《高分子化学》习题与答案.docx
《《高分子化学》习题与答案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《高分子化学》习题与答案.docx（74页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
《高分子化学》习题与答案
《高分子化学》习题与答案
沈阳化工学院
材料科学与工程学院
第一章绪论习题
1.说明下列名词和术语：
（1）单体，聚合物，高分子，高聚物
（2）碳链聚合物，杂链聚合物，元素有机聚合物，无机高分子
（3）主链，侧链，侧基，端基
（4）结构单元，单体单元，重复单元，链节
（5）聚合度，相对分子质量，相对分子质量分布
（6）连锁聚合，逐步聚合，加聚反应，缩聚反应
（7）加聚物，缩聚物，低聚物
2．与低分子化合物比较，高分子化合物有什么特征？
3.从时间～转化率、相对分子质量～转化率关系讨论连锁聚合与逐步聚合间的相互关系与差别。
4.举例说明链式聚合与加聚反应、逐步聚合与缩聚反应间的关系与区别。
5.各举三例说明下列聚合物
（1）天然无机高分子，天然有机高分子，生物高分子。
（2）碳链聚合物，杂链聚合物。
（3）塑料，橡胶，化学纤维，功能高分子。
6.写出下列单体的聚合反应式和单体、聚合物的名称
（1）CH2=CHF
（2）CH2=CH（CH3）2
CH3
|
（3）CH2=C
|
COOCH3
（4）HO-（CH2）5-COOH
（5）CH2CH2CH2O
|__________|
7.写出下列聚合物的一般名称、单体、聚合反应式，并指明这些聚合反应属于加聚反应还是缩聚反应，链式聚合还是逐步聚合？
（1）-[-CH2-CH-]n-
|
COOCH3
（2）-[-CH2-CH-]n-
|
OCOCH3
（3）-[-CH2-C=CH-CH2-]n-
|
CH3
（4）-[-NH（CH2）6NHCO（CH2）4CO-]n-
（5）-[-NH（CH2）5CO-]n-
8.写出合成下列聚合物的单体和反应式：
（1）聚苯乙烯
（2）聚丙烯
（3）聚四氟乙烯
（4）丁苯橡胶
（5）顺丁橡胶
（6）聚丙烯腈
（7）涤纶
（8）尼龙6,10
（9）聚碳酸酯
（10）聚氨酯
9.写出下列单体形成聚合物的反应式。
指出形成聚合物的重复单元、结构单元、单体单元和单体，并对聚合物命名，说明聚合属于何类聚合反应。
10.写出聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙66、维尼纶、天然橡胶、顺丁橡胶的分子式，根据表1-4所列这些聚合物的相对分子质量，计算这些聚合物的聚合度。
根据计算结果分析做塑料、纤维和橡胶用的聚合物在相对分子质量和聚合度上的差别。
11．如何用实验测定一未知单体的聚合反应是以逐步聚合还是以连锁聚合机理进行的。
12.阅读自学内容，写出自己对高分子科学的认识。
第一章 绪论习题答案
1．
（1）单体：
能够形成聚合物中结构单元的小分子化合物。
高分子：
由许多结构相同的简单的单元通过共价键重复连接而成的相对分子质量很大的化合物。
由于对大多数高分子而言，其均由相同的化学结构重复连接而成，故也成为聚合物或高聚物。
（2）碳链聚合物：
聚合物主链完全由碳原子构成的聚合物。
杂链聚合物：
主链除碳外还含有氧、氮、硫等杂原子的聚合物。
元素有机聚合物：
主链不含碳，而侧基由有机基团组成的聚合物。
无机高分子；主链和侧基均无碳原子的高分子。
（3）主链：
贯穿于整个高分子的链称为主链。
侧链：
主链两侧的链称为侧链。
侧基：
主链两侧的基团称为侧基。
端基：
主链两端的基团称为端基。
（4）结构单元：
高分子中多次重复的且可以表明合成所用单体种类的化学结构。
重复单元：
聚合物中化学组成相同的最小单位，又称为链节。
单体单元：
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。
（5）聚合度：
高分子链中重复单元的数目称为聚合度。
相对分子质量：
重复单元的相对分子质量与聚合度的乘积即为高分子的相对分子质量。
对于高分子来说，通过聚合反应获得每一大分子相对分子质量都相同的聚合物几乎是不可能的，这种聚合物相对分子质量的多分散性又称为聚合物相对分子质量分布，可用重均相对分子质量与数均相对分子质量的比值表示其分布宽度。
（6）加聚反应：
单体通过相互加成而形成聚合物的反应。
缩聚反应：
带有多个可相互反应的官能团的单体通过有机化学中各种缩合反应消去某些小分子而形成聚合物的反应。
连锁聚合：
在链引发形成的活性中心的作用下，通过链增长、链终止、链转移等基元反应在极短时间内形成高分子的反应。
逐步聚合：
通过单体上所带的能相互反应的官能团逐步反应形成二聚体、三聚体、四聚体等，直到最终在数小时内形成聚合物的反应。
（7）加聚物：
通过加成聚合获得的聚合物，其重复单元与单体分子式结构相同、仅电子结构不同，同时聚合物相对分子质量是单体相对分子质量的整数倍。
缩聚物：
通过缩聚反应得到的聚合物。
低聚物：
相对分子质量在102-104的分子。
2．
从转化率和时间的关系看：
连锁聚合，单体转化率随时间延长而逐渐增加；逐步聚合，反应初期单体消耗大部分，随后单体转化率随时间延长增加缓慢。
从相对分子质量与转化率关系看：
连锁聚合，在任何时刻均生成高分子量的聚合物；逐步聚合，反应初期只生成低聚物，随转化率增加，聚合物相对分子质量逐渐增加，高分子量的聚合物需数十小时才能生成。
3．绝大多数烯类单体的加聚反应属于连锁聚合，如聚甲基丙烯酸甲酯的合成、聚苯乙烯的合成，都属于加聚和连锁聚合。
但反过来，并不是所有的连锁聚合都是加聚反应，如3-甲基-1-丁烯的聚合，反应是连锁聚合，但由于发生氢转移，其最终产物不是加聚物，不属于加聚反应。
绝大多数缩聚反应属于逐步聚合反应。
如尼龙-6,6的合成，反过来，不是所有逐步聚合都属缩聚反应，如聚氨酯的合成，属逐步聚合，但产物却是加聚产物。
4．
（1）天然无机高分子：
石棉、金刚石、云母
天然有机高分子：
纤维素、土漆、天然橡胶
生物高分子：
蛋白质、核酸
（2）碳链聚合物：
聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯
杂链聚合物：
聚甲醛、聚酰胺、聚酯
（3）塑料：
PE、PP、PVC、PS
橡胶：
丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶
化学纤维：
尼龙、聚酯、腈纶、丙纶
功能高分子：
离子交换树脂、光敏高分子、高分子催化剂
5．
6.
7.
8.
① 聚乙烯M0=28，DP=2143～10714。
② 聚氯乙烯M0=62.5，DP=800～2400。
③ 尼龙-6,6M0=226，DP=53～80。
④ 维尼纶M0=86，DP=698～872。
⑤ 天然橡胶M0=68，DP=2941～5882。
⑥ 顺丁橡胶M0=52，DP=4808～5769。
从相对分子质量和聚合度来比较，三者的关系为：
橡胶＞塑料＞纤维。
第二章逐步聚合习题
1、 解释下列概念
① 反应程度和转化率
② 当量系数和过量分数
③ 平衡缩聚和不平衡缩聚
④ 均缩聚、混缩聚和共缩聚
⑤ 线形缩聚和体型缩聚
⑥ 平均官能度和凝胶点
⑦ 光能团和官能度
⑧ 热塑性树脂和热固性树脂
⑨ 结构预聚物和无规预聚物
2、 讨论下列缩聚反应环化的可能性。
m=2—10。
①
②
3、 写出并描述下列反应所形成的聚酯的结构，聚酯结构与反应物相对量有无关系。
如有关系，请说明差别。
4、 用碱滴定法和红外光谱法均测得21.3g聚己二酰己二胺试样中2.50×10-3mol的羧基。
计算该聚合吴的数均相对分子质量为8520，计算时需做什么假定？
如何通过实验来确定其可靠性?
如该假定不可靠，如何由实验来测定正确的数均相对分子质量?
5、 等摩尔二元醇与二元酸在外加酸催化下进行缩聚，证明从P从0.98到0.99所需的时间与从开始到P=0.98所需的时间相近。
6、 等摩尔二元酸与二元胺缩聚，平衡常数为1000，在封闭体系中反应，问反应程度和聚合度能达到多少？
如果羧基起始浓度为4mol/L，要使聚合度达到200，需将[H2O]降低到怎样的程度？
7、 尼龙-1010是根据1010盐中过量的癸二酸控制相对分子质量的。
如果要求数均相对分子质量为2×104，反应程度为0.995，问配料时的当量系数和过量分数各是多少？
8、 等摩尔二元醇和二元酸缩聚，另加1.5%（mol）醋酸调节相对分子质量。
P=0.995及0.999时，聚酯的聚合度各为多少？
加1%（mol）醋酸时，结果如何？
（醋酸%（mol）浓度以二元酸计）
9、 等摩尔的二元酸和二元胺缩聚时，画出P=0.95，0.99和0.995时的数均分子质量分布曲线和重均分子质量分布曲线，并计算数均聚合度和重均聚合度，比较二者的相对分子质量分布的宽度。
10、 计算下列混合物的凝胶点，各物质的比例为摩尔比
a、邻苯二甲酸酐：
甘油=3.0：
2.0
b、邻苯二甲酸酐：
甘油=1.50：
0.98
c、邻苯二甲酸酐：
甘油=4.0：
1.0
d、邻苯二甲酸酐：
甘油：
乙二醇=1.50：
0.99：
0.002
11、邻苯二甲酸酐与官能团等摩尔的季戊四醇缩聚，试求：
a．平均官能度
b．按Carothers法求凝胶点。
c．按统计法求凝胶点。
12、苯酚和甲醛采用酸和碱催化聚合，其原料配比、预聚体结构、固化方法等方面有哪些不同？
13、1000g环氧树脂（环氧值为0.2）用等当量的乙二胺或二次乙基三胺（H2NCH2CH2NHCH2CH2NH）固化，以过量10%计，试计算两种固化剂的用量。
14、合成下列无规和嵌段共聚物：
15、不饱和聚酯树脂的主要原料为乙二醇、马来酸酐和邻苯二甲酸酐，试说明三种原料各起什么作用，比例调整的原则。
用苯乙烯固化的原理是什么？
考虑室温固化使用何种引发体系？
第二章逐步聚合习题答案
1．
a. 反应程度：
参加反应的官能团与起始官能团总数之比。
转化率：
参加反应的单体分子数与初始投料单体分子数之比。
b. 当量系数：
起始两种官能团数之比，记为γ，γ≦1。
过量分数：
过量单体的过量分子数与不过量单体的分子数之比。
c. 平衡缩聚:
通常指平衡常数小于103的缩聚反应。
不平衡缩聚:
通常指平衡常数大于103的缩聚反应，或根本不可逆的缩聚反应。
d. 均缩聚：
由一种单体进行的缩聚反应.
混缩聚；由两种均不能独自缩聚的单体进行的缩聚为混缩聚.
共缩聚：
在均缩聚中加入第二种单体或在混缩聚中加入第三甚至第四种单体进行的缩聚反应。
e. 线型缩聚：
2官能度单体或2-2体系的单体进行缩聚反应，聚合过程中，分子链线形增长，最终获得线型聚合物的缩聚反应。
体型缩聚：
有官能度大于2的单体参与的缩聚反应，聚合过程中，先产生支链，再交联成体型结构，这类聚合过程称为体型缩聚。
f. 平均官能度：
反应体系中平均每一个分子带有的能参加反应的官能团数。
凝胶点：
开始出现凝胶时的临界反应程度。
g. 官能团：
单体分子中能参见反应并能表征反应类型的原子或原子团。
官能度；一个分子上参加反应的官能团数。
h. 热塑性树脂加热时可塑化、冷却时则固化成型，能如此反复进行这种受热行为的树脂。
热固性树脂：
体型缩聚中形成的线型和支链型预聚物可熔融塑化，受热后经固化反应形成体型聚合物。
该聚合物加热后不能再塑化、成型，把这样的预聚物称为热固性树脂。
i. 无规预聚物：
结构不确定,未反应的官能团无规排布的预聚物。
结构预聚物：
具有特定的活性端基或侧基的预聚物。
2．
a. m=2时，β-氨基酸易脱氨。
m=3，4时，易成稳定的五、六元环。
其余主要进行线型缩聚。
b. m=2，3，二元酸在一定条件下可脱羧成五、六元酸酐。
其余主要进行线型缩聚。
单体成的环越稳定，则单体越易环化，而不利于线型缩聚。
反之，成的环越不稳定，则不易成环，主要进行线型缩聚。
影响线型缩聚聚合物的分子量的因素；反应程度、反应平衡、单体的当量比
3.因为
=∑Wi/∑Ni，∑Wi=21.3g,
=8520，∑Ni=2.5×103，因此计算时假定每个大分子链平均含有一个羧基。
可用气相渗透压法等准确测定数均分子量，并检验此假定的可靠性。
4.等摩尔反应，外加酸催化的聚酯合成反应中:
=K’C0t+1=1/（1-P）
P=0.98时，
=50，所需反应时间t1=49/K’C0
P=0.99时，
=100，所需反应时间t2=99/K’C0
所以，t2≈2t1，P从0.98到0.99所需时间与从开始到P=0.98所需时间相近。
5．
封闭体系：
=1/（1-P）=K1/2+1，P=0.97，
=33。
开放体系：
=1/（1-P）=[KC0/Pnw]1/2→nw=0.1mol/l
6.
a. 尼龙-1010结构单元的平均分子量为
0=169，
=
0。
=118。
b.单体非等当量投料，
=（1+γ）/（1+γ-2γP）。
γ=0.993，q=0.007。
7．
1 γ=0.985，P=0.995时，
=80
P=0.999时，
=117
2 γ=0.99，P=0.995时，
=100
P=0.999时，
=166
9．按Carothers法计算:
a. Pc=0.833
b. Pc=0.844
c. 不能交联
d. Pc=0.838
按统计法计算:
a. Pc=0.707
b. Pc=0.714
c. Pc=1.158，不能交联
d. Pc=0.710
10．
a.
=2.67
b. Pc=0.749
c. Pc=0.517
11.
酸催化
碱催化
苯酚：
甲醛（摩尔比）
6：
5
6：
7
预聚体结构
线型低聚物
线型、支化酚醇
固化方法
加入交联剂加热固化
直接加热固化
12．等当量固化：
需乙二胺的量：
0.5mol
需二次乙基三胺：
0.4mol。
过量10%固化：
需乙二胺的量：
0.55mol
需二次乙基三胺：
0.44mol。
13．
a. 将ω-氨基己酸与对氨基苯甲酸共缩聚，可得无规共聚物。
将二者分别均缩聚所得的低聚物进一步共缩聚可得嵌段共聚物。
b. 对苯二甲酸、己二酸、乙二醇共缩聚，得无规共聚物。
第三章自由基聚合习题
1.举例说明自由基聚合时取代基的位阻效应、共轭效应、电负性、氢键和溶剂化对单体聚合热的影响。
2.什么是聚合上限温度、平衡单体浓度？
根据表3-3数据计算丁二烯、苯乙烯40、80OC自由基聚合时的平衡单体浓度。
3.什么是自由基聚合、阳离子聚合和阴离子聚合？
4.下列单体适合于何种机理聚合：
自由基聚合，阳离子聚合或阴离子聚合？
并说明理由。
CH2=CHCl，CH2=CCl2，CH2=CHCN，CH2=C（CN）2，CH2=CHCH3，CH2=C（CH3）2，CH2=CHC6H5，CF2=CF2，CH2=C（CN）COOR，
CH2=C（CH3）-CH=CH2。
5.判断下列烯类单体能否进行自由基聚合，并说明理由。
CH2=C（C6H5）2，ClCH=CHCl，CH2=C（CH3）C2H5，CH3CH=CHCH3，
CH2=C（CH3）COOCH3，CH2=CHOCOCH3，CH3CH=CHCOOCH3。
6.对下列实验现象进行讨论：
（1）乙烯、乙烯的一元取代物、乙烯的1,1-二元取代物一般都能聚合，但乙烯的1,2-取代物除个别外一般不能聚合。
（2）大部分烯类单体能按自由基机理聚合，只有少部分单体能按离子型机理聚合。
（3）带有π-π共轭体系的单体可以按自由基、阳离子和阴离子机理进行聚合。
7.以偶氮二异丁腈为引发剂，写出苯乙烯、醋酸乙烯酯和甲基丙烯酸甲酯自由基聚合历程中各基元反应。
8.对于双基终止的自由基聚合反应，每一大分子含有1.30个引发剂残基。
假定无链转移反应，试计算歧化终止与偶合终止的相对量。
9.在自由基聚合中,为什么聚合物链中单体单元大部分按头尾方式连接?
10.自由基聚合时，单体转化率与聚合物相对分子质量随时间的变化有何特征？
与聚合机理有何关系？
11.自由基聚合常用的引发方式有几种？
举例说明其特点。
12.写出下列常用引发剂的分子式和分解反应式。
其中哪些是水溶性引发剂，哪些是油溶性引发剂，使用场所有何不同？
（1）偶氮二异丁腈，偶氮二异庚腈。
（2）过氧化二苯甲酰，过氧化二碳酸二乙基己酯，异丙苯过氧化氢。
（3）过氧化氢-亚铁盐体系，过硫酸钾-亚硫酸盐体系，过氧化二苯甲酰-N,N二甲基苯胺。
13.60OC下用碘量法测定过氧化二碳酸二环己酯（DCPD）的分解速率，数据列于下表，求分解速率常数kd（s-1）和半衰期t1/2（hr）。
时间（hr）
0
0.2
0.7
1.2
1.7
DCPD浓度（mol/L）
0.0754
0.0660
0.0484
0.0334
0.0228
14.解释引发效率、诱导分解和笼蔽效应。
15.如何判断自由基聚合引发剂的活性？
自由基聚合在选择引发剂时应注意哪些问题？
16.推导自由基聚合动力学方程时，作了哪些基本假定？
17.聚合反应速率与引发剂浓度平方根成正比，对单体浓度呈一级反应各是哪一机理造成的？
18.在什么情况下会出现自由基聚合反应速率与引发剂浓度的下列关系？
（1）一次；
（2）零次；（3）二分之一与零次之间；（4）二分之一与一次之间。
19.在什么情况下会出现自由基聚合反应速率与单体浓度的下列关系？
（1）一次与一点五次之间；
（2）一点五次；（3）一点五与二次之间。
20.某一热聚合反应经测定属于参分子引发，试推导聚合反应速率方程，并写明在推导过程中作了哪些基本假定？
21.以过氧化二苯甲酰作引发剂，在60OC进行苯乙烯（密度为0.887）聚合动力学研究，引发剂用量为单体重量的0.109%，Rp=0.255×10-4mol/L·s，f=0.80，自由基寿命为0.82秒，聚合度为2460。
（1）求kd、kp、kt的大小，建立三个常数的数量级概念。
（2）比较单体浓度和自由基浓度的大小。
（3）比较Ri、Rp、Rt的大小。
22.单体浓度0.2mol/L，过氧类引发剂浓度为4.2×10-3mol/L,在60OC下加热聚合。
如引发剂半衰期为44hr，引发剂引发效率f=0.80，kp=145L/mol·s，kt=7.0×107L/mol·s，欲达5%转化率，需多少时间？
23.什么是自动加速现象？
产生的原因是什么？
对聚合反应及聚合物会产生什么影响？
24.什么是凝胶效应和沉淀效应？
举例说明。
25.氯乙烯、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯聚合时，都存在自动加速现象，三者有何异同？
26.氯乙烯悬浮聚合时，选用半衰期适当（2hr）的引发剂，基本上接近匀速反应，解释其原因。
27.用过氧化二苯甲酰作引发剂，苯乙烯聚合时各基元反应活化能为Ed=125.6，Ep=32.6，Et=10kJ/mol，试比较从50OC增至60OC以及从80OC增至90OC，讨论总反应速率常数和聚合度变化的情况。
28.什么叫链转移反应？
有几种形式？
对聚合反应速率和聚合物的相对分子质量有何影响？
29.什么叫链转移常数？
与链转移速率常数有何关系？
30.动力学链长的定义是什么？
分析没有链转移反应与有链转移反应时动力学链长与平均聚合度的关系。
31.以过氧化二特丁基作引发剂，在60OC下研究苯乙烯聚合。
已知苯乙烯溶液浓度为1.0mol/L，引发剂浓度为0.01mol/L，60OC下苯乙烯密度为0.887g/ml，溶剂苯的密度为0.839g/ml（假定聚合体系为理想溶液体系）。
引发和聚合的初速率分别为4.0×10-11和1.5×10-7mol/L·s。
CM=8.0×10-5，CI=3.2×10-4，CS=2.3×10-6。
求：
（1）fkd=？
（2）聚合初期聚合度。
（3）聚合初期动力学链长。
32.按上题条件制备的聚苯乙烯相对分子质量很高，常加入正丁硫醇（CS=21）调节，问加入多少才能制得相对分子质量为8.5万的聚苯乙烯？
33．用过氧化二苯甲酰作引发剂，苯乙烯在60OC进行本体聚合。
已知[I]=0.04mol/L，f=0.8，kd=2.0×10-6s-1，kP=176L/mol·s，kt=3.6×107L/mol·s，60OC下苯乙烯密度为0.887g/ml，CI=0.05，CM=0.85×10-4。
求：
（1）引发、向引发剂转移、向单体转移三部分在聚合度倒数中各占多少百分比？
（2）对聚合度各有什么影响？
34.醋酸乙烯酯在60OC以偶氮二异丁腈为引发剂进行本体聚合，其动力学数据如下：
[I]=0.026×10-3mol/L，[M]=10.86mol/L，f=1，kd=1.16×10-5s-1，kP=3700L/mol·s，kt=7.4×107L/mol·s，CM=1.91×10-4，歧化终止占动力学链终止的90%，求所得聚醋酸乙烯酯的聚合度。
35.在100毫升甲基丙烯酸甲酯中加入0.0242克过氧化二苯甲酰，于60OC下聚合，反应1.5小时后得到3克聚合物，用渗透压法测得相对分子质量为831,500。
知60OC下引发剂的半衰期为48小时，f=0.8，CI=0.02，CM=0.1×10-4，甲基丙烯酸甲酯密度为0.93g/ml。
求：
（1）甲基丙烯酸甲酯在60OC下的kp2/kt值。
（2）在该温度下歧化终止和偶合终止所占的比例。
36.聚氯乙烯的相对分子质量为什么与引发剂浓度基本上无关而仅取决于聚合反应温度？
试求45、50、60OC下聚合所得聚氯乙烯的相对分子质量。
（CM=125exp[-30.5/RT]）
37.讨论下列几种链转移、链增长、再引发速率常数的相对大小对聚合反应速率和聚合物相对分子质量的影响：
（1）kP》ktrka≈kP
（2）kP《ktrka≈kP
（3）kP》ktrka〈kP
（4）kP《ktrka〈kP
（5）kP《ktrka=0
38.分析诱导期产生的原因？
与阻聚剂有何关系？
试从阻聚常数比较硝基苯、对苯醌、DPPH、三氯化铁和氧的阻聚效果。
第三章自由基聚合习题答案
1.解：
聚乙烯是最简单的聚合物，主链无取代基，在考虑取代基的各种影响因素时，可以此为标准，其聚合热△H=-88.8kJ/mol。
（1）位阻效应：
单体中取代基间作用小，而聚合物中由于主链共价键约束而使取代基之间产生作用，从而储存了部分能量，因此取代基的空间效应对聚合物影响大于单体，含取代基的单体可将部分反应热以内能形式存储，从而使聚合热减小，例如，异丁烯，△H=-54kJ/mol。
（2）共轭效应：
取代基在单体中存在共轭效应，而形成聚合物后，共轭作用消失，共轭效应使内能降低，从而使聚合热降低。
例如丁二烯的聚合热△H=-73.0kJ/mol.
（3）电负性取代基：
取代基电负性强时，聚合热升高，例如氯乙烯，△H=-95.8kJ/mol。
（4） 氢键和溶剂化作用：
这种作用在单体中比在聚合物中要强得多，使聚合热降
升级会员 