資源簡介

5.2 高分子材料學(xué)案
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1．了解塑料、合成纖維、合成橡膠的結(jié)構(gòu)、性能和用途。
2．依據(jù)高分子化合物的結(jié)構(gòu)，認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)對性能的影響。
3．知道功能高分子材料的分類，了解其在生產(chǎn)生活及科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。
【預(yù)習(xí)新知】
通用高分子材料
1．塑料
(1)分類：
①______塑料，如聚乙烯等制成的塑料制品，可以反復(fù)加熱熔融加工；
②______塑料，如用酚醛樹脂等制成的塑料制品，不能加熱熔融，只能一次成型。
(2)常見的塑料
①聚乙烯
高壓聚乙烯 低溫低壓聚乙烯
合成條件 高溫高壓引發(fā)劑 低溫低壓催化劑
分子結(jié)構(gòu)類型 支鏈型 線型
相對分子質(zhì)量 相對____ 相對____
熔融溫度 相對____ 相對____
密度 相對____ 相對____
硬度 相對____ 相對____
溶解性 可溶于適當(dāng) 有機(jī)溶劑 可溶于適當(dāng) 有機(jī)溶劑
用途 制作薄膜 制作板、管、桶等
②酚醛樹脂
a．概念：酚醛樹脂是用____與____在酸或堿催化下相互縮合而形成的高分子。
b．形成：在酸催化下，等物質(zhì)的量的甲醛和苯酚反應(yīng)形成____結(jié)構(gòu)高分子。其反應(yīng)為：________________________________________________________________________，
________________________________________________________________________。
在堿催化下，等物質(zhì)的量的甲醛與苯酚或過量的甲醛與苯酚反應(yīng)，生成____結(jié)構(gòu)的酚醛樹脂。
2．纖維
(1)纖維的分類
纖維
(2)合成纖維的優(yōu)點(diǎn)是______，____________________，但在______、______等方面不如天然纖維。合成纖維中，____具有較好的吸濕性，被稱為“人造棉花”。
3．合成橡膠
(1)橡膠的分類
(2)合成橡膠
①原料：以____、______為原料，以二烯烴和烯烴等為單體，聚合而成。
②性能：______、______、耐燃性、耐油性、______和________等方面有獨(dú)特的優(yōu)勢。
功能高分子材料
1．定義
具有某些特殊化學(xué)、物理及醫(yī)學(xué)功能的高分子材料。
例如，高分子催化劑；各種濾膜；磁性高分子；形狀記憶高分子；高吸水性材料；醫(yī)用高分子材料；高分子藥物等。
2．高吸水性樹脂
(1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
①含有強(qiáng)親水性原子團(tuán)(—OH)的支鏈；②具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
(2)合成方法
①對淀粉、纖維素等天然吸水材料進(jìn)行改性，在淀粉或纖維素的主鏈上再接入帶有強(qiáng)親水基團(tuán)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(fā)生反應(yīng)，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(lián)劑作用下生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的淀粉-聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂。
②用帶有強(qiáng)親水基團(tuán)的烯類單體進(jìn)行聚合，得到含親水基團(tuán)的高聚物。例如，在丙烯酸鈉中加入少量交聯(lián)劑，再在一定條件下發(fā)生聚合，可得到具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂。
這兩種方法有一個(gè)共同特點(diǎn)，都要在反應(yīng)中加入少量交聯(lián)劑，讓線型結(jié)構(gòu)變?yōu)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
(3)應(yīng)用
可在干旱地區(qū)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)抗旱保水，改良土壤；可用于嬰幼兒使用的紙尿褲。
3．高分子分離膜
(1)分離原理
只允許水及一些小分子物質(zhì)通過，其余物質(zhì)被截留在膜的另一側(cè)，稱為濃縮液，達(dá)到對原液凈化、分離和濃縮的目的。
(2)分類
根據(jù)膜孔大小分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜等。
(3)制作材料
主要是有機(jī)高分子材料，如醋酸纖維、芳香族聚酰胺、聚丙烯、聚四氟乙烯等。
(4)應(yīng)用
海水淡化和飲用水的制取，果汁濃縮、乳制品加工、藥物提純、血液透析等。
歸納總結(jié)：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(yīng)用
高分子膜 高分子分離膜 選擇性地允許某些物質(zhì) 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(xué)能轉(zhuǎn)換成電能 ①發(fā)電 ②開發(fā)新型電池
高分子熱電膜 把熱能轉(zhuǎn)換成電能 ①發(fā)電 ②開發(fā)新型電池
醫(yī)用高分子材料 ①具有優(yōu)異的生物相容性 ②具有某些特殊功能 人造器官
【思考探究】
一. 功能高分子材料
1．功能高分子材料的涵義：
功能高分子材料是指既有傳統(tǒng)高分子材料的機(jī)械性能，又有某些特殊功能的高分子材料。
它是一類性能特殊、使用量小、附加值高的高分子材料。是高分子材料滲透到電子、生物、能源等領(lǐng)域后開始涌現(xiàn)出的一種新型材料。
【例1】下列材料中，屬于功能高分子材料的是( )
① 高分子膜　② 生物高分子材料　③ 導(dǎo)電高分子材料　④ 離子交換樹脂　⑤ 醫(yī)用高分子材料　⑥ 高吸水性樹脂
A．①③⑤⑥ B．②④⑤⑥
C．②③④⑤ D．①②③④⑤⑥
2. 分類
⑴ 新型新型骨架結(jié)構(gòu)的高分子材料。
⑵ 特殊功能材料，即在合成高分子的主鏈可支鏈上引入某種功能原子團(tuán)，使其顯示出在光、電、磁、聲、熱、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等方面的特殊功能。
3．幾種功能高分子材料：
⑴ 高吸水性材料——親水性高聚物（分子鏈帶有許多親水原子團(tuán)）
① 合成方法
A．對淀粉、纖維素等天然吸水材料進(jìn)行改性，在它們的高分子鏈上再接上含________的支鏈，以提高它們的吸水能力。
B．以帶有________的化合物為單體，均聚或共聚得到親水性高聚物。
② 性能
可吸收幾百至幾千倍于自身質(zhì)量的水，同時(shí)保水能力強(qiáng)，還能耐一定的擠壓作用。
③ 應(yīng)用：有了高吸水性樹脂就可以在干旱地區(qū)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、植樹造林時(shí)抗旱保水，改良土壤，改造沙漠。又如，嬰兒用的“尿不濕”可吸入其自身重量約幾百倍的尿液而不滴不漏，可以保證嬰兒夜晚安睡和白天的活動。
⑵ 高分子分離膜：
① 組成：高分子分離膜是用具有特殊分離功能的高分子材料制成的薄膜。
② 特點(diǎn)：能夠讓某些物質(zhì)有選擇地通過，而把另外一些物質(zhì)分離掉。
③ 應(yīng)用：物質(zhì)分離
⑶ 醫(yī)用高分子材料：
① 性能：優(yōu)異的生物相溶性；很高的機(jī)械性能。
② 應(yīng)用：制作人體的皮膚、骨骼、眼、喉、心、肺、肝、腎等各種人工器官。
【例2】關(guān)于功能高分子材料的下列說法，不正確的是(　　)
A．離子交換樹脂主要用于分離和提純，如硬水的軟化、回收工業(yè)廢水中的金屬等
B．嬰兒用的“尿不濕”的主要成分是具有吸水性的樹脂
C．導(dǎo)電塑料應(yīng)用于電子工業(yè)，可用來制造電
子器件
D．醫(yī)用高分子材料制成的人工器官都受到人體的排斥作用，難以達(dá)到與生物相容的程度
【例3】下列說法中，不正確的是(　　)
A．探求某種新型高分子材料，需要研究分子結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系
B．新科技革命的三大支柱產(chǎn)業(yè)為能源、信息和材料
C．帶有強(qiáng)親水性原子團(tuán)的化合物共聚可以得到強(qiáng)親水性高聚物
D．具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物具有強(qiáng)吸水性
二. 復(fù)合材料：
1．復(fù)合材料的涵義：
復(fù)合材料是指兩種或兩種以上材料組合成的一種新型材料。其中一種材料作為基體，其他的材料作為增強(qiáng)劑。
2．優(yōu)異的性能
強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐高溫、耐腐蝕，在綜合性能上超過了單一材料。
3．應(yīng)用
宇宙航空工業(yè)、汽車工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、體育用品、人類健康等方面。
【例4】 復(fù)合材料的使用使導(dǎo)彈的射程有了很大的提高，其主要原因在于(　　)
A．復(fù)合材料的使用可以使導(dǎo)彈能經(jīng)受超高溫的變化
B．復(fù)合材料的使用可以使導(dǎo)彈的質(zhì)量減輕
C．復(fù)合材料的使用可以使導(dǎo)彈承受超高強(qiáng)度的改變
D．復(fù)合材料的使用可以使導(dǎo)彈承受溫度的劇烈變化
三. 有機(jī)高分子材料的發(fā)展趨勢
對重要的通用有機(jī)高分子材料繼續(xù)進(jìn)行改
進(jìn)和推廣，使它們的性能不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。與人類自身密切相關(guān)、具有特殊功能的材料的研究也在不斷加強(qiáng)，并且取得了一定的進(jìn)展。
【例5】 下列說法錯(cuò)誤的是(　　)
A．玻璃鋼是以玻璃纖維作為增強(qiáng)體、合成樹脂作為基體的復(fù)合材料
B．飛機(jī)機(jī)身的復(fù)合材料大多是以金屬為增強(qiáng)體、纖維為基體的復(fù)合材料
C．制造網(wǎng)球拍用的復(fù)合材料是在合成樹脂的基體中加入了碳纖維作為增強(qiáng)體
D．航天飛機(jī)機(jī)身使用的隔熱陶瓷瓦是由纖維和陶瓷復(fù)合而成的材料制成的
四．功能高分子材料和復(fù)合材料的比較
功能高分子材料 復(fù)合材料
定 義 既有傳統(tǒng)高分子的機(jī)械性能，又有一些特殊性能的高分子材料 兩種或兩種以上材料組合成的一種新型的材料。含有基體和增強(qiáng)劑兩種材料
性 能 高分子分離膜能讓某些物質(zhì)有選擇地通過，而把另外一些物質(zhì)分離掉。醫(yī)用高分子材料具有優(yōu)異的生物相容性、很高的機(jī)械性能 強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐高溫、耐腐蝕
用 途 高分子分離膜用于生活污水、工業(yè)廢液的處理、海水淡化、食品工業(yè)。醫(yī)用高分子材料可制成人造器官 用作宇航材料，用于汽車工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、體育用品、人類健康
發(fā) 展 趨 勢 對重要的通用的有機(jī)高分子材料，不斷提高使用性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。與人類自身密切相關(guān)，具有特殊功能的材料的研究也在不斷加強(qiáng)，并取得了一定的進(jìn)展
【鞏固訓(xùn)練】
1.以秸稈為原料，合成PEF樹脂的路線如下：
下列說法正確的是( )
A.PEF樹脂在一定條件可降解成小分子，能有效緩解“白色污染”，減少對環(huán)境的危害
B.秸稈中富含的纖維素與葡萄糖、果糖都屬于糖類，且三者的最簡式相同
C.5-HMF分子和FDCA分子中所有碳原子不可能共面
D.發(fā)生了縮聚反應(yīng)，其中單體a為乙醇
2.維綸是聚乙烯醇縮甲醛纖維的商品名，其合成路線如下。下列說法正確的是( )
A.①的反應(yīng)類型為縮聚反應(yīng)
B.高分子甲的鏈節(jié)中含有兩種官能團(tuán)
C.高分子乙中碳原子均為雜化
D.③的化學(xué)方程式為+
3.2022年世界杯官方用球 “旅程”由聚氨酯材料通過熱黏合組合而成。下列有關(guān)說法錯(cuò)誤的是( )
A.聚氨酯難溶于水
B.聚氨酯穩(wěn)定性較好
C.聚氨酯屬于高分子化合物
D.該聚氨酯分子為體型結(jié)構(gòu)
4.下列關(guān)于合成材料的說法不正確的是( )
A.尼龍、滌綸、腈綸都是有機(jī)合成纖維
B.聚氯乙烯可制成薄膜、軟管等，其單體是
C.合成酚醛樹脂的單體是苯酚和甲醇
D.合成順丁橡膠的單體是
5.下列有關(guān)有機(jī)化合物的說法不正確的是( )
A.在酸或堿存在的條件下加熱均可以發(fā)生水解，水解產(chǎn)物中均有鹽
B.二氧化碳和環(huán)氧丙烷可以通過縮聚反應(yīng)制備可降解塑料（）
C.磷酸與腺嘌呤核苷可以發(fā)生反應(yīng)，得到腺苷三磷酸
D.聚丙烯酸鈉因含有強(qiáng)親水基團(tuán)，可制成高吸水性樹脂
6.杭州亞運(yùn)會首次實(shí)現(xiàn)亞運(yùn)會“碳中和”，下列屬于有機(jī)高分子材料的是( )
A.“大蓮花”場館的主體結(jié)構(gòu)材料——鋼
B.場館頂部的覆蓋膜——聚四氟乙烯
C.場地的防滑涂層——石墨烯
D.主火炬使用的可再生燃料——甲醇
7.“挖掘文物價(jià)值，講好中國故事”。下列文物的主要成分為有機(jī)高分子化合物的是( )
文物
選項(xiàng) A唐陶文吏俑 B獸面紋青銅盉 C金漆木雕大神龕 D千金猴王硯
A.A B.B C.C D.D
8.2022年7月，詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡正式開工。它的鏡片主材使用的是金屬鈹，在極低的溫度下也能保持穩(wěn)定的形狀。下列有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是( )
A.該望遠(yuǎn)鏡的主動冷卻器用氦制冷，1mol氦分子質(zhì)量為8g
B.該望遠(yuǎn)鏡的遮陽帆由一種聚酰亞胺薄膜制成，其屬于有機(jī)高分子材料
C.該望遠(yuǎn)鏡的主反射鏡使用金屬鈹是因?yàn)槠渚哂袠O高的剛性和密度小等優(yōu)點(diǎn)
D.該望遠(yuǎn)鏡的推進(jìn)器使用作為燃料，作為氧化劑，二者反應(yīng)后的產(chǎn)物為和
9.刺繡是我國優(yōu)秀的民族傳統(tǒng)工藝之一，四大名繡各有特色。下列刺繡用具中，主要成分不屬于天然有機(jī)高分子材料的是( )
A 創(chuàng)意粵繡用動物尾羽纏絨作的線 B 針法多樣蜀繡的繡花針 C 著色豐富湘繡的實(shí)木繡繃 D 生動傳神蘇繡的絲綢底料
A.A B.B C.C D.D
10.下列物質(zhì)不屬于天然高分子化合物的是( )
A.油脂 B.纖維素 C.蛋白質(zhì) D.淀粉
參考答案
1.答案：A
解析：PEF樹脂在一定條件可降解成小分子，代替聚乙烯、聚氯乙烯塑料可以減少白色污染，減少對環(huán)境的危害，A正確；纖維素的化學(xué)式為，最簡式為，葡萄糖、果糖的分子式均為，其最簡式均為，三者的最簡式不相同，B錯(cuò)誤；雙鍵為平面結(jié)構(gòu)，與雙鍵直接相連的C原子共面，由5-HMF的結(jié)構(gòu)簡式可知，分子中所有的C原子與構(gòu)成雙鍵的C直接相連，可共面，同理，由FDCA的結(jié)構(gòu)簡式可知，分子中所有的C原子也可共面，C錯(cuò)誤；由PEF的結(jié)構(gòu)簡式可知，水解時(shí)斷裂酯基，故單體a為乙二醇，D錯(cuò)誤。
2.答案：C
解析：的結(jié)構(gòu)中含有碳碳雙鍵，能發(fā)生加聚反應(yīng)生成甲，甲的結(jié)構(gòu)為，A錯(cuò)誤；由甲的結(jié)構(gòu)為，A錯(cuò)誤；由甲的結(jié)構(gòu)為可知，甲的鏈節(jié)中只含有酯基1中官能團(tuán)，B錯(cuò)誤；乙的結(jié)構(gòu)為，乙中的碳原子均為飽和碳原子，均采取雜化，C正確；反應(yīng)③是與甲醛發(fā)生縮聚反應(yīng)生成聚乙烯醇縮甲醛纖維，一個(gè)聚乙烯醇縮甲醛纖維的鏈節(jié)需要2個(gè)聚乙烯醇的鏈節(jié)和1分子甲醛發(fā)生縮合，脫去1分子水，故該反應(yīng)的化學(xué)方程式為++，D錯(cuò)誤。
3.答案：D
解析：聚氨酯屬于聚酯類，難溶于水，A正確；聚氨酯材料用于制作足球，說明該材料具有良好的穩(wěn)定性，B正確；聚氨酯屬于聚合物，屬于高分子化合物，C正確；聚氨酯材料通過熱黏合組成而成，說明具有熱塑性，故其分子為線型結(jié)構(gòu)，錯(cuò)誤。
4.答案：C
解析：尼龍、滌綸、腈綸都是有機(jī)合成纖維，屬于有機(jī)合成材料，A正確；聚氯乙烯的單體是，B正確；酚醛樹脂是由苯酚與甲醛發(fā)生縮聚反應(yīng)得到的，C錯(cuò)誤；根據(jù)加聚反應(yīng)的特點(diǎn)可推知，合成的單體是，D正確。
5.答案：B
解析：A.酰胺鍵在酸性或堿性條件下能發(fā)生水解反應(yīng)，酸性條件下，水解生成的氨氣能和酸反應(yīng)生成鹽，堿性條件下，水解生成的羧基能和堿反應(yīng)生成鹽，所以在酸或堿存在的條件下加熱均可以發(fā)生水解，水解產(chǎn)物中均有鹽，A正確；
B.二氧化碳和環(huán)氧丙烷發(fā)生加聚反應(yīng)生成可降解塑料，該反應(yīng)加聚反應(yīng)，B錯(cuò)誤；
C.腺嘌呤核苷中醇羥基能和磷酸中反應(yīng)生成腺苷三磷酸，C正確；
D.羧酸根屬于親水基，聚丙烯酸鈉中含有親水基，所以具有很強(qiáng)吸水性，可制成高吸水性樹脂，D正確；
故選B。
6.答案：B
解析：A.鋼為金屬材料，A錯(cuò)誤；
B.聚四氟乙烯屬于有機(jī)高分子材料，B正確；
C.石墨烯是碳元素的一種單質(zhì)，屬于新材料，C錯(cuò)誤；
D.甲醇是有機(jī)小分子，不是有機(jī)高分子材料，D錯(cuò)誤；
故選B。
7.答案：C
解析：
8.答案：A
解析：氦氣是單原子分子1mol氦分子質(zhì)量為4g，故A錯(cuò)誤。
9.答案：B
解析：動物尾羽的主要成分是蛋白質(zhì)，屬于天然有機(jī)高分子材料，A項(xiàng)正確；繡花針是合金，不屬于天然有機(jī)高分子材料，B項(xiàng)錯(cuò)誤；木頭的主要成分是纖維素，屬于天然有機(jī)高分子材料，C項(xiàng)正確；絲綢的主要成分是蛋白質(zhì)，屬于天然有機(jī)高分子材料，D項(xiàng)正確。
10.答案：A
解析：自然界中的化合物相對分子質(zhì)量在10000以上的可以稱之為天然高分子化合物，比如纖維素、蛋白質(zhì)、淀粉等物質(zhì)都是天然高分子化合物，油脂相對分子質(zhì)量較小，不屬于高分子化合物，故選A。

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