乙烯与有机高分子材料

引入

为什么乙烯能作为合成塑料、橡胶、纤维的原料?

为什么塑料袋、塑料瓶、保鲜膜能做成各种形状?

为什么有的塑料能加热软化,有的不能?

高分子材料和小分子材料有什么本质区别?

乙烯是最简单的烯烃,也是产量最大的有机化工原料之一。它能通过聚合反应生成聚乙烯,进而制成塑料制品。类似地,丙烯、苯乙烯等单体也能聚合成各种高分子材料。

理解乙烯和有机高分子材料,不只是记住几个反应,而是理解不饱和烃的化学性质、聚合反应的原理、高分子材料的结构特点和应用。

正文

定义

乙烯是分子式为 $\mathrm{C}{}_2\mathrm{H}{}_4$ 的烯烃,结构式为 $\mathrm{CH}{}_2=\mathrm{CH}{}_2$,是最简单的含碳碳双键的不饱和烃。

有机高分子材料是由相对分子质量很大(通常在一万以上)的有机化合物组成的材料。

乙烯的结构和性质

物理性质

性质	数值或描述
分子式	$\mathrm{C}{}_2\mathrm{H}{}_4$
结构式	$\mathrm{CH}{}_2=\mathrm{CH}{}_2$
颜色	无色
气味	稍有甜味
物态	气体(常温常压)
密度	比空气略小
溶解性	难溶于水,易溶于有机溶剂

结构特点

乙烯分子中含有碳碳双键 $\mathrm{C}=\mathrm{C}$,这是乙烯化学性质的关键。

• 双键由一个 $\sigma$ 键和一个 $\pi$ 键组成
• $\pi$ 键比 $\sigma$ 键容易断裂,所以乙烯容易发生加成反应
• 双键不能自由旋转,所以乙烯分子是平面结构

化学性质

乙烯的化学性质主要由碳碳双键决定,典型反应是加成反应和**氧化还原反应**。

加成反应

加成反应是不饱和烃的典型反应,乙烯的双键可以断裂,和其他原子或原子团结合。

反应物	反应式	现象	应用
氢气	$\mathrm{CH}{}_2=\mathrm{CH}{}_2+\mathrm{H}{}_2\underset{\mathrm{\Delta }}{\overset{\mathrm{Ni}}{\to }}\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CH}{}_3$	需要催化剂和加热	制乙烷,说明加成反应
溴水	$\mathrm{CH}{}_2=\mathrm{CH}{}_2+\mathrm{Br}{}_2\to \mathrm{CH}{}_2\mathrm{BrCH}{}_2\mathrm{Br}$	溴水褪色	鉴别烯烃,制取二溴乙烷
水	$\mathrm{CH}{}_2=\mathrm{CH}{}_2+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\stackrel{催化剂}{\to }\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CH}{}_2\mathrm{OH}$	工业条件下进行	工业制乙醇
卤化氢	$\mathrm{CH}{}_2=\mathrm{CH}{}_2+\mathrm{HCl}\to \mathrm{CH}{}_3\mathrm{CH}{}_2\mathrm{Cl}$	制取卤代烃	合成有机物中间体

乙烯使溴水褪色是鉴别烯烃的经典方法。注意这里是加成反应,不是氧化反应,因为溴原子加到了双键上,而不是被氧化成其他物质。

氧化反应

乙烯能被强氧化剂氧化,也能在空气中燃烧。

反应类型	反应式	现象	应用
燃烧	$\mathrm{C}{}_2\mathrm{H}{}_4+3\mathrm{O}{}_2\stackrel{点燃}{\to }2\mathrm{CO}{}_2+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	火焰明亮,放热	说明乙烯易燃
被高锰酸钾氧化	/	紫色高锰酸钾溶液褪色	鉴别烯烃

乙烯使酸性高锰酸钾溶液褪色,这是氧化反应,和溴水褪色不同。

加聚反应

加聚反应是单体通过加成反应结合成高分子化合物的反应,是制备高分子材料的重要方法。

$n\mathrm{CH}{}_2=\mathrm{CH}{}_2\stackrel{催化剂}{\to }[-\mathrm{CH}{}_2-\mathrm{CH}{}_2{}^{-}]{}_n$

这个反应的产物是聚乙烯,是最常见的塑料之一。

• $n$ 是聚合度,表示有多少个单体分子结合在一起
• 聚合度越大,相对分子质量越大,性能也不同

乙烯的制备

实验室制法

实验室通常用乙醇脱水制取乙烯:

$\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CH}{}_2\mathrm{OH}\underset{170{}_{}^{}{}_{}^{\circ }\mathrm{C}}{\overset{浓\mathrm{H}{}_2\mathrm{SO}{}_4}{\to }}\mathrm{CH}{}_2=\mathrm{CH}{}_2\uparrow +\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

注意事项:

• 温度要控制在 $170{}^{\circ }\mathrm{C}$ 左右,温度过低会发生分子间脱水生成乙醚
• 浓硫酸起催化剂和脱水剂作用
• 产生的乙烯中可能混有 $\mathrm{CO}{}_2$、$\mathrm{SO}{}_2$ 等杂质,需要净化

工业制法

工业上主要通过石油裂解制取乙烯:

• 将石油分馏得到的轻质油(如石脑油)在高温下裂解
• 长链烃断裂成小分子烃,其中包括乙烯

石油裂解是乙烯工业生产的主要来源,也是石油化工的核心工艺之一。

有机高分子材料

高分子的结构特点

高分子化合物由许多小分子单体通过聚合反应连接而成,相对分子质量通常在一万到几百万之间。

特点	说明
相对分子质量很大	通常大于 $10^4$
单体重复连接	结构可以表示为 $[-\mathrm{A}-]{}_n$
聚合度不固定	同一批聚合物中分子大小不完全相同
没有固定熔点	通常有熔程,逐渐软化

聚合反应的类型

类型	说明	例子
加聚反应	含不饱和键的单体通过加成反应聚合,不产生小分子副产物	乙烯聚合成聚乙烯
缩聚反应	单体之间结合并脱去小分子(如水、醇)	乙二醇和对苯二甲酸缩聚成聚酯

加聚反应的通式:

$n\mathrm{CH}{}_2=\mathrm{CH}{}_2\to [-\mathrm{CH}{}_2-\mathrm{CH}{}_2{}^{-}]{}_n$

$n\mathrm{CH}{}_2=\mathrm{CHCl}\to [-\mathrm{CH}{}_2-\mathrm{CHCl}{}^{-}]{}_n$

加聚反应的关键是单体中有不饱和键,聚合后不饱和键打开,形成长链。

常见的高分子材料

名称	单体	聚合反应	性质和用途
聚乙烯(PE)	乙烯 $\mathrm{CH}{}_2=\mathrm{CH}{}_2$	$n\mathrm{CH}{}_2=\mathrm{CH}{}_2\to [-\mathrm{CH}{}_2-\mathrm{CH}{}_2{}^{-}]{}_n$	塑料袋、薄膜、管材
聚丙烯(PP)	丙烯 $\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CH}=\mathrm{CH}{}_2$	$n\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CH}=\mathrm{CH}{}_2\to [-\mathrm{CH}{}_2-\mathrm{CH}(\mathrm{CH}{}_3){}^{-}]{}_n$	编织袋、汽车部件
聚氯乙烯(PVC)	氯乙烯 $\mathrm{CH}{}_2=\mathrm{CHCl}$	$n\mathrm{CH}{}_2=\mathrm{CHCl}\to [-\mathrm{CH}{}_2-\mathrm{CHCl}{}^{-}]{}_n$	水管、电线绝缘层
聚苯乙烯(PS)	苯乙烯 $\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_5\mathrm{CH}=\mathrm{CH}{}_2$	$n\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_5\mathrm{CH}=\mathrm{CH}{}_2\to [-\mathrm{CH}{}_2-\mathrm{CH}(\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_5){}^{-}]{}_n$	泡沫塑料、包装材料
聚四氟乙烯(PTFE)	四氟乙烯 $\mathrm{CF}{}_2=\mathrm{CF}{}_2$	$n\mathrm{CF}{}_2=\mathrm{CF}{}_2\to [-\mathrm{CF}{}_2-\mathrm{CF}{}_2{}^{-}]{}_n$	不粘锅涂层、密封材料

塑料的分类

塑料按加热后的性质可以分为两类:

类型	特点	例子	应用
热塑性塑料	加热软化,冷却硬化,可以反复加工	聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯	塑料袋、瓶子、管材
热固性塑料	加热后发生化学反应固化,不能反复加工	酚醛树脂、环氧树脂	电器外壳、涂料

热塑性塑料的分子链之间是物理作用力,加热后可以滑动;热固性塑料的分子链之间有化学键交联,加热后不能滑动。

合成纤维和合成橡胶

除了塑料,高分子材料还包括合成纤维和合成橡胶。

类型	例子	单体或原料	特点和用途
合成纤维	涤纶、锦纶、腈纶	对苯二甲酸和乙二醇等	强度高、耐磨、易洗快干
合成橡胶	丁苯橡胶、顺丁橡胶	丁二烯、苯乙烯等	弹性好、耐磨、用于轮胎等

合成纤维和合成橡胶的共同特点是分子链长、结构规整,但合成橡胶通常有交联结构,使其具有弹性和回复性。

高分子材料的环境问题

高分子材料给生活带来便利,但也带来环境问题:

问题	原因	影响
难降解	高分子结构稳定,自然界微生物难以分解	造成”白色污染”,污染土壤和水体
燃烧污染	燃烧时产生有毒气体	如 PVC 燃烧产生 $\mathrm{HCl}$,污染空气
资源浪费	一次性使用后丢弃	消耗石油资源

解决方向:

• 减少使用:尽量减少一次性塑料制品
• 回收利用:对热塑性塑料进行分类回收再加工
• 开发可降解塑料:使用生物可降解材料,如聚乳酸(PLA)
• 替代材料:开发纸质、竹制等环保材料

引出

为什么聚乙烯有高密度和低密度之分?

如何鉴别塑料的种类?

为什么有的塑料能回收,有的不能?

可降解塑料的原理是什么?