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发信人: crazy (雪山), 信区: Science
标  题: 高分子化合物(1)
发信站: 紫 丁 香 (Mon Mar 27 03:23:53 2000), 转信


乍一听“高分子”一词，许多人一定会感到陌生、遥远。其实，高分子就在我们
每一个人的身边。人们的衣食住行都离不开高分子，甚至人们自身的肌体也是由大量
的高分子组成的。
    也许，你不太相信。那么，请看你穿的衣服，不外是棉麻、丝毛、尼龙、的确良
等纤维构成；吃的食物，如米、面、豆、肉、蛋中都含有大量淀粉、蛋白质；建房子
用的木料，屋内摆设的木质家具是植物纤维构成；而有些灯具等是塑料制品；交通工
具使用的轮胎、穿的球鞋、雨衣是橡胶制品……，而所有这些都是高分子物质。足可
见高分子物质在我们日常生活中的重要地位。
    虽然高分子物质的应用如此广泛，但人工合成高分子化合物，还是20世纪的事。
历史表明，新型材料的每一次出现都促进了人类文明的巨大飞跃。如从石器时代到青
铜时代再到铁器时代，都是以新型材料的出现和使用为标志的。在科学技术突飞猛进
的当代，人工合成纤维、合成橡胶和塑料等种种新型材料的问世，对人们的社会生产
和日常生活产生了更加重大而深远的影响。
    什么是高分子
    从古希腊开始，人们就对物质的本性探求不止。把水分一半仍是水，把木棍切一
半仍是木棍，那么，如果这样分割下去，有无止境呢？把水分割无论多少次得到的还
会是水吗?
    古希腊博学的哲学家德谟克利特给出了否定的结论。他认为，物质是由大量的不
可再分割的微小粒子聚集而成的。这些微小粒子就是原子。原子一词在希腊文里就是
不可再分的意思。原子是实心的球体，但原子和原子之间有相当大的空隙。这种学说
被称为原子论。现代科技告诉我们，原子不是不可再分的。但是原子是保持物质化学
性质的最小微粒。同种或不同种的原子组成的分子则是保持物质的物理性质，即颜色、
形状、气味等性质的最小微粒。人们现在发现的原子数目只有百余种，但组成的分子
化合物却是五彩缤纷、难以计数的。
    每个原子有固定的原子量。分子的分子量是组成分子的所有原子的原子量总和。
那么什么是高分子化合物呢？高分子化合物就是那些分子量特别大的物质。常见的化
合物一般由几个或几十个原子组成，分子量也在几十到几百之间。如水分子的分子量
为18、二氧化硫的分子量是44。高分子则不同，它的分子量至少要大于 1万。高分子
化合物的分子一般由几千、几万甚至几十万个原子组成，它的分子量也就是几万、几
十万、甚至以亿来计算。高分子的“高”就是指它的分子量高。
    这么多的原子是怎样聚合在一起的呢？高分子物质有个共同的结构特性，即都是
由简单的结构单元以重复的方式连接而成的。这种结构单元被称为链节。一个高分子
中链节的数目被称为聚合度。链节间连接的方式不同，所形成的高分子化合物也不同，
其性质会有很大差别。如线型高分子是由许多链节组成的长链，其连接方式就像许多
铁圈一个接一个地套起来形成一条长形链一样。在这种结构中，不仅有分子中的化学
键力的作用，还由于长链很长，分子间接触点很多。因此，分子间的范德华力也起明
显的作用。这正是高分子化合物有其特殊性能的原因。一般的小分子化合物，如我们
吃的食盐、庶糖等，几乎没有强度。但高分子化合物具有相当大的机械强度，有些甚
至超过钢铁的强度。生活中常常会见到这样的事情：一根很细的尼龙鱼线能吊起几斤
重的大鱼，而手指般粗细的尼龙绳可以吊起满载货物的大卡车。
    此外，还有支链型高分子和网形高分子。线型高分子的分子链上长出了许多枝杈
就形成支链型高分子。塑料就是这种类型的高分子。其特点是在受热时能变软，没有
确定的熔点，易于塑造成各种形状，冷却后又可变为固定形状，再加热还能熔化。这
种性质叫热塑性。
    在线型高分子链上，有些能起反应的基因跟别的单体或物质起化学反应后，分子
链间的化学链会把他们联接起来，形成的结构像渔网，被称为网状高分子；又因其结
构不只是一张网，网与网之间又相互交联，形成立体结构，所以又叫立体型高分子。
这种高分子性质奇特，它不溶于溶剂，而且一经热加工或成型后，再受热不能再熔化。
硫化橡胶就属于这一类高分子。
    高分子化合物都具有很好的电绝缘性。这是因为其化学键为共价键，不能发生电
离，没有传递电子的能力。而且，热和声也不易引起高分子的振动。因此，可用作隔
热保温或隔音材料。宇宙飞船的外层就涂有一层高分子物质。飞船在回到大气层时，
虽然其表面温度可达 5千多度，这远远超过了任何物质的熔点，但由于高分子传热性
极差，这也只能使外层高分子物质燃烧脱落。飞船本体没有受到高温的威胁，因而能
安全返回地面。
    高分子的独特而优良的性能，决定了它在工业生产和人民生活中的巨大作用。下
面将具体讨论几种类型的高分子化合物，说明其结构特性和应用价值。
    人造橡胶
    哥伦布在发现新大陆的航行中发现，南美洲土著人玩的一种球是用硬化了的植物
汁液做成的。哥伦布和后来的探险家们无不对这种有弹性的球惊讶不已。一些样品被
视为珍品带回欧洲。后来人们发现这种弹性球能够擦掉铅笔的痕迹，因此给它起了一
个普通的名字“擦子”。这仍是现在这种物质的英文名字。这种物质就是橡胶。
    1823年，一个叫麦金托什的苏格兰人在两层布之间夹上一层橡胶，做成长袍以供
雨天使用。他还为此申请了专利。现在仍然有人以他的名字称呼雨衣。
    但这种雨衣毛病太多。天热的时候它变得像胶一样粘；天冷的时候它又像皮革一
样硬。因此，如何处理天然橡胶，使它去掉上述缺点，就引起了大家的兴趣。对化学
几乎一无所知的美国人古德伊尔，全身心地投入到此项研究中。一次次的失败并没有
使他泄气。终于在1839年的某一天，在实验中，有些橡胶和硫磺的混合物无意中撒落
在火热的炉子上。他赶忙将这种混合物从炉子上刮下来。结果惊奇地发现，这种混合
物虽然仍很热，却很干燥。他又将混合物再加热和冷却，发现它既不因加热而变粘，
也不会遇冷而变硬，倒是始终柔软而富有弹性。魔术般的实验使他发明了硫化橡胶。
    那么，为什么橡胶会有弹性呢？让我们分析一下橡胶的分子结构。天然橡胶分子
的链节单体为异戊二烯。我们知道高分子中链与链之间的分子间力决定了其物理性质。
在橡胶中，分子间的作用力很弱，这是因为链节异戊二烯不易于再与其他链节相互作
用。好比两个朋友想握手，但每个人手上都拿着很多东西，因此握手就很困难了。校
胶分子之间的作用力状况决定了橡胶的柔软性。橡胶的分子比较易于转动，也拥有充
裕的运动空间，分子的排列呈现出一种不规则的随意的自然状态。在受到弯曲、拉长
等外界影响时，分子被迫显出一定的规则性。当外界强制作用消除时，橡胶分子就又
回原来的不规则状态了。这就是橡胶有弹性的原因。
    由于分子间作用力弱，分子可以自由转动，分子链间缺乏足够的联结力，因此，
分子之间会发生相互滑动，弹性也就表现不出来了。这种滑动会因分子间相互缠绕而
减弱。可是，分子间的缠绕是不稳定的，随着温度的升高或时间的推移缠绕会逐渐松
开，因此有必要使分子链间建立较强固的联接。这就是古德伊尔发明的硫化方法。硫
化过程一般在摄氏140——150度的温度下进行。当时古德伊尔的小火炉正好起了加热
的作用。硫化的主要作用，简单地说，就是在分子链与分子链之间形成交联，从而使
分子链间作用力量增强。
    橡胶用作车轮的历史不过一百余年，但人类对于橡胶的需要却日益增长。1845年
汤姆森发明了充气橡胶管套在车子上，并以此获得了专利。以前的车子都是木轮的，
或在外部加金属轮箍，但人们发现柔软的橡胶比木头和金属更加耐磨，而且减震性好，
使人们乘坐车时感到很舒适。1890年轮胎用于自行车，1895年汽车也装上了轮胎。如
此广泛的应用使天然橡胶供不应求，整个军需品生产受到很大威胁。
    面对橡胶生产的严峻形势，各国竞相研制合成橡胶。德国首先从异戊二烯中合成
了橡胶。当时的德皇威廉二世还用该橡胶制成了轮胎装在皇家汽车上，以此炫耀德国
在科技上的成就。这种合成方法有明显缺点：一是由于异戊二烯本身需从天然橡胶中
提取，自身很难合成。二是由于聚合时没有规律，制成的橡胶用不了多久就会变粘。
看来它也只能用于国事活动的皇家汽车了。只要加入合适的催化剂如稀土元素，就可
以制成甚至比天然橡胶还好的“稀土异戊橡胶”。
    一战时期的德国，在天然橡胶供应被切断后，曾制成一种叫甲基橡胶的合成橡胶，
但质量低劣，战后便被淘汰了。二战后，各种合成橡胶应运而生。如合成了用钠作催
化剂聚合丁二烯制得的丁钠橡胶、用丁二烯和苯乙烯聚合制得的丁苯橡胶、用氯丁二
烯聚合制得的氯丁橡胶等等。
    二次大战中，日本攻占了橡胶产量最大的马来西亚（虽然马来半岛并非橡胶的原
产地，但从巴西运来的种子在马来生长茂盛，而在它的原产地产量却逐年下降），对
美国的橡胶工业构成严重威胁。可是美国早有准备，在战后大力研究合成橡胶。1955
年利用齐格勒在聚合乙烯时使用的催化剂(也称齐格勒——纳塔催化剂)聚合异戊二烯。
首次用人工方法合成了结构与天然橡胶基本一样的合成天然橡胶。不久用乙烯、丙烯
这两种最简单的单体制造的乙丙橡胶也获成功。此外还出现了各种具有特殊性能的橡
胶。至此，合成橡胶的舞台上已经变得丰富多彩了。
    合成橡胶的关键是聚合反应。如何将一个个单体聚合成像胶分子呢？其中的奥秘
是游离基。什么是游离基呢?例如：乙烷分子(C２H6)是稳定的。但在某些条件下，如
受热、光或某些化学剂作用时，乙烷分子一分为二：生成的两个甲基( CH3)都带有一
个不成对的电子(也称孤电子)。带有孤电子的原子团就称为游离基，常用 R表示。游
离基性质十分活泼，极易跟别的游离基或者另外的化合物起反应。只要有一个游离基
出现，便会跟周围物质立刻发生聚合反应。通过加热不稳定的化合物如过氧化氢（H２
O２)、过硫酸钾等可以获得游离基。聚合反应一般可分为三步。第一步是链引发。先
由过氧化物产生游离基R，然后R使被合成单体的共价键打开，形成活性单体。第二步
是链增长。活性单体通过反复地、迅速地与原单体加合，使游离基的碳链迅速增长。
第三步是链终止，即在一定的条件下，当碳链聚合到一定程度时，游离基的孤电子变
为成对电子。这时游离基特性消失，链就不能再增长了。
    注意，上述过程虽有 3个步骤，但除了引发游离基较慢之外，后两步都是在一瞬
间完成的。可以说游离基一旦形成，成百成千成万个单位的双键立刻打开，相继连接
成很多个大分子。因此这也称为连锁反应。
    人工合成的橡胶在许多地方优于天然橡胶，人工仿照自然，从自然中发现规律，
最后超越自然，这正是科学技术的发展规律。
    
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