Help me…
Từ CH4 viết PTPƯ điều chế PE, PVC, PS, cao su buna, cao su buna-S, ca…
Từ CH4 viết PTPƯ điều chế PE, PVC, PS, cao su buna, cao su buna-S, cao su buna-N, tơ olon.
Đầu tiên, chúng ta cần xem xét nguồn gốc của CH4. CH4 là metan, một ankan đơn giản nhất. Để có thể tham gia vào các phản ứng điều chế polime, chúng ta cần biến đổi CH4 thành các monome có khả năng tham gia phản ứng trùng hợp hoặc đồng trùng hợp.
Bước 1: Điều chế các monome cần thiết từ CH4
Để điều chế các polime như PE, PVC, PS, cao su buna, cao su buna-S, cao su buna-N, tơ olon, chúng ta cần các monome tương ứng là etilen (CH2=CH2), vinyl clorua (CH2=CHCl), stiren (C6H5-CH=CH2), butadien-1,3 (CH2=CH-CH=CH2), và acrylonitrile (CH2=CH-CN).
1. Điều chế etilen (CH2=CH2) từ CH4:
Metan (CH4) có thể được nhiệt phân ở nhiệt độ cao khoảng 1500°C, sau đó làm lạnh nhanh để thu được axetilen (C2H2) và hiđro (H2).
Phương trình phản ứng:
2CH4 –(1500°C, làm lạnh nhanh)–> C2H2 + 3H2
Tiếp theo, etilen (C2H2) sẽ được hiđro hóa không hoàn toàn để thu được etilen.
Phương trình phản ứng:
C2H2 + H2 –(xúc tác Ni, t°)–> C2H4
(Lưu ý: Phản ứng này cần kiểm soát tỉ lệ mol H2 để tránh hiđro hóa hoàn toàn thành etan).
2. Điều chế vinyl clorua (CH2=CHCl) từ CH4:
Từ etilen thu được ở trên, chúng ta sẽ tiến hành phản ứng cộng HCl.
Phương trình phản ứng:
C2H4 + HCl –(t°, xúc tác)–> CH3-CH2-Cl (etyl clorua)
Tiếp theo, etyl clorua sẽ được dehydroclor hóa ở nhiệt độ cao với xúc tác thích hợp để thu được vinyl clorua.
Phương trình phản ứng:
CH3-CH2-Cl –(500°C, xúc tác Cr2O3/Al2O3)–> CH2=CHCl + HCl
(Cô giải thích: Phản ứng tách HX ra khỏi dẫn xuất halogen no gọi là phản ứng dehydrohalogen hóa).
3. Điều chế stiren (C6H5-CH=CH2) từ CH4:
Quá trình này phức tạp hơn một chút. Từ CH4, chúng ta cần tạo ra vòng benzen và nhóm etyl.
Trước hết, metan có thể được dùng để điều chế axetilen như đã nói ở trên.
2CH4 –(1500°C, làm lạnh nhanh)–> C2H2 + 3H2
Ba phân tử axetilen có thể trime hóa vòng để tạo thành benzen.
3C2H2 –(600°C, bột C hoặc xúc tác)–> C6H6 (benzen)
Tiếp theo, benzen sẽ phản ứng với etilen (thu được từ CH4) trong phản ứng ankyl hóa Friedel-Crafts để tạo thành etylbenzen.
C6H6 + C2H4 –(xúc tác AlCl3 khan)–> C6H5-C2H5 (etylbenzen)
Cuối cùng, etylbenzen sẽ được dehydro hóa ở nhiệt độ cao để thu được stiren.
C6H5-C2H5 –(600°C, xúc tác)–> C6H5-CH=CH2 + H2
(Cô giải thích: Phản ứng dehydro hóa là phản ứng tách phân tử hiđro).
4. Điều chế butadien-1,3 (CH2=CH-CH=CH2) từ CH4:
Metan có thể được cracking để tạo ra các hiđrocacbon mạch ngắn hơn, trong đó có thể có etan, eten.
CH4 –(cracking, t°)–> C2H6 / C2H4 / …
Từ etilen (C2H4) thu được, chúng ta có thể tiến hành phản ứng dime hóa để tạo ra buten-1. Tuy nhiên, cách phổ biến hơn để điều chế butadien-1,3 từ CH4 là thông qua quá trình tổng hợp butadien từ axetilen hoặc từ etylen qua các bước trung gian phức tạp hơn. Một phương pháp điển hình là từ butan. Tuy nhiên, nếu chỉ bắt đầu từ CH4, chúng ta cần trải qua nhiều bước:
CH4 -> C2H2 -> C4H4 (divinyl) -> butadien-1,3 (Đây là cách không phổ biến trong chương trình phổ thông để điều chế trực tiếp từ CH4).
Một cách tiếp cận khác, dựa trên nguyên tắc chung là từ nguồn C1, chúng ta có thể tạo ra C2, rồi từ đó xây dựng mạch carbon. Tuy nhiên, để điều chế butadien-1,3 một cách trực tiếp và hiệu quả từ CH4 trong chương trình THPT là rất khó và không được đề cập rõ ràng.
Tuy nhiên, nếu giả định rằng chúng ta đã có các sản phẩm trung gian như butan (có thể tạo ra từ CH4 thông qua phản ứng coupling hoặc các con đường phức tạp hơn), thì có thể điều chế butadien-1,3 bằng cách tách hiđro từ butan.
2C2H6 –(cracking, t°)–> C4H10 + 2H2 (gần đúng)
C4H10 –(cracking, xúc tác, t°)–> CH2=CH-CH=CH2 + 2H2 (dehydro hóa ankan)
(Cô nhấn mạnh: Việc điều chế butadien-1,3 trực tiếp từ CH4 theo các bước đơn giản là không có trong chương trình THPT. Tuy nhiên, nếu xét nguồn gốc của các monome thì CH4 là nguồn C1 cơ bản).
5. Điều chế acrylonitrile (CH2=CH-CN) từ CH4:
Phương pháp phổ biến để điều chế acrylonitrile là phản ứng sôpriệt axilen (ammoxidation) của propen. Tuy nhiên, để bắt đầu từ CH4, chúng ta cần tạo ra propen.
CH4 –(cracking)–> C2H4
C2H4 –(polymer hóa)–> (C2H4)n
C2H4 + HCl –> C2H5Cl
C2H5Cl + NaOH –> C2H5OH + NaCl
C2H5OH –(oxi hóa)–> CH3CHO
CH3CHO + HCN –> CH3CH(OH)CN
CH3CH(OH)CN –(t°, xúc tác)–> CH2=CH-CN + H2O
(Cô giải thích: Quá trình này khá dài và phức tạp. Trong thực tế công nghiệp, acrylonitrile thường được điều chế từ propen, amoniac và oxi. Nếu bắt buộc phải từ CH4, thì CH4 phải được biến đổi thành propen).
Một con đường khác, ít phổ biến hơn trong chương trình THPT:
CH4 –(oxi hóa)–> CO + 2H2
CO + 2H2 –(xúc tác)–> CH3OH
CH3OH + NH3 –> CH3NH2 + H2O
CH3NH2 + CO –> CH3CONH2
CH3CONH2 –(dehydrat hóa)–> CH3CN
CH3CN + C2H4 –> CH2=CH-CH2-CN (ít khả năng)
Tuy nhiên, cách phổ biến nhất để điều chế acrylonitrile từ nguồn C1 là thông qua quá trình tổng hợp methanol, sau đó biến đổi methanol thành các hợp chất trung gian.
Đối với chương trình THPT, thường sẽ có các monome trung gian được cho sẵn hoặc có thể suy luận từ các phản ứng đã học. Nếu đề bài yêu cầu từ CH4, chúng ta cần hiểu CH4 là nguồn cacbon ban đầu.
Cô xin phép được tóm tắt lại các monome chính mà chúng ta cần:
* Etilen: CH2=CH2
* Vinyl clorua: CH2=CHCl
* Stiren: C6H5-CH=CH2
* Butadien-1,3: CH2=CH-CH=CH2
* Acrylonitrile: CH2=CH-CN
Bước 2: Thực hiện phản ứng trùng hợp/đồng trùng hợp để điều chế các polime
Sau khi đã có các monome cần thiết (hoặc giả định có các monome đó), chúng ta sẽ tiến hành các phản ứng tạo polime.
1. Polietilen (PE):
Phản ứng trùng hợp etilen.
nCH2=CH2 –(t°, p, xúc tác)–> (-CH2-CH2-)n
Cô giải thích: Phản ứng trùng hợp là phản ứng kết hợp nhiều phân tử monome giống nhau tạo thành một polime có phân tử khối lớn. Các điều kiện phản ứng (nhiệt độ, áp suất, xúc tác) sẽ quyết định loại PE thu được (PE cao su hay PE nặng).
2. Polivinyl clorua (PVC):
Phản ứng trùng hợp vinyl clorua.
nCH2=CHCl –(t°, p, xúc tác)–> (-CH2-CHCl-)n
Cô giải thích: Tương tự như PE, đây là phản ứng trùng hợp monome.
3. Polistiren (PS):
Phản ứng trùng hợp stiren.
nC6H5-CH=CH2 –(t°, p, xúc tác)–> (-CH2-CH(C6H5)-)n
Cô giải thích: Vẫn là phản ứng trùng hợp monome.
4. Cao su buna:
Cao su buna là polime được tạo thành từ phản ứng đồng trùng hợp butadien-1,3.
nCH2=CH-CH=CH2 –(xúc tác Na, t°)–> (-CH2-CH=CH-CH2-)n
Cô giải thích: Phản ứng đồng trùng hợp là phản ứng kết hợp hai hoặc nhiều loại monome khác nhau hoặc cùng loại nhưng theo những cơ chế khác nhau để tạo thành polime. Trong trường hợp này, chỉ có butadien tham gia. “Cao su buna” là tên gọi cho polibutadien.
5. Cao su buna-S:
Cao su buna-S là sản phẩm của phản ứng đồng trùng hợp butadien-1,3 và stiren.
nCH2=CH-CH=CH2 + mC6H5-CH=CH2 –(xúc tác Na, t°)–> (-CH2-CH=CH-CH2-CH(C6H5)-)n,m
Cô giải thích: Đây là phản ứng đồng trùng hợp giữa hai monome khác nhau. Tỉ lệ n:m quyết định tính chất của cao su.
6. Cao su buna-N:
Cao su buna-N là sản phẩm của phản ứng đồng trùng hợp butadien-1,3 và acrylonitrile.
nCH2=CH-CH=CH2 + mCH2=CH-CN –(xúc tác Na, t°)–> (-CH2-CH=CH-CH2-CH(CN)-)n,m
Cô giải thích: Tương tự, đây là phản ứng đồng trùng hợp.
7. Tơ olon (Tơ nitron):
Tơ olon là polime được tạo thành từ phản ứng trùng hợp acrylonitrile.
nCH2=CH-CN –(t°, p, xúc tác)–> (-CH2-CH(CN)-)n
Cô giải thích: Đây là phản ứng trùng hợp monome. Tơ olon là một loại tơ tổng hợp, còn được gọi là tơ nitron.
Tổng kết lại các phương trình phản ứng chính để điều chế các polime từ các monome tương ứng:
* PE: nCH2=CH2 –(t°, p, xúc tác)–> (-CH2-CH2-)n
* PVC: nCH2=CHCl –(t°, p, xúc tác)–> (-CH2-CHCl-)n
* PS: nC6H5-CH=CH2 –(t°, p, xúc tác)–> (-CH2-CH(C6H5)-)n
* Cao su buna: nCH2=CH-CH=CH2 –(xúc tác Na, t°)–> (-CH2-CH=CH-CH2-)n
* Cao su buna-S: nCH2=CH-CH=CH2 + mC6H5-CH=CH2 –(xúc tác Na, t°)–> (-CH2-CH=CH-CH2-CH(C6H5)-)n,m
* Cao su buna-N: nCH2=CH-CH=CH2 + mCH2=CH-CN –(xúc tác Na, t°)–> (-CH2-CH=CH-CH2-CH(CN)-)n,m
* Tơ olon: nCH2=CH-CN –(t°, p, xúc tác)–> (-CH2-CH(CN)-)n
Lưu ý quan trọng:
Việc điều chế trực tiếp tất cả các monome từ CH4 theo đúng trình tự và điều kiện trong chương trình THPT có thể không hoàn toàn rõ ràng cho tất cả các trường hợp (ví dụ như butadien-1,3, acrylonitrile). Tuy nhiên, CH4 luôn là nguồn cacbon ban đầu. Các em cần nắm vững nguyên tắc biến đổi CH4 thành các anken, ankin, sau đó là các monome có nhóm chức phù hợp để tham gia phản ứng trùng hợp.
Cô hy vọng bài giảng chi tiết này giúp các em hiểu rõ hơn về cách điều chế các loại polime từ metan. Nếu có bất kỳ thắc mắc nào, đừng ngần ngại hỏi cô nhé! Chúc các em học tốt!
Tổng hợp nguyên liệu:
\(2C{H_4}\xrightarrow{{{{1500}^o}C/l\ln }}{C_2}{H_2} + 3{H_2}\)
\({C_2}{H_2} + {H_2}\xrightarrow{{Pd,{t^o}}}{C_2}{H_4}\)
\(2{C_2}{H_2}\xrightarrow{{{t^o}}}{C_4}{H_4}\)
\({C_4}{H_4} + {H_2}\xrightarrow{{Pd,{t^o}}}{C_4}{H_6}\)
\(3{C_2}{H_2}\xrightarrow{{{t^o},xt}}{C_6}{H_6}\)
\({C_6}{H_6} + {C_2}{H_2}\xrightarrow{{{t^o},xt}}{C_6}{H_5} – CH = C{H_2}\)
\({C_2}{H_2} + HCl\xrightarrow{{{t^o}}}{C_2}{H_3}Cl\)
\({C_2}{H_2} + HCN\xrightarrow{{{t^o}}}{C_2}{H_3}CN\)
Điều chế PE:
\(n{C_2}{H_4}\xrightarrow{{{t^o},xt}}{( – C{H_2} – C{H_2} – )_n}\)
Điều chế PVC:
\(n{C_2}{H_3}Cl\xrightarrow{{{t^o},xt}}{( – C{H_2} – CH(Cl) – )_n}\)
Điều chế PS:
\(n{C_6}{H_5} – CH = C{H_2}\xrightarrow{{{t^o},xt}}{( – CH({C_6}{H_5}) – C{H_2} – )_n}\)
Điều chế cao su buna:
\(n{C_4}{H_6}\xrightarrow{{{t^o},xt}}{( – C{H_2} – CH = CH – C{H_2} – )_n}\)
Điều chế cao su buna-S:
\(n{C_4}{H_6} + n{C_6}{H_5} – CH = C{H_2}\xrightarrow{{{t^o},xt}}{( – C{H_2} – CH = CH – C{H_2} – CH({C_6}{H_5}) – C{H_2} – )_n}\)
Điều chế cao su buna-N:
\(n{C_4}{H_6} + n{C_2}{H_3}CN\xrightarrow{{{t^o},xt}}{( – C{H_2} – CH = CH – C{H_2} – CH(CN) – C{H_2} – )_n}\)
Điều chế tơ olon:
\(n{C_2}{H_3}CN\xrightarrow{{{t^o},xt}}{( – C{H_2} – CH(CN) – )_n}\)