合成聚合物

化学· 4.44–4.50（第4(h)节，2017年考纲）· 20 分钟阅读

1. 加聚反应入门★★☆☆☆⏱ 5 min

📘 定义

加聚物

大量小分子烯烃单体断开自身C=C双键后相互结合形成的长链分子，反应过程中不产生小分子副产物。

所有加聚物的单体都含有碳碳双键。聚合反应发生时，双键断裂，每个碳原子与相邻单体的一个碳原子形成新的单键，构成连续的长链。

📐 例题

已知乙烯单体的结构为 $C H_{2} = C H_{2}$ ，绘制聚乙烯的重复单元。

1
1. 断开乙烯单体中的C=C双键，在每个碳原子上形成两个单键，得到 $- C H_{2} - C H_{2} -$
2
1. 将该单元放入方括号中，绘制从方括号两侧穿出的单键，以表示与相邻重复单元的连接
3
1. 在闭合方括号外侧添加下标 $n$ ，表示该单元会重复多次
4
$[-CH_2-CH_2-]_n$

Exam tip:

如果你绘制的化学键在方括号边缘就终止、没有穿出方括号，将会被扣分，因为这种画法错误地表示该单元与相邻单元没有连接。

2. 单体与重复单元的相互推导★★★☆☆⏱ 6 min

考试中会要求你完成加聚物重复单元和单体之间的相互转换。规则很简单：重复单元中的原子数量与单体中的原子数量完全相等，仅双键转化为用于连接的单键。

📐 例题

聚丙烯的重复单元为 $[- C H_{2} - C H (C H_{3}) -]_{n}$ ，推导丙烯单体的结构式。

1
1. 移除方括号、下标 $n$ 以及从重复单元向外延伸的化学键
2
1. 在构成重复单元主链的两个碳原子之间重新形成C=C双键
3
1. 最终的单体结构为 $C H_{2} = C H C H_{3}$ ，其中甲基连接在双键的其中一个碳原子上

✓ 快速检测

What is the correct repeat unit of poly(tetrafluoroethene), given its monomer is $C F_{2} = C F_{2}$ ?
- $[- C F = C F -]_{n}$
- $[- C F_{2} - C F_{2} -]_{n}$
- $[- C F_{3} - C F_{3} -]_{n}$
显示答案
1 —
Addition polymerisation breaks the C=C double bond completely, so no double bonds remain in the repeat unit, and no extra fluorine atoms are added.

3. 加聚物的处理相关问题★★☆☆☆⏱ 4 min

加聚物性质惰性（不易反应），因为它们的碳主链由牢固的C-C单键构成，无法被环境中的微生物分解。这意味着它们不可生物降解，会在垃圾填埋场中留存数百年。

燃烧加聚聚合物以减少垃圾填埋场体积的过程中会释放有毒气体。例如，聚(氯乙烯)（PVC）含有氯原子，因此燃烧它会释放氯化氢（HCl）气体，该气体会对呼吸系统造成损害，还会促成酸雨的形成。

📐 例题

说明并解释聚(氯乙烯)（PVC）不当处置引发的两个环境问题。

1
1. 第一个问题：PVC不可生物降解。其牢固的C-C主链无法被微生物分解，因此会在垃圾填埋场中留存数百年，占用空间并随时间释放污染物。
2
1. 第二个问题：燃烧PVC会释放有毒的氯化氢（HCl）气体。HCl具有腐蚀性，被吸入后会损害呼吸系统，还会与大气中的水反应形成酸雨。

Exam tip:

当题目问到PVC（聚氯乙烯）燃烧的相关问题时，一定要明确指出有毒气体是氯化氢（HCl），这样你才能拿到满分，而不是仅笼统说“有毒气体”只能拿到部分分数。

4. 缩聚反应（仅高阶大纲要求）★★★★☆HL 专属⏱ 5 min

📘 定义

缩聚反应（聚酯生成）

二元羧酸（含两个-COOH基团）与二元醇（含两个-OH基团）发生的反应，生成长聚酯链并以水作为副产物。

在聚酯生成过程中，二元羧酸的每个羧基上脱去一个-OH基团，二元醇的每个醇羟基上脱去一个-H原子。这些基团结合形成水分子，而单体的剩余部分通过酯键连接形成聚合物链。

📐 例题

画出由乙二酸（ $H O O C - C O O H$ ）和乙二醇（ $H O C H_{2} C H_{2} O H$ ）生成的聚酯的重复单元。

1
1. 从乙二酸的两端脱去-OH，从乙二醇的两端脱去-H：每生成一个重复单元会形成2个水分子
2
1. 将酸剩余的羰基碳与醇剩余的氧原子连接，在该单元的两端形成酯键
3
1. 将组合得到的单元放入括号中，两侧的键延伸出括号外，添加上下标 $n$
4
$[-OCH_2CH_2OCOCO-]_n$

部分被称为生物聚酯的聚酯是可生物降解的，即它们可以被环境中的微生物分解，减少塑料废弃物的累积。

5. 常见陷阱

错误做法:

Leaving a C=C double bond in the addition polymer repeat unit

原因:

Addition polymerisation breaks the double bond of the monomer completely to form single bonds linking adjacent units, so no double bonds remain in the polymer backbone

正确做法:

Replace the double bond in the monomer with single bonds extending out from both carbons for the repeat unit

错误做法:

Drawing bonds that end at the edge of the repeat unit brackets instead of extending through them

原因:

This is a common marking point loss, as it incorrectly indicates no link to adjacent repeat units in the polymer chain

正确做法:

Draw single bonds through both sides of the square bracket surrounding the repeat unit, before adding the $n$ subscript

错误做法:

Forgetting that condensation polymerisation produces small byproducts (water)

原因:

The presence of a byproduct is the key defining difference between addition and condensation polymerisation, a frequently tested exam question

正确做法:

State that condensation polymerisation produces both the polymer and small byproducts (e.g. water) when comparing the two processes

错误做法:

Naming carbon dioxide as the main toxic gas released when burning PVC

原因:

While CO2 is produced, the specific toxic gas expected for chlorinated polymers like PVC is hydrogen chloride, which carries the marks for this question

正确做法:

Name hydrogen chloride (HCl) as the toxic gas released when poly(chloroethene) is burned

错误做法:

Including extra H and OH atoms in polyester repeat units that are lost as water

原因:

The -OH from the diacid and -H from the diol are removed to form water, so they are not part of the final polymer backbone

正确做法:

Remove the relevant H and OH groups before joining the monomers via ester linkages to form the polyester repeat unit

6. 速查表

Polymer Type	Monomer Type	Repeat Unit Rule	Byproduct	Disposal Notes
Addition Polymer	Alkene with C=C double bond	Break C=C, extend bonds out, bracket + $n$	None	Non-biodegradable, may release toxic gases if burned
Polyester (Condensation, Higher only)	Dicarboxylic acid + diol	Form ester linkages, remove H2O, bracket + $n$	Water	Biopolyesters are biodegradable

7. 常见问题

如何将烯烃单体转化为加聚物的重复单元？

断开单体中的C=C双键，从原来双键的两个碳原子各自向外延伸出单键，将该单元放入方括号中，使单键从方括号的两侧穿出，最后在方括号外侧添加下标 $n$ 。

加聚反应和缩聚反应的核心区别是什么？

加聚反应由烯烃单体反应仅生成一种产物（聚合物），不会损失小分子。缩聚反应由带有两种不同官能团的单体反应，生成聚合物的同时还会生成水等小分子副产物。

下一步

Now that you have mastered synthetic polymers for Edexcel IGCSE Chemistry, you are ready to consolidate your organic chemistry knowledge and practice exam-style questions. Polymers are frequently tested alongside other functional groups, so make sure you are confident linking alkene, carboxylic acid and alcohol chemistry to polymer formation for high-mark extended response questions. For higher-tier candidates, practice converting between diacid/diol monomers and polyester repeat units to pick up easy marks in Paper 2C. You should also practice past paper questions on polymer disposal, as these 3-4 mark explanation questions are common and easy to score full marks on if you learn the key points.

→Alkenes Revision Guide