lưu hóa cao su

1
Viết sơ đồ tổng quát biểu diễn phản ứng lưu hóa cao su thiên nhiên, và giải thích vì sao phản ứng này làm tăng độ bền cơ học của cao su.
2
Cao su thô (mạch polyisopren, cấu hình cis) $+ x\,S \xrightarrow{t^\circ}$ cao su lưu hóa (mạng lưới không gian với các cầu nối $-S_x-$ giữa các mạch).
Cao su thô (mạch polyisopren, cấu hình cis) $+ x\,S \xrightarrow{t^\circ}$ cao su lưu hóa (mạng lưới không gian với các cầu nối $-S_x-$ giữa các mạch).
3
Trước lưu hóa, các mạch polyisopren chỉ liên kết với nhau bằng lực hút yếu, dễ trượt qua nhau khi chịu lực kéo mạnh, dẫn tới biến dạng vĩnh viễn hoặc đứt. Sau lưu hóa, các cầu nối $-S-S-$ giữ chặt nhiều mạch với nhau tại nhiều điểm, ngăn các mạch trượt tự do quá mức, nên vật liệu chịu lực tốt hơn mà vẫn giữ được tính đàn hồi.
Trước lưu hóa, các mạch polyisopren chỉ liên kết với nhau bằng lực hút yếu, dễ trượt qua nhau khi chịu lực kéo mạnh, dẫn tới biến dạng vĩnh viễn hoặc đứt. Sau lưu hóa, các cầu nối $-S-S-$ giữ chặt nhiều mạch với nhau tại nhiều điểm, ngăn các mạch trượt tự do quá mức, nên vật liệu chịu lực tốt hơn mà vẫn giữ được tính đàn hồi.
4
Vậy lưu hóa tạo mạng lưới không gian nhờ cầu nối lưu huỳnh, làm tăng độ bền cơ học của cao su so với cao su thô ban đầu.

Ví dụ

Tính khối lượng lưu huỳnh cần dùng để lưu hóa một lượng cao su cho trước

1
Lưu hóa 340 kg cao su thiên nhiên (poliisopren, mắt xích $C_5H_8$ , $M = 68$ ), biết cứ trung bình 50 mắt xích isopren thì có 1 cầu nối đisulfua $-S-S-$ được tạo thành (giả sử phản ứng chỉ tạo cầu nối, không dư lưu huỳnh). Tính khối lượng lưu huỳnh đã dùng.
Lưu hóa 340 kg cao su thiên nhiên (poliisopren, mắt xích $C_5H_8$, $M = 68$), biết cứ trung bình 50 mắt xích isopren thì có 1 cầu nối đisulfua $-S-S-$ được tạo thành (giả sử phản ứng chỉ tạo cầu nối, không dư lưu huỳnh). Tính khối lượng lưu huỳnh đã dùng.
2
$n_{mắt\ xích} = \dfrac{340\,000}{68} = 5\,000$ mol.
$n_{mắt\ xích} = \dfrac{340\,000}{68} = 5\,000$ mol.
3
Cứ 50 mắt xích có 1 cầu nối, nên $n_{cầu\ nối} = \dfrac{5\,000}{50} = 100$ mol.
Cứ 50 mắt xích có 1 cầu nối, nên $n_{cầu\ nối} = \dfrac{5\,000}{50} = 100$ mol.
4
Mỗi cầu nối $-S-S-$ gồm 2 nguyên tử S, nên $n_S = 100 \times 2 = 200$ mol. Suy ra $m_S = 200 \times 32 = 6\,400$ g $= 6{,}4$ kg.
Mỗi cầu nối $-S-S-$ gồm 2 nguyên tử S, nên $n_S = 100 \times 2 = 200$ mol. Suy ra $m_S = 200 \times 32 = 6\,400$ g $= 6{,}4$ kg.
5
Vậy khối lượng lưu huỳnh cần dùng là $6{,}4$ kg.
Vậy khối lượng lưu huỳnh cần dùng là $6{,}4$ kg.

Sai lầm thường gặp

Học sinh hay nghĩ lưu hóa làm cao su "cứng như nhựa", mất hẳn tính đàn hồi — sai. Lưu hóa chỉ tạo một số cầu nối lưu huỳnh RẢI RÁC dọc mạch (không phải mọi mắt xích đều có cầu nối), nên cao su lưu hóa vẫn giữ được tính đàn hồi, chỉ bền hơn và ít dính hơn cao su thô — khác hẳn nhựa nhiệt rắn có mạng lưới dày đặc, cứng, không đàn hồi.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Cao su thiên nhiên = poliisopren cấu hình cis, mạch cuộn xoắn tạo tính đàn hồi. Lưu hóa = đun cao su với lưu huỳnh, tạo cầu nối -S-S- liên kết ngang các mạch → mạng lưới không gian → tăng độ bền, giảm độ dính, vẫn giữ tính đàn hồi.

Chương tiếp theo học tơ — một dạng vật liệu polymer khác dùng để dệt vải — và tìm hiểu vật liệu composite, nơi polymer kết hợp với vật liệu khác để tạo ra tính chất vượt trội hơn từng thành phần riêng lẻ.