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| 第八章 合成材料 第一节 有机高分子化合物简介
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作者： 北京二中 常宏
发表时间： 2005-12-13 文章出处： 中央电化教育馆
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教案示例一
Ⅰ. 相关知识回顾
一、纯净物与混合物
纯净物是由一种物质组成的，混合物是由两种或多种物质混合而成的。在纯净物中只含有一种分子，在混合物中含有两种或两种以上的不同分子。混合物里的各物质相互间没有发生化学反应，它们都保持原有的性质。
二、聚合反应
由相对分子质量小的化合物分子相互结合成相对分子质量大的高分子化合物的反应叫做聚合反应。聚合反应可以分为加聚反应和缩聚反应。
Ⅱ. 知识点讲解
高分子材料的涵义：对高分子材料涵义的认识，可从对高分子材料的分类中得到启发。高分子材料按材料的来源可分为：
１．天然高分子材料。如棉花、羊毛、天然橡胶等。
２．合成高分子材料。如塑料、合成纤维、粘合剂、涂料等。
一、有机高分子化合物
１．有机低分子化合物与有机高分子化合物的涵义
有机化合物，按相对分子质量的差别进行分类，可分为：
⑴ 有机低分子化合物：
相对分子质量比较低，一般很少上千。如相对分子质量为890的硬脂酸甘油酯仍属于有机低分子化合物，有机低分子化合物又简称有机小分子。
⑵ 有机高分子化合物：
相对分子质量比较高，一般都过千，有的高达百万或更高。有机高分子化合物又称有机高分子、聚合物或高聚物。
说明：
①以相对分子质量的大小为标准，将有机化合物分为有机小分子和有机高分子，有一定的合理性，但是，这样分类的结果使得有机小分子与有机高分子之间没有明确的界限。
②有机高分子以其来源的不同为标准分类，可分为天然有机高分子、人造有机高分子和合成有机高分子。
２．有机高分子化合物的分子组成及有关概念的比较
说明：
① 组成聚乙烯分子  的链节－CH2－CH2－和单体CH2＝CH2之间，化学组成和相对质量相同，结构明显不同。
②淀粉或纤维素（高聚物）的链节是葡萄糖结构单元C6H10O5，单体是葡萄糖。这样的链节和单体之间，化学组成和相对质量均不相同，结构也不同。
③综上可知，组成高聚物分子的链节和生成高聚物的单体之间，化学组成和相对质量，可能相同，也可能不同。
二、有机高分子化合物的结构特点：
有机高分子化合物的结构有两个特点――线型结构和体形结构。
1．线型结构
多条不含有能起反应的官能团的高分子长链相互缠绕在一起，分子间相接触的地方以分子间作用力而结合。高分子链越长，相对分子质量越大，相互作用的分子间作用力就越强，高分子材料的强度越高。
2．体形结构
多条含有能起反应的官能团的高分子长链，通过某种化学反应，在高分子链之间形成若干化学键，产生一些交联，形成网状结构。高分子链之间交联的程度越大，高分子材料的强度越高。
三、有机高分子化合物的基本性质：
1．有机高分子化合物的溶解性
实验1：有机玻璃的溶解
实验目的：探究线型结构的有机高分子在有机溶剂中的溶解性。
实验用品：聚甲基丙烯酸甲酯，三氯甲烷，试管。
实验步骤：取有机玻璃粉末0.5g放入试管中，加入10mL三氯甲烷，振荡试管。观察有机玻璃是否溶解。
实验现象：几分钟后有机玻璃溶于三氯甲烷，形成了无色液体。
实验结论：有机玻璃能溶于有机溶剂三氯甲烷。
通过这个实验，可以联想起日常生活中许多现象——如将塑料尺子与橡皮放在一起，尺子的刻度变模糊了，甚至尺子的形状发生了改变，这就是尺子的材料溶解的现象。
实验2： 橡胶的溶解
实验目的：探究体形结构的有机高分子在有机溶剂中的溶解性。
实验用品：废轮胎粉末、汽油，试管。
实验步骤：取废轮胎粉末0.5g放入试管中，加入10mL汽油，振荡试管。观察轮胎粉末是否溶解及其他现象。
实验现象：几分钟后废轮胎粉末只是有一定程度的胀大，但未溶解。
实验结论：橡胶不溶于有机溶剂汽油。
市场上出售的香油等各种食用油，包装瓶用塑料材质，瓶塞用塑料材质就是这个原理。农贸市场出售香油使用玻璃瓶、橡胶塞，仔细观察：橡胶塞用一层塑料纸包裹，就是防止橡胶与油品接触发生溶胀现象而不易打开或塞紧瓶塞。
有机高分子化合物溶解性的小结：
有机高分子化合物都不溶于水；线型结构的有机高分子能溶解在适当的有机溶剂中，但溶解过程比小分子缓慢；而体型结构的高分子在有机溶剂中也不易溶解，有的只是有一定程度的胀大。
2．有机高分子化合物的热塑性和热固性
实验3： 塑料的热塑性试验
实验目的：探究塑料是否具有热塑性。
实验用品：聚乙烯塑料碎片，试管、试管夹、酒精灯、火柴。
实验步骤：在一支试管中放入聚乙烯塑料碎片约3g，用酒精灯缓缓加热，观察塑料碎片软化和熔化的情况。等熔化后立即停止加热以防分解。等冷却固化后再加热，观察现象。
实验现象：加热后，聚乙烯塑料变软熔为粘稠状、流动的液体，该液体经冷却后又变为固体，该固体再被加热后又熔为粘稠、流动的液体。
实验结论：聚乙烯塑料有热塑性。
说明：
①线型结构的高分子具有热塑性。根据这一性质制成的高分子材料具有良好的可塑性，能制成薄膜、拉成丝或压制成各种形状，用于工业、农业、日常生活等。
②有些体型高分子一经加工成型就不会受热熔化，因而具有热固性。
3．有机高分子化合物的强度
高分子材料一般都有较大或很大的强度。
4．有机高分子化合物的电绝缘性
高分子材料一般都有很好的电绝缘性。
说明：
①有机高分子化合物除具有上述四项基本性质以外，还有一些其他方面的性质。如有的高分子材料还具有耐化学腐蚀、耐热、耐磨、耐油、不透水、能导电等性能，可用于某些有特殊需求的领域。但是，高分子材料也有不耐高温、易燃烧、易老化、废弃后不易分解等缺点。
②在应用高分子材料时还有一些副作用，因此，如何通过改善高分子化合物的结构，改进它们的聚合和加工工艺，以及使用的环境和条件等，来进一步提高高分子材料的性能，减少高分子材料对环境的污染，这些都是高分子材料中要研究的重要课题。
小结：
教案示例二
[引入]写出下列物质的分子式和发生聚合反应的化学方程式。
（1）乙烯；（2）氯乙烯
（1）乙烯：CH2=CH2，发生聚合反应的方程式为
我们得到了两种分子量很大，结构呈长链状，分子量远远超过我们以前所学一些有机化合物如烃类、醇、醛、羧酸、酯、葡萄糖的化合物，这就是我们今天所要讲授的内容－合成材料。
[讲授新知]前面我们已经学习了无机非金属材料和金属材料，今天我们开始学习高分子材料。按来源分，高分子材料可分为天然高分子材料和人工合成高分子材料，我们将材料的分类列为表1。
表1 材料分类
我们上一章曾经学习过一些天然高分子材料，如棉花、羊毛、天然橡胶等，而我们本节所要学习的是人工合成高分子材料。人工合成高分子材料的种类和使用量要远远大于天然高分子材料，在工农业生产和日常生活有着极为重要的作用，我们日常生活中使用的塑料袋、化纤服装、胶鞋等都是高分子材料，本节我们将有机高分子材料做一简要介绍。
第一节 有机合成高分子材料简介
一、有机高分子化合物
1．高分子化合物
我们以前学过的一些有机化合物如烃类、醇、醛、酯等化合物，它们的相对分子质量较低，称为低分子化合物；而有机高分子化合物，例如我们上面所得到的聚乙烯、聚氯乙烯，它们的分子量都在几万甚至几十万以上，称为高分子化合物。高分子化合物和低分子化合物的主要区别一是相对原子质量，二是性质，有机高分子化合物的熔、沸点一般较高，表现出一定的强度和硬度。高分子化合物虽然分子质量较大，便通常结构并不复杂，它们是由简单的结构单元重复连接而成的。下面我们来探讨有机高分子结构中的几个重要概念。
2．单体、链节和聚合度
[教师展示聚乙烯分子的结构模型或三维动画。]
我们可以看到，聚乙烯分子可以用 来表示，它是由成千上万的乙烯分子聚合而成的。
（1）链节：高分子化合物中重复出现的结构单元，如聚乙烯的结构单元是－CH2—CH2—。
（2）聚合度：聚乙烯分子结构中的n值表示高分子化合物中链节的重复次数，n值越大，相对分子质量越大。
（3）单体：能合成高分子化合物的小分子物质，如聚乙烯的单体是CH2=CH2。
说明：
（1）高分子化合是通过小分子化合物（即单体）通过聚合反应制得的。
（2）高分子化合物可以看做是成千上万个链节重复连接而成的。
（3）高分子化合物的相对分子质量＝链节的式量  聚合度（n）。
（4）我们见到的一些高分子材料是由许许多多n值不同的高分子构成的，因而高分子化合物是混合物，测得的相对分子质量是平均值。
二、有机高分子化合物的结构特点
有机高分子化合物的结构可分为线型高分子和体型高分子，如图所示。
1．线型结构
有些高分子由一个个链节连接起来，成千上成链节连成长链，如淀粉和纤维素的长链是由C—C键和C—O键相连接的，聚乙烯和聚氯乙烯是由C—C键相连接的，线性结构的高分子材料，可以带支链，也可以不带支链。线型结构的高分子材料两个链间只有分子间作用力，没有化学键，而这一分子间的作用力随相对分子质量的增大而增强。
2．体型结构
体型结构是高分子链上能起反应的官能团跟别的单体或别的物质发生反应，分子链之间形成化学键产生一些交联，形成的网状结构，如硫化橡胶等，如图所示：
橡胶硫化后，由线型结构转变为网状结构，橡胶制品会变得更加坚韧和富有弹性。
三、有机高分子化合物的基本性质
1．溶解性
[演示实验1] 取有机玻璃粉末0.5g放入试管中，加入10mL三氯甲烷，观察溶解的情况。
[演示实验2] 取废轮胎上刮下的一些橡胶粉末0.5g放入试管中，加入10mL汽油，观察粉末是否溶解。
结论：线型高分子材料能溶解在适当的溶剂中，但溶解速度比小分子缓慢；体型结构的高分子材料不易溶解，只是有一定程度的溶胀。
2．热塑性和热固性
[演示实验3]在一支试管中放入聚乙烯塑料碎片约3g，用酒精灯缓缓加热，观察塑料碎片软化和熔化的情况，等熔化后立即停止加热以防分解。等冷却固化后再加热，观察现象。
[结论]聚乙烯塑料受热到一定温度范围时，开始变软，直到熔化成流动的液体。冷却后又变为固体。加热后又熔化，这种现象就是线型高分子的热塑性。
[说明]有些体型高分子一经加工成型就不会受热熔化，因而具有热固性，如酚醛树脂。
3．强度
有机高分子化合物的强度一般都比较大。体型高分子化合物具有弹性，硬度和脆性比较小；线型高分子化合物没有弹性，硬度和脆性较大。
4．电绝缘性
高分子化合物链里的原子是以共价键结合的，一般不易导电，所以高分子材料通常是很好的绝缘材料，广泛应用于电气工业上，如我们大家熟悉的开关面板，就是用酚醛树脂（俗称电木制造的）。
小结：
表2 高分子化合物的比较
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线性高分子化合物 |
体型高分子化合物 |
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结构特征 |
由许多链节通过化学键相互连接成长链状，可带支链，也可以不带支链。 |
除具有线型高分子的长链状结构外，长链之间通过化学键产生交联，形成网状结构。 |
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性质 |
溶解性 |
可溶解在适当的溶剂中，但溶解速度比起小分子化合慢，最后形成均匀的高分子溶液。 |
不易溶解，长期浸泡在溶剂中只能发生一定程度的溶胀。 |
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受热变化情况 |
具有热塑性，在一定温度范围内，受热软化、熔化成流动的液体，冷却后又变固体，具有良好的可塑性。 |
具有热固性，加热成型后受热不能熔化。 |
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强度 |
较大 |
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电绝缘性 |
一般不易导电，通常是电绝缘材料。 |
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实例 |
聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯 |
酚醛树脂（电木） |
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线性高分子化合物
体型高分子化合物
结构特征
由许多链节通过化学键相互连接成长链状，可带支链，也可以不带支链。
除具有线型高分子的长链状结构外，长链之间通过化学键产生交联，形成网状结构。
性质
溶解性
可溶解在适当的溶剂中，但溶解速度比起小分子化合慢，最后形成均匀的高分子溶液。
不易溶解，长期浸泡在溶剂中只能发生一定程度的溶胀。
受热变化情况
具有热塑性，在一定温度范围内，受热软化、熔化成流动的液体，冷却后又变固体，具有良好的可塑性。
具有热固性，加热成型后受热不能熔化。
强度
较大
电绝缘性
一般不易导电，通常是电绝缘材料。
实例
聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯
酚醛树脂（电木）
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