有机合成材料

12.3 有机合成材料 学案
自年仅24岁的维勒用无机物氰和氨水合成了尿素，给予有机物只能来源于有生命的动植物的神秘活力论以致命打击后，人们又以无机物为原料合成了多种有机酸、油脂类、糖类、彻底地打破了无机物与有机物之间的绝对界限。本课题的重点就是想让大家多了解一些常见的有机化合物和有机合成材料。
【课前复习】
※会做了，学习新课有保障
1．金属元素和人体健康有很大关系。钾元素可以调节体液平衡，维持肌肉和神经的功能及代谢。如果人体缺钾会出现肌肉不发达，心律不齐等病症。市场上出售的一种叫做甲味钾的补钾药，其主要成分是柠檬酸钾（C6H5K3O7?H2O）。下列有关对柠檬酸钾的说法正确的是 （　　）
A．该物质每个分子中含25个原子
B．该物质中碳、氢、钾、氧元素间的质量比是6∶7∶3∶8
C．该物质是由原子直接构成的
D．该物质是由碳、氢、钾、氧四种元素组成的
2．李明同学到了傍晚时就看不见东西，患了夜盲症，可能的原因之一是他的体内缺乏维生素__________；吕静同学近期感到精神不振、疲劳、头晕、面色苍白，医生说她患了贫血病，此时她应该多补充蛋白质和含__________丰富的无机盐。
3．电工在连接电线的时候，需将电线要连接的一端的外皮（塑料护套）去掉，在身边没有小刀的情况下，你认为最快捷的方法是_______________________________________。
4．当前，我国亟待解决的“白色污染”通常是指（　　）
A．冶炼厂的白色烟尘
B．石灰窑的白色粉末
C．聚乙烯等塑料垃圾
D．白色建筑材料
答案：
1．选D
2． A；铁元素。
3．将需要去掉的那部分放在火上烧一烧，然后再用手一拨即可。
4．选C
这些都是有关有机物的知识，你答对了吗？如果要进一步了解有机化合物及合成材料，我们就需要
※先看书，再来做一做
1．化合物主要有两大类：__________和__________。__________都含有碳元素，比如__________、__________等。
2．有机高分子化合物是指__________________很大的有机物，简称有机高分子，高分子化合物按其来源可分为__________和__________两大类；棉花、羊毛、天然橡胶等属于____________，塑料、合成纤维等属于__________。
3．链状结构的高分子材料具有__________性。而多数网状结构的高分子材料一经加工成型就不会受热熔化，因而具有__________性。
4．下列不属于高分子化合物的是（　　）
A．蛋白质 B．乙醇 C．淀粉 D．聚乙烯
5．下列物质中，不属于合成材料的是（　　）
A．的确良 B．尼龙 C．真丝 D．腈纶
6．根据物质的性质特点，判断下列物质属于链状结构的是（　　）
A．有机玻璃 B．电木 C．大棚薄膜塑料 D．锅把的隔热塑料外壳

【学习目标】
1．了解有机化合物及高分子化合物。
2．了解有机合成材料在生产生活中的应用，化学在有机合成材料的发展中起着重要的作用。
3．了解使用有机合成材料对环境造成的影响。

【基础知识精讲】
※课文全解
一、有机化合物
化合物主要有两大类：无机化合物和有机化合物。有机化合物都含有碳元素，像甲烷（CH4）、乙醇（C2H5OH）和葡萄糖（C6H12O6）等。不含碳元素的化合物，都属于无机化合物，少数含碳元素的化合物，如一氧化碳、二氧化碳和碳酸钙等具有无机化合物的特点，因此，也把它们看做无机化合物。
有机物除含有碳元素外，还可能含有氢、氧、氯、氮和磷等元素，在有机物中，碳原子不但可以和氢、氧、氮等原子直接结合，而且碳原子之间还可以互相连接起来，形成碳链或碳环。由于原子的排列方式不同，所表现出来的性质也就不同，因此，有机物的数目异常庞大。
有些有机物的相对分子质量比较小，如乙醇、葡萄糖等。通常称它们为小分子。有些有机物的相对分子质量比较大，从几万到几十万，甚至高达几百万或更高，如淀粉、蛋白质等。通常称它们为有机高分子化合物，简称有机高分子。
二、有机合成材料
用有机高分子化合物制成的材料就是有机高分子材料。棉花、羊毛和天然橡胶等都属于天然有机高分子材料，而日常生活中用得最多的塑料、合成纤维和合成橡胶等则属于合成有机高分子材料，简称合成材料。
（一）塑料
我们一般称为“塑料”的物质是一个包括很多材料的大家族，全部由合成树脂组成，这就是聚合物，例如聚乙烯（PE）就是由成千上万个乙烯分子聚合而成的高分子化合物。
当小分子连接构成高分子时，有的形成很长的链状，有的由链状结成网状，链状结构的高分子材料加热时熔化，冷却后变成固体，再加热又可熔化，因而具有热塑性，可以反复加工，多次使用，如聚乙烯塑料（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二酯（即聚酯PET）。
有些网状结构的高分子（如酚醛塑料）一经加工成型就不会受热熔化，因而具有热固性。
塑料目前尚无确切的分类，一般分类如下：
1．按塑料的物理化学性能分
热塑性塑料：在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料。如聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料。
热固性塑料：因受热或其他条件能固化成不溶性物料的塑料。如酚醛塑料、环氧塑料等。
2．按塑料用途分
通用塑料：一般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料。如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。
工程塑料：一般指能承受一定的外力作用，并有良好的机械性能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能，可以作为工程构件的塑料。如ABS、尼龙、聚砜等。
特种塑料：一般指具有特种功能（如耐热、自润滑等），应用于特殊要求的塑料。如氟塑料、有机硅等。
塑料具有优良的化学性能。一般塑料对酸碱等化学药品均有良好的耐腐蚀能力，特别是聚四氟乙烯的耐化学腐蚀性能比黄金还要好，甚至能耐“王水”等强腐蚀性电解质的腐蚀，被称为“塑料王”。
另外还具有良好的透光及防护性能。多数塑料都可以作为透明或半透明制品，其中聚苯乙烯和丙烯酸酯类塑料像玻璃一样透明。有机玻璃化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯，可用作航空玻璃材料。聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等塑料薄膜具有良好的透光和保暖性能，大量用作农用薄膜。塑料具有多种防护性能，因此常用作防护保装用品，如塑料薄膜、箱、桶、瓶等。
塑料已被广泛用于农业、工业、建筑、包装、国防尖端工业以及人们日常生活等各个领域。
农业方面：大量塑料被用于制造地膜、育秧薄膜、大棚膜和排灌管道、鱼网、养殖浮漂等。
工业方面：电气和电子工业广泛使用塑料制作绝缘材料和封装材料；在机械工业中用塑料制成传动齿轮、轴承、轴瓦及许多零部件代替金属制品；在化学工业中用塑料作管道、各种容器及其他防腐材料；在建筑工业中作门窗、楼梯扶手、地板砖、天花板、隔热隔音板、壁纸、排水管件、装饰板和卫生洁具等。
（二）多种多样的橡胶

在50年前，“橡胶”一词是专指生橡胶的，也就是从热带植物巴西三叶胶的胶乳提炼出来的。然而在今天，世界半数以上的橡胶是指合成橡胶。
合成橡胶的种类很多，比如：制造轮胎使用的丁苯橡胶（苯乙烯和丁二烯的共聚物）或乙丙烯橡胶（ERP）；用于汽车配件的有氯丁橡胶及另一种具有天然橡胶各种性能的异戊橡胶。
一只轮胎并不是只由一种橡胶做成的。轮胎的底面用非常耐磨的丁苯橡胶。丁苯橡胶也用在轮胎的侧面提高弯道的耐磨性。与空气接触的内胎用丁基橡胶，它有很好的绝缘性，尤其是有高不透气性。
在轮胎密封方面合成纤维也起着重要作用。为防止轮胎变形，用聚酯制的纤维逆旋转方向绕在轮胎结构内部。聚酯制的纤维也可与极结实的聚酰胺纤维（最著名的叫凯芙拉）以及钢纤维一起编织，以增加轮胎的强度和轮胎对路面的耐磨性。
轮胎生产中还有另一种不可缺少的增强剂是炭黑。这是一种极细的碳粉末，它可以增加橡胶的抗拉、抗切割和抗磨损的强度。
（三）复合人造纤维

复合纤维是由两种聚合物“粘”成单丝的化纤。由于两种聚合物的成分、力学机械性能不同，如收缩率不同，所以产生强烈收缩，形成天然永久的卷曲状。复合纤维具有“扬长避短”的特点，例如涤纶和锦纶是合成纤维的两大品种，各有优点、缺点：涤纶纤维的保形性好，刚性强，做成的服装挺括，可惜不易染色；锦纶纤维染色性好，但弹性差，易起皱。如果用锦纶作皮层、涤纶作芯层，复合为锦―涤纤维，就能使两者的缺点退而避之，而使两者的优点兼而有之。
（四）装扮世界的化纤
走进百货商店，最吸引人的莫过于布料和服装柜台。那些花花绿绿、五颜六色的布匹和服装使人流连忘返。这里很大一份功劳要归于当今的化学纤维。人造化学纤维把世界装扮得更加丰富多彩了。

人们应记得，就在几十年以前，人类服装几乎全部来自天然纤维棉花（当然还有丝绸）。棉花的生产要占用大片耕地，其产量还要受到气候、肥料、虫害等诸多因素的影响，而且棉布的结实度、挺括度也远不及化纤布料。
随着生活水平的提高和人口的不断增长，传统的棉、麻、丝、毛料，无论品质或数量，都已远远不能满足我们的需要。20世纪中叶，科学家和工程技术人员通过研究发现，利用石油等天然矿物及其他化学物质可以合成人造高分子纤维材料。此后，各种各样的化学纤维如雨后春笋般地不断涌现。目前，化学纤维主要有六大类：涤纶（的确良）、锦纶（尼龙）、腈纶（人造羊毛）、丙纶、维纶（维尼纶）和胶粘纤维。除了大家熟知的衣料化纤之外，科技人员还发明了许多新型纤维。
（五）碳纤维
在复合材料大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。
碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料，如：碳纤维增强环氧树脂复合材料。在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。
三、合成材料的应用与发展对人类环境的影响
合成材料的应用与发展，大大方便了人类的生活，但是，合成材料废弃物的急剧增加也带来了环境问题。废弃塑料带来的“白色污染”尤为严重，这是因为大多数塑料在自然界中很难降解，长期堆积会破坏土壤，污染地下水，危害海洋生物的生存；而且如果焚烧含氯塑料会产生有毒的含氯化合物，从而对空气造成污染。[来源:中.考.资.源.网]
为了保护人类的生存环境，人们开始着手利用废弃塑料，使它成为有用的资源：
（1）直接用作材料。如回收聚乙烯塑料并制成再生薄膜，用作包装袋；
（2）热解成单体。如有机玻璃热解得到单体，再重新聚合为成品；又如，聚苯乙烯包装材料和一次性饭盒用BaO处理，使其在高温下分解成单体，然后再制成树脂；
（3）制成燃油和燃气。不能或难以分解的塑料可在催化剂存在下，热解成柴油、煤油和汽油，甚至裂解为气态烃和氢气作燃料。
科学家展望，21世纪的高分子化学，除了要研究和生产出新的功能高分子和生物医用高分子外，还要制造出对环境友好的高分子，包括在环境中可降解的塑料。例如，以乙烯和CO为原料制成聚乙烯光降解塑料；以纤维素和淀粉为原料制成微生物降解塑料等。
可以确信，人类既然能够创造出性能各异的塑料，也一定能解决废弃塑料所带来的环境问题。
※问题全解
1．什么是“白色污染”？
白色污染是指由废弃塑料引起的环境污染。由于塑料产量大、成本低、易生产，大量的商品包装袋、液体容器及农膜，人们已经不再反复使用，而是用过即作为垃圾丢弃的一次性消费品。塑料制品在动物体内无法被消化和分解，牲口误食后能引起胃部不适、行动异常、生育繁殖能力下降，甚至死亡；废农膜残留在农田中，影响土壤透气性，阻碍水分流动和作物根系发育，缠绕农机具，恶化田间作业，长此以往使土壤劣化；废弃塑料对水面特别是海洋的污染已经成为国际性问题，它们影响渔业，恶化水质，还会缠住船只的螺旋桨，损坏船身和机器，给航运业造成重大损失。水中垃圾塑料占55%，其清除费用为陆地的10倍，1995年香港为打捞4765吨海上垃圾，耗资1200万港元。
为了防止白色污染，许多国家在大力推进3R运动，即要求减量化（Reduce）、再利用（Reuse）、再循环（Recycle）；还在研究新型的可降解塑料以及各种利用回收废塑料使之资源化的新途径。
2．什么是生物降解塑料？
生物降解塑料是指在自然环境中通过微生物的生命活动能很快降解的高分子材料。按照其降解特性可分为完全生物降解塑料和生物破坏性塑料。按照其来源则可以分为天然高分子材料、微生物合成材料、化学合成材料、掺混型材料等。
天然高分子型是利用淀粉、纤维素、甲壳质、蛋白质等天然高分子材料可制备生物降解材料。这类物质来源丰富，可完全生物降解，而且产物安全无毒性，因而日益受到重视。
兼具光、生物双降解功能的光―生物降解塑料是目前国内外的主要开发方向之一。其制备方法是采用在通用高分子材料（如PE）中添加光敏剂、自动氧化剂、抗氧剂和作为微生物培养基的生物降解助剂等的添加型技术途径。光―生物降解塑料可分为淀粉型和非淀粉型两种类型，目前采用淀粉作为生物降解助剂的技术比较普遍。
3．高分子分离膜技术有哪些应用？
（1）用于超纯饮用水的制取和海水脱盐
制造类似于半渗透膜的高分子分离膜，用于普通水的过滤，制取超纯饮用水，用于海水脱盐，制取淡水，此类分离膜产品制作工艺简单，成本低，此技术已在美国得到广泛应用。
（2）用于有机气体的回收
针对一些高分子材料对有机气体有特殊的选择性、过滤性，有机气体在此类高分子材料中穿透性快的特点，将分离膜用于有机气体的回收，如回收在塑料合成中的单分子气体，回收工业排放气中的有机物质，既使能源再利用，又净化了空气，美国及西方国家生产出的此类高分子分离膜已广泛应用于化工工业及环境治理。
（3）用于氢气的分离
另类高分子分离膜对氢气具有选择性，可有效地用于合成气体（H2/CO）的调解，冶炼金属中氢气的回收以及液态氨合成中的氢气回收，此类技术在美国已得到广泛应用。
（4）用于天然气净化
天然气中所含的CO2，H2O和H2S是造成天然气质量低，输送管道易被腐蚀的主要原因，高分子分离膜能有效地除去此类有害物质，提高天然气质量，延长管道使用寿命。
（5）用于氮气和氧气的制取
以空气作原料，高分子分离膜可分离出含量为99%的氮气，含量为90%以上的氧气。
新一代的高分子分离膜产品应用技术将更加精湛，用途将涉及到血液的净化，人造肝胆一类的生物工程领域，前景更加可观。

【学习方法指导】
本课题所学内容都是我们日常生活中常见的物质，作为常识性介绍的内容，只要求对这些材料有个总体认识；结合实际，了解有机合成材料的开发和利用。
［例1］科技文献中经常出现下列词汇，其中与相关物质的颜色并无联系的是（　　）
A．赤色海潮 B．绿色食品 C．白色污染 D．棕色烟气
解：赤色海潮是海潮中存在着大量藻类物质，形成暗红色的色带；绿色食品是指生产食品所用的原料在生产过程中不使用农药、化肥，并且是在环境污染程度小的地域生产的；白色污染是指废弃的塑料制品的污染，常见的有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等，产品通常呈白色或无色；棕色烟气是指炼钢厂的废气，其中含有Fe2O3和CO，因Fe2O3是红色而使废气呈棕色。
答案：选B
点拨：本题主要考查以上词汇的内涵及相关的化学知识，提高对环境保护的认识。
［例2］有一块布料，请你鉴别是羊毛织物还是化纤织物。
答案：从布料的毛边抽一根丝，用火点燃，如闻到有烧焦羽毛的气味，燃烧后的剩余物可以用手指挤压成粉末状，则为羊毛织物。如无焦糊味，且燃烧后的剩余物用手指挤压不成粉末状的，则为化纤制品。
点拨：区分羊毛和化纤的方法有多种，比如光泽度、手感等。对于经验不丰富的我们来说，用燃烧的方法要稳妥一些。羊毛接近火焰时先卷缩，燃烧时有烧毛发的焦糊味，燃烧后灰烬较多，为带有光泽的硬块，用手指一压就变成粉末。而化学纤维如锦纶接近火焰时迅速卷缩，燃烧比较缓慢，有芹菜气味，趁热可以拉成丝，灰烬为灰褐色玻璃球状，不易破碎。

【知识拓展】
塑料将在电子领域替代硅
德国科学家最近说，随着塑料在发光导电性能方面的研究不断取得进步，塑料在电子产品领域的应用范围将越来越广，并日益替代硅。
硅是重要的半导体材料，目前在电子产品领域扮演着几乎不可替代的角色，但是成本较高。塑料通常是由高分子化合物聚合而成，其溶液一般具有较大的粘滞性。随着高分子聚合物也具有自发光以及导电特性的发现，从上个世纪80年代开始人们就逐渐对其进行更加深入的研究。
来自乌尔姆大学的化学家彼得?博伊尔勒介绍说，目前对高分子聚合物特性研究的进展已经帮助人们制造出很多以前通常只用硅材料制作的电子元器件。如目前用高分子聚合物制成的发光二极管，已经应用在许多手机单色显示屏以及其他一些显示设备上。由于这些材料具有自发光的特性，因此制成的新型屏幕比传统的电脑和电视的屏幕要亮100倍，所显示的图片和文字可以从任意角度观看，而现在的液晶显示器则对人的视角限制很大。
此外，在一些应用广泛的电子设备制造领域，如各种带有微芯片的卡片以及条形码读取设备等，高分子聚合物也逐渐开始替代硅材料。博伊尔勒说：“塑料芯片比硅芯片更加便宜，并且由于其具有可溶解的特性而更易于加工处理。此外，它们也可以作为电路和电子元器件的制造材料。”
科学家认为，未来几年高分子聚合物的研究还将会出现重大突破。如近几年才开始研究的高分子聚合物太阳能电池，目前已经取得一定进展，它将太阳能转化为电能的效率达到了3%左右。一旦研究取得突破，其廉价的成本必将有广泛的应用前景。而且，目前的制造工艺已经可以将导电塑料做得非常薄，并且具有可以弯曲等其他特性。博伊尔勒据此认为，将其应用在目前的电脑制造上，将有望进一步缩小电脑的体积并提高其运行速度。

【问题点拨】
1．指导建议：有机化合物虽然也是由几种简单的元素构成，但与无机化合物在性质上有着很大的差异，主要表现在以下几个方面：
（1）溶解性：有机化合物多数不溶于水，易溶于有机溶剂，如油脂溶于汽油，煤油溶于苯；而多数无机物溶于水，而不溶于有机溶剂，如食盐、明矾溶于水。
（2）耐热性：有机化合物多数不耐热，熔点较低（400℃以下）。如淀粉、蔗糖、蛋白质、脂肪受热易分解，C20H42熔点为36.4℃，尿素熔点只有132℃；而多数无机物能够耐热，熔点一般较高。如食盐、明矾、氧化铜加热难以熔化，如NaCl熔点达801℃。
（3）可燃性：有机化合物多数可以燃烧，如天然气、棉花、汽油等都可以燃烧。
（4）电离性：多数有机化合物很难电离，例如酒精、乙醚、苯等不能电离也不能导电。
2．指导建议：热塑性塑料：雨衣、食品袋或包装袋。
热固性塑料：手电筒的外壳、炒菜用的锅的手柄。
3．指导建议：回收废弃塑料能减少“白色污染”，使资源再生利用等。其余略。


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