資源簡介

5.2第2課時　功能高分子材料
【學習目標】
1.了解功能高分子材料的結構和主要功能。
2.認識功能高分子材料在日常生活、工農業生產、科學研究等方面的重要作用。
3.知道生活中常見的功能高分子材料的優異性能。
【自主預習】
【答案】
功能基團　特殊功能　親水　親水　分離
提純
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。
(1)具有網狀結構的高聚物具有強吸水性。 (　　)
(2)高吸水性樹脂中含有親水性基團。 (　　)
(3)離子交換樹脂主要用于分離和提純物質。 (　　)
(4)聚乙炔膜可用于工業廢水的分離和海水的淡化。 (　　)
(5)向海水中加入明礬可以使海水淡化。 (　　)
(6)陽離子交換樹脂中的H+可與水中的金屬陽離子Mn+交換。 (　　)
(7)陰離子交換樹脂中既含有陽離子,又含有陰離子,因此既能與水中的陽離子交換,又能與水中的陰離子交換。 (　　)
【答案】(1)×　(2)√　(3)√　(4)×　(5)×　(6)√ (7)×
2.高分子分離膜在哪些領域有著廣泛的應用
【答案】高分子分離膜廣泛應用于海水淡化、食品濃縮、廢水處理、富氧空氣制備、醫用超純水制造、人工腎及人工肺裝置、藥物的緩釋等方面。
【合作探究】
任務1　高吸水性樹脂
情境導入　同學們聽說過美國《時代周刊》這份雜志嗎 它在全美乃至全球都很有影響力。《時代周刊》評出20世紀最偉大的100項發明,其中“尿不濕”榜上有名。現代尤其是城市的嬰幼兒使用“尿不濕”是再平常不過的事了。為什么“尿不濕”能被評為20世紀最偉大的100項發明呢 在二十世紀六十年代初,美國航天事業崛起,如何解決宇航員的排尿問題迫在眉睫,華人唐鑫源成為“尿不濕”的發明人,后來他被譽為“太空服之父”。高吸水性樹脂是制造嬰幼兒尿布的絕好材料,因此俗稱“尿不濕”。它是用淀粉和丙烯酸鹽作主要原料制成的。你知道“尿不濕”為什么尿不濕嗎
問題生成
1.“尿不濕”的材料具有什么特性
【答案】高吸水性樹脂(簡稱高分子SAP)是制造嬰兒“尿不濕”的材料,它是用淀粉和丙烯酸鹽作主要原料制成的;特性是吸水和蓄水量大。
2.“尿不濕”等高吸水性樹脂結構上共同的特點是什么
【答案】都具有強親水基。
3.高吸水性樹脂與一般性吸水材料在結構上的主要差別是什么
【答案】高吸水性樹脂的分子鏈上連有強親水基團的支鏈,提高了吸水能力。
4.在橡膠工業中,制造橡膠要經過硫化工藝,將橡膠的線型結構轉變為網狀結構。在制備高吸水性樹脂時也要加入交聯劑,以得到具有網狀結構的樹脂。兩者為什么要做成網狀結構
【答案】橡膠工業中將線型結構轉變為網狀結構是為了增加橡膠的功能,防止老化;高吸水性樹脂將線型結構轉變為網狀結構可使它既吸水又保水。
【核心歸納】
高吸水性樹脂
(1)結構特點
①含有帶強親水性原子團(—OH)的支鏈;
②具有網狀結構。
(2)合成方法
①對淀粉、纖維素等天然吸水材料進行改性,在淀粉或纖維素的主鏈上再接入帶有強親水基團的支鏈,可以提高它們的吸水能力。例如,淀粉與丙烯酸鈉在一定條件下發生反應,生成以淀粉為主鏈的接枝共聚物。為防止此共聚物溶于水,還需在交聯劑作用下生成網狀結構的淀粉-聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂。
②用帶有強親水基團的烯類單體進行聚合,得到含親水基團的高聚物。例如,在丙烯酸鈉中加入少量交聯劑,再在一定條件下發生聚合,可得到具有網狀結構的聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂。
這兩種方法有一個共同特點,都要在反應中加入少量交聯劑,讓線型結構變為網狀結構。
(3)應用
可在干旱地區用于農業、林業抗旱保水,改良土壤;可用于嬰幼兒使用的紙尿褲。
【典型例題】
【例1】聚丙烯酸鈉(單體為CH2CHCOONa)是一種高性能吸水樹脂,可在干旱地區用于農業、林業的抗旱保水。下列關于聚丙烯酸鈉的說法中正確的是(　　)。
A.聚丙烯酸鈉的結構簡式為 CH2—CH—COONa
B.聚丙烯酸鈉可以通過單體發生縮聚反應制得
C.聚丙烯酸鈉具有熱塑性
D.聚丙烯酸鈉是一種網狀結構的高分子材料
【答案】C
【解析】碳碳雙鍵能發生加聚反應,所以聚丙烯酸鈉的結構簡式為,A、B兩項均不正確;聚丙烯酸鈉是一種線型結構的高分子材料,具有熱塑性,C項正確,D項不正確。
【例2】科學家研制的一種使沙漠變綠洲的新技術,即在沙漠中噴灑一定量的聚丙烯酸酯()與水的混合物,使其與沙粒結合,既能阻止地下的鹽分上升,又能攔截、蓄積雨水。下列對聚丙烯酸酯的敘述中正確的是(　　)。
A.聚丙烯酸酯的單體的結構簡式為CH3CH2COOR
B.聚丙烯酸酯沒有固定的熔、沸點
C.聚丙烯酸酯在一定條件下能發生水解反應和加成反應
D.聚丙烯酸酯具有很強的吸水性
【答案】B
【解析】聚丙烯酸酯是由單體丙烯酸酯(CH2CHCOOR)發生加聚反應得到的高分子,A項錯誤;由于聚丙烯酸酯屬于混合物,因此沒有固定的熔、沸點,B項正確;聚丙烯酸酯中無碳碳雙鍵,含有酯基,故其能發生水解反應,不能發生加成反應,C項錯誤;聚丙烯酸酯分子中不含親水基團,故無吸水性,D項錯誤。
【靈犀一點】　高吸水性樹脂結構上最大的特點是都含有親水基團,常見的親水基主要有羥基、羧基、醛基、氨基、磺酸基等。疏水基有烴基、酯基等。
任務2　高分子分離膜
情境導入　早在20世紀初已有用天然高分子或其衍生物制透析、電滲析、微孔過濾膜。1953年,美國C.E.里德提出了用致密的醋酸纖維素制的膜將海水分離為水和鹽,當時由于水的透過速度極小而未能應用。1960年S.洛布和S.索里拉金成功地開發了各向異性的不對稱膜的制備方法。由于起分離作用的活性層極薄,流體通過膜的阻力小,從而開拓了高分子分離膜在工業上的應用。之后出現了中空纖維膜,使高分子分離膜更適于工業用途。70年代以來,氣體分離膜、透過蒸發膜、液體膜以及生物醫學用膜的研究,開拓了高分子分離膜應用新領域。
問題生成
1.分離膜具有什么樣的性質特點
【答案】選擇透過性,即分離膜只允許水及一些小分子物質通過,其余物質則被截留在膜的另一側。
2.分離膜主要用于分離的是液體還是固體
【答案】液體。
3.高分子分離膜分離液體時,發生的是物理變化還是化學變化
【答案】物理變化。
4.常用于制備分離膜的高分子材料有哪些
【答案】醋酸纖維、芳族聚酰胺、聚丙烯、聚四氟乙烯等。
【核心歸納】
1.海水淡化
(1)蒸餾法:將海水蒸發,再將水蒸氣冷凝為液態淡水。
(2)冷凍法:冷凍海水,使之結冰,在液態淡水變成固態冰的同時,鹽被分離了出去。
兩種方法都有難以克服的弊病。蒸餾法會消耗大量的能源,并在儀器里產生大量的鍋垢,得到的淡水卻并不多,這是一種很不劃算的方式。冷凍法同樣要消耗許多能源,得到的淡水卻味道不佳,難以使用。
(3)反滲透法:利用半透膜來達到將淡水與鹽分離的目的。通常情況下,半透膜允許溶液中的溶劑通過,而不允許溶質透過。由于海水含鹽量高,如果用半透膜將海水與淡水隔開,淡水會通過半透膜擴散到海水的一側,從而使海水一側的液面升高,直到一定的高度產生壓力,使淡水不再擴散過來,這個過程是滲透。如果要得到淡水,只要對半透膜中的海水施以壓力,就會使海水中的淡水滲透到半透膜外,而鹽卻被膜阻擋在海水中,這就是反滲透法。反滲透法最大的優點就是節能,生產同等質量的淡水,它的能源消耗僅為蒸餾法的。
反滲透法海水淡化工藝流程:
2.功能高分子材料的比較
常見功能高分子材料 主要功能 主要應用
高分子膜 高分子分離膜 選擇性地允許某些物質通過 ①廢水處理 ②海水淡化 ③濃縮果汁、乳制品加工、釀酒等
高分子傳感膜 把化學能轉換成電能 ①發電 ②開發新型電池
高分子熱電膜 把熱能轉換成電能 ①發電 ②開發新型電池
醫用高分子材料 ①具有優異的生物相容性 ②具有某些特殊功能 人造器官
【典型例題】
【例3】下列材料中屬于功能高分子材料的是(　　)。
①有機玻璃　②合成橡膠　③高分子分離膜　④生物高分子材料　⑤隱身材料　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】有機玻璃屬于傳統合成材料,塑料、合成橡膠、合成纖維屬于三大傳統合成材料,它們不屬于新型功能高分子材料。
【例4】某工廠對江水進行凈化沉淀、殺菌消毒、降低水的硬度,以獲得所需工業用水,則依次選用的試劑和方法是(　　)。
A.Na3PO4、Cl2、離子交換法
B.石灰、純堿、漂白粉
C.明礬、離子交換法、漂白粉
D.明礬、漂白粉、離子交換法
【答案】D
【解析】凈化沉淀是指利用膠體或其他方法使水中的懸浮物沉淀,常用明礬,降低水的硬度是指減小水中Ca2+、Mg2+濃度,可用離子交換法。
【隨堂檢測】
1.下列物質不屬于功能高分子材料的是(　　)。
A.高分子分離膜　　　　　B.液晶高分子材料
C.生物高分子材料 D.有機玻璃
【答案】D
【解析】有機玻璃不具備功能高分子材料所具有的特殊功能,因而不屬于功能高分子材料,A、B、C三項中的物質都是功能高分子材料。
2.高分子分離膜可以讓某些物質有選擇地通過而將物質分離,下列不屬于高分子分離膜的應用范圍的是(　　)。
A.分離工業廢水,回收廢液中的有用成分
B.食品工業中,濃縮天然果汁、乳制品加工和釀酒
C.將化學能轉換成電能,將熱能轉換成電能
D.海水淡化
【答案】C
【解析】A、B、D三項是功能高分子分離膜的應用范圍,而C項中將化學能轉換為電能的應是傳感膜,將熱能轉換成電能的是熱電膜。
3.下列關于功能高分子材料的說法不正確的是(　　)。
A.在合成高分子的主鏈或支鏈上引入某種功能原子團,使其顯示出在光、電、磁、聲、熱、化學、生物、醫學等方面的特殊功能
B.對淀粉、纖維素等天然吸水材料進行改性,在它們的高分子鏈上再接入含強親水性原子團的支鏈,以提高它們的吸水能力
C.以帶有強親水性原子團的化合物為單體,均聚或兩種單體共聚,得到親水性高聚物,在反應中加入交聯劑,得到鏈狀的樹脂
D.功能高分子材料的優異性能在通信、交通、航空航天、醫療、醫藥等許多領域發揮了重要作用
【答案】C
【解析】功能高分子是一類以基本合成材料為原料,在合成高分子主鏈或支鏈上引入某種功能原子團,使其顯示出在光、電、磁、聲、熱、化學、生物、醫學等方面的特殊功能,A項正確;對淀粉、纖維素等天然吸水材料進行改性,接入含強親水性原子團的支鏈,可以提高它們的吸水能力,B項正確;以帶有強親水性原子團的化合物為單體,均聚或兩種單體共聚,得到親水性高聚物,在反應中加入交聯劑,得到網狀結構的樹脂,具有較高的強度、韌性及化學穩定性,C項錯誤;功能高分子材料一般具有強度高、質量輕、耐高溫、耐腐蝕等優異性能,在通信、交通、航空航天、醫療、醫藥等許多領域發揮了重要作用,D項正確。
4.下列關于的說法,正確的是(　　)。
A.該物質可由n個單體分子通過縮聚反應生成
B.0.1 mol該物質完全燃燒,生成33.6 L(標準狀況)的CO2
C.該物質在酸性條件下水解產物之一可作汽車發動機的抗凍劑
D.1 mol該物質與足量NaOH溶液反應,最多可消耗3n mol NaOH
【答案】C
【解析】根據該高分子化合物的結構片段可知,該高分子是由不飽和鍵打開再相互連接而成的,即通過加聚反應生成的,A項錯誤;因為該物質為高分子化合物,無法確定0.1 mol該物質中含有C原子的物質的量,無法確定生成二氧化碳的量,B項錯誤;該物質在酸性條件下水解產物中有乙二醇,可作為汽車發動機的抗凍劑,C項正確;該物質鏈節中含有三個酯基,水解均可產生羧基,可與氫氧化鈉反應,但其中一個酯基水解后產生酚羥基,也可與氫氧化鈉反應,故1 mol該物質與足量NaOH溶液反應,最多可消耗4n mol NaOH,D項錯誤。
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