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5.2第2课时　功能高分子材料
【学习目标】
1.了解功能高分子材料的结构和主要功能。
2.认识功能高分子材料在日常生活、工农业生产、科学研究等方面的重要作用。
3.知道生活中常见的功能高分子材料的优异性能。
【自主预习】
【答案】
功能基团　特殊功能　亲水　亲水　分离
提纯
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)具有网状结构的高聚物具有强吸水性。 (　　)
(2)高吸水性树脂中含有亲水性基团。 (　　)
(3)离子交换树脂主要用于分离和提纯物质。 (　　)
(4)聚乙炔膜可用于工业废水的分离和海水的淡化。 (　　)
(5)向海水中加入明矾可以使海水淡化。 (　　)
(6)阳离子交换树脂中的H+可与水中的金属阳离子Mn+交换。 (　　)
(7)阴离子交换树脂中既含有阳离子,又含有阴离子,因此既能与水中的阳离子交换,又能与水中的阴离子交换。 (　　)
【答案】(1)×　(2)√　(3)√　(4)×　(5)×　(6)√ (7)×
2.高分子分离膜在哪些领域有着广泛的应用
【答案】高分子分离膜广泛应用于海水淡化、食品浓缩、废水处理、富氧空气制备、医用超纯水制造、人工肾及人工肺装置、药物的缓释等方面。
【合作探究】
任务1　高吸水性树脂
情境导入　同学们听说过美国《时代周刊》这份杂志吗 它在全美乃至全球都很有影响力。《时代周刊》评出20世纪最伟大的100项发明,其中“尿不湿”榜上有名。现代尤其是城市的婴幼儿使用“尿不湿”是再平常不过的事了。为什么“尿不湿”能被评为20世纪最伟大的100项发明呢 在二十世纪六十年代初,美国航天事业崛起,如何解决宇航员的排尿问题迫在眉睫,华人唐鑫源成为“尿不湿”的发明人,后来他被誉为“太空服之父”。高吸水性树脂是制造婴幼儿尿布的绝好材料,因此俗称“尿不湿”。它是用淀粉和丙烯酸盐作主要原料制成的。你知道“尿不湿”为什么尿不湿吗
问题生成
1.“尿不湿”的材料具有什么特性
【答案】高吸水性树脂(简称高分子SAP)是制造婴儿“尿不湿”的材料,它是用淀粉和丙烯酸盐作主要原料制成的;特性是吸水和蓄水量大。
2.“尿不湿”等高吸水性树脂结构上共同的特点是什么
【答案】都具有强亲水基。
3.高吸水性树脂与一般性吸水材料在结构上的主要差别是什么
【答案】高吸水性树脂的分子链上连有强亲水基团的支链,提高了吸水能力。
4.在橡胶工业中,制造橡胶要经过硫化工艺,将橡胶的线型结构转变为网状结构。在制备高吸水性树脂时也要加入交联剂,以得到具有网状结构的树脂。两者为什么要做成网状结构
【答案】橡胶工业中将线型结构转变为网状结构是为了增加橡胶的功能,防止老化;高吸水性树脂将线型结构转变为网状结构可使它既吸水又保水。
【核心归纳】
高吸水性树脂
(1)结构特点
①含有带强亲水性原子团(—OH)的支链;
②具有网状结构。
(2)合成方法
①对淀粉、纤维素等天然吸水材料进行改性,在淀粉或纤维素的主链上再接入带有强亲水基团的支链,可以提高它们的吸水能力。例如,淀粉与丙烯酸钠在一定条件下发生反应,生成以淀粉为主链的接枝共聚物。为防止此共聚物溶于水,还需在交联剂作用下生成网状结构的淀粉-聚丙烯酸钠高吸水性树脂。
②用带有强亲水基团的烯类单体进行聚合,得到含亲水基团的高聚物。例如,在丙烯酸钠中加入少量交联剂,再在一定条件下发生聚合,可得到具有网状结构的聚丙烯酸钠高吸水性树脂。
这两种方法有一个共同特点,都要在反应中加入少量交联剂,让线型结构变为网状结构。
(3)应用
可在干旱地区用于农业、林业抗旱保水,改良土壤;可用于婴幼儿使用的纸尿裤。
【典型例题】
【例1】聚丙烯酸钠(单体为CH2CHCOONa)是一种高性能吸水树脂,可在干旱地区用于农业、林业的抗旱保水。下列关于聚丙烯酸钠的说法中正确的是(　　)。
A.聚丙烯酸钠的结构简式为 CH2—CH—COONa
B.聚丙烯酸钠可以通过单体发生缩聚反应制得
C.聚丙烯酸钠具有热塑性
D.聚丙烯酸钠是一种网状结构的高分子材料
【答案】C
【解析】碳碳双键能发生加聚反应,所以聚丙烯酸钠的结构简式为,A、B两项均不正确;聚丙烯酸钠是一种线型结构的高分子材料,具有热塑性,C项正确,D项不正确。
【例2】科学家研制的一种使沙漠变绿洲的新技术,即在沙漠中喷洒一定量的聚丙烯酸酯()与水的混合物,使其与沙粒结合,既能阻止地下的盐分上升,又能拦截、蓄积雨水。下列对聚丙烯酸酯的叙述中正确的是(　　)。
A.聚丙烯酸酯的单体的结构简式为CH3CH2COOR
B.聚丙烯酸酯没有固定的熔、沸点
C.聚丙烯酸酯在一定条件下能发生水解反应和加成反应
D.聚丙烯酸酯具有很强的吸水性
【答案】B
【解析】聚丙烯酸酯是由单体丙烯酸酯(CH2CHCOOR)发生加聚反应得到的高分子,A项错误;由于聚丙烯酸酯属于混合物,因此没有固定的熔、沸点,B项正确;聚丙烯酸酯中无碳碳双键,含有酯基,故其能发生水解反应,不能发生加成反应,C项错误;聚丙烯酸酯分子中不含亲水基团,故无吸水性,D项错误。
【灵犀一点】　高吸水性树脂结构上最大的特点是都含有亲水基团,常见的亲水基主要有羟基、羧基、醛基、氨基、磺酸基等。疏水基有烃基、酯基等。
任务2　高分子分离膜
情境导入　早在20世纪初已有用天然高分子或其衍生物制透析、电渗析、微孔过滤膜。1953年,美国C.E.里德提出了用致密的醋酸纤维素制的膜将海水分离为水和盐,当时由于水的透过速度极小而未能应用。1960年S.洛布和S.索里拉金成功地开发了各向异性的不对称膜的制备方法。由于起分离作用的活性层极薄,流体通过膜的阻力小,从而开拓了高分子分离膜在工业上的应用。之后出现了中空纤维膜,使高分子分离膜更适于工业用途。70年代以来,气体分离膜、透过蒸发膜、液体膜以及生物医学用膜的研究,开拓了高分子分离膜应用新领域。
问题生成
1.分离膜具有什么样的性质特点
【答案】选择透过性,即分离膜只允许水及一些小分子物质通过,其余物质则被截留在膜的另一侧。
2.分离膜主要用于分离的是液体还是固体
【答案】液体。
3.高分子分离膜分离液体时,发生的是物理变化还是化学变化
【答案】物理变化。
4.常用于制备分离膜的高分子材料有哪些
【答案】醋酸纤维、芳族聚酰胺、聚丙烯、聚四氟乙烯等。
【核心归纳】
1.海水淡化
(1)蒸馏法:将海水蒸发,再将水蒸气冷凝为液态淡水。
(2)冷冻法:冷冻海水,使之结冰,在液态淡水变成固态冰的同时,盐被分离了出去。
两种方法都有难以克服的弊病。蒸馏法会消耗大量的能源,并在仪器里产生大量的锅垢,得到的淡水却并不多,这是一种很不划算的方式。冷冻法同样要消耗许多能源,得到的淡水却味道不佳,难以使用。
(3)反渗透法:利用半透膜来达到将淡水与盐分离的目的。通常情况下,半透膜允许溶液中的溶剂通过,而不允许溶质透过。由于海水含盐量高,如果用半透膜将海水与淡水隔开,淡水会通过半透膜扩散到海水的一侧,从而使海水一侧的液面升高,直到一定的高度产生压力,使淡水不再扩散过来,这个过程是渗透。如果要得到淡水,只要对半透膜中的海水施以压力,就会使海水中的淡水渗透到半透膜外,而盐却被膜阻挡在海水中,这就是反渗透法。反渗透法最大的优点就是节能,生产同等质量的淡水,它的能源消耗仅为蒸馏法的。
反渗透法海水淡化工艺流程:
2.功能高分子材料的比较
常见功能高分子材料 主要功能 主要应用
高分子膜 高分子分离膜 选择性地允许某些物质通过 ①废水处理 ②海水淡化 ③浓缩果汁、乳制品加工、酿酒等
高分子传感膜 把化学能转换成电能 ①发电 ②开发新型电池
高分子热电膜 把热能转换成电能 ①发电 ②开发新型电池
医用高分子材料 ①具有优异的生物相容性 ②具有某些特殊功能 人造器官
【典型例题】
【例3】下列材料中属于功能高分子材料的是(　　)。
①有机玻璃　②合成橡胶　③高分子分离膜　④生物高分子材料　⑤隐身材料　⑥液晶高分子材料　⑦光敏高分子材料
⑧智能高分子材料
A.①③④⑥⑧ B.②④⑥⑦⑧
C.③④⑤⑥⑦⑧ D.①②③④⑤⑥⑦⑧
【答案】C
【解析】有机玻璃属于传统合成材料,塑料、合成橡胶、合成纤维属于三大传统合成材料,它们不属于新型功能高分子材料。
【例4】某工厂对江水进行净化沉淀、杀菌消毒、降低水的硬度,以获得所需工业用水,则依次选用的试剂和方法是(　　)。
A.Na3PO4、Cl2、离子交换法
B.石灰、纯碱、漂白粉
C.明矾、离子交换法、漂白粉
D.明矾、漂白粉、离子交换法
【答案】D
【解析】净化沉淀是指利用胶体或其他方法使水中的悬浮物沉淀,常用明矾,降低水的硬度是指减小水中Ca2+、Mg2+浓度,可用离子交换法。
【随堂检测】
1.下列物质不属于功能高分子材料的是(　　)。
A.高分子分离膜　　　　　B.液晶高分子材料
C.生物高分子材料 D.有机玻璃
【答案】D
【解析】有机玻璃不具备功能高分子材料所具有的特殊功能,因而不属于功能高分子材料,A、B、C三项中的物质都是功能高分子材料。
2.高分子分离膜可以让某些物质有选择地通过而将物质分离,下列不属于高分子分离膜的应用范围的是(　　)。
A.分离工业废水,回收废液中的有用成分
B.食品工业中,浓缩天然果汁、乳制品加工和酿酒
C.将化学能转换成电能,将热能转换成电能
D.海水淡化
【答案】C
【解析】A、B、D三项是功能高分子分离膜的应用范围,而C项中将化学能转换为电能的应是传感膜,将热能转换成电能的是热电膜。
3.下列关于功能高分子材料的说法不正确的是(　　)。
A.在合成高分子的主链或支链上引入某种功能原子团,使其显示出在光、电、磁、声、热、化学、生物、医学等方面的特殊功能
B.对淀粉、纤维素等天然吸水材料进行改性,在它们的高分子链上再接入含强亲水性原子团的支链,以提高它们的吸水能力
C.以带有强亲水性原子团的化合物为单体,均聚或两种单体共聚,得到亲水性高聚物,在反应中加入交联剂,得到链状的树脂
D.功能高分子材料的优异性能在通信、交通、航空航天、医疗、医药等许多领域发挥了重要作用
【答案】C
【解析】功能高分子是一类以基本合成材料为原料,在合成高分子主链或支链上引入某种功能原子团,使其显示出在光、电、磁、声、热、化学、生物、医学等方面的特殊功能,A项正确;对淀粉、纤维素等天然吸水材料进行改性,接入含强亲水性原子团的支链,可以提高它们的吸水能力,B项正确;以带有强亲水性原子团的化合物为单体,均聚或两种单体共聚,得到亲水性高聚物,在反应中加入交联剂,得到网状结构的树脂,具有较高的强度、韧性及化学稳定性,C项错误;功能高分子材料一般具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等优异性能,在通信、交通、航空航天、医疗、医药等许多领域发挥了重要作用,D项正确。
4.下列关于的说法,正确的是(　　)。
A.该物质可由n个单体分子通过缩聚反应生成
B.0.1 mol该物质完全燃烧,生成33.6 L(标准状况)的CO2
C.该物质在酸性条件下水解产物之一可作汽车发动机的抗冻剂
D.1 mol该物质与足量NaOH溶液反应,最多可消耗3n mol NaOH
【答案】C
【解析】根据该高分子化合物的结构片段可知,该高分子是由不饱和键打开再相互连接而成的,即通过加聚反应生成的,A项错误;因为该物质为高分子化合物,无法确定0.1 mol该物质中含有C原子的物质的量,无法确定生成二氧化碳的量,B项错误;该物质在酸性条件下水解产物中有乙二醇,可作为汽车发动机的抗冻剂,C项正确;该物质链节中含有三个酯基,水解均可产生羧基,可与氢氧化钠反应,但其中一个酯基水解后产生酚羟基,也可与氢氧化钠反应,故1 mol该物质与足量NaOH溶液反应,最多可消耗4n mol NaOH,D项错误。
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