人教課標(biāo)實(shí)驗(yàn)版-有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)-進(jìn)入合成有機(jī)高分子化合物的時(shí)代-功能高分子材料【區(qū)一等獎(jiǎng)】

第三節(jié)功能高分子材料一、教學(xué)目標(biāo)：（一）知識(shí)與技能：了解功能高分子材料（高吸水性樹(shù)脂）的合成、性能及應(yīng)用（二）過(guò)程與方法：通過(guò)自主學(xué)習(xí)，查閱資料，角色扮演等手段獲取功能材料的有關(guān)信息。（三）情感態(tài)度價(jià)值觀：通過(guò)對(duì)功能高分子材料的學(xué)習(xí)，體驗(yàn)高分子材料在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、高新科技領(lǐng)域和提高人民生活質(zhì)量中的重要作用，激發(fā)投身科學(xué)事業(yè)的決心。二、教學(xué)重點(diǎn)：功能高分子材料的種類及功能高分子材料的代表物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和重要性能。三、教學(xué)難點(diǎn)：了解一些功能高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能的聯(lián)系。四、教學(xué)過(guò)程：【教師】：歡迎來(lái)到“快樂(lè)課堂，非常生活”。（幻燈：導(dǎo)電高分子的發(fā)現(xiàn)）大家都知道，塑料通常是不導(dǎo)電的，是絕緣體。但是，在20世紀(jì)70年代，日本化學(xué)家白川英樹(shù)的學(xué)生在一次做聚乙炔實(shí)驗(yàn)時(shí)，誤將催化劑的用量多加了1000倍，結(jié)果得到了一種銀白色的薄膜。白川英樹(shù)對(duì)此偶然發(fā)現(xiàn)的反?，F(xiàn)象進(jìn)行了更深入的研究，終于得到了具有半導(dǎo)體性質(zhì)的聚乙炔膜。1976年，美國(guó)化學(xué)家馬克迪爾米德邀請(qǐng)白川英樹(shù)到美國(guó)，與美國(guó)物理學(xué)家黑格一起合作研究具有導(dǎo)電性的聚乙炔，發(fā)現(xiàn)以碘摻雜的聚乙炔具有與金屬一樣的導(dǎo)電性，比原聚乙炔膜導(dǎo)電性提高了一百多萬(wàn)倍。為獎(jiǎng)勵(lì)他們?cè)趯?dǎo)電高分子、有機(jī)半導(dǎo)體方面的開(kāi)創(chuàng)性工作，2000年他們被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。從此，"導(dǎo)電"與"塑料"這兩個(gè)在電學(xué)上看起來(lái)是互相矛盾的名詞有機(jī)地聯(lián)系在一起了。導(dǎo)電高分子是一種功能高分子，功能高分子看似深?yuàn)W，但對(duì)于有些功能高分子材料我們卻非常熟悉，比如尿不濕。今天我們“課堂訪談”欄目非常榮幸的請(qǐng)到了我國(guó)著名高分子材料專家甲、尿不濕著名品牌A的銷售商乙、生產(chǎn)商丙以及生產(chǎn)聚丙烯酸鈉的B廠總工程師丁，歡迎他們的到來(lái)，歡迎他們和我們一起聊聊功能高分子材料。前幾天，我的一位親戚向我抱怨說(shuō)，他的寶寶一夜要換幾片尿不濕，如果不換，就哭鬧不休，搞得他夜里睡不好，白天上班無(wú)精打采。請(qǐng)教乙，他的寶寶是不適宜用尿不濕還是尿不濕使用不當(dāng)？乙：如果他的寶寶換過(guò)尿不濕后就能安然入睡，顯然使用尿不濕并無(wú)不妥！我認(rèn)為問(wèn)題可能出在他沒(méi)有選擇合適的尿不濕。選擇尿不濕要考慮的因素很多，但最重要的是尿不濕的吸水量。尿不濕“尿了不濕”才行！尿不濕的中間芯層——吸收材料的好壞直接影響產(chǎn)品的吸收能。一般情況下，尿不濕的吸收材料是植物性纖維材料絨毛漿，為了增強(qiáng)吸收效果和鎖定水分，吸收層中還需加入一定量的高分子吸水樹(shù)脂。由于高分子吸水樹(shù)脂價(jià)格昂貴，各種產(chǎn)品加入量有所不同。吸水樹(shù)脂加入量大的產(chǎn)品，能更好地吸收和鎖定水分，避免返滲，可以保持皮膚干燥。而有些尿不濕生產(chǎn)企業(yè)在這方面偷工減料，甚至一些低檔尿不濕的吸收材料采用皺紋衛(wèi)生紙?zhí)娲＿@類產(chǎn)品吸收量較少，使用時(shí)需要經(jīng)常更換。我們可以一起做個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)加以對(duì)比！歡迎丙為大家介紹一下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。丙：今天我們的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是高吸水性的材料與傳統(tǒng)吸水材料吸水率的比較。吸水率可以用吸水材料吸收水的質(zhì)量與吸水材料本身質(zhì)量之比來(lái)表示。那么，請(qǐng)同學(xué)們討論與思考：如何測(cè)定某一吸水材料的吸水率？需要哪些儀器？步驟是什么？如何計(jì)算吸水率？（討論的方案主要有：方案1（教材P114科學(xué)探究）：主要步驟1取一燒杯，稱其質(zhì)量為M，向其中注入７０ml水2用天平稱?。眊3靜置一段時(shí)間，觀察現(xiàn)象4將燒杯中多余的水倒出，稱取吸水后的吸水材料和燒杯質(zhì)量m5計(jì)算吸水材料的吸水率（m-M-1）/1實(shí)驗(yàn)器材：燒杯量筒天平方案2（改進(jìn)）：主要步驟1用天平稱取１g2用100mL的量筒準(zhǔn)確量取70mL的水倒入干燥的燒杯中3靜置一段時(shí)間，觀察現(xiàn)象4將燒杯中多余的水倒入量筒，準(zhǔn)確讀取多余的水的體積V5計(jì)算吸水材料的吸水率（70-V）×1/1實(shí)驗(yàn)器材：燒杯量筒膠頭滴管天平）思考與交流：兩種方案，成功的關(guān)鍵步驟各是什么？（方案1：1、稱準(zhǔn)2、倒凈；方案2：1、量準(zhǔn)2、倒凈）今天我們的實(shí)驗(yàn)高吸水性的材料與傳統(tǒng)吸水材料吸水率的比較采用方案2來(lái)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)的主要步驟是：1.取一片尿不濕，用剪刀將其剪開(kāi)，取出白色棉絮狀聚丙烯酸鈉2.用天平分別稱?。眊聚丙烯酸鈉和1g3.分別用100mL的量筒準(zhǔn)確量取70mL的水分別倒入干燥的燒杯中4靜置5分鐘，觀察現(xiàn)象5分別將燒杯中多余的水倒入量筒，準(zhǔn)確讀取多余的水的體積6.分別計(jì)算聚丙烯酸鈉和餐巾紙的吸水率（水的密度以1g/cm3計(jì)）7.最后分別將燒杯中吸過(guò)水的聚丙烯酸鈉和餐巾紙倒在一張干燥的紙上，略加擠壓，比較兩者滲出水量的大小實(shí)驗(yàn)注意：1、操作規(guī)范，讀數(shù)準(zhǔn)確。2、四人小組，明確分工；團(tuán)結(jié)合作，討論交流?！緦W(xué)生分組實(shí)驗(yàn)探究】。實(shí)驗(yàn)小組派代表匯報(bào)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)。高吸水性的材料與傳統(tǒng)吸水材料的比較材料吸水前材料質(zhì)量(g)加入水的體積(mL)剩余水的體積(mL)吸水率聚丙烯酸鈉170

餐巾紙170

討論與交流：比較聚丙烯酸鈉和餐巾紙的吸水率，你能將你的發(fā)現(xiàn)與大家分享嗎？丙小結(jié)：高吸水性樹(shù)脂吸水的吸水能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的紙（傳統(tǒng)吸水材料），其吸水量往往可以達(dá)到自身重量的幾百甚至幾千倍，而且，高吸水性樹(shù)脂吸水后保水能力強(qiáng)。這也就是高吸水性樹(shù)脂這種功能高分子材料的神奇之處?！窘處煛扛兄x丙為我們帶來(lái)的精彩試驗(yàn)。但是，在剛才的實(shí)驗(yàn)中我們注意到：尿不濕不僅吸水率高于餐巾紙，而且，尿不濕中的吸水劑吸水后擠壓擠不出水，而吸水后的紙卻能擠出水，說(shuō)明吸水劑吸水后保水能力強(qiáng)。這是為什么呢？請(qǐng)甲教授給我們談?wù)劊脝?？甲：這是因?yàn)閮烧呤褂玫奈牧喜煌畽C(jī)理不同。尿不濕所使用的吸水劑是高分子吸水樹(shù)脂，屬于功能高分子材料。那么，我們首先來(lái)看看什么是功能高分子材料？就字面而言，所謂功能高分子系指帶有特殊功能基團(tuán)的高分子材料，按照21世紀(jì)科技發(fā)展的形勢(shì)和高分子科學(xué)所面臨的任務(wù)來(lái)概括，功能高分子可定義為：對(duì)物質(zhì)、能量和信息具有傳遞、轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存功能的特殊高分子材料。功能高分子材料包括具有新型骨架結(jié)構(gòu)的高分子材料,還包括在合成高分子的主鏈或支鏈上引入某種功能原子團(tuán),使其顯示出在光、電、磁、聲、熱、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等方面的特殊功能。這些功能高分子材料的優(yōu)異性能在通信、交通、航空航天、醫(yī)療、醫(yī)藥、建筑、印刷、海水淡化、農(nóng)林園藝等許多領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。圖片介紹高分子分離膜、醫(yī)用高分子材料；尿不濕中的吸水劑聚丙烯酸鈉屬于高吸水性樹(shù)脂。言歸正傳。聚丙烯酸鈉為什么具有高吸水性？這與它的結(jié)構(gòu)有關(guān)。某廠產(chǎn)品介紹上將聚丙烯酸鈉的結(jié)構(gòu)表示為：—[-CH2CHCOONa-]—m，合適嗎？如何改正？它能否發(fā)生電離？請(qǐng)寫(xiě)出聚丙烯酸鈉電離方程式。（甲結(jié)合電離方程式講解聚丙烯酸鈉吸水機(jī)理）未經(jīng)交聯(lián)的聚丙烯酸鈉是水溶性的聚電解質(zhì)類聚合物,通過(guò)交聯(lián)可賦予聚丙烯酸鈉高吸水性。下圖為高吸水樹(shù)脂離子網(wǎng)絡(luò)示意圖,羧酸鈉側(cè)基遇水后,電離成羧酸根和Na+,Na+在水中為可移動(dòng)離子,主鏈網(wǎng)絡(luò)骨架則均為帶負(fù)電的羧酸根陰離子,其間的排斥產(chǎn)生使網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張的動(dòng)力,Na+雖具備一定活動(dòng)性,但由于受網(wǎng)絡(luò)骨架相反電荷的吸引、束縛,使得Na+仍存在于網(wǎng)絡(luò)內(nèi),這樣網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部Na+濃度大于外部Na+濃度,離子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓,加上聚電解質(zhì)本身的水合能力強(qiáng),水得以在短時(shí)間內(nèi)大量進(jìn)入網(wǎng)絡(luò),直到整個(gè)體系都達(dá)平衡。高吸水樹(shù)脂三維空間網(wǎng)絡(luò)孔徑越大,吸水倍率越高,反之,孔徑越小,吸水倍率越低?！窘處煛扛兄x甲教授的介紹。通過(guò)甲教授的介紹，我們知道了高吸水樹(shù)脂的吸水機(jī)理，那么，我們?nèi)绾尾拍艿玫礁呶阅艿臉?shù)脂？請(qǐng)B廠總工程師丁總為我們介紹一下。?。哼@牽涉功能高分子材料的功能設(shè)計(jì)。所謂功能設(shè)計(jì)，就是賦予高分子材料特殊功能的方法，其主要途徑是：（1）通過(guò)分子設(shè)計(jì)合成功能高分子。這里包括高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和官能團(tuán)設(shè)計(jì)。為此目的，必須掌握高分子結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系。高分子應(yīng)具有什么樣的主鏈？它應(yīng)該帶有哪種功能基？是由帶功能基的單體合成高分子，還是先合成高分子主鏈，然后再在主鏈上引入功能基？分子設(shè)計(jì)完成后，就是選擇合適的合成方法。合成主要有兩種途徑，一是含有功能基的單體經(jīng)過(guò)加聚或縮聚等反應(yīng)制備，二是利用現(xiàn)有的高分子，通過(guò)高分子化學(xué)反應(yīng)引入預(yù)期的功能基。由功能基單體制備功能高分子的優(yōu)點(diǎn)是功能基含量高，（每一個(gè)鏈節(jié)都含有功能基），功能基在分子鏈上分布均勻。但帶功能基的單體合成比較困難，功能基和可聚合的基團(tuán)都有活性，在合成過(guò)程中要注意保護(hù)，因此這些單體比較貴。利用高分子化學(xué)反應(yīng)制取功能高分子。優(yōu)點(diǎn)是高分子骨架是現(xiàn)成的，可選擇的高分子固體多，價(jià)格低、來(lái)源廣。但在進(jìn)行高分子化學(xué)反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)不可能百分之百完成，尤其在多步化學(xué)反應(yīng)中，功能基含量低，在分子鏈上分布也不均勻。（2）通過(guò)特殊加工賦于高分子材料功能特性，如高分子材料通過(guò)薄膜化可制得各種分離膜，而這些分離膜可廣泛應(yīng)用于滲透、透析、超濾等分離工藝中，還有一些高分子材料通過(guò)纖維化可制光學(xué)纖維等。（3）通過(guò)兩種或兩以上具有不同功能的材料進(jìn)行復(fù)合，制成復(fù)合型功能材料，這是目前制備功能材料使用最廣泛的方法，這種方法工藝簡(jiǎn)單、材料來(lái)源豐富、成本低。例在絕緣高分子材料中加入導(dǎo)電填料（碳黑、金屬粉末或金屬絲）可制得導(dǎo)電高分子材料。如果加入磁性填料（如鐵氧體或稀土類磁粉）則可制成高分子磁性材料。由此，獲得具有高吸水性能的樹(shù)脂有兩種辦法：一是對(duì)淀粉、纖維素等天然吸水材料進(jìn)行改性，在他們的高分子鏈上再接上含強(qiáng)親水性原子團(tuán)的支鏈，以提高它們的吸水性能。例如，將淀粉與丙烯酸鈉在引發(fā)劑作用下共聚，生成以淀粉為主鏈的接枝共聚物，同時(shí)與交聯(lián)劑反應(yīng)，生成具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的淀粉——聚丙烯酸鈉接枝共聚物高吸水性樹(shù)脂。二是以帶有強(qiáng)吸水性原子團(tuán)的化合物，如丙烯酸等為單體，均聚或兩種單體得到親水性高聚物。如我廠聚丙烯酸鈉的生產(chǎn)。從甲教授介紹中我們知道聚丙烯酸鈉的結(jié)構(gòu)，那么，形成聚丙烯酸鈉的單體是什么？如何得到丙烯酸鈉？【學(xué)生回答，板書(shū)】。我廠制備聚丙烯酸鈉的一般方法是先將丙烯酸與NaOH溶液反應(yīng)制得丙烯酸鈉單體，再通過(guò)加入少量交聯(lián)劑使其發(fā)生聚合從而得到聚丙烯酸鈉。CH2＝CHCOOH+NaOHCH2＝CHCOONa+H2OnCH2＝CHCOONa這種方法固然制得高純度的聚丙烯酸鈉，但是成本過(guò)高且合成比較困難，所以也有廠家采用在高分子鏈上加功能基的方法生產(chǎn)聚丙烯酸鈉。很顯然，這種方法簡(jiǎn)易而廉價(jià)，但聚丙烯酸鈉純度不高，用在尿不濕中，也就導(dǎo)致產(chǎn)品性能有所差異，這也就是市場(chǎng)上尿不濕價(jià)格產(chǎn)生差異的原因之一?！咀杂砂l(fā)問(wèn)】（學(xué)生問(wèn)：丁總在介紹獲得高吸水性樹(shù)脂時(shí)反復(fù)提到親水性原子團(tuán)，請(qǐng)問(wèn)：什么是親水性原子團(tuán)？哪些是親水性原子團(tuán)？?。阂兹苡谒墓倌軋F(tuán)即親水性原子團(tuán)。根據(jù)相似相溶原理極性溶劑（如水）易溶解極性物質(zhì)（離子晶體、分子晶體中的極性物質(zhì)如強(qiáng)酸等）；非極性溶劑（如苯、汽油、四氯化碳、酒精等）能溶解非極性物質(zhì)（大多數(shù)有機(jī)物、Br2、I2等）；含有相同官能團(tuán)的物質(zhì)互溶，如水中含羥基（—OH）能溶解含有羥基的醇、酚、羧酸。所以，中學(xué)常見(jiàn)的親水性原子團(tuán)有：—OH、—CHO、—COOH、—NH2。）在橡膠工業(yè)中，制造橡膠要經(jīng)過(guò)硫化工藝，將順丁橡膠的線型結(jié)構(gòu)連接為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在制備高吸水性樹(shù)脂時(shí)也要加入交聯(lián)劑，以得到具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的樹(shù)脂。誰(shuí)能解釋一下，它們?yōu)槭裁炊家龀删W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)？目的是否相同？（橡膠工業(yè)中將線型結(jié)構(gòu)連接為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是為增加橡膠的強(qiáng)度；高吸水性樹(shù)脂將線型結(jié)構(gòu)連接為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是使它既吸水又不溶于水。）高吸水樹(shù)脂不僅可用于尿不濕，在日常生活中還有很多的運(yùn)用。在大家的調(diào)查報(bào)告中列舉很多，下面只能請(qǐng)三位同學(xué)為大家作介紹，其余的將會(huì)另外安排大家相互交流。學(xué)生1：果凍土一個(gè)月不用澆水

不少市民都會(huì)遇上這樣的問(wèn)題，喜歡植物，卻養(yǎng)不活。平時(shí)根本沒(méi)時(shí)間打理，再遇上出差十天半月的，回來(lái)后，嬌艷的花早就風(fēng)干了，徒惹傷心。在2006年9月南京綠博會(huì)中，就有不少是無(wú)須花心思打理的植物，專家還推薦了一種高分子聚合物的無(wú)土基質(zhì)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的土，它們看上去，像孩子喜歡吃的果凍一樣，透明晶瑩異常的干凈，手感軟軟的，用上這種果凍土一個(gè)月都可以不用澆水。（展示實(shí)物）學(xué)生2：拯救沙漠的吸水樹(shù)脂在埃及的廣大地區(qū)，分布著綿延數(shù)百千米的沙丘，形成一片浩瀚的沙海。它們不僅對(duì)陸地交通構(gòu)成巨大障礙，也對(duì)沙漠中的綠洲造成極大的威脅。例如，埃及西部的錫瓦綠洲，貴拉菲拉綠洲等隨時(shí)都處在吞食的困境中。周圍許多農(nóng)場(chǎng)盡管每天人工澆灌，因?yàn)樗终舭l(fā)過(guò)快而不能保護(hù)農(nóng)場(chǎng)綠地。

如何有效利用有限的水，防止大量綠地變?yōu)樯衬?，成為埃及農(nóng)業(yè)生死攸關(guān)的重大問(wèn)題。近年來(lái)，埃及和日本科學(xué)家終于提出一個(gè)獨(dú)特的"妙方"，即使用"高吸水性"樹(shù)脂來(lái)治服土地沙漠化。沙漠中稀有的雨水因蒸發(fā)過(guò)快，加速了土地的干燥。于是科學(xué)家們想到了"尿不濕"這個(gè)有力武器，因?yàn)?尿不濕"的最大特點(diǎn)就是，一旦吸水之后就不會(huì)輕易漏掉。因此，日本科學(xué)家提出了利用"尿不濕"的特點(diǎn)來(lái)防止土地干燥。方法是用吸水性樹(shù)脂制成1-3mm3大小的顆料，然后混合干燥的表層土壤中。這樣可大量吸收天然露水與降水，從而保持土壤濕潤(rùn)。實(shí)驗(yàn)證明，在1m2的農(nóng)田里，只要摻進(jìn)500克按"粘土100，吸水樹(shù)脂20，水25"的重量比混合的保水劑，可至少節(jié)省50%的水。從1993年開(kāi)始，埃及和日本科學(xué)家合作，用各種成分保水劑試種黃瓜、西紅柿和棉花，以確認(rèn)其保水效果。科學(xué)家預(yù)計(jì)，這種實(shí)驗(yàn)推廣暫時(shí)還困難，但前途一定光明。

學(xué)生3：魚(yú)、肉聚丙烯酸鈉保鮮劑

用聚丙烯酸鈉制作冰衣，使魚(yú)、肉完全隔絕空氣，藥液又能與魚(yú)、肉表面緊密粘附，形成