划时代的材料高分子化合物

1 2 3 4 5 下一页 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、二氧化碳的分子量是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、蔗糖等，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。橡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。
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