高分子化学习题与解答 61页文档格式.docx

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用粘度法测得的聚合物的分子量。

分子量分布（MolecularWeightDistribution,MWD）：

由于高聚物一般由不同分子量的

同系物组成的混合物，因此它的分子量具有一定的分布，分子量分布一般有分布指数和分

子量分布曲线两种表示方法。

多分散性（Polydispersity）：

聚合物通常由一系列相对分子量不同的大分子同系物组成的

混合物，用以表达聚合物的相对分子量大小并不相等的专业术语叫多分散性。

分布指数（DistributionIndex）：

重均分子量与数均分子量的比值。

即。

用来表征分子量

分布的宽度或多分散性。

问答题

1.与低分子化合物比较，高分子化合物有何特征?

解：

与低分子化合物相比，高分子化合物有以下主要特征：

（1）高分子化合物分子量很大，分子往往由许多相同的简单的结构单元通过共价键重复连接而成；

（2）即使是一种“纯”的高分子化合物，它也是化学组成相同而分子量不等，结构不同的同系聚合物的混合物。

它具有分子量和结构的多分散性；

（3）高分子化合物的分子有几种运动单元；

（4）高分子化合物的结构非常复杂，需用一次、二次和三次结构来描述它。

一次结构是指一个大分子链中所包含的结构单元和相邻结构单元的立体排布。

二次结构是指单个大分子链的构象或聚集态类型。

三次结构是指形成复杂的高分子聚集体中大分子的排列情况。

2.何谓高分子化合物?

何谓高分子材料？

高分子化合物是指由多种原子以相同的，多次重复的结构单元通过共价键连接起来的，分子量是104-106的大分子所组成的化合物。

高分子材料是指以高分子化合物为基本原料，加上适当助剂，经过一定加工制成的材料。

3.何谓高聚物?

何谓低聚物?

物理化学性能不因分子量不同而变化的高分子化合物称为高聚物。

反之，其物理和化学性能随分子量不同而变化的聚合物成为低聚物。

但也有将分子量大于一万的聚合物称为高聚物，分子量小于一万的聚合物称为低聚物。

4.何谓重复单元、结构单元、单体单元、单体和聚合度？

聚合物中化学组成相同的最小单位称为重复单元（又称重复结构单元或链节）。

构成高分子链并决定高分子结构以一定方式连接起来的原于组合称为结构单元。

聚合物中具有与单体相同化学组成而不同电子结构的单元称为单体单元。

能形成高分子化合物中结构单元的低分子化合物称为单体。

高分子链中重复单元的重复次数称为聚合度。

5.何谓分子量的多分散性?

如何表示聚合物分子量的多分散性?

试分析聚合物分子量多分散性存在的原因。

聚合物是分子量不等的同系物的混合物，其分子量或聚合度是一平均值。

这种分子量的不均一性称为分子量的多分散性。

分子量多分散性可以用重均分子量和数均分子量的比值来表示。

这一比值称为多分散指数，其符号为HI，即分子量均一的聚合物其HI为1。

HI越大则聚合物分子量的多分散程度越大。

分子量多分散性更确切的表示方法可用分子量分布曲线表示。

以分子量为横坐标，以所含各种分子的重量或数量百分数为纵坐标，即得分子量的重量或数量分布曲线。

分子量分布的宽窄将直接影响聚合物的加工和物理性能。

聚合物分子量多分散性产生的原因主要由聚合物形成过程的统计特性所决定。

6.聚合物的平均分子量有几种表示方法，写出其数学表达式。

（1）数均分子量

（2）重均分子量

以上两式重分别代表体系中i聚体的分子数、重量和分子量。

，和分别代表对分子量不等的所有分子，从i等于1到无穷作总和，和分别代表i聚体的分子分率和重量分率。

（3）粘均分子量

式中a是高分子稀溶液特性粘度-分子量关系式的系数，一般为0.5-0.9。

7.数均分子量和重均分子量的物理意义是什么?

试证明府≥

数均分子量的物理意义是各种不同分子量的分子所占的分数与其相对应的分子量乘积的总和。

重均分子量的物理意义是各种不同分子量的分子所占的重量分数与其相对应的分子量乘积的总和。

设为i聚体的分子量，则

即

亦即

故当时，，当时，。

8.试写出下列单体得到链状高分子的重复单元的化学结构。

（1）α-甲基苯乙烯

（2）偏二氰基乙烯

（3）α-氰基丙烯酸甲酯

（4）双酚A+环氧氯丙烷

（5）对苯二甲酸+丁二醇

（6）己二胺+己二酸

⑴

⑵

⑶

⑷

⑸

⑹

第二章缩聚与逐步聚合

连锁聚合（ChainPolymerization）：

活性中心引发单体，迅速连锁增长的聚合。

烯类单体的加聚反应大部分属于连锁聚合。

连锁聚合需活性中心，根据活性中心的不同可分为自由基聚合、阳离子聚合和阴离子聚合。

逐步聚合（StepPolymerization）：

无活性中心，单体官能团之间相互反应而逐步增长。

绝大多数缩聚反应都属于逐步聚合。

加聚反应（AdditionPolymerization）：

即加成聚合反应，烯类单体经加成而聚合起来的反应。

加聚反应无副产物。

缩聚反应（CondensationPolymerization）：

即缩合聚合反应，单体经多次缩合而聚合成大分子的反应。

该反应常伴随着小分子的生成。

线形缩聚（LinearPoly-codensation）：

在聚合反应过程中，如用2-2或2官能度体系的单体作原料，随着聚合度逐步增加，最后形成高分子的聚合反应。

线型缩聚形成的聚合物为线形缩聚物，如涤纶、尼龙等。

体形缩聚（Tri-dimensionalPoly-condensation）：

参加反应的单体，至少有一种单体含有两个以上的官能团，反应中形成的大分子向三个方向增长，得到体型结构的聚合物的这类反应。

官能度（Functionality）：

一分子聚合反应原料中能参与反应的官能团数称为官能度。

平均官能度（Aver-Functionality）：

单体混合物中每一个分子平均带有的官能团数。

即单体所带有的全部官能团数除以单体总数

反应程度（ExtentofReaction）：

参加反应的官能团数占起始官能团数的分率。

转化率（Conversion）参加反应的反应物（单体）与起始反应物（单体）的物质的量的比值即为转化率。

凝胶化现象（GelationPhenomena）凝胶点（GelPoint）：

体型缩聚反应进行到一定程度时，体系粘度将急剧增大，迅速转变成不溶、不熔、具有交联网状结构的弹性凝胶的过程，即出现凝胶化现象。

此时的反应程度叫凝胶点。

结构预聚物（StructuralPre-polymer）：

具有特定的活性端基或侧基的预聚物称为结构预聚物。

结构预聚物往往是线形低聚物，它本身不能进一步聚合或交联。

1.讨论下列两组反应物进行缩聚或环化反应的可能性。

（m=2-10）

（1）

（2）

（1）m=3、4时易形成环，其余主要进行缩聚反应，形成线性聚合物。

（2）该体系不易成环，主要生成线性聚合物。

2.解释下列名词

（1）均缩聚、混缩聚、共缩聚；

（2）平衡缩聚和非平衡缩聚；

（3）与；

（4）反应程度和转化率；

（5）平均官能度与摩尔系数；

（1）由一种单体进行的缩聚称为均缩聚。

由两种皆不能独自缩聚的单体进行的缩聚称为混缩聚。

由两种或两种以上单体进行的能形成两种或两种以上重复单元的缩聚反应称为共缩聚。

（2）平衡缩聚通常指平衡常数小于103的缩聚反应。

非平衡缩聚通常则指平衡常数大于103的缩聚反应或根本不可逆的缩聚反应。

（3）平均每一分子中的重复单元数称为。

平均每一分子中的结构单元数称为。

对均缩聚=，对混缩聚=2

（4）反应程度指反应了的官能团数与起始官能团数之比。

转化率指反应了的单体分子数与起始单体分子数之比。

（5）平均官能度指反应体系中平均每一分子上带有的能参加反应的官能团（活性中心）的数目。

当量系数指起始两种官能团总数之比，其值小于或等于1。

3.为什么在缩聚反应中不用转化率而用反应程度描述反应过程？

因缩聚反应本质是官能团之间得反应，只有官能团之间充分反应才能生成大分子，故用反应程度描述其反应过程。

4.缩聚反应平衡常数主要由何因素决定，试讨论在不同平衡常数范围内影响缩聚物分子量的主要因素。

缩聚平衡常数主要由缩聚反应类型和反应温度决定。

缩聚平衡常数按其大小可分三类：

（l）平衡常数小，在10以下的，低分子物在体系中残存量是影响分子量的主要因素。

（2）平衡常数大小居中，如为10一103数量级的反应。

低分子物残存量有一定影响。

但影响分子量的主要因素还有原料非等物质量比和人为地将反应程度控制在某一范围。

（3）平衡常数在103以上的缩聚反应。

影响分子量的主要因素是原料的非等物质量比和人为地控制的反应程度

5.在尼龙－6和尼龙－66生产中为什么要加入醋酸或己二酸作为分子量控制剂？

在涤纶数树脂生产中时采用什么措施控制分子量的？

尼龙－6和尼龙－66缩聚反应平衡常数较大。

反应程度可达1。

同时实际生产试尼龙－66是通过66盐的缩聚，因此尼龙－6和尼龙－66的缩聚反应在实际生产时不存在非等物质量的问题。

这两个缩聚反应均可用加入醋酸或己二酸的端基封锁方法控制分子量。

用这种方法控制分子量的优点是分子端基不再有进一步相互反应的能力，产物在以后加工过程中分子量不会进一步增大。

涤纶合成反应平衡常数较小，残余小分子分数是影响分子量的主要因素，因此只能通过控制乙二醇残压来控制P以达到控制分子量的目的。

当达到预定分子量时，体系达到一定粘度，因此可通过搅拌马达电流变化判断终点。

计算题

1．聚酯化反应280℃时的平衡常数K＝4.9，聚酰胺化反应260℃时平衡常数K＝305，根据，作出水含量（摩尔分数表示）与数均聚合度的关系图，并讨论分析其结果。

根据和

联立求解得：

（负值已经舍去）

所以对聚酯化反应有

对聚酰胺反应有

对水含量赋值作图得：

从图上可知，缩聚反应中水含量对数均分子量影响很大，特别是当平衡常数较小时，水含量对聚合度影响非常严重。

要想获得较高的聚合度，例如200左右，就必须使残存的小分子副产物极低。

而对于平衡常数较大的缩聚反应，要达到同样的聚合度，小分子副产物含量可适当高一些，亦即，对小分子副产物的排除可适当放宽。

2．从对苯二甲酸（1mol）和乙二醇（1mol）聚酯化反应体系中，共分出水18克，求产物的平均分子量和反应程度，设平衡常数K＝4。

设分离出20g水后，反应达到平衡的反应程度为p，此时分子量为。

起始官能团数：

N0N000

t时刻官能团数：

N0（1－P）N0（1－P）PN0NW

残留水分子数＝生成的水分子数－排出的水分子数

根据：

代入数据：

解得：

数均分子量

3．生产尼龙-66，想获得数均分子量为13500的产品，采用己二酸过量的办法,若使反应程度P达到0.994，试求己二胺和己二酸的配料比。

当己二酸过量时，尼龙-66的分子结构为

结构单元的平均分子量M0＝（112＋114）/2=113

当反应程度P=0.994时，求r值：

己二胺和己二酸的配料比

4．用145克（1mol）α,ω氨基庚酸合成尼龙-7时，加入0.01mol的乙酸作为端基封锁剂，求尼龙-7的最大数均聚合度。

解法1

当反应程度为1时，有最大数均聚合度

解法2

－NH2官能团的摩尔数为1mol

－COOH官能团的摩尔数为1＋0.01＝1.01mol羧基过量。

5．等摩尔的二元醇和二元酸缩聚，另加1.5mol％醋酸，p＝0.995或0.999时，聚酯的聚合度是多少？

加1mol％醋酸时，结果如何？

（醋酸mol％浓度以二元酸计）

解法1：

设体系中二元酸或二元醇的起始官能团数为Na，则其摩尔数为Na/2

则醋酸的摩尔数为1.5％·

Na/2即为Nc，即外加酸的摩尔数

∴当P＝0.995时

当P＝0.999时

当外加1mol％的醋酸时，

当P＝0.995时

解法2：

此题也可用q来求解

解法3：

Na/2＝0.0075Na，

显然，羧基过量，

当P＝0.995时，

当P＝0.999时，

6:

由1mol丁二醇和1mol己二酸合成数均分子量为5000的聚酯，

（1）两基团数完全相等，忽略端基对数均分子量的影响，求终止缩聚的反应程度P；

（2）在缩聚过程中，如果有5mmol的丁二醇脱水成乙烯而损失，求达到同样反应程度时的数均分子量；

（3）如何补偿丁二醇脱水损失，才能获得同一数均分子量的缩聚物？

（4）假定原始混合物中羟基的总浓度为2mol，其中1.0％为醋酸，无其它因素影响两基团数比，求获得同一数均聚合度时所需的反应程度。

（1）—[CO（CH2）4COO（CH2）4O]—M0＝（112+88）/2=100，

由

（2）r=Na/Nb=2×

（1-0.005）/（2×

1）=0.995

（3）可排除小分子以提高P或者补加单体来补偿丁二醇的脱水损失。

（4）依题意，醋酸羧基为2×

1.0％＝0.02mol

己二酸单体为（2-0.02）÷

2＝0.99mol

∴

根据代入数据

解得P＝0.9825

第三章自由基聚合

活性种（ReactiveSpecies）：

打开单体的π键，使链引发和增长的物质，活性种可以是自由基，也可以是阳离子和阴离子。

均裂（Homolysis）：

化合物共价键的断裂形式，均裂的结果，共价键上一对电子分属两个基团，使每个基团带有一个独电子，这个带独电子的基团呈中性，称为自由基。

异裂（Heterolysis）：

化合物共价键的断裂形式，异裂的结果，共价键上一对电子全部归属于其中一个基团，这个基团形成阴离子，而另一缺电子的基团，称为阳离子。

自由基聚合（RadicalPolymerization）：

以自由基作为活性中心的连锁聚合。

离子聚合（IonicPolymerization）：

活性中心为阴、阳离子的连锁聚合。

阳离子聚合（CationicPolymerization）：

以阳离子作为活性中心的连锁聚合。

阴离子聚合（AnionicPolymerization）：

诱导效应（InductionEffect）：

单体的取代基的供电子、吸电子性。

共轭效应（ResonanceEffect）：

共扼效应存在于共扼体系中，它是由于轨道相互交盖而引起共扼体系中各键上的电子云密度发生平均化的一种电子效应。

共扼效应使体系的键长趋于平均化，体系能量降低，分子趋于稳定。

可分为σ-π共轭、p-π共轭、π-π共轭、σ-p共轭。

空间位阻效应（StericEffect）：

由取代基的体积、数量、位置所引起的效应，它对单体聚合能力有显著的影响，但它不涉及对活性种的选择。

双基终止（Bi-radicalTermination）：

链自由基的独电子与其它链自由基中的独电子或原子作用形成共价键的终止反应。

半衰期（HalfLife）：

物质分解至起始浓度（计时起点浓度）一半时所需的时间。

笼蔽效应（CageEffect）：

在溶液聚合反应中，浓度较低的引发剂分子及其分解出的初级自由基始终处于含大量溶剂分子的高黏度聚合物溶液的包围之中，一部分初级自由基无法与单本分子接触而更容易发生向引发剂或溶剂的转移反应，从而使引发剂效率降低。

引发剂效率（InitiatorEfficiency）：

引发聚合部分引发剂占引发剂分解消耗总量的分率称为引发剂效率。

转化率（Conversion）：

单体转化为聚合物的分率，等于转化为聚合物的单体量比去用去单体总量。

阻聚剂（Inhibitor）：

能够使每一自由基都终止，形成非自由基物质，或形成活性低、不足以再引发的自由基的试剂，它能使聚合完全停止。

按机理可分为加成型阻聚剂（如苯醌等）、链转移型阻聚剂（如DPPH等）和电荷转移型阻聚剂（如FeCl3等）等。

缓聚剂（Retarder）：

能够使一部分自由基终止，聚合减慢的试剂。

通常不出现诱导期。

自动加速现象（Auto-accelerativePhenomena）：

聚合中期随着聚合的进行，聚合速率逐渐增加，出现自动加速现象，自动加速现象主要是体系粘度增加所引起的。

动力学链长（KineticsChainLength）：

每个活性种从引发阶段到终止阶段所消耗的单体分子数定义为动力学链长，动力学链在链转移反应中不终止。

链转移常数（ChainTransferConstant）：

是链转移速率常数和增长速率常数之比，代表链转移反应与链增长反应的竞争能力。

1.下列烯烃类单体适于何种机理聚合：

自由基聚合，阳离子聚合或阴离子聚合，并说明原因。

；

；

适于自由基聚合，Cl原子是吸电子基团，也有共轭效应，但均较弱。

适合自由基聚合。

F原子体积小，结构对称。

与可进行自由基聚合，阳离子聚合以及阴离子聚合。

因为π共轭体系电子的容易极化和流动。

适合自由基聚合和阴离子聚合。

－CN是强吸电子基团，并没有共轭效应。

适合阳离子聚合。

为供电子基团，于双键有超共轭效应。

适合阴离子和自由基聚合，两个吸电子基并兼有共轭效应。

因为是1,1-二取代基，甲基体积小，COOR为吸电子基，甲基为供电子基，均有共轭效应。

2.判断下列单体能否通过自由基聚合形成高分子量聚合物，并说明理由。

（3）（4）

（5）（6）

（7）（8）（9）

（1）不能通过自由基聚何形成高分子量聚合物。

因为取代基空间阻碍大，只能形成二聚体。

（2）不能通过自由基聚何形成高分子量聚合物。

因为OR为供电子基。

（3）不能通过自由基聚何形成高分子量聚合物。

因为单体结构对称，1，2－二取代造成较大空间阻碍。

（4），（5）与均不能通过自由基聚合形成高分子量聚合物。

由于双键电荷密度大，不利于自由基的进攻，且易转移生成烯丙基型较稳定的自由基，难于再与丙烯等加成转变成较活泼的自由基，故得不到高聚物。

（6）不能通过自由基聚合形成高分子量聚合物。

因为位阻大，且易发生单体转移生成烯丙基稳定结构。

（7）能通过自由基聚合形成高分子量聚合物，这是因为F原子体积很小，Cl有弱吸电子作用。

（8）能通过自由基聚合形成高分子量聚合物，由于是1，1－二取代基，甲基体积小，均有共轭效应。

（9）不能通过自由基聚合形成高分子量聚合物。

由于是1，2－二取代基，空间阻碍大。

3.总结烯类单体的聚合特征得到以下规律：

（1）能形成聚合物的主要是乙烯，乙烯的一元取代物，乙烯的1，1－二元取代物。

乙烯的1，2－二元取代物除个别以外一般不聚合。

（2）大部分烯类单体能按自由基机理聚合，只有少部分按离子型机理聚合

（3）有些单体可按自由基，阳离子和阴离子机理进行聚合。

请对以上情况加以分析说明。

在乙烯上如有1，2－二取代基的化合物（除取代基体积很小外），由于空间阻碍大均不能聚合。

在乙烯上如有一个取代基，或两个1，1－二取代基（如取代基不过大），一般说来均能进行聚合，取代基的诱导和共轭效应能改变双键的电子云密度，对所形成的活性种的稳定性有影响，因此决定了单体对自由基聚合，阳离子聚合以及阴离子聚合的选择性。

几乎所有取代基对自由基都有一定共轭稳定作用，因而一般带有吸电子基的单体或有共轭体系的单体均能进行自由基聚合。

而带有强供电基团的单体或有1，1－两个弱供电基团的单体方能进行阳离子聚合。

而带强吸电子基团的单体能进行阴离子聚合。

π电子流动性大，易诱导极化的单体则可进行自由基聚合，阳离子聚合和阴离子聚合。

4.写出下列常用引发剂的分子式和分解反应式：

（1）偶氮二异庚腈

（2）过氧化十二酰（3）过氧化二碳酸二环己酯

（4）异丙苯过氧化氢（5）过硫酸钾－亚硫酸氢钠（6）过氧化氢－亚铁盐

（7）过氧化二苯甲酰－二甲基苯胺

请说明这些引发剂的引发活性和使用场合。

（1）偶氮二异庚腈

（2）过氧化十二酰

（3）过氧化二碳酸二环己酯

（4）异丙苯过氧化氢

（5）过硫酸钾－亚硫酸氢钠

（6）过氧化氢－亚铁盐

其中

（1）至（4）为热分解型油溶性引发剂。

其中，t1/2＝10h的温度依次为52℃，62℃，44℃，和133℃。

（5）至（7）为氧化还原引发体系，均为高活性引发剂适用于本体聚合，悬浮聚合和溶液（有机溶剂）聚合。

水溶性引发剂适用于水溶液和乳液聚合。

5.解释为什么引发剂的活性顺序一般为：

过氧化二碳酸酯类>

过氧化二酰类>

过氧化酯类>

过氧化二烷基类

、、、均可看成是H2O2中H被不同基团取代候的产物。

所连基团不同，过氧键牢固程度也不同。

供电基团，立体阻碍大的基团以及能提高分解产物的自由基稳定性的基团的引入均有利于过氧键的分解。

可看成是两个偶极，故有利于分解。

过氧化碳酸酯又可看成是不稳定的碳酸的衍生物，所以稳定性更差，容易分解。

6.过硫酸盐无论在受热，受光或受还原剂作用下均能产生SO4-离子自由基。

如果需要随时调整反应速度或随时停止反应，应选择何种方式产生SO4-自由基？

如果工业上要求生产分子量很高的聚合物，聚合温度尽量低，则应选择何种方式产生这种自由基？

选用受光引