Stiren là gì? Tính chất, phương pháp điều chế và ứng dụng

Stiren là một hợp chất hữu cơ có tính chất hóa học phong phú, đặc biệt là khả năng tham gia phản ứng cộng và trùng hợp. Chính những tính chất này đã làm cho stiren trở thành một nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp hóa chất, đặc biệt là ngành sản xuất nhựa. Tuy nhiên không phải ai cũng nắm rõ về stiren là gì, tính chất hóa lý ra sao…….Bài viết hôm nay LVT Education sẽ giúp các bạn tìm hiểu chi tiết về hợp chất này.

Khái niệm stiren là gì?

Stiren là một hợp chất hữu cơ thơm, có công thức hóa học là C₈H₈. Nó là một chất lỏng không màu, có mùi thơm đặc trưng và dễ bay hơi. Stiren là một nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất, đặc biệt là để sản xuất nhựa polystyrene.

Tính chất vật lý của stiren

Stiren là một hợp chất hữu cơ thơm có nhiều tính chất vật lý đặc trưng. Dưới đây là một số đặc điểm nổi bật:

Trạng thái: Ở điều kiện thường, stiren tồn tại ở dạng chất lỏng.

Màu sắc: Không màu

Mùi: Có mùi thơm đặc trưng, tuy nhiên khi ở nồng độ cao, mùi sẽ trở nên khó chịu.

Khối lượng riêng: Nhẹ hơn nước, khoảng 0,906 g/cm³ ở nhiệt độ 20°C.

Độ tan: Ít tan trong nước nhưng tan tốt trong các dung môi hữu cơ như benzene, ether.

Điểm sôi: Khoảng 145°C.

Điểm nóng chảy: Khoảng -30°C.

Độ nhớt: Có độ nhớt thấp, dễ chảy.

Áp suất hơi: Khá cao ở nhiệt độ thường, dễ bay hơi.

Vì sao những tính chất này lại quan trọng?

Độ bay hơi cao: Tính chất này vừa là ưu điểm (dễ dàng bay hơi để tạo thành các sản phẩm nhựa) vừa là nhược điểm (dễ gây ô nhiễm môi trường nếu không được bảo quản tốt).

Ít tan trong nước: Điều này giúp stiren dễ dàng tách khỏi các hỗn hợp phản ứng và các sản phẩm phụ.

Điểm sôi thấp: Giúp dễ dàng tinh chế stiren bằng phương pháp chưng cất.

Tính chất hóa học của stiren

Phân tử stiren gồm một vòng benzen liên kết với một nhóm vinyl. Cấu trúc này mang lại cho stiren tính chất đặc trưng và khả năng tham gia vào nhiều phản ứng hóa học.

Tính chất hóa học của stiren

Do cấu trúc phân tử đặc biệt với vòng benzen và liên kết đôi C=C, stiren có nhiều tính chất hóa học đặc trưng.

Phản ứng cộng:

Cộng vào liên kết đôi C=C:

Cộng halogen: Stiren làm mất màu dung dịch brom, tạo thành dẫn xuất đibrom.

Cộng hydro: Trong điều kiện thích hợp, stiren cộng hydro tạo thành ethylbenzene.

Cộng hydrogen halide: Tương tự như phản ứng cộng halogen, stiren cộng hydrogen halide tạo thành sản phẩm cộng.

Phản ứng trùng hợp: Đây là phản ứng đặc trưng và quan trọng nhất của stiren. Dưới tác động của chất xúc tác, các phân tử stiren kết hợp với nhau tạo thành mạch polymer dài, gọi là polystyrene.

Phản ứng thế vào vòng benzen:

Thế H bằng halogen: Dưới tác dụng của halogen và chất xúc tác Fe hoặc FeBr₃, stiren có thể thế nguyên tử H trên vòng benzen bằng halogen.

Thế H bằng nhóm NO₂, SO₃H: Tương tự như phản ứng thế halogen, stiren có thể thế H bằng các nhóm thế khác.

Phản ứng oxy hóa:

Oxy hóa hoàn toàn: Khi đốt cháy trong không khí, stiren cháy tạo thành CO₂ và H₂O.

Oxy hóa không hoàn toàn: Stiren có thể bị oxy hóa bởi các chất oxi hóa mạnh như KMnO₄, tạo ra các sản phẩm oxy hóa phức tạp.

Ứng dụng của stiren

Stiren là một hợp chất hữu cơ thơm có vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất. Với tính chất hóa học đặc trưng, đặc biệt là khả năng tham gia phản ứng trùng hợp, stiren được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

1. Sản xuất nhựa polystyrene

Sản xuất nhựa polystyrene

Ứng dụng chính: Đây là ứng dụng quan trọng nhất của stiren. Qua quá trình trùng hợp, stiren tạo thành polystyrene, một loại nhựa nhiệt dẻo trong suốt, có độ cứng và độ bền nhất định.

Sản phẩm: Polystyrene được sử dụng để sản xuất rất nhiều sản phẩm trong cuộc sống hàng ngày như:

Đồ dùng gia đình: Cốc, hộp đựng thức ăn, khay đựng trứng, vỏ bút bi,…

Vật liệu xây dựng: Tấm cách nhiệt, ống dẫn nước, vật liệu đóng gói,…

Đồ chơi: Gấu bông, mô hình,…

Đồ điện tử: Vỏ tivi, tủ lạnh,…

2. Sản xuất cao su tổng hợp

Sản xuất cao su tổng hợp

Cao su buna-S: Bằng cách đồng trùng hợp stiren với butadien, ta thu được cao su buna-S. Loại cao su này có độ bền cao, đàn hồi tốt, chịu mài mòn và chịu nhiệt tốt.

Ứng dụng: Cao su buna-S được sử dụng để sản xuất lốp xe, dây đai truyền động, các sản phẩm cao su kỹ thuật,…

3. Sản xuất các loại nhựa khác

Nhựa epoxy: Stiren được sử dụng làm chất đóng rắn trong quá trình sản xuất nhựa epoxy. Nhựa epoxy có độ bền cao, chịu nhiệt tốt, chịu hóa chất tốt, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như điện tử, xây dựng, hàng không vũ trụ.

Nhựa ABS: Nhựa ABS là hợp chất của acrylonitrile, butadien và stiren. Nhựa ABS có độ bền cơ học cao, khả năng chịu nhiệt tốt, dễ gia công, được sử dụng để sản xuất vỏ điện thoại, vỏ máy tính, đồ chơi,…

4. Ứng dụng khác

Sản xuất sợi: Sợi stiren được sử dụng để sản xuất các loại vải kỹ thuật, vật liệu lọc,…

Sản xuất chất tẩy rửa: Một số dẫn xuất của stiren được sử dụng làm chất tẩy rửa.

Sản xuất thuốc trừ sâu: Một số hợp chất có nguồn gốc từ stiren được sử dụng làm thuốc trừ sâu.

Điều chế stiren như thế nào?

Là một hợp chất hữu cơ thơm, Stiren có vai trò rất quan trọng trong công nghiệp, đặc biệt là trong sản xuất nhựa polystyrene. Để điều chế stiren, người ta thường sử dụng hai phương pháp chính sau:

1. Phương pháp công nghiệp phổ biến

Phương trình tổng hợp:

C₆H₆ + CH₂=CH₂ → C₆H₅CH₂CH₃ (ethylbenzene)

C₆H₅CH₂CH₃ → C₆H₅CH=CH₂ (stiren) + H₂

Ưu điểm của phương pháp công nghiệp:

Hiệu suất cao: Quy trình công nghiệp được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao.

Chi phí thấp: Nguyên liệu đầu vào (benzen và etilen) tương đối rẻ.

Quy mô lớn: Phù hợp với sản xuất công nghiệp với quy mô lớn.

2. Điều chế Stiren từ Toluen

Mặc dù phương pháp điều chế stiren từ benzen và etilen là phổ biến nhất trong công nghiệp, nhưng chúng ta cũng có thể điều chế stiren từ toluen. Tuy nhiên, phương pháp này thường không được ưu tiên sử dụng do hiệu suất thấp hơn và chi phí cao hơn so với phương pháp thông thường.

Các bước chính trong quá trình điều chế stiren từ toluen bao gồm:

1. Halogen hóa mạch bên:

Toluen được cho phản ứng với halogen (thường là clo hoặc brom) có mặt chất xúc tác là ánh sáng hoặc nhiệt để tạo thành dẫn xuất halogen của toluen. Ví dụ:
C₆H₅CH₃ + Cl₂ → C₆H₅CH₂Cl + HCl

Nguyên tử halogen sẽ thế vào vị trí benzylic (nguyên tử C liên kết trực tiếp với vòng benzen) do liên kết C-H ở vị trí này yếu hơn so với liên kết C-H trong vòng benzen.

2. Khử halogen:

Dẫn xuất halogen thu được ở bước 1 được cho phản ứng với kim loại mạnh (như natri hoặc magie) trong dung môi thích hợp để loại bỏ nguyên tử halogen, tạo thành liên kết đôi C=C và thu được stiren.
C₆H₅CH₂Cl + Na → C₆H₅CH=CH₂ + NaCl

Sơ đồ phản ứng tổng quát:

C₆H₅CH₃ → C₆H₅CH₂X → C₆H₅CH=CH₂

Trong đó: X là halogen (Cl hoặc Br)

Bảng so sánh 2 phương pháp điều chế Stiren

Tại sao phương pháp này ít được sử dụng?

Hiệu suất thấp: Qua nhiều giai đoạn phản ứng, một phần sản phẩm có thể bị mất mát, dẫn đến hiệu suất tổng thể của quá trình không cao.

Chi phí cao: Việc sử dụng halogen và kim loại mạnh làm tăng chi phí sản xuất.

Phản ứng phụ: Có thể xảy ra các phản ứng phụ không mong muốn, làm giảm độ tinh khiết của sản phẩm cuối cùng.

An toàn và môi trường khi sử dụng stiren

Stiren là một hợp chất hữu cơ thơm rất hữu ích trong công nghiệp, nhưng cũng tiềm ẩn nhiều nguy hiểm nếu không được sử dụng và xử lý đúng cách. Dưới đây là những thông tin chi tiết về các vấn đề liên quan đến an toàn và môi trường khi sử dụng stiren:

An toàn và môi trường khi sử dụng stiren

Nguy cơ đối với sức khỏe

Tiếp xúc ngắn hạn: Có thể gây kích ứng mắt, da, mũi và họng. Hơi stiren có thể gây chóng mặt, nhức đầu và buồn nôn.

Tiếp xúc lâu dài: Tiếp xúc với stiren trong thời gian dài có thể gây ra các vấn đề về sức khỏe nghiêm trọng hơn, bao gồm tổn thương gan, thận, hệ thần kinh trung ương và tăng nguy cơ ung thư.

Ảnh hưởng đến thai nhi: Phụ nữ mang thai tiếp xúc với stiren có thể gây hại cho thai nhi, bao gồm dị tật bẩm sinh và giảm cân.

Ảnh hưởng đến môi trường

Ô nhiễm không khí: Hơi stiren dễ bay hơi và có thể gây ô nhiễm không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe của cộng đồng sống xung quanh các nhà máy sản xuất và sử dụng stiren.

Ô nhiễm nước: Nếu stiren bị rò rỉ ra môi trường, nó có thể xâm nhập vào nguồn nước ngầm và gây ô nhiễm nguồn nước.

Sinh học tích tụ: Stiren có thể tích tụ trong cơ thể sinh vật biển và động vật, gây ra các vấn đề về sức khỏe cho các loài sinh vật này.

Biện pháp phòng ngừa và bảo vệ

Sử dụng thiết bị bảo hộ cá nhân: Khi làm việc với stiren, cần đeo khẩu trang, găng tay, kính bảo hộ và quần áo bảo hộ.

Thông gió tốt: Đảm bảo nơi làm việc có hệ thống thông gió tốt để giảm thiểu nồng độ stiren trong không khí.

Xử lý chất thải: Chất thải chứa stiren phải được xử lý đúng cách theo quy định để tránh gây ô nhiễm môi trường.

Bảo quản an toàn: Stiren phải được bảo quản trong các thùng chứa kín, tránh xa nguồn nhiệt và các chất oxy hóa.

Giám sát sức khỏe: Người lao động thường xuyên tiếp xúc với stiren cần được khám sức khỏe định kỳ.

Quy định về an toàn và môi trường

Việc sản xuất, sử dụng và xử lý stiren được quy định chặt chẽ bởi các cơ quan quản lý môi trường. Các doanh nghiệp phải tuân thủ các quy định về:

Giám sát chất lượng không khí: Đo lường nồng độ stiren trong không khí xung quanh nhà máy.

Xử lý nước thải: Xử lý nước thải chứa stiren trước khi thải ra môi trường.

An toàn lao động: Đảm bảo an toàn cho người lao động khi làm việc với stiren.

Tóm lại, stiren là một hóa chất hữu ích nhưng cũng tiềm ẩn nhiều nguy hiểm. Để đảm bảo an toàn cho con người và môi trường, cần tuân thủ nghiêm túc các quy định về an toàn và môi trường khi sản xuất, sử dụng và xử lý stiren.

LVT Education hi vọng rằng với những thông tin trên các bạn đã hiểu rõ về stiren là gì cũng như nắm được những tính chất đặc trưng và phương pháp điều chế hợp chất này.

Nguyễn Lân Dũng

Giáo sưNguyễn Lân Dũnglà nhà khoa học hàng đầu Việt Nam trong lĩnh vực vi sinh vật học (wiki), với hơn nửa thế kỷ cống hiến cho giáo dục và nghiên cứu. Ông là con trai Nhà giáo Nhân dân Nguyễn Lân, thuộc gia đình nổi tiếng hiếu học. Giáo sư giữ nhiều vai trò quan trọng như Chủ tịch Hội các ngành Sinh học Việt Nam, Đại biểu Quốc hội và đã được phong tặng danh hiệu Nhà giáo Nhân dân năm 2010.