1、高分子化合物与材料高分子化合物与材料 一、一、 教材分析和建议教材分析和建议 本课题是按照高分子化合物合成的反应原理、塑料制品的加工、 获得性能优异的合成材料以及高分子合成材料的保护、回收利用这样 的顺序展开的。 高分子化合物的合成，主要是对比介绍加聚反应和缩聚反应的原 理，突出高分子化合物在组成、结构、相对分子质量的特点，为学习 高分子化合物的其他内容打下基础。为了易于理解，教科书从比较简 单的有机化学反应开始引入有关的聚合反应，并采用对比分析的方法， 结合加聚反应和缩聚反应获得的常见制品图片，帮助学生认识这两种 获得高分子化合物的重要反应，理解它们之间的区别和联系。这也是 本课题的教学重点
2、，通过学习应该使学生认识到高分子化合物与低分 子化合物的本质区别就在于前者的相对分子量很大，由此导致了高分 子化合物具有低分子化合物所没有的一些特殊性能和使用特点，但是， 高分子化合物往往组成和结构并不复杂，形成高分子化合物所依据的 反应原理也同其他有机反应没有多大的差别。另外，按照课程标准的 要求，通过“科学视野”这个栏目，指出了催化剂在高分子合成工业 中的重要作用。 塑料制品的加工原理在于利用高分子化合物的性能，主要是根据 热塑性塑料和热固性塑料的不同特点，而这些不同的特点，恰恰是由 于高分子化合物在组成和结构上的差异造成的。由此，可以引导学生 结合高分子化合物对“物质（组成）结构决定物质
3、的性质（性能） ，以 及在一定条件下，物质的性质（性能）决定物质的用途”这些化学基 本观念有一个新的认识。如果条件允许，可以带领学生参观附近的塑 料制品厂，其间不仅要参观实际的生产过程，还要注意考察生产车间 的环境、消防及劳动保护措施等。 能导电的高分子化合物、高吸水性树脂以及微胶囊不仅是“科学 视野”中提供的一些功能高分子材料的实例，而且也是目前获得功能 高分子材料三种主要途径的典型产品。利用一些比较简单的反应，却 可以获得多种性能优异、用途广泛的功能高分子材料，这中间充分体 现了化学合成的魅力。此外，塑料的改性以及复合材料则是获得性能 优异合成材料的另外两个重要途径。其中，复合材料的教学不
4、一定局 限于高分子材料，还要同前面学习无机非金属材料和金属材料联系起 来，强调复合材料的设计是一种获得特定性能材料的重要途径，也是 一条节约资源、能源和资金的有效途径。 在介绍环境中高分子材料时，要注意两方面的问题，即在生产和 使用中要考虑材料的使用寿命和保护，同时，防止废弃高分子材料对 环境的污染。这样才是比较全面和客观地反映当前生产中的实际情况， 不能一谈到环境中的高分子材料，就只谈白色污染等环境问题，如果 这样做实际上是不公正的。在这里有一个问题需要引起我们共同思考， 当前一些媒体一味地指出化学制品存在的负面影响和问题，造成了公 众对化学、化学工作者的很多误解，作为化学教育工作者，我们有
5、义 务澄清一些事实，还问题于本来面目，这同样是基础教育中提高学生 科学技术素养的重要任务。也只有这样做，对于类似废旧高分子材料 的回收利用等问题的讨论，才有可能创造一个比较宽松、民主、客观、 公正的教学和讨论的环境，也有利于培养学生参与社会问题决策和解 决的能力。 二、二、 问题交流问题交流 【思考与交流 1】 设计本题目的在于引导学生观察和学习自然，了解技术创新的途 径和方法。 自然界中存在的天然复合材料可以给我们很多启发，这种科学研 究和技术创新的思路称为仿生科技。观察和分析天然复合材料的组成 和结构有利于人们模仿和模拟制造材料，有利于更加合理、有效地利 用人类现有的材料，有利于人们设计和
6、制造新材料，有利于人们制造 环境友好的材料。 【思考与交流 2】 设计本题的目的在于加深对教科书中关于废旧高分子材料的回收 利用有关内容的了解，帮助学生树立回收废旧物资和可持续发展的观 念，认识化学对废旧物质再生与综合利用的意义和途径。 在日常生活中，塑料的应用量越来越广泛，废旧塑料也逐渐增多， 为了消除环境污染达到增产节约的目的，必须把废旧塑料回收利用。 回收塑料必须了解其种类和性能，根据其化学成分加以分类，才能使 加工处理能够顺利进行，因此，塑料制品进行分类回收是回收利用的 条件之一。结合图 3-39 举例说明如下：废旧聚乙烯塑料可用来制造包 装膜、容器、塑料管或日常生活用的容器等；废旧聚
7、氯乙烯塑料主要 有两种，一种是低密度的，可用来制薄膜、软管、垫片、电线和人造 革等；另一种高密度的，可用来制硬板材、硬管（片、棒）等；废旧 聚丙烯塑料，可用来制编织袋、容器、管道、绝原材料等；废旧聚苯 乙烯塑料可用来制汽车、仪表的零件等，解聚后的聚苯乙烯单体可再 聚合成聚苯乙烯塑料。另外，废旧塑料可直接转化成汽油、柴油等， 也可用于制备乳液涂料。 【思考与交流 3】 讨论是一种教学情景，在这种情境中学生之间或教师学生之间进 行交流来分享信息、观念或解决问题。 讨论的目的：复习和扩展知识，考察观点，解决问题，提高语言 交流能力。 讨论的准备：提出分组方案，分配问题或角色，确定时间，查阅 资料。
8、讨论的实施原则：每人都有平等参与及发言的机会；仔细倾听别 人的发言和感受；尽可能地理解他人的观点；意识到自己的知识和观 点不可能总是正确的；尽量始终围绕中心问题；注意礼貌，维护讨论 气氛。 教师的角色：为了使讨论获得好的效果，教师应该是讨论的推动 者、调控者、参与者、观察者、记录者和评价者。 练习与实践参考练习与实践参考 1. 2. （1）Na2SiO3 + H2SO4 = H2SiO3 + Na2SO4 (2)举出三个实例即可。如实验室一些化学试剂需要存放在干燥密 闭的容器中，可放入一些硅胶；保存药品的瓶中也常放入硅胶作为干 燥剂；一些精密仪器外壳中放入变色硅胶，可根据变色硅胶的颜色变 化，
9、及时采取措施，防止仪器中的金属制件腐蚀生锈。 3. 将铁矿石冶炼成铁是一个复杂的过程，其主要原理是利用氧化 还原反应，在高温下用还原剂（主要是一氧化碳）从铁矿石中把铁还 原出来。把生铁冶炼成钢主要是适当地降低生铁中的含碳量，调整钢 里合金元素含量到规定的范围之内，并除去大部分硫、磷等有害杂质， 其主要原理也是利用氧化还原反应，在高温下，用氧化剂把生铁里的 过多碳和其他杂质氧化成为气体或炉渣除去。 6. 锌是一种比铁活泼的金属，因此，锌比铁先被腐蚀。在锅炉的 内壁上焊几片锌，可利用牺牲阳极的阴极保护法，防止锅炉腐蚀。 7. 高分子化合物与低分子化合物的最大区别在于相对分子质量 的巨大差异。举出三
10、种天然高分子和合成高分子即可。合成高分子材 料的最大优点在于其生产不受自然条件的限制，从石油、天然气和煤 等化石燃料为原料通过化学合成获得，因此，可以降低成本，而且可 以进行多种方式进行结构设计、改造、重新连结和加工等，获得性能 优异的各种功能材料和复合材料。合成材料的最大缺点在于很多材料 在环境中不易降解，随意丢弃会造成环境污染。 8. 加聚反应和缩聚反应是合成高分子化合物的两个基本反应，其 中，缩聚反应一般不需要很苛刻的条件，较容易发生。 9. 10. 一些线性结构的高分子化合物，当受热到一定温度范围时， 它们会软化、熔融，可以加工成各种不同的形状，称为热塑性聚合物； 一些体形（网状）结构
11、的高分子化合物，受热不会熔融，称为热固性 聚合物。分别举出三种热塑性和热固性聚合物即可。 11. 阳极；阴极。 Ni2e - = Ni2+（阳极，发生氧化反应） Ni 2+2e- = Ni（阴极，发生还原反应）不变 12. 提示：为了适应人们参加体育运动的不同需要，制作运动器 材的材料是随着时代的发展而改变，主要目的在于不断改进材料的组 成，提高其性能，降低成本，因此，材料中的科技含量也不断提高。 例如，以前很多运动器材是用金属材料（如钢铁、铝合金等）制作的， 往往具有很好的强度、弹性、韧性，但也具有不可避免的缺点，如质 量较大，容易生锈，用一些特殊材料（如碳素材料、复合材料）制作 的羽毛球拍
12、、钓鱼杆等，可以减轻重量，提高强度，受到广大羽毛球、 钓鱼爱好者的欢迎。再如，在竞技体育中，如果人体本身具有一定运 动极限的假设成立的话，运动器材性能等来自人体外部的因素就会成 为提高运动成绩的重要因素。 13. 纯碱 1.21 吨；石灰石 1.18 吨；石英 4.26 吨 14. 提示：纺织纤维的鉴别方法很多，简单地可分为物理方法和 化学方法，还有仪器方法等。比较简便的鉴别方法为燃烧法，即将纤 维样品在火焰上点燃，观察其燃烧时发生的现象、产生的气味等。如 天然羊毛接触火焰不会马上燃烧，先卷缩后冒烟，然后起泡燃烧，有 烧毛发气味，火焰呈橘黄色；合成纤维（如腈纶）容易点燃，边软化 边燃烧，有辛辣
13、味，火焰呈明亮白色。 15. 丙烯腈、丁二烯和苯乙烯 教学资源教学资源 1. 1. 无机非金属材料无机非金属材料 无机非金属材料指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、 硫系化合物（包括硫化物、硒化物及碲化物）和硅酸盐、钛酸盐、铝 酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料。包括陶瓷、玻璃、 水泥、耐火材料、搪瓷、磨料以及新型无机材料等。其中陶瓷一词， 随着与陶瓷工艺相近的无机材料的不断出现，其概念的外延也不断扩 大。最广义的陶瓷概念几乎与无机非金属材料的含意相同。无机非金 属材料是当代材料体系中的一个重要组成部分。 无机非金属材料的名目繁多，用途各异，目前尚没有一个统一而 完善的分类方法
14、。通常把它们分为传统（普通）无机非金属材料和新 型（特种）无机非金属材料两大类（见表 3-1） 。前者指以硅酸盐为主 要成分的材料并包括一些生产工艺相近的非硅酸盐材料，如碳化硅、 氧化铝陶瓷、硼酸盐、硫化物玻璃、镁质或铬质耐火材料和碳素材料 等。这一类材料通常生产历史较长、产量较高、用途也较广。后者主 要指 20 世纪以来发展起来的、具有特殊性质和用途的材料，如压电、 铁电、导体、半导体、磁性、超硬、高强度、超高温、生物工程材料 以及无机复合材料等。 上述这种分类并不是绝对的，由于新型材料是从传统材料逐渐发 展起来的，有些材料的归属很难确定。习惯上无机非金属材料沿用传 统生产工艺分为陶瓷、玻璃
15、、水泥、耐火材料、搪瓷、碳素材料等类， 同时，新型材料按其生产工艺、用途和发展状况，又逐步形成一些新 的材料类别，如无机复合材料、无机多孔材料等。有些品种按习惯并 入传统分类中，如铁电、压电陶瓷并入陶瓷；微晶玻璃、光导纤维等 并入玻璃。有时又可按照材料的主要成分分类，如硅酸盐、铝酸盐、 氧化物、氮化物材料等；也可以根据材料的用途分为日用、建筑、化 工、电子、航天、通信、医学材料等；也有按材料性质分的，如胶凝、 耐火、耐磨、导电、绝缘、半导体材料等；还有根据材料的物质状态 分的，如晶体（单晶体、多晶体、微晶体） 、非晶体及复合材料等；或 从材料的外观形态分，有块状、多孔、纤维、晶须、薄膜材料等。
16、 2. 2. 水泥水泥 制造水泥的主要原料是石灰石（80%90%） 、黏土（10%15%）和铁 矿粉（1%2%） 。为了控制凝结速率，还要在熟料中加入 3%（以上均为 质量分数）以下的石膏。 （1）水泥生料煅烧成熟料的物理、化学变化过程 混合生料进入回转窑的上端， 受热到 100 时， 主要是水分蒸发， 这一段叫干燥带。干燥的生料继续在窑中前进，在与更热的气体相遇 时，被加热到 600 左右，这时发生有机物燃烧和高岭土脱水。此时， 由于黏土可塑性降低，块料粉碎成粉料，这一段叫做预热带。 温度升高到 900 ，石灰石发生分解，生成的 CaO 和黏土中的二 氧化硅、氧化铝开始发生固态反应，这一段叫
17、分解带。当温度升高到 1 100 以上，CaO 和酸性氧化物的反应加快。上述反应主要是： 这一段叫做煅烧带或称放热反应带。 温度到达 1 400 左右，窑内物料开始烧结，部分开始熔融。这 时硅酸二钙仍保持为固态，熔于熔融液里，与游离的 CaO 继续反应生 成硅酸三钙（3CaOSiO2） 。硅酸三钙以微小的结晶析出，即成熟料。 这一段称为烧结带。 经过烧结带后，熟料开始冷却而出窑，这一段叫做冷却带。 （2）熟料中加入石膏，延缓水泥硬化速率 首先来分析一下水泥的硬化过程： 水泥配上适当分量的水后，调和成浆，经过相当时间，凝固成块， 最后成为坚硬如石的物体，这一过程叫做水泥的硬化。硬化时发生下 列反
18、应： 3CaOSiO2+2H2O = 2CaOSiO2H2O+Ca(OH) 2 （水解） 2CaOSiO2+H2O=2CaOSiO22H2O （水化） 3CaOAl2O3+6H2O=3CaOAl2O36H2O （水化） 第一个反应生成的 Ca(OH) 2由于开始时量少而溶解，随着量的增 多，变成饱和溶液而后析出胶体 Ca(OH) 2，引起水合硅酸钙和水合铝酸 钙凝成凝胶状胶体，这时水泥具有可塑性。胶状物经过一段时间，渐 渐变结实，水泥就失去可塑性而凝结了。由于以上反应随着时间增加 从水泥表面向内部慢慢进行，使凝胶更多且更结实。同时在形成胶体 时，氢氧化钙凝胶和水合铝酸钙开始结晶，随着时间的增加
19、，结晶的 量增多，形成的晶体和无定形水合硅酸钙相结合，使之机械强度不断 增大而硬化。 在水泥组成中，与水作用的速率最大的是铝酸三钙和硅酸三钙， 因此它们的含量对水泥的凝结硬化速率起着主要作用。当加入石膏时， 硫酸钙和铝酸三钙作用，生成难溶的铝硫酸钙。由于这种化合物的生 成，减小了铝酸三钙的作用，使胶凝速率变慢，因而延迟水泥的凝结 时间和硬化速率。 3. 3. 普通水泥的腐蚀及其防止方法普通水泥的腐蚀及其防止方法 普通水泥硬化后，由于本身成分和构造上的原因，在一定的介质 中，能逐渐遭到侵蚀，使强度减低甚至完全破坏，这种现象通称为水 泥的腐蚀。普通水泥硬化后的主要成分为：含水硅酸钙、含水铝酸钙 和
20、氢氧化钙。在构造上，硬化水泥中常存在或多或少的孔隙，外来的 介质在水泥表面，或经由这些孔隙进入水泥内部而引起腐蚀。 水泥的腐蚀主要有下列三种基本类型： （1）水泥中的硅酸三钙与水化合生成的 Ca(OH) 2能溶于水，当硬 化后的水泥长期处于水中（流动水） ，由于 Ca(OH) 2被水溶解，使水泥 的孔隙增大，强度降低或遭到破坏。 （2）硬化后的水泥受到腐蚀性液体或气体的作用，生成新的化合 物，这些化合物的强度较低，且易溶于水，因此使水泥的强度降低。 例如水泥水化时生成的 Ca(OH) 2与盐酸作用： Ca(OH) 2+2HCl=CaCl2+2H2O 新生成的 CaCl2易溶于水。 （3）硬化后
21、的水泥受到侵蚀性液体或气体的作用而生成新化合物 时，体积膨胀，因此使水泥破坏。例如水泥水化时生成的 Ca(OH) 2与 硫酸作用： Ca(OH) 2+H2SO4 = CaSO42H2O 生成的石膏，体积膨胀，产生内应力，会使已硬化的水泥破坏。 而生成的石膏又与水泥中的含水铝酸三钙作用生成含水硫铝酸钙（水 泥杆菌） ，体积能发生剧烈膨胀（增大 1.52.5 倍） ，会使已硬化的水 泥严重开裂。 在地下水、工业污水、海水中常含有各种酸、碱、盐类和糖类， 这些侵蚀性物质都会使水泥遭到腐蚀。另外强碱性物质对水泥亦有腐 蚀作用。 为防止水泥的腐蚀，首先要提高水泥本身的耐腐蚀性能，例如， 在水泥中掺加混合
22、材料（如粉煤灰、页岩灰、矿渣等） ，制成火山灰质 硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥等，因为所掺加的混合材料能与水泥硬 化时生成的氢氧化钙和含水铝酸三钙化合，产生不溶于水的硅酸钙和 抗蚀性好的铝酸盐。再如采用抗蚀性极强的特种水泥，如矾土水泥、 耐酸水泥、抗硫酸盐水泥等。也可将制作好的混凝土构件先在空气中 放置 23 个月，使表层的氢氧化钙与空气中的二氧化碳作用，生成碳 酸钙硬壳，增加其抗水性。 当环境介质的腐蚀性太强时，可在水泥制品或构件表面加覆保护 层，如涂刷沥青或合成树脂，粘贴磁砖或卷材等。 摘编自吴顺荣、 庄弘毅.材料试验.中国建筑工业出版社， 1982 4. 4. 玻璃玻璃 （1）玻璃生产时的
23、物理、化学变化过程 在生产玻璃时，熔炉里的原料熔融后发生了比较复杂的物理、化 学变化。以普通玻璃生产为例，主要反应过程如下： 开始加热时，粉料在 100 120 的范围内开始脱水，在 600 时，石灰石和纯碱通过下列反应生成钙钠的复盐。 CaCO3+Na2CO3=CaNa2 (CO3) 2 在 600 680 时，所生成的复盐与 SiO2 开始反应。 CaNa2 (CO3) 2+2SiO2 = Na2SiO3+CaSiO3+2CO2 在 740 800 时，低熔混合物Na2CO3-CaNa2 (CO3) 2开始熔 化，并不断地和 SiO2作用。 Na2CO3+CaNa2(CO3) 2+3SiO
24、2 = 2Na2SiO3+CaSiO3+3CO2 CaO 熔体与 SiO2的反应是在 890 900 时开始的。 CaCO3+SiO2 = CaSiO3+CO2 在 1 010 时，尚未起反应的 CaO 也和 SiO2形成硅酸钙。 CaO+SiO2 = CaSiO3 全部物质在略高于 1 200 时熔化，冷却以后即形成玻璃。 （2）玻璃态 玻璃态是介于结晶态和无定形态之间的一种物质状态。玻璃态物 质的结构特点是，它的粒子不像晶体那样有严格的空间排列，但又不 像无定形体那样无规则排列，人们把玻璃态的这种结构特征称为“短 程有序、远程无序”，就是说，从小范围来看，它有一定的晶型排列， 从整体来看，
25、却像无定形物质那样是无晶型的排列规律。所以玻璃态 物质没有一定熔点，而是在某一温度范围内逐渐软化变为液态。 （3）钢化玻璃的机械强度 普通玻璃内由于存在着较大的内应力而易脆，机械强度不大。为 了消除这种内应力，必须在生产玻璃时用偏光仪观察玻璃内应力的变 化情况。当温度达到某一下限时，内应力开始减小，再加热至温度上 限，内应力全部消失。生产钢化玻璃时，温度必须略超过上限，而后 急剧冷却，就好像钢淬火一样，所以叫做钢化玻璃。钢化玻璃大大改 变了内应力的紧张状态， 因而减小了它的脆性， 增大其机械强度。 1955 年，我国开始生产钢化玻璃。 5. 5. 硅酸盐硅酸盐 天然的硅酸盐一般是难溶于水的和难
26、熔化的固体，它们的结构总 是很复杂的。只有 Na2SiO3和 K2SiO3能溶于水，它们的浓溶液叫做水玻 璃。在工业上用石英砂和纯碱（或用硫酸钠加炭粉代替纯碱）按 Na2OSiO2=135 的配料比，拌匀后放在反射炉或转炉中熔烧来制备 硅酸钠。产物是一种玻璃块状物，因常有铁盐杂质，往往呈蓝绿色。 经用水溶解成粘稠溶液，即成商品水玻璃，用做肥皂的填充剂和发泡 剂，保存鲜蛋，以及制造各种工业胶粘剂等。工业用水玻璃中 SiO2含 量较高，实际上是多硅酸钠。化学式 Na2SiO3只是一个最简式，实际上 硅酸根是聚合的SiO3 2-n，结构单元仍然是硅氧四面体，不过在每个 Si 原子上有两个 O 原子是
27、对硅单配位的，另外两个 O 原子是同其他硅 氧四面体共用的。由于水解作用，硅酸钠溶液是碱性的，所以它也用 做洗涤剂。 硅酸盐和二氧化硅都是以硅氧四面体作为基本结构单元的，硅氧 四面体可以通过如下的几种方式组成硅酸盐。 单个的硅氧四面体，形成正硅酸盐，例如橄榄石 Mg2SiO4。 通过共用角顶 O 原子而将 2 个、3 个、4 个或 6 个硅氧四面体 直链地或成环地连接起来（见图 3-1） ，例如钪硅石 Sc2Si2O7和绿柱石 Be3Al(SiO3) 6，在绿柱石中含有由 6 个硅氧四面体单元组成的环状阴离 子。 图 3-1 硅酸和多硅酸根离子 许多硅氧四面体连接成无限长的单链或双链（见图 3
28、-2 和图 3-3） ，在透辉石 CaMg(SiO3) 2和钠闪石 Na2Fe Fe(Si 4O11）OH 中便存在 着这种结构，金属阳离子处在链与链之间的晶格位置上。 许多硅氧四面体通过共用角顶氧原子而连结成片层结构（见图 3-4） ，例如天然产的云母 KMg3（OH）2Si3AlO10，金属阳离子位置在片层 之间的空隙中。 图 3-2 单链状的多硅酸盐阴离子 许多 SiO4四面体结成空间的网络结构。 硅氧四面体通过共用四 个角顶氧原子而组成了各种各样的空间格架。在石英晶体中整个格架 是由 SiO4组成的：每个硅原子同 4 个氧原子连结，而每个 O 原子同 2 个 Si 原子相连结，所以格架是电中性的，每一个结构单元都平均含有 1 个 Si 原子和 2 个 O 原子，符合于最简式 SiO2。如果在格架中有 Al 3+ 代替了 Si 4+，格架就变成带负电荷的结构，这样在格架的空隙里就需要 充入金属阳离子来补偿格架的电荷。这种岩石矿物便是铝硅酸盐。有 时结构中的 O 2-也可以被 OH-基团代替。 最常见的天然铝硅酸盐有如正长 石K2OAl2O36SiO2、 钠 长 石Na2OAl2O36SiO2、 斜 钙 长 石 CaOAl2O36SiO2、黏土 Al2O32SiO22H2O 等等。 图 3-3 双链状的多硅酸盐阴离子 图 3-4 片层结构的多硅酸阴离子
