第五章　合成高分子 第二节　高分子材料 学案（含解析）

第二节　高分子材料
【课程标准要求】　
1.结合合成高分子实例，认识塑料、合成橡胶、合成纤维的组成和结构特点。
2.结合典型实例，了解新型高分子材料的优异性能及其在高新技术领域中的应用。
一、通用高分子材料
1.塑料
(1)成分
塑料的主要成分是合成树脂。
(2)分类
(3)几种常见的塑料
①聚乙烯
高压聚乙烯 低压聚乙烯
合成条件 150 MPa～300 MPa，200 ℃左右，引发剂 0.1 MPa～2MPa，60～100 ℃、催化剂
高分子链 较短 较长
相对分子质量 较低 较高
密度 较低 较高
结构 支链型结构 线型结构
②酚醛树脂
2.合成纤维
(1)纤维的分类
(2)两种常见的纤维
①聚酯纤维——涤纶，其制备反应原理是
＋nHOCH2CH2OH
＋(2n－1)H2O。
②聚酰胺纤维——锦纶66，其制备反应原理是
nH2N—(CH2)6—NH2＋
(2n－1)H2O。
3.合成橡胶
如顺丁橡胶是以1，3－丁二烯为原料经聚合得到以顺式结构为主的聚1，3－丁二烯，其化学方程式为
nCH2===CH—CH===CH2。
【微自测】
1.下列叙述中，正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)三大合成材料是指塑料、合成纤维和合成橡胶(　　)
(2)高压聚乙烯比低压聚乙烯的熔点高(　　)
(3)苯酚与甲醛通过缩聚反应一定形成线状结构高分子(　　)
(4)人造丝与人造棉为合成纤维(　　)
(5)天然橡胶易被氧化是因为其链节中有碳碳双键(　　)
答案　(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√
二、功能高分子材料
功能高分子材料是指有某些特殊化学、物理及医学功能的高分子材料。
1.高吸水性树脂
(1)结构特点
①含强亲水性原子团(如—OH、—COOH等)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，在它们的高分子链上再接上含强亲水性原子团的支链，以提高它们的吸水能力。
②以带有强亲水性原子团的化合物为单体，均聚或共聚得到亲水性高聚物。
2.高分子分离膜
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，成为浓缩液，达到对原液净化、分离和浓缩的目的。
【微自测】
2.下列关于功能高分子材料的说法错误的是(　　)
A.医用高分子材料、高分子催化剂、磁性高分子材料等属于功能高分子材料
B.高分子分离膜可用于海水淡化、浓缩天然果汁等
C.用于制造CPU芯片的良好半导体材料单晶硅属于功能高分子材料
D.在淀粉、纤维素的主链上再接上含强亲水基团的支链，可提高它们的吸水能力
答案　C
解析　医用高分子材料、高分子催化剂、磁性高分子材料等属于功能高分子材料，故A正确；高分子分离膜有选择地使粒子通过，所以可用于海水淡化、浓缩天然果汁等，故B正确；半导体材料单晶硅属于传统的无机非金属材料，故C错误；易与水结合的基团称为亲水基团(如—NH2、—COOH、—OH)，具有大量亲水基团的一些淀粉、纤维素等分子易溶于水，故D正确；故选C。
高分子材料的结构及其性能
【活动探究】
光刻胶是微电子技术中微细图形加工的关键材料之一，特别是近年来大规模和超大规模集成电路的发展，更是大大促进了光刻胶的研究开发和应用。某一肉桂酸型光刻胶的主要成分A经光照固化转变为B。
1.A中含有什么官能团？A经光照固化转变为B，发生了什么反应？
提示　碳碳双键、酯基。A经光照固化转变为B发生了加成反应。
2.A、B分别属于什么结构的有机高分子？具有热固性还是热塑性？
提示　A属于线型结构，具有热塑性，B属于网状结构，具有热固性。
3.写出A与NaOH溶液反应的化学方程式
提示　
4.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？
提示　盐酸作用下，生成线型结构高分子；浓氨水作用下，生成网状结构高分子。
5.高吸水性树脂比一般性吸水材料在结构上主要差别是什么？
提示　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。
【核心归纳】
1.高分子材料的结构及其性能
高分子化合物有线型、支链型和网状结构，它们的结构及性质特点如下表：
基本结构类型 结构特点 性能特点 举例
线型结构 由许多链节相互连成一条长链的高聚物 具有高弹性，在适当的溶剂中能缓慢溶解，加热能熔融，硬度和脆度较小(热塑性) 低压聚乙烯
支链型结构 支链型结构与线型结构类似，是由许多链节相互连成一条长链的高聚物，但是在链节的主链上存在支链 熔点、密度比线型结构的更低 高压聚乙烯
网状结构(体型结构) 一般由多官能团单体相互作用，使主链与主链之间以共价键相连接，形成三维空间的立体网状结构 不能溶解和熔融，只能溶胀，硬度和脆度较大；不能反复熔化，只能一次加工成型(热固性) 碱作催化剂时制备的酚醛树脂
2.有机高分子化学反应的特点
(1)与结构的关系
有机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，羟基、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：生物降解塑料、化学降解塑料、光降解塑料等。
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—)，线型结构变为体型结构。
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。
3.常见功能高分子材料
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 人工器官
【实践应用】
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。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的单体可由PE的单体与氯化氢加成制得
C.PVC的结构简式为，PVDC的结构简式为
D.等质量的聚乙烯和乙烯完全燃烧消耗的氧气相等
答案　B
解析　聚氯乙烯(PVC)的结构简式为，属于链状聚合物，在高温时易熔化，并且易溶于有机溶剂苯、酒精等，A项正确；聚氯乙烯(PVC)的单体是CH2===CHCl，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CH2===CH2和HCl加成制得，B项错误；聚偏二氯乙烯(PVDC)的结构简式为，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燃烧时，消耗氧气的物质的量相等，D项正确。
2.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CH2===CH—CH===CH2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(CH2===CH—CH===CH2)和苯乙烯()发生加聚反应得到的；由于链节中含有碳碳双键，故丁苯橡胶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；丁苯橡胶受氧气、臭氧、日光，特别是高能辐射的作用会老化。
3.聚丙烯酸钠(单体为CH2===CHCOONa)是一种高性能吸水树脂，可在干旱地区用于农业、林业、植树造林时的抗旱保水。下列关于聚丙烯酸钠的说法正确的是(　　)
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项不正确；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。
核心体系建构
1.下列说法正确的是(　　)
A.合成纤维和再生纤维统称为化学纤维
B.聚氯乙烯是热固性塑料
C.锦纶丝接近火焰时先卷缩，燃烧时有烧焦羽毛的气味，灰烬为有光泽的硬块，易压成粉末
D.某些合成材料和塑料制品废弃物可以倾倒到海洋中
答案　A
解析　合成纤维和再生纤维统称为化学纤维，A正确；聚氯乙烯为热塑性塑料，B错误；锦纶为合成纤维，结构简式为，属于多肽，和蛋白质有相似之处，但灰烬不易压成粉末，C错误；合成材料和塑料废弃物不可乱倒，D错误。
2.高分子材料发展的主要趋势是高性能化、功能化、复合化、精细化和智能化，下列材料不属于功能高分子材料的是(　　)
A.用于生产光盘等产品的光敏高分子材料
B.用于制造CPU芯片的良好半导体材料单晶硅
C.能用于生产“尿不湿”的高吸水性树脂
D.能导电的掺杂聚乙炔
答案　B
解析　B项中半导体材料单晶硅，属于无机非金属材料。A项中光敏高分子材料、C项中高吸水性树脂、D项中导电高分子材料均属于功能高分子材料。
3.下列关于合成材料的说法中，不正确的是(　　)
A.塑料、合成纤维和合成橡胶都属于合成材料
B.聚氯乙烯可制成薄膜、软管等，其单体是CH2===CHCl
C.合成酚醛树脂()的单体是苯酚和甲醇
D.合成顺丁橡胶()的单体是CH2===CH—CH===CH2
答案　C
解析　A.合成材料包括塑料、合成纤维和合成橡胶，故A正确；B.聚氯乙烯单体是CH2===CHCl，故B正确；C.酚醛树脂是由苯酚与甲醛缩聚而得，故C错误；D.的单体是CH2===CH—CH===CH2，故D正确；故答案为C。
4.下列说法正确的是(　　)
A.天然橡胶和杜仲胶互为同分异构体
B. 互为同系物
C.合成的单体为乙烯和2－丁烯
D. 是由苯酚和甲醛发生缩聚反应而形成的
答案　D
解析　A项，高分子化合物为混合物，故二者不互为同分异构体；B项中两种物质的官能团不同，前者含有羧基，后者含有醛基和羟基，不属于同类物质，故不互为同系物；合成C项中高分子化合物的单体应为1，3－丁二烯和丙烯。
5.科学家通过乙二醇的桥梁作用把阿司匹林连接在高聚物上，制成缓释长效阿司匹林，用于关节炎和冠心病的辅助治疗，缓释长效阿司匹林的结构简式如下：
请回答下列问题：
(1)高分子载体的结构简式为　　　　。
(2)阿司匹林连接在高分子载体上的有机反应类型是　　　　。
(3)缓释长效阿司匹林在肠胃中变为阿司匹林的化学方程式是___________
__________________________________________________________。
答案　(1)
(2)酯化反应(或取代反应)
(3)
＋nHOCH2CH2OH＋(其他合理答案也可)
解析　本题的关键信息是“通过乙二醇的桥梁作用把阿司匹林连接在高聚物上”，观察高聚物结构可以把缓释长效阿司匹林分为三部分：①高分子载体；②阿司匹林；③作为桥梁作用的乙二醇。在肠胃中变为阿司匹林的反应，属于水解反应，从而找到正确的解题思路。
一、选择题(本题包含12个小题，每小题只有一个选项符合题意)
1.下列关于纤维的说法中不正确的是(　　)
A.化学纤维包括天然纤维、再生纤维和合成纤维
B.棉花、羊毛、蚕丝和麻都是天然纤维
C.用木材等为原料经过化学加工处理是再生纤维
D.用石油、煤、天然气和农副产品做原料加工制得单体，经聚合反应制成的是合成纤维
答案　A
解析　纤维包括天然纤维和化学纤维，化学纤维又包括再生纤维和合成纤维。
2.下列材料中属于功能高分子材料的是(　　)
①高分子膜　②生物高分子材料　③隐身材料　④液晶高分子材料　⑤光敏高分子材料　⑥智能高分子材料
A.①②⑤ B.②④⑤⑥
C.③④⑤ D.全部
答案　D
解析　既有传统高分子材料的机械性能，又有某些特殊功能的高分子材料，属于功能高分子材料，所以选D。
3.婴儿用的一次性纸尿片中有一层能吸水、保水的物质。下列高分子有可能被采用的是(　　)
答案　B
解析　纸尿片应该具有吸水性和保水性，因此，必须含有强亲水性原子团，B中分子中的—COONa原子团符合要求。
4.角膜接触镜俗称隐形眼镜，其性能要有良好的透气性和亲水性，目前大量使用的软性隐形眼镜常用材料是(　　)
A.聚乙烯
B.聚氯乙烯
答案　C
解析　制作隐形眼镜的材料是一种高分子材料，该材料具有透气性和亲水性，其高聚物链节上有亲水性基团，如—OH。B项，链节上含—Cl，D项，链节上含，都不是亲水基团，只有C项符合。
5.某航天服的材料中含尼龙－1010，其结构简式为
H?NH—(CH2)10—NH—CO—(CH2)8—CO?OH
下列有关尼龙－1010的说法正确的是(　　)
A.尼龙－1010是通过加聚反应制成的
B.尼龙－1010的单体是
H2N(CH2)10NHCO(CH2)8COOH
C.尼龙－1010是通过缩聚反应制成的
D.制作舱外航天服的材料要质轻，方便航天员在舱外行走
答案　C
解析　尼龙－1010分子结构中含有若干个肽键，因此它是通过缩聚反应制成的，A项错误，C项正确；合成尼龙－1010的单体是H2N(CH2)10NH2和HOOC(CH2)8COOH，B项错误；由于舱外航天服是在太空失重的情况下穿的，不需要考虑材料的轻重，D项错误。
6.下列高聚物经简单处理可以由线型结构变成体型结构的是(　　)
A.①② B.②③
C.②④ D.③④
答案　B
解析　有机高分子材料中若含有易反应的官能团，在一定条件下使官能团发生反应，高分子链之间将形成化学键，从而形成网状结构，其线型结构就可变成体型结构。
7.奥运吉祥物福娃外材料为纯羊毛线，内充物为无毒的聚酯纤维()。下列说法正确的是(　　)
A.羊毛与聚酯纤维的化学成分相同
B.聚酯纤维和羊毛在一定条件下均能水解
C.该聚酯纤维单体为对苯二甲酸和乙醇
D.由单体合成聚酯纤维的反应属于加聚反应
答案　B
解析　羊毛的主要成分为蛋白质，A项错误；聚酯纤维能水解生成对苯二甲酸和乙二醇，而羊毛水解最终产物为氨基酸，B项正确，C项错误；合成聚酯纤维的反应为缩聚反应，D项错误。
8.有甲、乙两种高聚物，甲能溶于有机溶剂，加热可熔融；乙不溶于任何溶剂，加热不会变软或熔融，则下列叙述中错误的是(　　)
A.高聚物甲可能具有弹性，而高聚物乙没有弹性
B.高聚物甲可能是线型高分子化合物材料
C.高聚物甲一定是体型高分子化合物材料
D.高聚物乙一定是体型高分子化合物材料
答案　C
解析　根据题意可知，甲为热塑性高分子材料，乙为热固性高分子材料，故甲可能是线型高分子化合物材料也可能是支链型高分子化合物材料，乙一定是体型高分子化合物材料，所以选项C错误。
9.合成导电高分子材料PPV的反应：
＋(2n－1)HI
下列说法正确的是(　　)
A.合成PPV的反应为加聚反应
B.PPV与聚苯乙烯具有相同的重复结构单元
C. 和苯乙烯互为同系物
D.通过质谱法测定PPV的平均相对分子质量，可得其聚合度
答案　D
解析　A项，加聚反应的实质是加成聚合，加聚反应中不会有小分子物质生成。结合题干中所给的反应方程式，分析其化学键的变化可知该反应为缩聚反应。B项，聚苯乙烯的结构简式为，重复结构单元(链节)为；PPV的重复结构单元(链节)为。C项，同系物是指结构相似，在分子组成上相差n个“CH2”的有机化合物。相差“C2H2”，故不可能互为同系物。D项，利用质谱法可测定PPV的平均相对分子质量，再利用其平均相对分子质量可求得聚合度。
10.感光性高分子也称为“光敏性高分子”，是一种在彩电荧光屏及大规模集成电路制造中应用较广的新型高分子材料。其中某种感光性高分子化合物的结构简式为。对此高聚物的性质判断不正确的是(　　)
A.在酸性条件下不能发生水解
B.此高聚物能使溴水褪色
C.此高聚物可以使酸性高锰酸钾溶液褪色
D.此高聚物水解后可得到另外一种高聚物
答案　A
解析　此高聚物中含有酯基，故在酸性条件下可发生水解，A项错误；此高聚物中含有，可使溴水褪色，也可以使酸性高锰酸钾溶液褪色，B、C项正确；此高聚物水解后生成和两种物质，其中为高分子化合物。
11.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(　　)
①聚丙烯酸酯的单体的结构简式为CH2===CHCOOR
②聚丙烯酸酯没有固定的熔、沸点
③聚丙烯酸酯在一定条件下能发生水解反应和加成反应
④其聚合方式与酚醛树脂的聚合方式相同
⑤聚丙烯酸酯具有很强的吸水性
A.③④ B.①②
C.①②③ D.①②③④
答案　B
解析　聚丙烯酸酯是由单体丙烯酸酯发生加聚反应得到的高分子化合物；由于聚丙烯酸酯属于混合物，因此没有固定的熔、沸点；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，其分子中不含亲水基，故无吸水性。
12.关于下列三种常见高分子材料的说法正确的是(　　)
A.顺丁橡胶、涤纶和酚醛树脂都属于天然高分子材料
B.顺丁橡胶的单体与反－2－丁烯互为同分异构体
C.涤纶是对苯二甲酸和乙二醇通过缩聚反应得到的
D.酚醛树脂的单体是苯酚和甲醇
答案　C
解析　顺丁橡胶、涤纶和酚醛树脂都属于合成高分子材料，A项错误；顺丁橡胶的单体是1，3－丁二烯，与反－2－丁烯的分子式不同，二者不互为同分异构体，B项错误；涤纶是对苯二甲酸和乙二醇通过缩聚反应得到的，C项正确；酚醛树脂的单体是苯酚和甲醛，D项错误。
二、非选择题(本题共2小题)
13.我国自行研制的“神舟”十号飞船航天员航天服采用了很多新型超高性能复合材料。其中聚酰胺纤维M就是一种新型超高性能纤维，它的防热和防火性能十分出色。聚酰胺纤维M的结构简式为：
下面是聚酰胺纤维M的一种合成路线(部分反应未注明条件)：
请回答下列问题。
(1)写出反应类型：A―→B：_______________________________________，
G＋H→M：___________________________________________________。
(2) 生成B的同时可能生成B的一种同分异构体，其结构简式为__________________________________________________________。
(3)写出反应的化学方程式：E―→F：___________________________
__________________________________________________________。
答案　(1)取代反应　缩聚反应
解析　(1)结合对苯二甲酸的结构简式和A→B→C→D间的转化条件，可推知A为，光照条件下，Cl2与甲基上的氢原子发生取代反应；G＋H―→M，因M是高分子化合物，结合M的结构简式知该反应为缩聚反应。
(2)A→B的转化过程中Cl2有可能与同一个甲基上的氢原子发生二取代，故B的同分异构体的结构简式为。
(3)由M的结构简式知E为，由氯代烃在NaOH溶液中发生取代反应和羧酸及酚羟基的性质可写出E→F的化学方程式。
14.一种常用化学胶水的主要成分是聚乙烯醇，工业上以烃A为主要原料合成，其合成路线如下(某些反应条件略去)：
已知：B的分子式为C2H4O，B的核磁共振氢谱中有两个峰，峰面积之比为3∶1；不饱和碳原子与羟基直接相连不稳定。请回答下列问题：
(1)A的结构简式为___________________________________________；
(2)聚乙烯醇中含有的官能团的名称为__________________________
__________________________________________________________；
(3)反应Ⅲ的反应类型是________________________________________；
(4)与CH3COOCH===CH2含有相同官能团的同分异构体还有　　　　种；
(5)写出反应Ⅱ的化学方程式____________________________________。
答案　(1)CH2===CH2　(2)羟基　(3)取代反应或水解反应　(4)4
(5)nCH3COOCH===CH2
解析　B的分子式为C2H4O，B的核磁共振氢谱中有两个峰，峰面积之比为3∶1，则B是乙醛，乙醛氧化生成乙酸，则C是乙酸。乙酸与A反应生成CH3COOCH===CH2，所以A是乙烯，结构简式为CH2===CH2。D与氢氧化钠反应生成聚乙烯醇，又因为不饱和碳原子与羟基直接相连不稳定，所以D的结构简式为，这说明反应Ⅱ是CH3COOCH===CH2的加聚反应生成D。(1)根据以上分析可知A的结构简式为CH2===CH2。
(2)聚乙烯醇的结构简式为，分子中含有的官能团的名称为羟基；
(3)反应Ⅲ是酯基的水解反应，即反应类型是取代反应或水解反应；
(4)与CH3COOCH===CH2含有相同官能团的同分异构体还有HCOOCH===CHCH3、HCOOCH2CH===CH2、HCOOC(CH3)===CH2、CH2===CHCOOCH3，共4种；
(5)nCH3COOCH===CH2。