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材料科学
题目

写出下列各组高聚物的结构单元,比较各组内几种高分子链的柔性大小,并说明原因。1)聚乙烯,聚丙烯,聚苯乙烯2)聚乙烯,聚乙炔,顺式1,4聚丁二烯3)聚丙烯,聚氯乙烯,聚丙烯腈4)聚丙烯,聚异丁烯5)聚氯乙烯,聚偏氯乙烯6)聚乙烯,聚乙烯咔唑,聚乙烯基叔丁烷7)聚丙烯酸甲酯,聚丙烯酸丙酯,聚丙烯酸戊酯8)聚酰胺66,聚对苯二甲酸对苯二胺9)聚对苯二甲酸乙二醇酯,聚对苯二甲酸丁二醇酯

写出下列各组高聚物的结构单元,比较各组内几种高分子链的柔性大小,并说明原因。

1)聚乙烯,聚丙烯,聚苯乙烯

2)聚乙烯,聚乙炔,顺式1,4聚丁二烯

3)聚丙烯,聚氯乙烯,聚丙烯腈

4)聚丙烯,聚异丁烯

5)聚氯乙烯,聚偏氯乙烯

6)聚乙烯,聚乙烯咔唑,聚乙烯基叔丁烷

7)聚丙烯酸甲酯,聚丙烯酸丙酯,聚丙烯酸戊酯

8)聚酰胺66,聚对苯二甲酸对苯二胺

9)聚对苯二甲酸乙二醇酯,聚对苯二甲酸丁二醇酯

题目解答

答案

答:

1)结构单元分别为:

柔顺性比较如下:柔性由大到小:聚乙烯>聚丙烯>聚苯乙烯

原因:三种高聚物主链结构相同,侧基取代基体积越大,分子链柔性越小。

2)结构单元分别为:

柔顺性比较如下:柔性由大到小:顺式1,4聚丁二烯>聚乙烯>聚乙炔

原因:顺式1,4聚丁二烯主链中含有孤立双键,柔性较大,而聚乙炔分子主链上则是共轭双键,分子刚性很大。

3)结构单元分别为:

柔顺性比较如下:柔性由大到小:聚丙烯>聚氯乙烯>聚丙烯腈

原因:主链结构相同,侧基取代基极性-CN>-Cl>-CH,取代基极性越大,分子间相互作用力越大,分子链柔顺性越差,刚性越大。

4)结构单元分别为:

柔顺性比较:柔性由大到小:聚异丁烯>聚丙烯

原因:聚异丁烯两个甲基对称双取代,使分子链柔性增加。

5)结构单元分别为:

柔性:聚氯乙烯<聚偏氯乙烯

原因同上。

6)结构单元分别为:

柔顺性:聚乙烯>聚乙烯基叔丁烷>聚乙烯咔唑

原因:主链结构相同,侧基取代基的体积大的分子链柔性差。

7)结构单元分别为:

柔顺性:聚丙烯酸甲酯<聚丙烯酸丙酯<聚丙烯酸戊酯

原因:侧链为脂肪族时,侧链越长,分子总的构象数就越多,分子链越柔顺。

8)结构单元分别为:

柔顺性:聚酰胺66>聚对苯二甲酸对苯二胺

原因:PPTA主链中含有苯环,分子链刚性大。

9)结构单元分别为:

柔顺性:聚对苯二甲酸乙二醇酯<聚对苯二甲酸丁二醇酯

原因:PBT主链中含有4个亚甲基,使其分子链柔性较大。

解析

本题主要考察高聚物结构单元的书写及高分子链柔性大小的比较,需结合主链结构(如是否含双键、共轭结构、苯环等)、侧基性质(体积大小、极性强弱、取代方式等)对分子链柔性的影响来分析。

1) 聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯

  • 结构单元:聚乙烯$[-CH_2-CH_2-]$、聚丙烯$[-CH_2-CH(CH_3)-]$、聚苯乙烯$[-CH_2-CH(C_6H_5)-]$。
  • 柔性比较:聚乙烯>聚丙烯>聚苯乙烯。
  • 原因:主链均为$-CH_2-$,侧基体积依次增大($-H < -CH_3 < -C_6H_5$),侧基体积越大,空间位阻越大,分子链内旋转越难,柔性越小。

2) 聚乙烯、聚乙炔、顺式1,4-聚丁二烯

  • 结构单元:聚乙烯$[-CH_2-CH_2-]$、聚乙炔$[-CH=CH-]$、顺式1,4-聚丁二烯$[-CH_2-CH=CH-CH_2-]$。
  • 柔性比较:顺式1,4-聚丁二烯>聚乙烯>聚乙炔。
  • 原因:顺式1,4-聚丁二烯主链含孤立双键($C=C$),双键相邻单键内旋转易,柔性大;聚乙烯主链为饱和单键,柔性次之;聚乙炔主链含共轭双键($-C≡C-$),π电子云重叠使分子刚性极大,柔性最差。

3) 聚丙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈

  • 结构单元:聚丙烯$[-CH_2-CH(CH_3)-]$、聚氯乙烯$[-CH_2-CH(Cl)-]$、聚丙烯腈$[-CH_2-CH(CN)-]$。
  • 柔性比较:聚丙烯>聚氯乙烯>聚丙烯腈。
  • 原因:主链均为$-CH_2-CH-$,侧基极性依次增强($-CH_3 < -Cl < -CN$),极性越强,分子间作用力(偶极力、氢键)越大,内旋转阻力越大,柔性越差。

4) 聚丙烯、聚异丁烯

  • 结构单元:聚丙烯$[-CH_2-CH(CH_3)-]$、聚异丁烯$[-CH_2-C(CH_3)_2-]$。
  • 柔性比较:聚异丁烯>聚丙烯。
  • 原因:聚异丁烯为侧基对称双取代(两个$-CH_3$),空间位阻对称分布,分子链内旋转更易;聚丙烯为单取代,侧基不对称,空间位阻稍大,柔性较弱。

5) 聚氯乙烯、聚偏氯乙烯

  • 结构单元:聚氯乙烯$[-CH_2-CH(Cl)-]$、聚偏氯乙烯$[-CH_2-C(Cl)_2-]$。
  • 柔性比较:聚氯乙烯>聚偏氯乙烯。
  • 原因:聚偏氯乙烯为双氯取代,侧基极性和空间位阻均大于聚氯乙烯(单氯取代),分子间作用力和内旋转阻力更大,柔性更低。

6) 聚乙烯、聚乙烯基叔丁烷、聚乙烯咔唑

  • 结构单元:聚乙烯$[-CH_2-CH_2-]$、聚乙烯基叔丁烷$[-CH_2-CH(C(CH_3)_3)-]$、聚乙烯咔唑$[-CH_2-CH(C_12H_8N)-]$。
  • 柔性比较:聚乙烯>聚乙烯基叔丁烷>聚乙烯咔唑。
  • 原因:主链均为$-CH_2-CH-$,侧基体积依次增大($-H < -C(CH_3)_3 < -C_12H_8N$),侧基体积越大,空间位阻越大,柔性越小。

7) 聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸丙酯、聚丙烯酸戊酯

  • 结构单元:聚丙烯酸甲酯$[-CH_2-CH(COOCH_3)-]$、聚丙烯酸丙酯$[-CH_2-CH(COOC_3H_7)-]$、聚丙烯酸戊酯$[-CH_2-CH(COOC_5H_{11})-]$。
  • 柔性比较:聚丙烯酸甲酯<聚丙烯酸丙酯<聚丙烯酸戊酯。
  • 原因:侧链为脂肪族酯基,侧链长度依次增加($-OCH_3 < -OC_3H_7 < -OC_5H_{11}$),侧链越长,分子构象数越多,内旋转越易,柔性越大。

8) 聚酰胺66、聚对苯二甲酸对苯二胺(PPTA)

  • 结构单元:聚酰胺66$[-NH(CH_2)_6NH-CO(CH_2)_4CO-]$、PPTA$[-NH-C_6H_4-NH-CO-C_6H_4-CO-]$。
  • 柔性比较:聚酰胺66>PPTA。
  • 原因:PPTA主链含苯环,苯环刚性大,限制内旋转;聚酰胺66主链为脂肪族亚甲基,内旋转阻力小,柔性更强。

9) 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)

  • 结构单元:PET$[-OCH_2CH_2O-CO-C_6H_4-CO-]$、PBT$[-OCH_2CH_2CH_2CH_2O-CO-C_6H_4-CO-]$。
  • 柔性比较:PET<PBT。
  • 原因:PBT主链中柔性亚甲基数更多(4个$CH_2$ vs PET的2个),亚甲基越多,内旋转越易,分子链柔性越大。

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