聚合物结构与性能复习.docx
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聚合物结构与性能复习
聚合物结构与性能复习资料
1．论述人类所经历的历次手工业革命中材料科学与工程发展的概况;21世纪人类所面临的八大领域材料科学与工程的重要性。
四大材料如何相互促进发展？
有哪些主要途径，你在这方面有什么创新思想。
材料科学与工程的意义：
是人类从事生产和生活的物质基础；是人类文明的重要支柱；其进步取决于社会生产力和科技进步；其发展将推动社会经济和科技发展。
材料发展的历史：
材料应用的发展是人类发展的里程碑。
人类所有的文明进程都是以他们使用的材料来分类的。
（1）五次产业革命
石器时代
青铜器时代：
以青铜器的制造和使用为标志，人类从原始社会进入了奴隶社会。
蒸汽时代：
以瓦特发明的蒸汽机为标志。
化学工业兴起时代：
以煤炭工业为代表，煤炭化得到煤焦油等有机物，从而进行各种反应。
电器和微电子产业时代：
20世纪下以美国为中心，计算机、半导体等的出现。
生物技术经济产业时代：
以生命科学和生物技术的发展与包括纳米材料在内的新型材料的发展。
启发：
迄今为止，人类经历了五次产业革命，每一次产业革命都是以新材料的出现与应用为起点的，而新材料的应用又依赖于人们对材料的结构与性能的不断认识与研究。
在即将到来的２１世纪，人类必将在信息的汪洋大海中航行。
我们的思维工作方法应该有一个飞跃，才能适应信息时代的要求。
应大胆改革不适应生产力的生产关系的各个环节；科技是第一生产力，应大力发展科学技术。
（2）21世纪人类所面临的八大领域材料科学与工程的重要性。
生命科学
生命科学将成为自然科学的带头学科，分子生物学、细胞生物学、脑科学和生态学是人们关注的焦点。
因此开发多功能材料成为当务之急。
生物材料、仿生材料、生物芯片等多功能材料是研究的重点。
信息科学
近半个世纪以来，信息与通信服务的迅速崛起对材料领域提出了特殊的挑战。
包括微电子、光电子技术和新型元器件所用材料在内的电子信息材料成为人们研究的焦点。
新型能源科学
能源是制约经济发展和文明进步的主要条件，能源生产与节能先进技术都是建立在新材料的不断发展的基础上的。
能源材料广泛应用于常规化石燃料、核能、可再生能源等的生产、贮
存、运输以及节能，具有极其重要的作用。
资源环境科学
随着社会的发展和科技的进步，人类越来越觉得环境的重要，因此新型环境友好型材料的开发与应用成为节约资源、保护生态环境的关键。
可降解材料、可回收材料、抑菌材料等的开发是解决环境污染比较有效的方法。
海洋科学
海洋科技事关人类的可持续发展，海洋资源的开发需要材料学的发展，高强超韧材料的研发可为我国的海洋开发、海洋利用和海洋保护提供先进的技术和手段。
宇航科学
材料在航天领域有着至关重要的作用。
航天器的发展必须以高性能材料的发展为基础，需要有极轻的重量和极高的强度，因此新材料的研发成为航天科学发展的关键。
高效农业和食品安全
发展高效农业、解决人类的温饱问题、开发具有优异性能的食品包装材料和生物食品化学资源的开发都需要新型材料的发展为基础。
基于此，对人类未来前景的看法：
（1）
Ø计算机科技还要进一步向深亚米化、超大规模集成、网格化、智能化方向发展
Ø生物计算机（8*8种信息密码排序）实用化还有很长的路要走
（2）
Ø新材料继续成为人类文明的基石，大力发展新材料科学，为其他领域作支撑。
（3）
Ø化石燃料高效与清洁利用技术广泛应用，节能技术和能源高效利用技术越来越受到广泛重视
Ø降低各种新能源的成本，使他们进一步产业化
Ø研制出高效、安全、洁净的核能系统
Ø进一步开发新的能源：
波能、可燃冰、煤成气、微生物、绿藻
Ø现有煤向油的直接转化
Ø利用化学方法研制出更加高效的燃料电池以及太阳能电池
Ø与能源相关领域如新型材料的开发
（4）保护环境
Ø新型环境友好型材料的开发：
可降解材料、可回收材料、抑菌材料等
Ø防止沙漠化
（5）
Ø更全面地认识地球。
由于地球面积辽阔，人们仅从地面上认清地球非常困难，所以必须发展空间技术
Ø获取新的资源，因为地球资源十分有限，所以人类必须寻找、开发和利用空间资源。
Ø开发新的高性能材料
八大领域，最终还是为了进一步发展生命科学，为人类的健康长寿服务。
总之新技术的产生和发展往往是“连锁反应”，全面爆发，相互激发，形成技术的“群体革命”这八个领域的技术彼此相互联系，渗透交叉整个科技群体构成了协同发展的复杂世界。
目的为了发展生命科学。
新型材料继续成为人类文明的基石，为各领域提供材料基础，各领域的发展离不开材料，新型材料是八大领域发展的先导。
2．论述材料科学与工程中所包含的四大材料的特点和在研究方法上的共同点和差异点；如何把这几种材料进一步整合在一起作为新材料，提出自己的创新性见解。
材料科学与工程中所包含的四大材料分别是：
金属材料、高分子材料、非金属材料和复合材料。
1.四大材料的特点及内在机理
（1）金属材料
金属原子的原子核较重，核外电子云较多，原子最外层电子较少，处于自由运动状态，当金属原子相互靠近而产生相互作用时，都易失去最外层电子而成为离子。
金属原子之间以金属键相互作用，三维空间有序排列，其具有以下主要特性。
金属光泽，当可见光照到金属表面时，价电子吸收光子的能量发生跃迁，光子不能通过金属，使其表现为不透明，宏观上表现为金属光泽。
导电性，由于自由电子的存在，且金属的价带导带重叠，电子很容易受到激发从价带跃迁到导带，因而金属是很好的导体。
导热性，离子的振动和电子的运动使之具有导热性。
机械性能：
a高强度，由于金属键的存在，使金属具有较高的强度。
b塑性，金属晶格中位错的运动使之具有良好的延展性和抗冲击性。
（2）高分子材料
高分子材料由多个重复结构单元连接而成，主要有塑料、橡胶、纤维、涂料四大类。
其主要特性有
原子由共价键相连，分子量大，具有高度饱和性。
键的位置不能随意移动，较易断裂，分子间范德华力作用强度较低，拉伸时可以改变链的构象，当外力撤除时可以回复到稳定构象，具有多弹性。
熔融时分子链互相缠结，致使分子链段运动困难，因而粘度很高。
结构规整的聚合物分子链可以在适当条件下结晶，远程序差，存在熔限。
（3）非金属材料
非金属材料就是我们平时所说的陶瓷材料，陶瓷材料多以共价键、离子键或共价离子混合键连接。
共价键具有高度的方向性和饱和性，离子键形成正负离子相互作用。
正是由于化学键与显微结构的不同，陶瓷材料具有金属难以比拟的优点：
熔点高、耐热性好、耐磨损、抗腐蚀和抗氧化，弹性模量、硬度、高温强度高。
电的绝缘体和半导体，具有各种各样的磁性能和介电性能。
抗变形能力好。
但陶瓷材料塑性变形能力差，韧性低，不易加工成型。
（4）复合材料
复合材料是指把两种以上宏观上不同的材料，合理的进行复合而制得的一种材料，复合材料是多相材料，包括基体和增强相。
复合材料的突出特点是
比强度和比模量高。
比强度是抗拉强度与密度之比，比强度高的材料能够承受高的应力；比模量是弹性模量与密度之比，比模量高说明材料轻而且刚性大。
通过纤维的抹除和断裂吸收能量使其具有优异的力学性能。
耐化学腐蚀性好，电性能热性能好。
层次强度低，易分层破坏，属脆性材料。
具备各向异性的性能及与之相关性能的可设计性。
2.四大材料研究方法的相同点和差异点
（1）相同点
四大材料的研究都要研究材料的组成、结构、加工与材料的性质、使用之间的关系及其应用。
研究材料的结构层次包括宏观结构、微观结构、原子结构、亚原子结构，研究材料的性质包括化学性质、物理性质和力学性质。
（2）差异
金属：
晶体，研究金属材料要研究晶体结构、晶格晶系、晶体缺陷等，可以借助于光学显微镜观察细微组织。
X射线测定金属和合金内部各相的晶体结构。
化学性质研究其组成、不同温度的相结构、耐腐蚀性、杂志含量等。
力学性质研究其拉伸、韧性、耐疲劳、硬度以及蠕变。
高分子材料：
不同的聚合物有不同的研究方法，膨胀计、DSC测Tg，比热/比体积测Tm，GPC测分子量。
高分子材料要研究的化学性质包括组成、结晶度、分子量及分布、阻燃性、晶体结构、耐化学腐蚀性。
力学性质包括拉伸性质、抗冲击性、压缩性质、模量。
陶瓷材料：
为晶体，除要研究晶格晶系、缺陷外还要研究陶瓷的孔隙度、表观体积、真实体积，硬度可以用邵氏硬度计测，冲击强度用简支梁和悬臂梁测量。
研究其化学组成、孔隙度、颗粒尺寸、耐腐蚀性。
力学性质包括压缩性质、韧性和热冲击性。
复合材料：
研究增强相和基体，棒状增强体对复合材料的增强效果。
化学性质研究包括组成、基体/增强体的结合、增强体的化学本质。
力学性质包括拉伸性质、压缩性质、韧性和蠕变。
3．对新型材料的见解及创新思维（启发）
•可将金属材料与高分子材料整合在一起。
例：
铅箔
•复合材料研究是主流
随着科学的进步和现实的需要，单一材料已经不能满足人们的需要，因而在今后一段或者是很长的时间里，材料终将会以多元复合作为主导，以达到各种性能的组合最佳状态。
从而保证材料在各个方面的应用。
•有机-无机杂化应该得到重视
兼顾有机材料的优点又具有无机材料的特性还平添一些特有的全新功能。
比如说POSS。
•梯度材料是一个全新发展方向
•重点突出，全面进步是必然
（1）在以复合材料的合成与应用为主题的今天，我们除了要在既定的聚合物中添加既有复合，也应该同时合成更多的聚合物以及不同结构和官能团的添加小分子，以健全材料体系的完备性。
（2）学科间、领域间相互渗透相互促进更加有利于整体科学水平的提高。
（3）科学应该紧跟数学步伐，朝着科学的量化、定理化，而非当今主要的经验式的、表述性的科学。
•健全理论体系是保障
现今相关文献资料、以及琐碎的知识点已经非常丰富，但显得凌乱。
这就需要在已有成果的基础上，有更多的杰出的科学家对该领域进行实际意义上的总结，尽量使后人较快较容易较全面地接受到前人的成果，从而为复合材料的最终研究与制备提供理论上的指导，好开展进一步的工作。
3.为什么原子有多层的电子轨道？
推导薛定谔方程并论述这一方程所提供的重要信息，方程的解给我们提供了什么样的重要概念，请画出s,p,d,f轨道波函数形状及其对称原理。
1.为什么原子有多层的电子轨道
原子核外电子排布遵循四个原则：
①泡利不相容原理②不违背泡利原理的情况下，遵循能量最低原理③Hund规则④全充满、半充满状态是一种稳定态。
泡利不相容原理：
每个轨道最多只能容纳两个电子，且自旋方向相反配对。
能量最低原理：
电子尽可能地占据能量最低的轨道。
洪特规则：
有几个简并轨道（能量相等的轨道）而又无足够的电子填充时，必须在几个轨道逐一填满一个自旋平行的电子后，才能容纳第二个电子。
由以上四个原则决定了原子核外电子有多层的电子轨道。
2．推导薛定谔方程并论述这一方程所提供的重要信息，方程的解给我们提供了什么样的重要概念
（1）推导薛定谔方程
薛定谔方程：
①分离变量
将含有多个自变量的偏微分方程，拆分为单变量方程：
f（r,θ，φ）=0薛定谔方程简式
f（r）=0称径向方程
拆分为f（θ，φ）=0称角度方程
②方程的解
波函数不外乎下面的形式
ψ[ar（n）,bcoslθ,csinlθ,dcoslφ,esinlφ]
n主量子数；l角量子数；m磁量子数。
（2）方程所提供的重要信息
这是一个二阶偏微分方程，它的解是一系列的波函数ψ的具体函数表达式，即每一个波函数都是描述原子核外电子运动的一种状态的数学表达式。
解薛定谔方程的目的，就是求状态函数，以及与这状态相对应得的能量E。
由薛定谔方程可以看出，随着环境的不同，同一电子在该环境下的运动规律不同。
波函数ψ是描述核外电子运动状态的数学表达式，电子运动的规律受它控制。
波函数的平方ψ2则代表空间上某一点电子出现的概率密度。
（3）方程的解给我们提供的重要概念
为了得到方程的解，还需要引入三个参数：
名称：
主量子数符号：
n
意义1：
决定电子出现几率最大的区域离核的远近。
取值：
1，2，3，4.。
。
。
。
。
。
。
。
符号：
K,L,M,N。
。
。
。
。
。
。
意义2：
决定电子能量的高低
名称：
角量子数符号：
l
意义1：
决定电子云的形状
取值：
0，1，2，3，。
。
。
。
。
。
。
符号：
s,p,d,f。
。
。
。
。
。
。
意义2：
决定电子角动量的大小，n相同l愈大电子的能量愈高
名称：
磁量子数符号：
m
意义：
决定了在外磁场作用下，电子绕核运动的角动量在磁场方向上的分量的大小，它反映原子轨道在空间的不同取向，每一个取向相当于一个“原子轨道”
取值限制：
m=0,±1,±2,……±l
4.画出s,p,d,f轨道波函数形状及其对称原理
将波函数的数值大小随角度θ,φ的变化用图形表示出来即为波函数的角度分布图。
（1）S轨道，当l=0时，波函数只有n有关，电子做球面运动，叫S轨道，容纳两个电子，ψ描述电子运动的球表面环境。
（2）P轨道，当n固定（r不变），l=1
轨道只在x,y,z三轴上，而不是四轴，这种轨道称为P轨道。
每张图能容纳两个电子，所以3张图P轨道可以容纳6个电子。
（3）d轨道，当n固定（r不变），l=2
能画6张图，其中两张重叠，剩下5张，每张图有4个花瓣，能容纳2个电子，所以d轨道能容纳10个电子。
（4）f轨道，l=3，六叶瓣状轨道，共7种。
化学键成键条件服从对称性原理，即电子云对称才能成键。
并且成键能力s轨道>p轨道>d轨道>f轨道。
（为什么要遵循对称性原理？
）原子轨道在不同的区域有不同的符号，符号相同的重叠，能有效的成键，符号不同的不能有效的成键。
这是因为符号不同的两部分正好互相抵消，不利于成键。
所以，只有很好地复合对称性原则，才能形成稳定的化学键。
4.从门捷列夫元素周期表中你看到了什么样的规律；为什么说该表是在化学中最核心的规律？
对研究金属，非金属，高分子，复合材料有什么样的知道意义？
1.元素周期表中的规律
（1）元素周期表中元素及其化合物的递变规律
原子半径
A除第一周期外，其他周期元素（惰性气体除外）的原子半径随原子序数的递增而减小。
B同一族的元素从上到下，随电子层数的增多，原子半径增大。
单质的熔点
A同一周期元素随原子序数的递增，元素组成的金属单质的熔点递增，非金属单质的熔点递减。
B同一族元素从上到下，元素组成的金属单质的熔点递减，非金属单质的熔点递增。
元素的金属性与非金属性
A同一周期的元素从左到右金属性递减，非金属性递增。
B同一主族元素从上到下金属性递增，非金属性递减。
元素化合价
A除第一周期外，同周期从左到右，元素最高正价由碱金属+1递增到+7，非金属元素负价从碳族-4递增到-1（氟无正价，氧无+6价，除外）。
B同一主族的元素的最高正价、负价均相同。
非金属气态氢化物
元素非金属性越强，气态氢化物越稳定。
同周期非金属元素的非金属性越强，其气态氢化物水溶液一般酸性越强；同主族非金属元素的非金属性越强，其气态氢化物水溶液的酸性越弱。
最高价氧化物和水化物的酸碱性
元素的金属性越强，其最高价氧化物的水化物的碱性越强；元素的非金属性越强，最高价氧化物得水化物的酸性越强。
单质的氧化性和还原性
一般元素的金属性越强，其单质的还原性越强，其氧化物的阳离子氧化性越弱；元素的非金属性越强，其但值得氧化性越强，其氧化物的阴离子还原性越弱。
（2）“三角形”规律
所谓“三角形”，即A、B处于同周期，A、C处于同主族的位置，可排列出三者原子结构、性质方面的规律。
如原子序数Z（C）>Z（B）>Z（A）;原子半径r（C）>r（B）>r（A）;A、B、C若为非金属元素，则非金属性B大于A大于C，单质的氧化性B大于A大于C，阴离子的还原性B小于A小于C（设A为N族，则B为N+1族，下同），气态氢化物的稳定性B大于A大于C；若A、B、C为金属，则其金属性C大于A大于B，单质的还原性C大于A大于B，阳离子的氧化性C小于B小于A，最高价氧化物对应水化物的碱性C大于A大于B。
（3）“对角线”规则
有些元素在周期表中虽然既非同周期，又非同主族，但其单质与同类化合物的化学性质却很相似，如Li和Mg，B与Si等。
这一规律称为“对角线”规律
应用此规律可根据已知元素及其化合物的性质，推导未知元素及其化合物的性质
（4）相似规律
所谓相似规律是指：
同族元素性质相似
对角线上元素性质相似
相邻元素性质相似
同位素的化学性质相似
（5）两性规律
元素的周期数等于主族族序数的元素具有两性，由此可推断元素及其化合物的性质
2.元素周期表是化学中最核心的规律
自然界中的所有物质都是由元素周期表中的元素构成，元素是组成大千世界的最基本的单元，掌握了各个元素一般的运动规律和性质，才能进一步去研究各个组成物质的性质。
元素周期表的发展到今天已经比较完整，并且成为大家共同遵照的守则，根据元素周期表才逐渐有了后来化学中的原子量子力学，原子精细结构，多原子泡利定理，该表贯穿了基础化学，无机化学，结构化学及物理化学。
成为化学研究中大家遵守的核心准则，根据其变化规律能预测空缺的还没被人类发现的元素，各元素的不同搭配可以得到我们人类所需性能的物质。
科学家们对材料的研究进入微观领域从而对材料的结构与性能有了全新的认识，所以说该表是化学中最核心的规律。
3.该表对研究金属、非金属、高分子、复合材料有什么样的指导意义？
元素周期表根据元素所在的族和周期，发现了其中存在的一些规律，如原子半径，电离能与亲电性，键能，原子的放射性，亲氧性，单质的物理性质，离子的极化性，物质的颜色，溶解原则，氧化和还原性。
从前面所说的周期基本规律中我们可以根据已知金属元素的性质推出其位置上下左右元素的性质，并根据性质相似的原理可以进行取代以弥补有些稀缺的资源，如用铜丝代替银丝成为高压线，其是同一族元素，具有相似的导电能力，但是用铜丝比银丝更经济。
在非金属元素中，主要的是氧化还原性能，我们根据氧化氢水溶液有酸性可以推出碘、溴的氢化物的水溶液也有酸性等等，知道我们有意识的去利用资源。
另外，主要由碳元素组成的高分子材料，不同碳骨架的形成，不同元素的加入，以及单双键的数量与分布的不同都极大的影响了材料的性能，如PVC比PE多了一个氯元素，但是他们的性能却完全不同，PVC的强度，刚性都要比PE好，但是氯元素的存在使聚合物比较容易分解，给加工带来一定的困难，另外氯元素有毒，限制了它的使用。
最后，性能不同的物质之间复合制成的材料，可以保持材料原来的优良性能，除去一些不好的性能，起到互补的作用，复合材料界面之间的粘结性对复合材料的性能影响很大，可以根据周期表中相邻元素的性质相同，相同结构的物质相容性好的原则，可以知道不同材料之间的复合，少去一些不必要的弯路。
5.判断反应方向有哪几种并举例说明，各有什么特点？
用若干小分子NH3，CH3OH，CH2O，O2，H2，HCN等合成下列分子：
1.判断反应方向
（1）从热力学角度
化学为的表达为：
△G=△H-T△S
根据热力学第二定律当△G<0时，反应才能进行。
特点为：
体系放热△H<0：
利于反应进行
熵增△S>0：
也利于反应进行
温度T越高，越有利反应进行
当△H>0时，就要看T△S的大小了，T△S越大越有利于反应进行，△H和T△S是相互竞争的关系。
（2）从原子质量角度
举例说明：
一个容器中有CH4、CH2O、O2、H2O四种分子，请问它们之间如何反应？
1用热力学方法：
查H0、S0，求△G，判断是否小于0
2用原子质量法：
例如，一个容器中有CH4、CH2O、O2、H2O四种分子，请问它们之间如何反应？
aCH4+bCH2O+cO2+dH2O≡0
4a+2b+0c+2d=0
a+b+0c+0d=0
0a+b+2c+d=0
b=-a
c=a
d=-a
aCH4-aCH2O+aO2-aH2O≡0
CH4-CH2O+O2-H2O≡0
CH4+O2→CH2O+H2O
从量子法角度看，其特点是：
分子量向平均的方向变化
分子结构向多原子化物质转变
即耗散原理，即耗散结构理论，是研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论。
耗散结构是指处在远离平衡态的复杂系统在外界能量流或物质流的维持下，通过自组织形成的一种新的有序结构。
自然界都遵循这个原理。
2.合成
原子向量表
1H
12C
14N
16O
原子向量
NH3
3
0
1
0
3010
CH3OH
4
1
0
1
4101
CH2O
2
1
0
1
2101
O2
0
0
0
2
0002
H2
2
0
0
0
2000
HCN
1
1
1
0
1110
C3H7O2N
7
3
1
2
7312
C4H6N2O
6
4
2
1
6421
C4H6N4
6
4
4
0
6440
合成C3H7O2N
因为aNH3+bCH3OH+cCH2O+dO2+eH2+fHCN+gC3H7O2N=0
得
可解得
所以反应为：
2CH2O+H2+HCN=C3H7O2N
合成C4H6ON2
解之，
得
所以反应为：
O2+8H2+8HCN=2C4H6ON2+4NH3
6.纵观聚合反应有什么样的规律？
论述连锁聚合反应的机理与单体结构和分子量分布之间的内在关系，举出四种反应机理实例；论述在等规聚丙烯向配位聚合的整个过程。
其中dz2轨道是怎样起作用的？
1.聚合反应的规律
（1）由低分子单体合成聚合物的反应称为聚合反应。
为什么均聚物的加成聚合中存在连锁和逐步聚合两种，其内在根本原因何在？
按单体和聚合物在反应前后组成和结构的变化，可将聚合反应分为加聚和缩聚。
A单体通过相互加成而成聚合物的反应成为加聚反应。
B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叫缩聚反应。
从聚合反应的机理和动力学角度出发，可将聚合反应分为连锁聚合和逐步聚合。
这两类反应主要差别在于反应机理的不同，表现为形成每个聚合物分子所需的时间不同。
A连锁聚合需先形成活性中心R*，活性中心可以是自由基、阳离子、阴离子。
聚合反应中存在诸如链引发、链增长、链转移、链终止等基元反应，各基元反应的反应速度和活化能差别很大。
链引发是形成活性中心的反应，链增长是大量单体通过活性中心的连续加成，最终形成聚合物的过程，单体彼此间不能发生反应，活性中心失去活性称为链终止。
形成一个高分子的反应实际上是在大约一秒而且往往是更短的时间内完成的，没有相对分子质量递增的中间产物。
B逐步聚合没有活性中心，它是通过一系列单体上所带的能相互反应的官能团间的反应逐步实现的。
反应中，单体先生成二聚体，再继续反应逐步形成三聚体、四聚体、五聚体等，直到最后逐步形成聚合物。
反应中每一步的反应速率和活化能大致相同，任何聚合体间均可发生反应。
形成一个高分子的反应往往需要数小时。
反应过程中，体系由相对分子质量递增的一系列中间产物组成。
2.论述连锁聚合反应的机理与单体结构和分子量分布之间的内在关系，举出四种反应机理实例
（1）自由基聚合机理：
共价键均裂产生自由基，成为活性中心引发聚合反应。
A:
与单体的内在关系：
单体一般为有吸电子基团的、双键上电子云密度较低的乙烯基单体，或
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