高中化学选修《化学与生活》高分子材料与复合材料知识清单

高中化学选修《化学与生活》高分子材料与复合材料知识清单一、单元学习总览与核心素养导航【单元定位·基础】本单元隶属于高中化学苏教版选修《化学与生活》专题三“丰富多彩的生活材料”，是在学习了金属材料、无机非金属材料之后，对有机高分子材料及新型复合材料的深度拓展。本单元从学生熟知的日常生活入手，系统介绍塑料、纤维、橡胶三大合成材料，并延伸至功能高分子材料和复合材料，旨在建立“结构决定性质，性质决定用途”的核心化学观念，同时强化科学态度与社会责任，特别是对“白色污染”等环境问题的辩证思考。【核心素养目标】1.宏观辨识与微观探析：能从化学键（共价键、分子间作用力）和分子结构（线型、体型）的角度，解释高分子材料的热塑性、热固性、溶解性等宏观性质。2.变化观念与平衡思想：理解加聚反应和缩聚反应的本质区别，能够从单体的结构推导聚合物的链节，或从聚合物链节逆向推导单体。3.证据推理与模型认知：建立“高分子结构性能用途”的认知模型，并能运用该模型分析生活中常见高分子材料的选用原理。4.科学精神与社会责任：辩证认识高分子材料对人类文明进步的贡献及对环境的影响（如白色污染），形成绿色化学和可持续发展的意识。二、有机高分子材料基础概论【概念辨析·重要】高分子材料是以高分子化合物（相对分子质量一般在10000以上）为基础组成的材料。高分子化合物分为天然高分子化合物（如天然橡胶、纤维素、蛋白质、淀粉等）和合成高分子化合物（如聚乙烯、聚氯乙烯等）。合成高分子材料通常称为三大合成材料，即塑料、合成纤维、合成橡胶。【结构特征·难点】高分子的结构类型直接影响其性能：1.线型结构：长链状的分子，链与链之间以较弱的分子间作用力结合。具有热塑性（加热软化或熔融，冷却硬化，可反复加工）和能溶解于适当溶剂的特性。如聚乙烯、聚氯乙烯、未硫化的天然橡胶。2.体型结构：分子链之间通过化学键（共价键）交联，形成三维网状结构。具有热固性（加工成型后受热不再熔化，一次成型，不可反复重塑）和不易溶解（只有一定程度的溶胀）的特性。如酚醛树脂、硫化后的橡胶。【重要性质归纳·高频考点】1.溶解性：线型高分子（如有机玻璃）可缓慢溶解于有机溶剂；体型高分子（如硫化橡胶、电木）不溶，仅发生溶胀。2.机械强度：高分子材料的强度通常较大，因其分子链长，分子间作用力或化学键合力强。3.电绝缘性：大多数高分子材料内部没有自由移动的离子或电子，是优良的电绝缘体，广泛应用于电器工业。但也有特例，如后来发展出的导电高分子。4.老化：高分子材料在长期使用过程中，受光、热、氧、微生物等作用，发生变色、变脆、强度下降等现象，称为老化。这是高分子的普遍缺点。三、塑料——可塑性高分子材料【塑料的组成·基础】塑料的主要成分是合成树脂，它是塑料中最基本的、起粘接作用的主体。为了改善塑料的性能，通常需加入各种添加剂，如增塑剂（增加柔韧性）、稳定剂（防止老化）、润滑剂（便于加工）、着色剂（赋予颜色）等。【聚合反应两大类型·必考点】1.加聚反应（加成聚合反应）：【非常重要】a.定义：含有不饱和键（如碳碳双键、三键）的单体，在适当条件下，通过不饱和键的加成，相互连接成高分子化合物的反应。反应过程中没有小分子副产物生成。b.特点：单体通常含有双键或三键；生成的聚合物链节的化学组成与单体相同；聚合物相对分子质量是单体相对分子质量的整数倍。c.示例：聚乙烯的合成nCH₂=CH₂—催化剂→[CH₂—CH₂]ₙd.常见加聚产物：聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，有机玻璃）等。e.共聚反应：由两种或两种以上不同单体共同进行的加聚反应，产物为共聚物，如ABS树脂（由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯共聚而成）。2.缩聚反应（缩合聚合反应）：【非常重要】a.定义：单体间相互反应生成高分子化合物，同时还生成小分子（如水、氨、氯化氢等）的聚合反应。b.特点：单体通常含有两个或两个以上的官能团（如羟基—OH、羧基—COOH、氨基—NH₂等）；聚合物链节的化学组成与单体不同；反应过程中有小分子副产物生成。c.示例：酚醛树脂的合成（苯酚与甲醛在酸或碱催化下缩合，生成水）。d.常见缩聚产物：酚醛树脂（电木）、聚酯（如涤纶）、聚酰胺（如锦纶）、有机硅树脂等。【塑料的分类·基础】1.按树脂受热时的特征分：a.热塑性塑料：具有受热软化、冷却硬化，且这一过程可反复进行的特性。其结构为线型结构。例如：聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等。b.热固性塑料：第一次加热时软化流动，加热到一定温度后发生化学变化（交联）而固化成型，再受热则不软化，也不溶于溶剂。其结构最终为体型结构。例如：酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂等。2.按应用范围及性能分：a.通用塑料：产量大、价格低、用途广，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯等。b.工程塑料：机械性能好，可代替金属用作工程结构材料，如聚酰胺（尼龙）、聚碳酸酯、聚甲醛、ABS塑料等。c.特种塑料：具有特殊性能（如耐高温、耐腐蚀），用于特殊领域，如氟塑料、有机硅塑料等。【常见塑料的性能与应用·生活与考点结合】1.聚乙烯（PE）：【重要】a.结构：由乙烯加聚而成，分为高密度聚乙烯（HDPE）和低密度聚乙烯（LDPE）。b.性能：无毒、耐低温、化学稳定性好。LDPE质地柔软，透明度较好；HDPE硬度较高。c.用途：LDPE用于生产保鲜膜、食品袋；HDPE用于生产塑料瓶、奶瓶、水桶、管道等。d.考点：聚乙烯塑料是唯一能用于包装食品的常见塑料膜（相对聚氯乙烯而言）。2.聚氯乙烯（PVC）：【重要】a.结构：由氯乙烯加聚而成。b.性能：机械强度高，耐腐蚀，绝缘性好。但纯PVC硬质，需添加增塑剂才变软。受热易分解出有毒的氯化氢气体，且增塑剂中的有害物质可能迁移。c.用途：硬质PVC用于水管、门窗型材；软质PVC用于电线电缆绝缘层、人造革、塑料凉鞋。d.考点：聚氯乙烯薄膜不能用来包装食品，因为它所含的氯乙烯单体及其些添加剂对人体有害，且燃烧会产生HCl和二噁英等有毒物质。【高频易错点】3.聚苯乙烯（PS）：a.性能：透明度高，刚性大，电绝缘性好，但脆性大，耐热性差。b.用途：一次性泡沫饭盒、包装材料、透明杯盖、玩具等。4.聚四氟乙烯（PTFE）：【特色考点】a.商品名：特氟隆（Teflon）。b.性能：被誉为“塑料王”。具有极佳的耐化学腐蚀性（甚至耐王水）、耐高低温性（200℃~260℃）、摩擦系数极低（最光滑的材料之一）、不粘、绝缘。c.用途：不粘锅涂层、化工管道、密封材料、人造血管等。5.酚醛树脂（PF）：【典型热固性】a.合成：由苯酚和甲醛缩聚而成。在酸性催化剂下生成线型树脂，在碱性催化剂下生成体型（网状）树脂。b.性能：俗称电木。受热不熔化（热固性），绝缘性好，耐热，不易变形。c.用途：电器开关、插座、锅铲手柄、仪表外壳等。6.ABS树脂：a.组成：由丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）三种单体共聚而成。b.性能：综合了三种组分的优点——丙烯腈的耐化学腐蚀性和硬度，丁二烯的韧性和抗冲击性，苯乙烯的光泽和加工流动性。即坚韧、质硬、刚性好。c.用途：家电外壳（电视机、冰箱）、手机外壳、汽车零部件、安全帽等。【塑料制品回收标识·生活常识】每个塑料容器底部都有一个带箭头的三角形标识，里面的数字代表不同的塑料种类，以便于分类回收。常见如“1号”PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯，饮料瓶）、“2号”HDPE（高密度聚乙烯，清洁用品瓶）、“3号”PVC、“4号”LDPE、“5号”PP（聚丙烯，耐热，微波炉餐盒）、“6号”PS（聚苯乙烯）等。【白色污染与治理·社会责任】1.定义：废弃的塑料制品对环境造成的污染，因多为白色，故称“白色污染”。2.危害：难以降解，破坏土壤结构；焚烧产生有毒气体；混入水体威胁生物生存；视觉污染等。3.治理措施：减少使用（减量化）、重复使用（再利用）、回收利用（资源化）、研发推广可降解塑料（如光降解塑料、生物降解塑料）。四、纤维——衣着与工业的支柱【纤维的分类·基础】根据来源分为天然纤维和化学纤维，化学纤维又分为人造纤维和合成纤维。【高频考点】1.天然纤维：a.植物纤维：主要成分是纤维素（属于多糖）。如棉花、麻。特点：吸湿性好，透气，穿着舒适，但易皱，不耐磨。b.动物纤维：主要成分是蛋白质。如羊毛、蚕丝。特点：手感好，保暖性强，有光泽，但怕碱（相对而言），易虫蛀，易起球。2.化学纤维：a.人造纤维（又称再生纤维）：以天然高分子化合物（如木材、棉短绒、芦苇等纤维素）为原料，经化学加工和机械加工而制得的纤维。其本质是对天然纤维的再加工，化学成分并未根本改变。如黏胶纤维（人造棉、人造丝）、醋酸纤维。特点：吸湿性好，穿着舒适，但湿强度低，不耐洗。b.合成纤维：以石油、天然气、煤等为原料，经化学合成和机械加工制成的纤维。其本质是人工合成的高分子化合物。如“六大纶”：涤纶、锦纶、腈纶、维纶、丙纶、氯纶。特点：强度高，耐磨，耐腐蚀，不缩水，弹性好，但吸湿性、透气性差，易产生静电。【常见合成纤维（六大纶）的性能与用途·重要】1.涤纶（聚酯纤维）：【产量最大】强度高，弹性好，挺括不皱，耐热性好。广泛用于服装面料（的确良）、工业用布（传送带、帐篷）、绝缘材料等。2.锦纶（聚酰胺纤维，尼龙）：【耐磨性最好】强度极高，耐磨性居纤维之首，弹性好。是降落伞绳、轮胎帘子线、缆绳、渔网、运动服的首选材料。尼龙66和尼龙6是常见品种。是人类第一次采用非纤维材料通过化学合成方法得到的化学纤维。【历史意义】3.腈纶（聚丙烯腈纤维）：【蓬松性好，似羊毛】柔软、保暖、弹性好，有“合成羊毛”之称。用于毛衣、毛毯、人造毛皮、窗帘等。4.维纶（聚乙烯醇缩甲醛纤维）：【吸湿性最好】吸湿性是合成纤维中最高的，接近棉花，故有“合成棉花”之称。但耐热水性差，易缩水。用于与棉混纺，制作内衣、床单等。5.丙纶（聚丙烯纤维）：【最轻】密度最小（0.91g/cm³），能浮于水，强度高，耐腐蚀。用于绳索、渔网、土工布、无纺布、地毯等。6.氯纶（聚氯乙烯纤维）：【难燃、保暖】不易燃烧，保暖性好，耐酸碱，但耐热性差。用于针织内衣（对风湿有一定辅助疗效的传说源于其保暖和产生静电）、阻燃织物、工业滤布等。【纤维的简易鉴别·拓展】燃烧法：棉（纤维素）燃烧有烧纸味，灰烬呈灰白色；羊毛（蛋白质）燃烧有烧焦羽毛味，灰烬易碎；合成纤维（如涤纶、锦纶）燃烧时先熔化后燃烧，有特殊气味（如甜味、芹菜味），趁热可拉丝，冷却后成硬块。五、橡胶——高弹性材料【橡胶的来源与分类·基础】1.天然橡胶：主要来源于橡胶树中的胶乳，主要化学成分是聚异戊二烯，其结构简式为：[CH₂—C(CH₃)=CH—CH₂]ₙ。天然橡胶是线型分子，具有优良的弹性，但强度不够，且对温度较敏感（热粘冷脆）。2.合成橡胶：以石油、天然气中的二烯烃（如1，3丁二烯）和烯烃为原料，通过聚合反应合成。根据性能和用途分为通用橡胶和特种橡胶。【橡胶的硫化·核心原理】1.目的：改善天然橡胶的性能（增强强度、提高弹性、增加稳定性和耐磨性）。2.原理：将天然橡胶（线型结构）与硫磺等硫化剂共热，硫原子在聚合物链之间形成二硫键（—S—S—），使线型结构交联成为体型网状结构。【非常重要】3.结果：硫化后的橡胶称为硫化橡胶，强度大大增加，弹性更好，且不再受热变粘、遇冷变脆，不易溶解，只发生溶胀。硫化程度越高，强度越大，但弹性会相应降低。4.应用实例：汽车外胎需要很高的强度和耐磨性，硫化程度较高；而橡皮筋、气球需要极高的弹性，硫化程度较低。【考点】【常见合成橡胶·了解】1.丁苯橡胶（SBR）：由1，3丁二烯和苯乙烯共聚而成，是产量最大的通用合成橡胶，耐磨、耐老化，用于轮胎、胶鞋等。2.顺丁橡胶（BR）：由1，3丁二烯以顺式结构聚合而成，弹性极好，耐磨，耐寒，常与其它橡胶并用制造轮胎。3.氯丁橡胶（CR）：由氯丁二烯聚合而成，耐油、耐燃、耐氧化，用于电线电缆护套、胶管、胶带。4.特种橡胶：如硅橡胶（耐高低温）、氟橡胶（耐强腐蚀、耐高温）、聚硫橡胶（耐油）等。六、功能高分子材料【定义与特点·基础】功能高分子材料是指除了具有传统高分子材料的机械性能之外，还具有某些特殊功能（如化学活性、光敏性、导电性、生物相容性、选择性分离能力等）的高分子材料。这些特殊功能通常是通过在高分子的主链或支链上引入某种特定的功能基团而实现的。【常见类型与应用·拓展】1.高吸水性材料：【热点】a.代表：高吸水性树脂（如聚丙烯酸钠、淀粉与丙烯腈或丙烯酸的接枝共聚物）。b.原理：分子链上含有大量强亲水基团（如—COONa、—OH），且具有交联的网状结构，既能吸水溶胀又不溶于水。c.性能：能吸收自身重量几百倍甚至上千倍的水，且保水性强，加压也不易挤出。d.用途：一次性纸尿裤（尿不湿）、卫生巾、农林抗旱保水剂、工业脱水剂、医用敷料等。2.导电高分子材料：a.代表：聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等。b.意义：打破了高分子材料只能是绝缘体的传统观念。c.用途：轻质电池电极材料、电磁屏蔽材料、抗静电涂层、分子导线等。3.医用高分子材料：a.要求：无毒、无致癌性、与人体组织相容（不引起排斥反应）、抗凝血、耐生物老化。b.用途：制造人造器官（人造心脏、人造血管、人工肾、人造骨骼、隐形眼镜等）、手术缝合线、药物缓释载体等。4.光敏性高分子：感光树脂，用于印刷电路板、光刻胶等。5.分离膜材料：高分子分离膜（如反渗透膜、离子交换膜），用于海水淡化、污水处理、物质分离提纯等。七、复合材料【复合材料的定义·基础】复合材料是将两种或两种以上性质不同的材料，通过特殊的工艺复合在一起，使其在性能上取长补短，从而得到比单一材料性能更加优越的新材料。【非常重要】【复合材料的组成·必考点】1.基体材料：起粘接、保护并将外力传递给增强体的作用，使材料整体成型。常见的基体有：合成树脂（聚合物基）、金属（铝、镁等，金属基）、陶瓷（陶瓷基）。2.增强材料：起承受主要负荷（提高强度、韧性）的作用，是材料的骨架。常见的增强体有：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、颗粒填料等。【复合材料的性能特点·重要】1.综合性能优越：既保持了原有材料的特点，又通过协同作用产生了优于原材料的特性。例如，克服了金属易腐蚀、有机材料易老化、陶瓷易碎的缺点。2.性能的可设计性：可以根据实际需要，选择不同的基体和增强体及其复合方式，来“设计”材料的性能。3.一般具有：强度高、质量轻（比强度大）、耐高温、耐腐蚀、绝缘性好或易导电导热（根据设计而定）等特点。【常见的复合材料及应用·生活与科技结合】1.玻璃钢（玻璃纤维增强塑料）：【最重要实例】a.组成：基体是合成树脂（如不饱和聚酯树脂、环氧树脂），增强体是玻璃纤维。b.性能：强度高（可接近钢材），密度小（比钢材轻很多），耐腐蚀，绝缘性好，易加工，同时克服了玻璃的脆性。c.用途：船体、汽车车身、水箱、冷却塔、化工管道、游乐设施、风机叶片等。2.碳纤维增强复合材料：【高端应用】a.组成：基体是合成树脂（或金属、陶瓷），增强体是碳纤维。b.性能：强度极高（比钢高），密度极小（比铝轻），耐高温，耐疲劳，韧性好。c.用途：航空航天（飞机机身、机翼、火箭壳体）、高端体育用品（网球拍、高尔夫球杆、自行车架、钓鱼竿）、医用材料（人造韧带）、汽车工业。3.其他复合材料：a.钢筋混凝土：基体是水泥砂浆（无机非金属材料），增强体是钢筋（金属材料）。b.石棉瓦：基体是水泥，增强体是石棉纤维。c.航天飞机隔热瓦：基体是陶瓷，增强体是二氧化硅纤维或碳纤维，可耐极高温度。d.金属基复合材料：如碳纤维增强铝基复合材料，用于航空航天结构件。e.层压板：如将浸过树脂的多层纸张或棉布叠合热压而成，用于电器绝缘板。八、单元考点、考向与解题指导【高频考点分布】1.基本概念的辨析：三大合成材料、天然与化学纤维、热塑性与热固性、加聚与缩聚、复合材料的组成。2.结构与性质的关系：线型/体型结构对热塑性/热固性、溶解性的影响；硫化原理。3.重要物质的俗称、性能与用途：聚乙烯（食品袋）、聚氯乙烯（非食品）、聚四氟乙烯（塑料王）、酚醛树脂（电木）、尼龙（耐磨）、涤纶（产量大）、玻璃钢（复合材料）、天然橡胶（聚异戊二烯）。4.聚合反应：典型单体的加聚反应（乙烯、氯乙烯）和缩聚反应（苯酚+甲醛）的方程式书写；根据聚合物链节反推单体。5.环境问题：白色污染的危害与防治。【常见考查方式】1.选择题：考查材料分类、概念辨析、性质用途对应关系、说法正误判断。【最常见】2.填空题/简答题：考查聚合反应方程式、结构简式的书写、解释某一生活现象的原理（如为什么聚乙烯能包食品而聚氯乙烯不能？为什么热固性塑料不能热修补？）。3.推断题：结合有机化学基础，给定合成路线，推断单体或聚合物结构。【解题思维与易错点警示】1.概念混淆陷阱：a.【易错】塑料都是高分子化合物，但高分子化合物不都是塑料（还可能是纤维、橡胶）。b.【易错】合成纤维与人造纤维统称化学纤维，但人造纤维的原料是天然高分子（如纤维素），合成纤维的原料是小分子（石