2020版高中化学第五章第三节功能高分子材料学案（含解析）新人教版

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第三节　功能高分子材料[核心素养发展目标]　1.宏观辨识与微观探析：从新型高分子材料所含官能团的角度，辨析不同类型新型高分子材料及其化学性质的差异，进而体现在用途的不同。2.科学态度与社会责任：了解新型高分子材料优异的性能，了解新型高分子材料对环境的污染，研制环保型的新型高分子材料是保护环境的关键。一、功能高分子材料1．功能高分子材料功能高分子材料是指既有传统高分子材料的机械性能，也有某些特殊功能的高分子材料。2．新型功能高分子材料新型功能高分子材料包括具有新型骨架结构的高分子材料，还包括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。3．高吸水性树脂的结构特点及合成方法(1)结构特点①含有强亲水性原子团(—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。例如，将淀粉与丙烯酸钠在引发剂作用下共聚，生成以淀粉为主链的接枝共聚物，同时与交联剂反应，生成具有网状结构的淀粉——聚丙烯酸钠接枝共聚物高吸水性树脂。②以带有强亲水性原子团的化合物，如丙烯酸CH2===CH—COOH等为单体，均聚或两种单体共聚得到亲水性高聚物。例如，丙烯酸单体用NaOH中和得到丙烯酸钠，加入少量交联剂，再在引发剂作用下发生聚合，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含两个双键的二烯化合物作为交联剂，让线型结构变为网状结构。(1)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。①从组成元素看，都是由C、H、O、N、S等元素组成；②从合成反应看，都是由单体经加聚或缩聚反应形成；③从结构看，也就是分两种结构：线型结构、体型结构。n(2)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。例1　下列有关功能高分子材料用途的叙述中不正确的是(　　)A．高吸水性树脂主要用于干旱地区抗旱保水、改良土壤、改造沙漠B．离子交换树脂主要用于分离和提纯物质C．医用高分子可用于制造医用器械和人造器官D．聚乙炔膜可用于分离工业废水和海水淡化答案　D解析　聚乙炔膜属于导电高分子材料，主要用于制造电子器件。【考点】高分子材料【题点】高分子材料的用途例2　现有一种为婴儿特制的新型尿布——“尿不湿”，这种尿布表面涂有一种既能吸水又能保水的物质，根据你的推测，这种特殊物质的结构可能是(　　)答案　C解析　“尿不湿”的材料应是亲水但不溶于水的物质，选项中只有中的—OH属于亲水基而其自身属于高分子化合物，不溶于水。【考点】高分子材料【题点】高分子材料的特点思维启迪能根据高分子化合物的性质推测高分子化合物的结构特点或所含官能团，形成“结构决定性质”的核心思想，促进“宏观辨识与微观探析”的化学核心素养的发展。n相关链接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二、复合材料1．概念：是指两种或两种以上性质不同的材料经特殊加工而制成的一种新型材料。其中一种材料作为基体，如酚醛树脂、环氧树脂等；另外一种材料作为增强材料，如玻璃纤维、碳纤维等。2．性能：具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等优异性能，在综合性能上超过了单一材料。如复合材料——玻璃钢产品。3．应用：主要用来做建筑材料和汽车、轮船、人造卫星、宇宙飞船的外壳和构件。　功能高分子材料与复合材料的区别材料名称功能高分子材料复合材料概念既具有传统高分子材料的机械性能，又具有某些特殊功能的高分子材料两种或两种以上性质不同的材料经特殊加工而制成的新型材料，分为基体和增强体性能不同的功能高分子材料，具有不同的特征性质一般具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等优异性能应用用于制作高分子分离膜、人体器官等用于汽车工业、机械工业、体育用品、航空航天、人类健康等n例3　随着社会的发展，复合材料成为一类新型的有前途的发展材料。目前复合材料最主要的应用领域是(　　)A.高分子分离膜B．人类的人工器官C．宇宙航空工业D．新型药物答案　C解析　复合材料一般具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等特点，因此，宇宙航空工业就成了复合材料的重要应用领域。【考点】复合材料【题点】复合材料的特点和用途例4　隔热瓦是一种金属陶瓷，金属陶瓷是由陶瓷和黏结金属组成的非匀质的复合材料。陶瓷主要是Al2O3、ZrO2等耐高温氧化物，黏结金属主要是Cr、Mo、W、Ti等高熔点金属。下列关于复合材料的说法不正确的是(　　)A．由两种或两种以上金属(或金属与非金属)熔合而成的物质叫复合材料B．复合材料一般具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等优异性能，在综合性能上超过了单一材料C．玻璃钢是由玻璃纤维和树脂组成的复合材料，它可做船体、汽车车身等，也可做印刷电路板D．复合材料可以发挥每一种材料的长处，并避免其弱点答案　A解析　复合材料由基体和增强材料组合而成，A项叙述的是合金而不是复合材料；复合材料一般具有各成分的性质，又比各成分的性质优良：强度高、密度小、耐高温、耐腐蚀，故A项不正确。【考点】复合材料【题点】复合材料的特点和用途1．正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”(1)玻璃钢是复合材料(√)(2)丙烯酸钠是高吸水性树脂的主要成分(×)(3)金属是热和电的良导体，塑料都是绝缘体(×)n(4)由淀粉等物质制取网状结构的淀粉是为了增强其稳定性(×)(5)功能高分子材料具有传统高分子材料的机械性能和某些特殊功能(√)(6)高分子分离膜用于污水、工业废水处理和海水淡化等(√)(7)合金是由两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合在一起形成的，属于复合材料(×)(8)复合材料可作为导弹、宇宙飞船的外壳，具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等性能(√)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.①②⑤B．②④⑤⑥C．③④⑤D．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。【考点】功能高分子材料【题点】功能高分子材料的判断3．(2018·雄县一中月考)航天飞船高速进入大气层后，温度会迅速升高，其表层的复合材料可保护飞船不受破坏，这体现了该复合材料具有的特点是(　　)A．耐酸性B．耐热性C．耐腐蚀D．耐碱性答案　B【考点】复合材料【题点】复合材料的性能与用途4．X是一种性能优异的高分子材料，其结构简式为已被广泛应用于声、热、光的传感等方面，它是由HC≡CH、(CN)2和CH3COOH三种单体通过适宜的反应形成的。由X的结构简式分析合成过程中发生反应的类型有(　　)①加成反应　②取代反应　③缩聚反应　④加聚反应　⑤酯化反应A．①④⑤B．①④C．①②④D．①②③答案　B解析　由X的结构简式可判断出它是加聚反应的产物，其单体为和CH2==CHOOCCH3，显然，前者是HC≡CH和(CN)2的加成产物，后者是HC≡CH和CH3COOH的加成产物。【考点】功能高分子材料【题点】功能高分子材料的制备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：n试填写以下空白：(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)＋2nH2O＋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。【考点】功能高分子材料【题点】功能高分子材料单体的推断及制备题组一　功能高分子材料1．下列各选项中，对相应高分子材料的分类、功能的说法正确的是(　　)选项高分子材料类型功能A黏合剂功能高分子材料黏合作用B涂料功能高分子材料保护作用C离子交换树脂功能高分子材料分离和提纯nD聚乙烯醇功能高分子材料制人工心脏答案　C解析　黏合剂属于传统的高分子材料，A错误；涂料是一种涂于物体表面后能形成坚韧保护膜的物质，属于传统高分子材料，常用于家具、汽车、船舶等表面，可以起到保护、美化的作用，B错误；离子交换树脂属于功能高分子材料，主要用于硬水软化、海水淡化以及其他方面的分离提纯，C正确；聚乙烯醇属于功能高分子材料，具有良好的吸水功能，可以用于制作“尿不湿”等，用于制作人工心脏的材料主要有硅橡胶，聚氨酯橡胶等，D错误。【考点】功能高分子材料【题点】功能高分子材料的用途2．用高分子塑料骨钉取代钛合金骨钉是医学上的一项新技术，这种塑料骨钉不仅具有相当高的强度，而且可在人体内水解，使骨科病人免遭拔钉的痛苦。合成这种塑料骨钉的原料能与强碱溶液反应，也能在浓硫酸作用下形成环酯。则合成这种塑料骨钉的原料是(　　)A．CH2==CH—CH2ClB．CH2==CH—COOHC．CH3—CH(OH)—COOHD．H2N—CH2—COOH答案　C解析　能与强碱反应则应含有—COOH，能形成环酯表明还含有—OH，故该有机物分子中同时含有—COOH和—OH。【考点】功能高分子材料【题点】功能高分子材料单体的推断3．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===CHCOOR②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．③④B．①②C．①②③D．①②③④答案　Bn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。【考点】功能高分子材料【题点】功能高分子材料的特点及单体的推断4．在制备顺丁橡胶和高吸水性树脂时，都要加入交联剂。下列说法错误的是(　　)A．加入交联剂可使线型结构变为网状结构B．橡胶工业中将线型结构连接为体型结构是为了增强橡胶的强度C．制备高吸水性树脂时将线型结构连接为体型结构是为了使它既吸水又不溶于水D．顺丁橡胶和高吸水性树脂都可溶于水答案　D解析　顺丁橡胶和高吸水性树脂都是体型结构，都不溶于水，故D错误。【考点】有机高分子材料【题点】有机高分子材料的性能与用途题组二　复合材料5．下列关于复合材料的说法正确的是(　　)A．将不同性质的材料经简单混合便制成复合材料B．合金就是复合材料C．复合材料中的各部分作用相同D．复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料经特殊加工而制成的答案　D解析　复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料经特殊加工而制成的，并不是简单的混合，不同于混合物和合金。复合材料的两部分作用是不同的，基体起黏结作用，增强材料起骨架作用。【考点】复合材料【题点】复合材料的特点6．复合材料是指由两种或两种以上材料组合成的一种新材料。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．玻璃钢答案　A解析　复合材料应具有两种或两种以上成分。铝塑管、涤棉织品、玻璃钢是复合材料；聚苯乙烯树脂是由苯乙烯单一成分加聚产生，故不是复合材料。【考点】复合材料n【题点】复合材料的判断7．“神舟七号”的返回舱外形看起来像大钟，大约3吨重。为了防止飞船与大气层摩擦产生高温而燃烧，应该选择某种特殊材料覆盖在飞船表面，这种材料应该具有的性质是(　　)A．良好的导电性B．密度较大，以增大飞船的惯性C．质轻防热，可承受上千摄氏度的高温D．质地柔软，以利于飞船的变形答案　C解析　由题给信息可知，该材料应该是质轻且防热的耐高温材料。【考点】复合材料【题点】复合材料的性能与用途8．PVDC是世界上目前唯一大工业化生产、可以承受高温蒸煮、具有高阻隔性能的塑料，可作为保鲜食品的包装材料，用它作为中间层，制造多层复合材料，更是目前塑料包装行业技术进步和技术创新的前沿阵地。PVDC是聚偏二氯乙烯的英文缩写，它的结构简式是下列说法错误的是(　　)A．PVDC是由单体CCl2==CH2发生加聚反应合成的B．PVDC是由单体CCl3CH3发生缩聚反应合成的C．PVDC也有很大的缺点，如在空气中熔融可分解，分解成为HCl、炭黑等，会污染空气D．PVDC的单体可发生加成、取代、氧化、消去等反应答案　B解析　由题意知PVDC的单体为CCl2==CH2，分子中含有碳碳双键、氯原子，故可发生加成、取代、消去、氧化等反应。【考点】复合材料【题点】复合材料的特点及单体的推断题组三　应用型高分子材料9．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体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．合成高分子材料制成的人工器官一般都受到人体的排斥作用，难以达到生物相容的程度答案　Dn解析　功能高分子材料应是既有传统高分子材料的机械性能，又有某些特殊功能。有的新型高分子材料具有优异的生物相容性，较少受到排斥，可以满足人工器官对材料的苛刻要求。【考点】有机高分子材料【题点】有机高分子材料的性能与用途10．舱外航天服可为航天员出舱活动提供适当的大气压强、足够的氧气、适宜的温湿度，航天服还要具有足够的强度，防止辐射、微流星和空间碎片对航天员的伤害，保证航天员的工作能力；航天服还能提供可靠工效保障及遥测通信保障等。制作这种航天服的材料以氨纶和尼龙为主。其中尼龙1010的结构简式如下所示：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)8COOHC．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，方便航天员在外行走答案　C解析　尼龙1010分子结构中含有若干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，不需要考虑选轻质材料，D项错误。【考点】有机高分子材料【题点】有机高分子材料的综合11．光刻胶是大规模集成电路印刷电路板技术中的关键材料，某一光刻胶的主要成分如图所示，下列有关说法正确的是(　　)A．合成此高聚物的单体的化学式为C11H10O2B．1mol该物质可消耗4molH2C．该物质可稳定存在于碱性溶液中D．该物质可经过缩聚反应制得答案　A解析　由光刻胶的主要成分的结构简式知，它的单体为化学式为C11H10O2，A正确；1mol光刻胶含有nnmol碳碳双键和nmol苯环，可消耗4nmolH2，B错误；该物质含有酯基，在碱性溶液中可发生水解，C错误；该物质是经过加聚反应制得的，D错误。【考点】有机高分子材料【题点】有机高分子材料的综合考查12．波音787客机具有省油、舒适的特点，它还是首款使用碳纤维复合材料超过50%的客机，开创了在航空领域复合材料大范围代替传统金属的新时代。下图所示的某聚酰胺树脂是波音飞机材料中的一种，具有较好的耐热性、耐水性。则下列说法正确的是(　　)A．碳纤维复合材料中，碳纤维是增强材料，该树脂是基体材料B．复合材料是未来材料发展的趋势，因此应该停止对金属材料的研究C．该树脂中所有原子共平面D．该树脂可以由单体和通过加聚反应得到答案　A解析　B项，复合材料不是唯一的发展方向，不应停止对金属材料的研究；C项，该物质结构中有饱和氮原子，与其相连的其他三个原子形成的是空间三角锥形，所有原子不可能共平面；D项，该树脂是缩聚产物，反应中有小分子水生成。【考点】有机高分子材料【题点】复合材料的综合考查13．医药化学杂志报道，用聚乙交酯纤维材料C制作的缝合线比天然高分子材料的肠衣线的性能好。它的合成过程如下：(1)写出A的结构简式：__________________________。(2)写出A制取B的化学方程式：______________________________。n(3)可以由A直接制备C，则由A直接制备C的化学方程式为___________________________。其反应类型为　_______________________________。答案　(1)HO—CH2—COOH(2)2HO—CH2—COOH＋2H2O(3)　缩聚反应解析　本题可采用逆推法，具体推导如下：由结构可推知单体为先由单体进行分子间脱水形成环酯，即中间有机物为再由中间有机物开环成链状进一步形成高分子化合物【考点】功能高分子材料【题点】功能高分子材料的合成14．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为：(1)组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为CH≡CHA―→高聚物BC碳纤维n用化学方程式表示以下过程：①CH≡CH与HCN反应：____________________________________________；②A→B：_____________________________________________。答案　(1)C、H、N　3∶1∶1(2)①CH≡CH＋HCNCH2==CH—CN②nCH2==CH—CN解析　碳纤维材料是一种重要的新型复合材料，题目已经给出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目中给出的碳纤维的结构，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在催化剂的作用下脱氢，在C中环状结构的—CH2—与上各脱去一个氢原子而形成结构，从而形成碳纤维，显然，在—CH2—上脱去一个氢原子后，还有一个氢原子，所以这种碳纤维由C、H、N三种元素组成，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。【考点】复合材料【题点】复合材料的合成15．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)：nAB―→CDE―→M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(2)(3)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“H”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“H”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。【考点】复合材料【题点】复合材料的合成