第五章第三节功能高分子材料

第三节功能高分子材料

一、新型有机高分子材料与传统的三大合成材料有本质上的差别吗？功能高分子材料的品种与分类有哪些？

1．新型有机高分子材料与传统的三大合成材料的区别与联系

新型有机高分子材料与传统的三大合成材料在本质上并没有区别，它们只是相对而言。从组成元素看，都是由C、H、O、N、S等元素构成；从合成反应看，都是由单体经加聚或缩聚反应形成；从结构看，也就是分两种结构：线型结构、体型结构。它们的重要区别在于功能与性能上，与传统材料相比，新型有机高分子材料的性能更优异，往往具备传统材料所没有的特殊性能，可用于许多特殊领域。

2．功能高分子材料的品种与分类

特别提醒医用高分子材料应该满足：①无毒，且是化学惰性的；②与人体组织和血液相容性好；③具有较高的机械性能；④容易制备、纯化、加工和消毒。

类型1 高分子材料的分类

例1 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光敏高分子材料 ④导电高分子材料 ⑤离子交换

树脂 ⑥液晶高分子材料

A ．①②③

B ．③④⑤ C

．②④⑤⑥ D ．①②③④⑤⑥

答案 D

解析 根据功能高分子的分类即可顺利解答。

类型2 功能高分子材料的结构与性能

例2 随着医用高分子材料的发展，人们已可用人工器官代替不能治愈的病变器官。目

前已经制成的人工器官有( )

①皮肤 ②肝 ③肺 ④肾 ⑤骨骼 ⑥眼

A ．①②③

B ．②③④

C ．①⑤

D ．全部

答案 D

解析 医用高分子材料的应用十分广泛，利用其特殊结构和特殊性质，可以制备与人体

器官功能相同的人工器官。

医用高分子材料必须满足的条件：①无毒，且是化学惰性的；②与人体组织和血液相容

性好；③具有较高的机械性能；④容易制备、纯化、加工和消毒。

类型3 复合材料的结构与性能

例3 碳纤维强化塑料是一种新型的高强度复合材料，其强度比钢铁材料大而密度比铝

小。据报道，每架波音767飞机使用了1吨碳纤维材料，而一种新型的波音757飞机使用了

9吨以上的碳纤维。制取碳纤维的一种方法是将聚丙烯腈纤维在稀有气体中进行高温处理而

获得，这种碳纤维的结构可表示如下：

(1)构成这种碳纤维的元素是____________，其原子个数比为__________。

(2)用乙炔和HCN 为原料合成这种碳纤维的流程可表示如下：

CH ≡CH ――→HCN A ――→高聚物B ――→高温处理C ――→脱氢

碳纤维

用化学方程式表示以下过程：

① CH ≡CH 与HCN 反应_________________________________________________；

②A ―→B________________________________________________________________。

答案 (1)C 、H 、N 3∶1∶1

(2)①CH ≡CH ＋HCN ――→催化剂CH 2===CH —CN

②nCH 2===CH —CN ――→催化剂

解析 碳纤维材料是一种重要的新型复合材料，题目已知给出制取这种碳纤维是将聚丙

烯腈经高温处理而得，聚丙烯腈的结构为，注意到题给碳纤维的结构，可以将聚丙烯腈结构写为：其中—CN 的结构为—C ≡N 。

这种变换写法是解答本题的关键一步，根据生产流程所示，聚丙烯腈经两步反应获得碳

纤维，第一步高温处理，应是在上述结构的基础上将氰基—C ≡N 中的三键打开重新结合构

成环状结构，即生成C ，C 在催化剂作用下脱氢，在C 中环状结构的—CH 2—与

上各脱去一个氢原子而形成双键结构，形成碳纤维。显然，在—CH 2—原子团上脱去一个

H 原子后，还有一个氢原子，所以可知这种碳纤维由C 、H 、N 三种元素构成，考查其中的

一个基本结构单元，可看出C、H、N三种原子的个数比应为3∶1∶1。

在橡胶工业中，制造橡胶要经过硫化工艺，将顺丁橡胶的线型结构连接为网状结构。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。请你想一想，为什么都要做成网状结构？目的是否相同？

点拨橡胶工业中将线型结构的橡胶连接为网状结构是为增加橡胶的强度；高吸水性树脂将线型结构连接为网状结构是使它既吸水又不溶于水。

1．

点拨高聚物在其所含有的官能团发生酯化、水解等反应时，碳链并没有参加反应。

2．B

3．

点拨乳酸是一种羟基羧酸，由于其结构的特殊性，已成为高考化学命题的热点。它不但能形成链酯和聚酯，而且还可以形成环酯。

1．下列物质中不属于新型有机高分子材料的是()

A．高分子分离膜B．液态高分子材料

C．生物高分子材料D．有机玻璃

答案 D

2．复合材料是指两种或两种以上材料组合成的一种新型材料。其中一种材料作为基体，另外一种材料作为增强剂，这样可发挥每一种材料的长处，并避免其弱点。下列物质中不属于复合材料的是()

A．聚苯乙烯树脂B．铝塑管

C．涤棉织品D．纯棉内衣

答案AD

3．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导电高分子材料④离子交换树脂⑤医用高分子

材料⑥高吸水性树脂

A．①③⑤⑥B．②④⑤⑥

C．②③④⑤D．①②③④⑤⑥

答案 D

解析常用功能高分子材料包括高分子膜、医用高分子材料、高吸水性树脂、离子交换树脂、光敏高分子材料、导电高分子材料、生物高分子材料、高分子催化剂和试剂等。

4．高分子分离膜可以有选择地让某些物质通过而将物质分离，下列应用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．将化学能转换成电能，将热能转换成电能

C．食品工业中，浓缩天然果汁、乳制品加工和酿酒

D．海水淡化

答案 B

解析高分子分离膜的特点是能够有选择地让某些物质通过，而把另一些物质分离掉。主要应用于生活污水、工业废水等废液处理和海水淡化工程等；而将化学能转换成电能是传感膜的应用，把热能转化成电能是热电膜的应用。

5．下列说法不正确的是()

A．探求某种新型高分子材料时，需要研究分子结构与功能之间的关系

B．三大支柱产业为能源、材料和信息工程

C．带有强亲水性原子团的化合物共聚可以得到强亲水性高聚物

D．具有网状结构的物质即具有强吸水性

答案 D

6．聚丙烯酸酯类涂料是目前市场上流行的墙面涂料之一，它具有弹性好、不易老化、耐

擦洗、色泽亮丽等特点。下边是聚丙烯酸酯的结构简式，它属于()

①无机化合物②有机化合物③高分子化合物④离子化合物⑤共价化合物

A．①③④B．①③⑤C．②③⑤D．②③④

答案 C

解析聚丙烯酸酯类是由丙烯酸酯经加聚反应得到的：

可见，聚丙烯酸酯类属于有机化合物、高分子化合物、共价化合物。

7．我国科学家前不久成功地合成了3 nm长的管状碳纳米管，此管居世界之首。这种碳

纤维具有强度高、刚度(抵抗变形的能力)高、密度小(只有钢的1

4)、熔点高、化学稳定性好的

特点，因此被称为“超级纤维”。下列对碳纤维的说法不正确的是()

A．它是制造飞机的某些部件的理想材料

B．它的主要组成元素是碳

C．它的结构与石墨相似

D．碳纤维复合材料不易导电

答案 C

8．聚甲基丙烯酸羟乙酯的结构简式为，它是制作软质隐形眼镜的材料。请写出下列有关反应的化学方程式：

(1)由甲基丙烯酸羟乙酯制备聚甲基丙烯酸羟乙酯

________________________________________________________________________。

(2)由甲基丙烯酸制备甲基丙烯酸羟乙酯

________________________________________________________________________。

(3)由乙烯制备乙二醇

________________________________________________________________________。

解析甲基丙烯酸羟乙酯的结构简式为：

，它是聚甲基丙烯酸羟乙酯的单体，由它制备聚甲基丙烯酸羟乙酯的反应属于加聚反应：

由甲基丙烯酸制备甲基丙烯酸羟乙酯应进行酯化反应，对照反应物、产物的结构可确定要使用乙二醇：

9．感光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。其结构简式为：

试回答下列问题：

(1)在一定条件下，该高聚物可发生的反应有________(填写编号)。

①加成反应②氧化反应③消去反应④酯化反应⑤取代反应

(2)该高聚物和NaOH溶液发生反应的化学方程式为

________________________________________________________________________。

(3)该高聚物在催化剂和酸性环境下水解后得到相对分子质量较小的产物是A，则：

①A在一定条件下与甲醇发生反应的化学方程式为

________________________________________________________________________。

②A的同分异构体有多种，其中属于不同类别且含有苯环、，苯环上有两个取代基的结构简式是(任写两种)______________________________________________ ________________________________________________________________________。

答案(1)①②⑤

解析(1)该高聚物中含有酯基、和苯环，能够发生水解(取代)、加成、氧化反应。

(1)高聚物水解后得到和。

第三节功能高分子材料

1．下列属于功能高分子材料的是()

①高分子分离膜②人工器官③理想的宇航材料④天然橡胶

A．①②B．③④C．①③D．②④

答案 A

2．关于功能高分子材料的下列说法中，不正确的是()

A．离子交换树脂主要用于分离和提纯，如硬水的软化、回收工业废水中的金属等

B．婴儿用的“尿不湿”的主要成分是具有强吸水性的树脂

C．导电塑料应用于电子工业，可用来制造电子器件

D．医用高分子材料制成的人工器官都受到人体的排斥作用，难以达到与生物相容的程度

答案 D

3．复合材料的使用使导弹的射程有了很大的提高，其主要原因在于()

A．复合材料的使用可以使导弹承受超高温的变化

B．复合材料的作用可以使导弹的质量减轻

C．复合材料的使用可以使导弹能承受超高强度的变化

D．复合材料的使用可以使导弹能承受温度的剧烈变化

答案 B

解析导弹的壳体大多是以纤维为增强体、金属为基体的复合材料，之所以提高射程是利用了其密度小、质量轻的特点。

4．在下列关于新型有机高分子材料的说法中，不正确的是()

A．高分子分离膜应用于食品工业中，可用于浓缩天然果汁、乳制品加工、酿造业等，但无法进行海水淡化

B．复合材料一般是以一种材料作为基体，另一种材料作为增强剂

C．导电塑料是应用于电子工业的一种新型有机高分子材料

D．合成高分子材料一般具有优异的生物兼容性，较少受到排斥

答案 A

1．随着有机高分子材料研究的不断加强和深入，使一些重要的功能高分子材料的应用范围不断扩大。下列应用范围是功能高分子材料的最新研究成果的是()

A．新型导电材料B．仿生高分子材料

C．高分子智能材料D．电磁屏蔽材料

答案AD

解析随着社会的进步，科学技术的发展，高分子材料的作用越来越重要。特别是在尖端技术领域，对合成材料提出了更高的要求，尤其是具有特殊性质的功能性材料和多种功能集一身的复合材料。

2．“喷水溶液法”是日本科学家最近研制出的一种使沙漠变绿洲的技术，它是先在沙漠中喷洒一定量的聚丙烯酸酯水溶液，水溶液中的高分子与沙土粒相结合，在地表下30 cm～50 cm处形成一个厚0.5 cm的隔水层，既能阻止地下的盐分上升，又有拦截、蓄积雨水的作用。下列对聚丙烯酸酯的说法不正确的是()

A．它的单体的结构简式为

B．它在一定条件下能发生加成反应

C．它在一定条件下能发生水解反应

D．它没有固定的熔、沸点

答案 B

解析聚丙烯酸酯的结构简式为：，其单体为CH2===CHCOOR，它的分子中含有酯基官能团，故能发生水解反应；聚丙烯酸酯是高聚物，属混合物，没有固定的熔、沸点；因其分子中没有碳碳双键，故不能发生加成反应。

3. 复合材料的优点是()

①强度高②质量轻③耐高温④耐腐蚀

A．①④B．③除外C．②③D．①②③④

答案 D

4．能够把化学能转化成电能的高分子材料是()

A．传感膜B．分离膜C．分导纤维D．玻璃钢

答案 A

5．目前商场出售的一种婴儿使用的“尿不湿”产品的组成是，其主要性质是()

A．显酸性B．有吸水性C．可发生加成反应D．不能燃烧

答案 B

6．具有单双键交替长链(如：

…—CHCHCHCHCHCH—…)的高分子有可能成为导电塑料。2000年诺贝尔(Nobel)化学奖即授予开辟此领域的3位科学家。下列高分子中可能成为导电塑料的是() A．聚乙烯B．聚丁二烯C．聚苯乙烯D．聚乙炔

答案 D

7．食品保鲜膜按材质可分为聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏氯乙烯(PVDC)等种类。PVC被广泛地用于食品、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．鉴别PE和PVC，可把其放入试管中加热，在试管口放置一湿润的蓝色石蕊试纸，如果试纸变红，则是PVC；不变红，则为PE

D．等质量的聚乙烯和乙烯完全燃烧消耗的氧气不一定相等

答案BD

8．军事上的“地表伪装”是军事上保持的外观色彩、红外反射与周围环境互相吻合以达到以假乱真的目的。20世纪70年代研制出的BASF是一种红外伪装还原染料。其结构简式如下：

该染料为橄榄色或黑色。

请回答下列问题：

(1)染料BASF的分子式为____________。

(2)1 mol BASF在适宜条件下，与足量的金属钠反应可生成________mol H2；1 mol BASF 在适宜条件下和H2发生加成反应所需H2最多为________mol。

答案(1)C2n＋24H4n＋10N2O6(2)114

解析 1 mol BASF中含有2 mol羟基与足量钠反应能生成1 mol H2；苯环中的双键及

“”均能与H2发生加成反应。

9．有机黏合剂是生产和生活中一类重要的材料。黏合过程一般是液态的小分子黏合剂经化学反应转化为大分子或高分子而固化。

(1)厌氧胶是一种黏合剂，其结构简式为：。它在空气中稳定，但在隔绝空气(缺氧)时，分子中双键断开发生聚合而固化。工业上用丙烯酸和某种物质在一定条件下反应可制得这种黏合剂，这一制取过程的化学方程式为：________________________________________________________________________。

(2)白乳胶是常用的黏合剂，其主要成分为醋酸乙烯酯(CH3COOCH===CH2)，它有多种同分异构体，其中同时含有“—CHO”和“CH===CH”结构的同分异构体共有五种，如“CH3—CH===CH—O—CHO”和“CH2===CH—CH2—O—CHO”，请写出另外三种同分异构体

的结构简式(已知含有结构的物质不能稳定存在)：_____________、

________________、____________________。

(2)HOCH2—CH===CH—CHO

CH2===CH—O—CH2—CHO

CH3—O—CH===CH—CHO

10．医用化学杂志曾报道，有一种功能高分子材料为聚乙交酯纤维材料C，用这种功能高分子材料制成的手术缝合线比天然高分子材料的肠线好。它的合成过程如图：

(B：是A合成C的中间体，它是由两分子A脱去两分子水形成的。)

(1)写出A、C的结构简式：A____________，

C________________________________________________________________________。

(2)写出由A制取B的化学方程式

________________________________________________________________________。

(3)医用高分子材料应具备哪些特性：

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

(3)优异的生物相容性、较少受到排斥、无毒性、具有很高的机械性能以及其他一些特殊性能

解析从题给条件可知，B分子为环酯且具有对称结构。采用平均拆分法，可得A的结

构简式为。

A生成C的反应为酯化原理的缩聚反应，

11．某些高分子催化剂可用于有机合成。下面是一种高分子催化剂(Ⅶ)合成路线的一部分(Ⅲ和Ⅵ都是Ⅶ的单体；反应均在一定条件下进行；化合物Ⅰ～Ⅲ和Ⅶ中含N杂环的性质类似于苯环)：

回答下列问题：

(1)写出由化合物Ⅰ合成化合物Ⅱ的反应方程式

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ (不要求标出反应条件)。

（2）下列关于化合物Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的说法中，正确的是

___________________________________________________________(填字母)。

A．化合物Ⅰ可以发生氧化反应

B．化合物Ⅰ与金属钠反应不生成氢气

C．化合物Ⅱ可以发生水解反应

D．化合物Ⅲ不可以使溴的四氯化碳溶液褪色

E．化合物Ⅲ属于烯烃类化合物

(3)化合物Ⅵ是__________(填字母)类化合物。

A．醇B．烷烃C．烯烃D．酸E．酯

(4)写出2种可鉴别Ⅴ和Ⅳ的化学试剂

________________________________________________________________________。

(5)在上述合成路线中，化合物Ⅳ和Ⅴ在催化剂的作用下与氧气反应生成Ⅵ和水，写出反应方程式________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ (不要求标出反应条件)。

答案(1)＋CH3COOH浓硫酸

△

＋H 2O

(2)AC (3)E

(4)饱和Na 2CO 3溶液、酸性KMnO 4溶液

(5)2CH 2===CH 2＋2CH 3COOH ＋O 2――→催化剂2CH 3COOCH===CH 2＋2H 2O

解析 (1)Ⅰ和CH 3COOH 发生酯化反应。

(2)Ⅰ中含醇羟基，故可以被氧化，A 正确；Ⅰ可以与Na 反应产生氢气，B 错误；Ⅱ中含有酯基，故可以水解，C 正确；Ⅲ中含

可以使溴水褪色，D 错误；Ⅲ中含N 原

子故不是烃，E 错误；选A 、C 。 (3)由Ⅶ分析Ⅵ为，只有E(酯)符合题意。

(4)由题目信息知Ⅳ是CH 2===CH 2，Ⅴ是CH 3COOH ，可以利用二者性质不同：酸性、还原性来鉴别，如溴水、Na 2CO 3溶液、酸性KMnO 4溶液等。

(5)见答案。

探究创新

12．近年来，乳酸成为人们的研究热点之一。乳酸可以用化学方法合成，也可以由淀粉通过生物发酵法制备。利用乳酸聚合而成的高分子材料具有生物相容性，而且在哺乳动物体内或自然环境中，都可以最终降解成为二氧化碳和水。乳酸还有其他用途。

(1)乳酸可以与精制铁粉制备一种药物，反应式为：

在该反应中，氧化剂是__________，还原剂是__________，产物乳酸亚铁可以治疗的疾病是________。

(2)用乳酸聚合的纤维材料非常适合于做手术缝合线，尤其是在做人体内部器官的手术时使用。试分析其中的原因

________________________________________________________________________。

(3)利用乳酸合成高分子材料，对于环境有什么重要的意义？试从生物学物质循环的角度解释：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。 答案 (1)乳酸[或CH 3CH(OH)COOH] 铁(或Fe) 缺铁性贫血

(2)聚乳酸本身对人体无毒，在体内可以水解成乳酸，最后降解成二氧化碳和水，通过人

体的呼吸和排泄系统而被自动排出体外，故不需要二次开刀拆线，使其作为人体内部器官的手术缝合线具有独一无二的优越性

(3)淀粉通过植物的光合作用由二氧化碳和水合成，再经微生物发酵生成乳酸。因乳酸的生成来自天然，用乳酸合成的高分子材料又可以最终降解成为二氧化碳和水，回归自然，故利用乳酸合成高分子材料，利于环保

解析本题是化学与生物的综合，要充分利用题给信息，结合学过的知识进行思考，问题会迎刃而解。

章末总结

1．(1)b

(2)a

(3)c f

2．(1)CH2===CH2

然了解各种高分子材料的性能后，我们也可以推测其用途。

3．(1)甲基丙烯酸乙二酯或甲基丙烯酸－β－羟基乙酯

(2)

4．将聚苯乙烯泡沫塑料粉碎，放入反应釜中，用氮气等气体将装置内的空气排尽，高温加热，收集并冷凝所得蒸气，即可得到苯乙烯。

点拨该实验方案的设计要注意两点：①因为高温加热，所以要选择合适的热解装置；

②热解装置中不能有氧气。

5．

点拨丁二烯及其衍生物在发生加聚反应时，两个双键都断开，在两个双键中间再形成

一个双键，另两个不饱和键与其他的不饱和键相连，形成高分子化合物。