高中化学选择性必修3 第五章 合成高分子 知识清单

高中化学选择性必修3第五章合成高分子知识清单一、高分子的基本概念与合成原理【基础】本章所指的合成高分子，通常指由低分子有机化合物通过聚合反应形成、相对分子质量高达10⁴以上（甚至可达10⁶至10⁷）的化合物。理解高分子需要建立几个核心概念。【重要】首先是“单体”，即用于合成高分子的低分子原料，如乙烯、氯乙烯、苯酚、甲醛等。其次是“链节”（又称重复结构单元），这是高分子链中化学组成和结构可重复的最小单位，例如聚乙烯中的—CH₂—CH₂—。最后是“聚合度”，指高分子链中链节的数目，通常用n表示。高分子的相对分子质量等于链节的相对质量乘以聚合度。需要特别注意的是，由于聚合度n是一个平均值而非固定值，合成高分子实际上是由链长不同的同系物组成的混合物，因此它没有恒定的熔沸点，这是高分子与低分子有机物的显著区别【基础】。二、合成高分子的两大基本反应【核心】合成高分子的化学反应主要有两种基本类型：加成聚合反应（简称加聚反应）和缩合聚合反应（简称缩聚反应）。这是本章的核心基础，也是后续学习的基石。（一）加成聚合反应【高频考点】加聚反应是指含有不饱和键（如碳碳双键、碳碳三键）的单体，通过相互加成形成高分子化合物的反应。【重要】这类反应的特点是：单体必须是含有不饱和键的化合物，如烯烃、二烯烃及其衍生物；反应发生在不饱和键上，通过打开双键相互连接；反应过程中没有小分子副产物生成，因此生成的高分子化学组成与单体完全相同；高分子的相对分子质量是单体相对分子质量的整数倍【基础】。典型的例子包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈（腈纶）的合成。对于二烯烃（如1,3丁二烯）的加聚，由于双键的共轭效应，聚合时可能发生在1,4位，生成的主链中会保留一个碳碳双键，如合成顺丁橡胶【难点】。（二）缩合聚合反应【高频考点】【难点】缩聚反应是指由两个或多个带有官能团的单体相互作用，生成高分子，同时有小分子副产物（如水、氨、氯化氢等）生成的反应。【重要】这类反应的特点是：单体必须含有两个或两个以上的官能团（如羟基—OH、羧基—COOH、氨基—NH₂等）；反应是通过官能团之间的相互缩合而逐步进行的；由于有小分子脱去，高分子链节的化学组成与单体不再相同；高分子的相对分子质量小于单体相对分子质量与聚合度的乘积【基础】。典型的例子包括涤纶（聚对苯二甲酸乙二酯）的合成、尼龙66（聚己二酰己二胺）的合成、酚醛树脂的合成以及各种氨基酸形成蛋白质的模拟反应。（三）加聚反应与缩聚反应的比较为了更清晰地理解两者的区别，可以从反应机理、单体结构、产物特点等方面进行对比：加聚反应的本质是加成，单体含不饱和键，产物只有聚合物，链节组成与单体一致；缩聚反应的本质是缩合，单体含特定官能团，产物除聚合物外还有小分子，链节组成与单体不同。【重要】书写缩聚反应方程式时，必须注意产物小分子的计量数。当两种不同的双官能团单体发生缩聚时，生成的小分子总数通常为(2n1)，产物为端基仍带有官能团的长链分子。例如，n个己二酸和n个乙二醇缩聚，会生成(2n1)个水分子【易错点】。三、高分子材料的结构与性能关系高分子的性能不仅取决于其化学组成，也与其分子链的结构和聚集态密切相关。（一）链的结构：线型、支链型与体型【重要】根据高分子链在空间中的连接方式和形态，可分为三种主要结构。【基础】线型结构是由许多链节相互连接成一条长链，链与链之间没有化学键连接，如聚乙烯、聚氯乙烯。这种结构的高分子受热时可软化或熔融，冷却后硬化，具有热塑性，可反复加工。支链型结构是在线型主链上连接有一些长短不一的侧链，它同样具有热塑性，但支链的存在会影响聚合物的结晶度和密度。体型结构是高分子链之间通过化学键相互交联，形成三维网状结构，如酚醛树脂、硫化橡胶。这类高分子一旦交联成型，受热时不能再软化熔融，若温度过高则发生分解，具有热固性。（二）高分子材料的分类高分子材料可以从不同角度进行分类。从来源上，可分为天然高分子（如纤维素、蛋白质、天然橡胶）和合成高分子（如塑料、合成纤维、合成橡胶）。从用途和性能上，通常分为通用高分子材料（塑料、合成纤维、合成橡胶、涂料、黏合剂）和功能高分子材料（具有特定光、电、磁、分离、生物医学等功能的高分子）【基础】。四、通用高分子材料详解【基础】通用高分子材料是生产和生活中应用最广泛、产量最大的高分子材料。（一）塑料塑料的主要成分是合成树脂，此外还根据需要加入了各种助剂，如增塑剂、稳定剂、填料、着色剂等。【重要】聚乙烯是产量最大的塑料品种。高压法聚乙烯（低密度聚乙烯LDPE）分子链支链多，密度低，质地柔软，适于生产薄膜；低压法聚乙烯（高密度聚乙烯HDPE）分子链支链少，密度高，质地较硬，适于生产瓶子、管材等。【热点】聚氯乙烯（PVC）也是一种重要的通用塑料，但需要注意的是，聚氯乙烯本身是一种硬质塑料，为使其柔软，常需加入增塑剂。由于增塑剂小分子可能迁移出来并具有毒性，因此不能用含增塑剂的聚氯乙烯薄膜生产食品包装材料【易错点】。酚醛树脂是人类历史上第一种完全由人工合成的塑料。它是由苯酚和甲醛在酸或碱的催化下缩聚而成的。【难点】在酸性催化下，苯酚与甲醛的物质的量之比小于1时，生成的是线型结构的酚醛树脂，仍具有热塑性；在碱性催化下，尤其是甲醛过量时，反应会生成体型网状结构的酚醛树脂，具有热固性。体型酚醛树脂具有优良的绝缘性、耐热性和机械强度，广泛用于电器零件、手柄、复合材料等，甚至用作火箭发动机的烧蚀材料【拓展】。（二）合成纤维纤维可分为天然纤维和化学纤维。化学纤维又可分为再生纤维（以天然纤维素为原料加工而成，如黏胶纤维）和合成纤维（以石油、天然气等为原料合成单体后再聚合而成）。【重要】合成纤维中，涤纶（聚对苯二甲酸乙二酯纤维）是目前产量最大的品种，具有强度高、弹性好、耐磨、抗皱等优点。锦纶（聚酰胺纤维，如尼龙6、尼龙66）是最早的合成纤维品种，耐磨性极佳。腈纶（聚丙烯腈纤维）柔软、蓬松、保暖，有“合成羊毛”之称。维纶（聚乙烯醇缩甲醛纤维）吸湿性好，有“人造棉花”之称。（三）合成橡胶橡胶是具有高弹性的高分子材料。天然橡胶是从天然植物中获取的，其化学结构是顺式聚异戊二烯。合成橡胶是根据天然橡胶的结构和性能，通过人工合成得到的橡胶。【基础】顺丁橡胶（聚1,3丁二烯）是产量最大的通用合成橡胶之一，弹性好、耐磨、耐寒，但抗撕裂性较差，常用于制造轮胎。橡胶加工中的一个关键步骤是“硫化”。硫化是指将线型结构的生胶与硫磺等硫化剂混合加热，使高分子链之间形成二硫键等化学交联，从而从线型结构转变为体型网状结构的过程。硫化后的橡胶既保持了高弹性，又提高了强度和稳定性，不再容易发生塑性变形【重要】。五、功能高分子材料简介【热点】【拓展】功能高分子材料是指除了力学特性以外，还具有特定功能（如化学活性、光敏性、导电性、分离性、生物相容性等）的高分子材料。这类材料是高分子科学最活跃的研究前沿。（一）高吸水性树脂高吸水性树脂是一种含有强亲水基团（如羧基、羟基、酰胺基等）并具有一定交联度的聚合物。它能吸收相当于自身质量几百倍甚至上千倍的水，并且保水性强，加压也不易挤出。其制备通常有两种方法：一是对天然高分子（如淀粉、纤维素）进行改性，接上亲水基团；二是直接合成带有强亲水基团的高分子，如聚丙烯酸钠（用丙烯酸钠进行加聚）。高吸水性树脂广泛应用于婴儿尿布、卫生巾、农林保水剂、抗旱材料等【热点】。（二）高分子分离膜高分子分离膜是利用高分子材料对不同物质具有选择性透过能力而实现分离的功能膜。例如，反渗透膜可用于海水淡化；离子交换膜可用于电渗析和氯碱工业；气体分离膜可用于富集氧气或氮气。膜材料的选择和结构设计是实现高效分离的关键【拓展】。（三）医用高分子材料医用高分子材料是指用于诊断、治疗或替换人体组织、器官或增进其功能的高分子材料。这类材料要求具有优异的生物相容性、化学稳定性和力学性能。常见的应用包括：聚乳酸（PLA）用作手术缝合线、骨科固定材料、药物缓释载体，它在人体内可逐渐降解为乳酸并被吸收【热点】；硅橡胶用于制作人工器官、导管；聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）用作牙科材料、人工关节骨水泥等。（四）其他功能高分子导电高分子（如聚乙炔、聚苯胺等），其导电性能可通过掺杂进行调控；光敏高分子，如光刻胶，在微电子工业中用于集成电路的制造；高分子催化剂，可提高催化反应的选择性和效率【拓展】。六、单体与高聚物的相互推断【核心能力】【高频考点】这是本章最关键的技能之一，要求学生能从给出的聚合物结构式反推合成它的单体，或能根据给定的单体写出聚合物的结构式。（一）由加聚物推断单体【重要】【解题步骤】推断加聚物的单体，关键在于识别聚合物主链的结构特征。1、主链全为碳原子，且无双键：此类聚合物通常由单烯烃类单体通过加聚而成。推断方法是“两个碳一组，半键向内弯”。即将主链上每两个碳原子作为一组，将键打开，把链节边缘的半键（表示未成对的电子）向内闭合形成双键。例如，聚合物[—CH₂—CH₂—]ₙ的单体是CH₂=CH₂；聚合物[—CH₂—CH(CH₃)—]ₙ的单体是CH₂=CH—CH₃。【基础】2、主链全为碳原子，且含有碳碳双键：此类聚合物通常由二烯烃类单体通过1,4加成聚合而成。推断方法是“见双键，四碳断，单双键互换”。即从主链的碳碳双键处开始，向左和向右各延伸两个碳原子（共四个碳），在这四碳片段的两端划线断开，然后将片段的单键和双键互换位置。例如，聚合物[—CH₂—CH=CH—CH₂—]ₙ的单体是CH₂=CH—CH=CH₂（1,3丁二烯）。【难点】3、主链全为碳原子，但链节超过两种，或结构较复杂：此类通常为共聚物。推断方法是“单键弯曲，逐段还原”。将主链上的碳碳单键想象成可弯曲的，尝试从不同的键位断开，若能还原出两种或以上含有不饱和键的稳定小分子结构，则这些结构即为单体。例如，聚合物[—CH₂—CH₂—CH₂—CH(CH₃)—]ₙ的单体是CH₂=CH₂和CH₂=CH—CH₃。【重要】（二）由缩聚物推断单体【重要】【解题步骤】推断缩聚物的单体，关键在于识别聚合物主链中的特征官能团键合方式。1、主链中含有酯基（—COO—）：此类聚合物通常由羟基酸缩聚，或由二元醇与二元羧酸缩聚而成。推断方法是“酯基断开，氧端加氢，碳端加羟基”。即将主链中的酯基的C—O单键断开，在氧原子上加一个氢原子（形成—OH），在羰基碳原子上加一个羟基（形成—COOH）。如果断开后得到的是同一种结构，则单体为羟基酸；如果得到两种不同的结构，且一种带有两个羟基（醇），另一种带有两个羧基（酸），则单体为二元醇和二元酸。例如，聚合物[—O—CH₂—CH₂—O—OC—(CH₂)₄—CO—]ₙ的单体是HO—CH₂—CH₂—OH（乙二醇）和HOOC—(CH₂)₄—COOH（己二酸）。【高频考点】2、主链中含有酰胺基（—NH—CO—）：此类聚合物通常由氨基酸缩聚，或由二元胺与二元羧酸缩聚而成。推断方法是“酰胺键断开，氮端加氢，碳端加羟基”。即将主链中的酰胺键的C—N单键断开，在氮原子上加一个氢原子（形成—NH₂），在羰基碳原子上加一个羟基（形成—COOH）。如果断开后得到的是同一种结构，则单体为氨基酸；如果得到两种不同的结构，且一种带有两个氨基（胺），另一种带有两个羧基（酸），则单体为二元胺和二元酸。例如，聚合物[—NH—(CH₂)₆—NH—OC—(CH₂)₄—CO—]ₙ的单体是H₂N—(CH₂)₆—NH₂（己二胺）和HOOC—(CH₂)₄—COOH（己二酸）。【高频考点】3、主链中含有酚醛结构（—C₆H₃(R)—CH₂—）：此类聚合物通常由苯酚（或取代酚）与甲醛缩聚而成。例如，线型酚醛树脂的单体就是苯酚和甲醛。【基础】（三）考点与考向分析在本章的高考考查中，核心考点集中在以下几个方面：一是基本概念的辨析，如高分子是否为纯净物、加聚与缩聚产物的区别等【基础】；二是典型高分子材料的识别与性质，如常见塑料、纤维、橡胶的名称、单体、结构和用途【高频考点】；三是合成高分子的两种基本反应类型，特别是方程式的正确书写【高频考点】；四是单体与高聚物的相互推断，这是最具区分度的能力题【难点】【压轴题常考】。在解题时，务必注意：书写加聚物时，方括号外不用写端基；而书写缩聚物时，必须写出端基原子或原子团。判断反应类型时，最简单直接的方法是看产物中除了聚合物外，是否有小分子生成【易错点】。七、合成高分子与可持续发展【热点】合成高分子材料在极大地改善人类生活质量的同时，也带来了环境问题，特别是废弃塑料造成的“白色污染”。处理这一问题可以从多个方面入手。【重要】首先是减量化，减少不必要的塑料使用。其次是再利