![]() |
学习小专题 |
版权申明:凡是署名为“化学自习室”,意味着未能联系到原作者,请原作者看到后与我联系(邮箱:79248376@qq.com)!
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。
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。
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?
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。
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。
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。
人造橡胶
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。
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。
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。
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。
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(H2O2)、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。
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。
淀粉是人们熟悉的东西。你知道它的分子式吗?它是一种高分子化合物。纤维素和淀粉的分子式是一样的,性质可就大不相同了。植物的枝干主要是由纤维素组成的,它们只能用来烧火,人是吃不下去的。这是什么原因呢?我们知道,淀粉和纤维素的分子都是由许多萄葡糖单位联接而成的,但联接方式都不同。葡萄糖分子可以正着看(以u表示),也可以倒着看(以n表示),淀粉分子可以由葡萄糖分子按“……uuuuuu…”的图式缩合而成,而纤维分子则按“…ununun…”的方式缩合而成。这种结构上的差异决定了两者性质上的巨大差异。人类的消化液中含有能使淀粉的“uu”键分解的消化酶,因此能够从淀粉中获得葡萄糖;但同样的酶对纤维素的“un”键却无能为力。实际上没有一种高等生物能够消化纤维素,倒是有些微生物,如寄生在反刍动物和白蚁肠道中的微生物却能做到这一点。也多亏了这些不起眼的助手,使让我们受益非浅的牛能吃草而生存,使让我们狼狈不堪的白蚁能靠啃木头而活命。?纤维素虽不能吃,用途却很大。棉麻纤维素可以用来织布做衣。但它的光泽没有蚕丝织品好。这是因为蚕丝是蛋白质,棉麻是纤维素。影响色泽的主要因素还在其结构形状。蚕丝的形状是圆筒状的,而绵纤维则呈扁平卷曲状。因此用一定的工业方法处理棉纱,就可使它有了丝的光泽。这种方法一般称为丝光处理。经丝光处理过后的棉纱就称为丝光棉。但是这种布料下水洗上几次就变了,光泽也就失去了。
在焦木素溶于乙醇和乙醚的混合物中,帕克斯加入一种樟脑一类的物质,然后蒸发,得到坚硬固状物。其加热后会变得柔软而富有韧性,可以模塑成各种需要的形状,冷却和变硬之后仍保持这种形状,乒乓球和画图用的三角板等都是这样制得的。
人类很早就开始养蚕取丝了。这项了不起的成就归属于中华民族。有资料证明五千年前中国人就开始养蚕。蚕是蛾的幼虫,只靠桑叶为食,其饲养过程精细而复杂。养蚕对于西方一直是神秘的,直到公元 550年,有人偷偷地将蚕种带到君士坦丁堡,欧洲才开始生产蚕丝。蚕丝织成的布虽然华丽,但价格昂贵,人们一直试图图寻找合适的替代品。1889年,席尔顿用硝酸纤维素制得了第一种人造丝。这种丝同蚕丝相比,虽然光泽相似,但却不如蚕丝纤细、柔韧。蚕丝的主要成份是蛋白质,蛋白质也是一种高分子化合物。
尼龙的强度很高,直径 1毫米的细丝就可以吊起一百公斤的东西。尼龙耐污、耐腐蚀的性能也很好。因此,尼龙一问世就受到了全世界的瞩目。二战期间美国陆军收购了全部尼龙产品,用以制造降落伞和百余种军事装备。而1940年尼龙长筒女袜刚一投放市场就轰动了世界,4天之内四百万双袜子一抢而空。
那么,合成纤维是如何制造的?以尼龙为例,我们可以看到,尼龙的学名是聚酰胺纤维,由己二酸和己胺缩合而成。一般来说,两个或多个有机化合物分子放出水、氨、氯化氢等简单分子而生成较大分子的反应,叫做缩合聚合。尼龙是由几个己二胺和几个己二酸失掉n-1个水分子缩合成聚酰胺纤维,我们称之为尼龙—— 66,其中一个6表示己二胺分子的6个碳原子,另一个6代表己二酸的6个碳原子。
人们首先提出了缨状微束结构理论。这一理论认为,由于分子间的强大压力,纤维分子有规则整齐的排列的部分被称为结晶部分(晶区);分子链间其他弯曲的运动比较自由的部分称为非晶部分(非晶区),这部分没有规则排列。从整体上看,晶区湮没于非晶区的海洋中。然而,1957年人们发现聚乙烯分子可以有完全规则的排列,能够形成100%的结晶,使这个理论受到严重挑战。因此,人们又相继提出樱状原纤维结构理论和多相结构理论。
然而,合成纤维制品也有许多不尽人意之处。例如,尼龙衣服穿在身上不能吸收皮肤蒸发出来的水分,会使人觉得很不舒服。可见,合成纤维的性能有待于进一步提高。
也许是因为塑料制品在日常生活中太普遍了,大家对塑料一词熟悉得不能再熟悉了。从字面上理解,塑料指所有可以塑造的材料。但我们所说的塑料,单指人造塑料,也就是用人工方法合成的高分子物质。其实,正是因为有了这种物质,才有了塑料一词。
使塑料从化学实验室中的珍品一跃而成为公众关注的对象,是塑料被引入台球室这一戏剧性事件引发的。以前的台球是用象牙做的,象牙只能来源于死了的大象,数量自然非常有限。19世纪60年代初,有人悬赏 1万美元征求台球的最好代用品。1869年,美国的海厄特利用“赛璐璐”制出了廉价台球,从而赢得了这笔奖金。从此,赛璐璐被用来制造各种物品,从儿童玩具到衬衫领子中都有赛璐璐。它还用来做胶状银化合物的片基,这就是第一张实用照相底片。但是由于赛璐璐中含硝酸根,极易着火,而引起火灾。
到了20世纪30年代,人们发现乙烯在高温高压下能形成很长的链。这是因为乙烯中两个碳原子间的双键在高温下有一个键会打开并与相邻分子连接,这样多次重复,就形成了聚乙烯。聚乙烯是一种石腊状物质,像石腊一样,呈暗白色,有滑腻感,对电绝缘而且防水,但比石腊更坚固柔软。遗憾的是,用高温高压方法制造的聚乙烯有一重大缺陷,它的熔点太低,大约等同水的沸点。只要接近熔点温度,它便开始变软而无法工作。其原因是碳链上含有分支,不能形成结晶点阵。
从前,聚合物链的形成是听其自然的,化学家们无法左右最终产物的结构。现在,运用齐格勒——纳塔催化剂,完全可以按照需要者的要求来设计大分子的结构。由于这项了不起的贡献,齐格勒和纳塔获得了1963年的诺贝尔化学奖。
塑料有许多众所周知的特性。第一,它比较轻。这是相对于金属和有机玻璃而言的。它轻的原因不是因为它是高分子化合物,而是因为它们是有机化合物,即由碳、氢、氧、氮等较轻的元素组成的。第二,塑料不会腐烂也不会生锈。原因也很简单。腐烂是仅见于有机物的现象。腐烂需要水,而塑料根本不吸水;腐烂需要微生物的帮助,而现在还没有发现哪一种微生物是要吃塑料的。同时,既然水不能浸润塑料,塑料上便不会有电流通过发生反应;空气中的氧也很难与塑料发生反应。因此,生锈也是不可能的。但是,这一性质也给人类带来一个严重的问题:由于塑料不易腐烂,大量的塑料废弃无法被自然界吸收、分解,从而造成一定程度的环境污染。可见,如果能造出在一定条件下易于腐烂的塑料,将是有益而有价值的。
塑料不导电,可以用作绝缘材料。也因为它不导电,它积贮的电荷却能吸附灰尘,所以有时也很惹人讨厌。塑料不仅具有上述特性,而且由于它是一种高分子化合物,因而还有一些特殊的性质,如可加工性和高强度。
塑料有不同的强度。一般来说,塑料的分子量越高,其变形就愈困难。也就是说它的强度越高。这是因为决定高分子物质强度的主要是分子间力。分子链越长,分子间作用点越多,链与链之间就易发生滑动或断裂,这种物质就不易被拉断。
高分子家族的后来者——功能高分子
离子交换树脂的重要用途之一是提纯物质。水是人类生活和生产上十分重要的物质。但自然界的水中含有多种无机盐、酸和碱等。如井水及河水内含有钙、镁等酸式碳酸盐、硫酸盐等。含有这些盐的水叫做硬水。海水中含有大量食盐。锅炉若用天然水,由于水在变成蒸汽的过程中,水中溶解的盐越积越多,沉积在锅炉内壁形成水垢。水垢传热性很差,不仅浪费燃料,还会引起锅炉爆炸。去掉水中盐分的一般方法是在水中加药剂,或把水加热蒸留来除去钙、镁杂质。这些方法或者容易引起产生另外的杂质,或者太费燃料。总之,不让人满意。现在改用离子交换树脂处理工业用水,效果就好得多。
离子交换技术还可以用于海水淡化,并且应用于医学研究领域。如果人体内胃酸过多,就会引起胃炎、胃溃疡和十二脂溃疡等疾病。若在食物中加些离子交换树脂,胃酸就可以减少。在1955年以前人们还无法贮存一定的备用血液以供急需,因为血液里含有微量钙盐,离开人体后很快就会凝固。用离子交换树脂处理过的血液清除了钙盐,从而可以长期保存。
医用功能高分子必须具有与所修复或代替的人体器官相应的功能。如作为人工肾脏的材料,要求所用的高分子膜对物质有选择透过性;人工肺用膜要求对氧气和二氧化碳有很好的透过性,而用来做人工神经的材料,就必须有导电性。还有其他总的要求,如不能被人体内酸、碱、酶所腐蚀,也不会在体内导致任何炎症等。
现在的药物不论是天然的还是人工合成的,几乎都是小分子化合物。如今,科研人员从药物的“分子设计”出发,已经合成了具有药效的高分子化合物。这些药物毒性小,疗效较高,进入体内能有效地到达患病部位,释放药物缓慢,具有长期疗效。
人体细胞中的脱氧核糖核酸,即DNA又是什么呢?它是一种高分子,是由脱氧核糖分子联接而成的双链结构。现代生物学已经找到某些方法来控制和改变某些生物体中DNA 的合成。也许在将来的某一天,人类将会成功地造成各种各样的“人”。但这也许不是件值得庆贺的事,它带来的灾祸可能会远远大于其科学价值。
我们在生活中,会遇到形形色色的橡胶制品:扎小辫儿的皮筋,去铅笔迹的橡皮擦,上体育...
(一) 拯救沙漠的汲水树脂 在埃及泥罗河地中总参西的广大地区,分布着绵延数百千米的...
每个塑料容器都有一个小小身份证——一个三角形的符号,一般就在塑料容器的底部。三角...
平日里人们都很重视一天要喝多少水,可是很少有人注意过用来装水的瓶子,这些装水的瓶...
每个塑料容器都有一个小小身份证一个三角形的符号,一般就在塑料容器的底部。三角形里...
杜拜一个十二岁的女童,因为连续十六个月使用同一个矿泉水瓶,她得了癌...