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5.2第1课时　通用高分子材料
【学习目标】
1.通过实例,说明塑料的结构、性能和用途。
2.了解合成纤维、合成橡胶的结构、性能和用途。
3.掌握高分子结构对性能的影响。
【自主预习】
一、高分子材料的分类
高分子材料按用途和性能可分为　　　　材料(包括塑料、合成纤维、合成橡胶、黏合剂、涂料等)和　　　　材料(包括高分子分离膜、导电高分子、医用高分子、高吸水性树脂等)等类别。
二、通用高分子材料
(一)塑料
改善塑料性能的加工助剂:为提高柔韧性加入　　　　剂,为提高耐热性加入　　　　剂,为赋予它各种漂亮的颜色加入着色剂……
1.聚乙烯
高压法聚乙烯与低压法聚乙烯的对比
比较项目 高压法聚乙烯 低压法聚乙烯
聚合反应条件 150 MPa~300 MPa,200 ℃左右,使用引发剂 0.1 MPa~2 MPa,60~100 ℃,使用催化剂
高分子链的结构 含有较多支链 支链较少
密度/(g·cm-3) 0.91~0.93 0.94~0.97
软化温度/ ℃ 105~120 120~140
主要性能 无毒,较柔软 无毒,较硬
主要用途 生产食品包装袋、薄膜、绝缘材料等 生产瓶、桶、板、管等
微点拨
(1)高压法聚乙烯的密度和熔点均低于低压法聚乙烯的原因为高压法聚乙烯的主链有较多的支链,支链结构有碍碳碳单键的旋转和链之间的接近,链之间的作用力就比低压法聚乙烯的小,熔点和密度也就较低。
(2)两种聚乙烯塑料均有热塑性,加热均可熔融。
2.酚醛树脂
(1)定义:酚醛树脂是酚(如苯酚或甲苯酚等)与醛(如甲醛)在　　　　的催化下相互缩合而成的高分子。
(2)合成
①在酸催化下,等物质的量的苯酚与甲醛反应,苯酚邻位或对位的氢原子与甲醛的羰基加成生成羟甲基苯酚,然后羟甲基苯酚之间相互脱水缩合成线型结构的高分子。其反应方程式为
+,
n+(n-1)H2O。
总反应为n+nHCHO+(n-1)H2O
②在碱催化下,苯酚与过量的甲醛反应,生成　　　　　　　　　　　　等,继续反应,生成网状结构的酚醛树脂。
3.脲醛树脂
可以用尿素(H2NCONH2)与甲醛通过缩聚反应合成,其化学方程式为
nH2NCONH2+nHCHOH NHCONHCH2 OH+(n-1)H2O。
(二)合成纤维
1.纤维的分类
纤维
(1)合成纤维:以　　　　　等为原料,将其转化为单体,再经过聚合反应得到的纤维。其原料本身不是纤维。
(2)再生纤维:以木材、秸秆等农副产品为原料,经过加工处理得到的纤维。
(3)六纶包括:　　　　　　　　　　　　。
其性能具有强度高、弹性好、耐腐蚀、不缩水、质轻保暖等优点,缺点也很明显,除维纶吸湿性较好外,其他合成纤维的吸湿性和透气性明显不及天然纤维。
2.常见合成纤维的合成
(1)聚对苯二甲酸乙二酯纤维(又称涤纶)
合成方程式为
+nHOCH2CH2OH+(2n-1)H2O。
(2)聚己二酰己二胺纤维(又称锦纶66、尼龙66)
合成方程式为
nH2N—(CH2)6—NH2+nHOOC(CH2)4COOH+(2n-1)H2O。
(3)高强度芳纶纤维
合成方程式为
++(2n-1)H2O
(三)合成橡胶
1.天然橡胶的单体为异戊二烯(2-甲基-1,3-丁二烯),合成反应方程式为
2.合成橡胶
(1)优良性能有耐磨、耐油、耐寒、耐热、耐腐蚀等。
(2)顺丁橡胶合成方程式为
(3)橡胶的硫化
将线型结构的橡胶与硫等硫化剂混合后加热,硫化剂将聚合物中的双键打开,以二硫键(—S—S—)等把线型结构连接为网状结构,得到既有弹性又有强度的顺丁橡胶。
微点拨
绝大多数橡胶的结构中有碳碳双键或还原性元素(如硫),故橡胶有较强的还原性。因此,在实验室中盛放强氧化性物质(如高锰酸钾)的试剂瓶不能用橡胶塞。
【答案】
一、通用高分子　功能高分子
二、(一)增塑　热稳定　2.(1)酸或碱　(2)羟甲基苯酚、二羟甲基苯酚、三羟甲基苯酚
(二)1.(1)石油、天然气、煤、农副产品
(3)涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、维纶、氯纶
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)塑料的主要成分是合成树脂。 (　　)
(2)热塑性塑料可以反复加工,多次使用。 (　　)
(3)塑料只有网状结构。 (　　)
(4)聚乙烯是由乙烯经加聚反应合成的,但是聚乙烯的基本结构和乙烯的结构不同。 (　　)
(5)苯酚与甲醛通过缩聚反应一定形成线型结构高分子。 (　　)
(6)酚醛树脂可制热固性塑料。 (　　)
(7)合成酚醛树脂()的单体是苯酚和甲醇。 (　　)
(8)塑料是一种高分子化合物,可以通过取代反应大量生产。 (　　)
(9)天然纤维和合成纤维均属于纤维素。 (　　)
(10)棉花、黏胶纤维、聚酯纤维均为化学纤维。 (　　)
(11)天然橡胶的成分为聚异戊二烯,它属于合成高分子材料。 (　　)
(12)顺式聚1,3-丁二烯是线型结构,具有较好的弹性。 (　　)
【答案】(1)√　(2)√　(3)×　(4)√　(5)×　(6)√ (7)×　(8)×　(9)×　(10)×　(11)×　(12)√
2.聚乙烯属于纯净物吗
【答案】不属于,高分子化合物都是混合物。
3.聚乙烯能否使溴水褪色
【答案】不能,聚乙烯中碳碳双键已经被破坏。
4.电木的主要成分是什么
【答案】酚醛树脂。
5.化学纤维就是合成纤维,对吗
【答案】不对,化学纤维指的是用天然或人工合成的高分子物质,经化学、机械加工而制得的纤维,包括再生纤维和合成纤维。
6.橡胶都是合成高分子,对吗
【答案】不对,橡胶包括天然橡胶和合成橡胶,天然橡胶是天然高分子。
【合作探究】
任务1　塑料
情境导入　塑料是以单体为原料,通过加聚或缩聚反应聚合而成的高分子化合物,其抗形变能力中等,介于纤维和橡胶之间,由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂组成。
塑料的主要成分是合成树脂。树脂是指尚未和各种添加剂混合的高分子化合物。树脂这一名词最初是因动植物分泌出的脂质而得名,如松香、虫胶等。树脂约占塑料总重量的40%~100%。塑料的基本性能主要取决于树脂的本性,但添加剂也起着重要作用。有些塑料基本上是由合成树脂所组成的,不含或只含少量添加剂,如有机玻璃等。
问题生成
1.聚乙烯材料具有一定弹性的原因是什么
【答案】聚乙烯分子链上的碳碳单键可以发生旋转,使分子链不可能呈一条直线,只能呈不规则的卷曲状态。当有外力作用时,卷曲的高分子链被拉直或部分被拉直,除去外力后又恢复卷曲状态。
2.苯酚在盐酸和浓氨水作用下与甲醛缩聚形成的酚醛树脂在结构上有什么不同
【答案】在盐酸作用下,生成线型结构高分子;在浓氨水作用下,生成网状结构高分子。
3.高分子材料在结构上可分为哪几种材料
【答案】线型结构、支链型结构、网状结构三种。
【实验探究】
酸性、碱性条件下制备酚醛树脂
实验 操作 在大试管中加入2 g苯酚、3 mL 质量分数为40%的甲醛溶液和3滴浓盐酸,在　　　　中加热,当试管中反应物接近沸腾时,从水浴中取出试管,并用玻璃棒搅拌 在另一大试管中加入2 g 苯酚和3 mL质量分数为40%的甲醛溶液,置于　　　　中加热片刻,稍加振荡后,加入0.5 mL浓氨水,在水浴中加热
实验 现象 产生　　　　或　　　　固体 产生　　　　固体
实验 结论 甲醛和苯酚在酸或碱作用下均可发生　　　　反应生成树脂
　　【答案】水浴　水浴　白色　粉色　白色　缩聚
【核心归纳】
1.有机高分子化学反应的特点
(1)与结构的关系:结构决定性质,高分子的化学反应主要取决于结构特点、官能团与基团之间的影响。如碳碳双键易氧化和加成,酯基易水解、醇解,羧基易发生酯化、取代等反应。
(2)常见的有机高分子化学反应
①降解:在一定条件下,高分子材料降解为小分子。如有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)热解为甲基丙烯酸甲酯;聚苯乙烯用氧化钡处理,能分解为苯乙烯。常见的高分子降解方法有生物降解、化学降解、光降解等。
②橡胶硫化:天然橡胶()经硫化,破坏了碳碳双键,形成单硫键(—S—)或双硫键(—S—S—),线型结构变为网状结构。
③催化裂化:塑料催化裂化得到柴油、煤油、汽油及可燃性气体等。
2.合成高分子的结构与性能
分类 线型高分子 网状高分子
结构 线型结构 支链型结构 网状结构
分子中的原子以共价键相互连接,构成一条很长的卷曲状态的“链” 分子链与分子链之间有许多共价键交联起来,形成三维空间网状结构
溶解性 能缓慢溶解于适当溶剂 很难溶解,但往往有一定程度的胀大
性能 具有热塑性,无固定熔点 具有热固性,受热不熔化
特性 强度大、可拉丝、吹薄膜、绝缘性好 强度大、绝缘性好、有可塑性
常见 物质 聚乙烯、聚氯乙烯、天然橡胶 酚醛树脂、硫化橡胶
【典型例题】
【例1】食品保鲜膜按材质分为聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙烯(PVDC)等。PVC广泛用于食品、蔬菜外包装,它对人体有潜在危害。下列有关叙述不正确的是(　　)。
A.PVC保鲜膜属于链状聚合物,在高温时易熔化,能溶于酒精
B.PVC单体可由PE的单体与氯化氢加成制得
C.PVC的结构简式为 CH2—CHCl ,PVDC的结构简式为 CH2—CCl2
D.等质量的聚乙烯和乙烯完全燃烧消耗的氧气的质量相等
【答案】B
【解析】聚氯乙烯(PVC)的结构简式为 CH2—CHCl ,属于链状聚合物,高温时易熔化,并且易溶于苯、酒精等有机溶剂,A项正确;聚氯乙烯(PVC)的单体是CH2CHCl,可以由乙炔(CH≡CH)和氯化氢加成制得,而不能由聚乙烯(PE)的单体CH2CH2和HCl加成制得,B项错误;聚偏二氯乙烯(PVDC)的结构简式为 CH2—CCl2 ,C项正确;乙烯和聚乙烯的含碳量和含氢量均相同,等质量的乙烯和聚乙烯完全燃烧时,消耗的氧气的质量相等,D项正确。
【例2】生物降解塑料能在微生物的作用下降解成二氧化碳和水,从而消除废弃塑料对环境的污染。PHB塑料就属于这种塑料,其结构简式为,下面有关PHB的说法中正确的是(　　)。
A.PHB是一种聚酯,有固定的熔点
B.PHB的降解过程不需要氧气
C.合成PHB的单体是CH3CH2CH(OH)COOH
D.通过加聚反应可以制得PHB
【答案】C
【解析】PHB为高分子化合物,属于混合物,没有固定的熔点,A项错误;其降解过程是先水解生成2-羟基丁酸,然后被氧气氧化为CO2和H2O,B项错误;PHB是聚酯类高分子化合物,通过缩聚反应制得,D项错误。
【例3】
酚醛树脂是用酚类(如苯酚)与醛类(如甲醛)在酸或碱的催化下相互缩合而成的高分子。实验室制取酚醛树脂的装置图如图所示(该实验所用催化剂为浓盐酸)。下列说法错误的是(　　)。
A.装置中长玻璃导管的作用之一是冷凝回流
B.试管中发生的反应是n++(n-1)H2O
C.待制备实验结束后,取出试管,冷却至室温,加入适量乙醇,并加热,沉淀溶解,说明酸性条性下制得的酚醛树脂为网状结构
D.实验完毕后,若试管用水不易洗涤,可以加入少量乙醇浸泡几分钟,然后洗净
【答案】C
【解析】苯酚、甲醛、浓盐酸易挥发,反应装置中的长玻璃导管除导气外,还对挥发的反应物起冷凝回流作用,A项正确;苯酚与甲醛反应的化学方程式可以表示为n++(n-1)H2O,B项正确;苯酚与甲醛在酸催化下反应生成的酚醛树脂是线型结构,在碱催化下反应生成的酚醛树脂是网状结构,C项错误;实验中用酸作催化剂,产物是线型高分子,需用乙醇浸泡一段时间后,再用水洗净,D项正确。
【灵犀一点】　在酸性条件下,苯酚与甲醛反应只能发生在邻位或对位,得到羟甲基苯酚,然后羟甲基苯酚之间反应得到线型分子;而在碱性条件下,苯酚与过量的甲醛反应,生成羟甲基苯酚的同时,还生成二羟甲基苯酚、三羟甲基苯酚等,继续反应就可得到网状结构的分子。
任务2　合成纤维与合成橡胶
情境导入　1.宇航服一般由密闭头盔和密闭服组成。密闭头盔由透明聚碳酸酯制成,为防止来自太阳的紫外线、红外线等的强烈辐射,在头盔的透明层上涂有金属薄层。密闭头盔内可以供氧和加压。密闭服通常由几层具有耐高温的防火聚酰胺纤维织物等一些特殊材料制成,其中夹有数层铝箔,具有隔热、防护宇宙射线以及防止太空中流星雨的撞击等作用。
2.对于一双运动鞋来说,鞋底的设计代表了这双运动鞋的技术含量。橡胶以出色的耐磨性、良好的防滑性、均匀的质地获得了世界众多制鞋厂商的认可。
问题生成
1.宇航服都是高科技产品,不可能存在天然高分子材料,这种说法对吗
【答案】不对,宇航服的内衣舒适层常选用质地柔软、吸湿性和透气性良好的棉针织品制作,为天然纤维素。
2.宇航服选用的合成纤维具有什么样的性质
【答案】气密性好、强度大、耐高温、防火等。
3.再生纤维就是合成纤维吗
【答案】不是,再生纤维是以木材、秸秆等农副产品为原料经加工处理后所得。如人造棉、人造丝等。
4.天然橡胶的单体是什么 链节是什么 写出结构简式。
【答案】,。
【核心归纳】
1.常见“六纶”的结构简式、单体和性能和用途
名称 结构简式 单体 性能 用途
涤纶 和HOCH2CH2OH 抗皱性好、强度高、耐酸腐蚀、耐磨、吸湿性差 衣料、室内装修材料、电绝缘材料、绳索、渔网等
锦纶 H2N(CH2)5COOH 耐磨、强度高、耐光、耐碱、有弹性 衣料、绳索、渔网等
腈纶 CH2CH—CN 弹性高、保温性能好、耐光、耐酸但不耐碱 衣料、毛毯、幕布、工业用布等
丙纶 CH2CH—CH3 机械强度高、电绝缘性好、耐化学腐蚀、质轻、耐油性差 可制成薄膜、日常用品、管道、包装材料等
维纶 CH3COOCHCH2 和HCHO 吸湿性优良,有“人造棉花”之称 可与棉花混纺,作维棉混纺织物,制成滤布、帆布、传送带等
氯纶 CH2CH—Cl 难燃,耐酸、碱,吸湿性差 可编织窗纱、筛网、网袋与绳子,制成毛线、毛毯、棉絮、滤布等
2.常见合成橡胶的单体、结构简式、性能和用途
名称 单体 结构简式 性能和用途
顺丁橡胶 弹性、耐寒、耐磨性能好。主要用于制造轮胎、胶鞋、胶带等
丁苯橡胶 CH2CHCHCH2、 耐磨、耐热、耐油、耐老化。可部分或全部代替天然橡胶。主要用于制造轮胎、乳胶带、胶管、胶鞋等
氯丁橡胶 耐燃、耐油。主要用于制造耐燃、耐油橡胶制品,如耐热运输带、耐油胶管、胶辊等
丁腈橡胶 CH2CHCHCH2、 CH2CHCN 耐油性能优异。主要用于制造耐油制品,如输油管、密封垫圈、化工容器衬里等
乙丙橡胶 CH2CH2、 CH2CH—CH3 耐老化、耐臭氧、弹性好。主要用于制造汽车零件、电气制品、建筑材料等
硅橡胶 无毒、无味,耐高温与低温。主要用于制造耐高温与低温的垫圈、密封件、高温电线、人造心脏、人造血管等
【典型例题】
【例4】一种芳纶纤维的拉伸强度比钢丝还高,具有较强热塑性,广泛用作防护材料。其结构片段如图,下列关于该高分子化合物的说法正确的是(　　)。
A.完全水解产物的单个分子中,苯环上具有不同化学环境的氢原子
B.该高分子化合物的结构简式可表示为
C.氢键对该高分子化合物的性能有一定影响
D.芳纶纤维为体型高分子材料
【答案】C
【解析】从结构片段中可以看出,该高聚物的单体有两种:和。A项,和中,苯环上4个氢原子所处的化学环境相同,错误;B项,该高分子化合物的结构简式可表示为,错误;C项,氢键将相邻的两条碳链相连,增大了链与链之间的作用力,必然影响该高分子的性能,正确;D项,芳纶纤维为线型高分子材料,错误。
【例5】橡胶是一种重要的战略物资,一般分为天然橡胶和合成橡胶两类。丁苯橡胶是合成橡胶的一种,其结构简式为。下列说法正确的是(　　)。
A.它的单体是
B.丁苯橡胶是由CH2CH—CHCH2和通过缩聚反应制得的
C.装液溴或溴水的试剂瓶可用丁苯橡胶作瓶塞
D.丁苯橡胶会老化
【答案】D
【解析】丁苯橡胶是通过1,3-丁二烯(CH2CH—CHCH2)和苯乙烯()发生加聚反应得到的;由于链节中含有碳碳双键,故能与溴发生加成反应,因此装液溴或溴水的试剂瓶不能用丁苯橡胶作瓶塞;受氧气、臭氧、日光,特别是高能辐射的作用,丁苯橡胶容易老化。
【随堂检测】
1.“白色污染”泛指塑料污染,常见的塑料有:①聚乙烯;②聚丙烯;③聚氯乙烯;④聚苯乙烯。下列关于它们的叙述正确的是(　　)。
A.都是烯烃
B.分子内部都含有双键
C.它们的单体都能发生加聚反应
D.它们的分子结构都是空间网状结构
【答案】C
【解析】这几种塑料均是由含有的单体发生加聚反应形成的线型结构高分子化合物。
2.航天科学家正在考虑用塑料飞船代替铝质飞船进行太空探索,其依据是(　　)。
A.塑料是一种高分子化合物,可以通过取代反应大量生产
B.塑料生产中加入添加剂可得到性能比铝优良的新型材料
C.塑料用途广泛,可从自然界中直接得到
D.塑料是有机物,不会和强酸、强碱作用
【答案】B
【解析】塑料中加入添加剂得到的新型材料的性能比铝优良。
3.用尿素和甲醛可以合成电玉(脲醛树脂),其结构为,则合成电玉的反应属于(　　)。
A.化合反应　　　　　　　　B.加聚反应
C.缩聚反应 D.分解反应
【答案】C
【解析】由尿素()和甲醛()及电玉的结构,可以判断合成电玉的反应属于缩聚反应。
4.世博会的环保概念是人们关心的话题,环保材料更为世人瞩目,其中聚碳酸酯是用得较多的材料。聚碳酸酯的结构简式如图所示,下列说法正确的是(　　)。
A.它是由一种单体聚合而成的
B.它是通过加聚反应得到的产物
C.它是一种纯净物
D.它不耐强碱,可发生水解反应
【答案】D
【解析】聚碳酸酯的单体是碳酸和,由两者通过缩聚反应而形成,A、B两项错误;聚碳酸酯为高聚物,应为混合物,C项错误;聚碳酸酯含有酯基,可在酸性、碱性条件下水解,D项正确。
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