化學分子

高分子化學是研究高分子化合物的合成、化學反應、物理化學、物理、加工成型、套用等方面的一門新興的綜合性學科。

基本介紹

• 中文名：化學分子
• 外文名：Molecule
• 闡述：一門新興的綜合性學科
• 類別：學科專業
• 相關：高分子化合物的合成

化學分子起源

合成高分子的歷史不過八十年，所以高分子化學真正成為一門科學還不足六十年，但它的發展非常迅速。目前它的內容已超出化學範圍，因此，現在常用高分子科學這一名詞來更合邏輯地稱呼這門學科。狹義的高分子化學，則是指高分子合成和高分子化學反應。

人類與分子的淵源

人類實際上從一開始即與高分子有密切關係，自然界的動植物包括人體本身，就是以高分子為主要成分而構成的，這些高分子早已被用作原料來製造生產工具和生活資料。人類的主要食物如澱粉、蛋白質等，也都是高分子。只是到了工業上大量合成高分子並得到重要套用以後，這些人工合成的化合物，才取得高分子化合物這個名稱。

後來，經過研究知道，人工合成的高分子和那些天然存在的高分子，在結構、性能等方面都具有共同性，因此，就都叫做高分子化合物。工業上或實驗室中合成出來的稱為合成高分子，一般所說的高分子，大都指合成高分子，天然存在的高分子簡稱天然高分子。

分子簡介

分子的簡單定義如下：

分子被普遍認為是物質中能夠獨立存在的，相對穩定並保持該物質物理化學特性的最小單元。分子由原子構成，原子通過一定的作用力，以一定的次序和排列方式組合成為分子。

有的分子僅由一個原子構成，稱單原子分子，如氦和氬等分子屬此類，這種單原子分子既是原子又是分子。由兩個原子構成的分子稱雙原子分子，例如氧分子(O2)和一氧化碳分子(CO)：一個氧分子由兩個氧原子構成，為同核雙原子分子；一個一氧化碳分子由一個氧原子和一個碳原子構成，為異核雙原子分子。由兩個以上的原子組成的分子統稱多原子分子。分子中的原子數可為幾個、十幾個、幾十個乃至成千上萬個。例如一個二氧化碳分子(CO2)由一個碳原子和兩個氧原子構成。

因尚無真正適用的分子結構理論，複雜分子的細緻結構不能預言，只能從實驗測得。量子力學認為，原子中的軌道電子具有波動性，用數學方法處理電子駐波（原子軌道）就能確定原子間或原子團間鍵的形成方式。原子中的電子軌道在空間重疊愈多，形成的鍵愈穩定。量子力學方法是建立在實驗數據和近似的數學運算（由高速電子計算機進行運算）相結合的基礎上的，對簡單的體系才是精確的，例如對水分子形狀的預言。另一種理論是把分子看成一個靜電平衡體系：電子和原子核的引力傾向於最大，電子間的斥力傾向於最小，各原子核和相鄰原子中電子的引力也是很重要的。為了使負電中心的斥力減至最小，體系儘可能對稱的排列，所以當體系有2個電子對時，它們呈線型排列（180°）；有3個電子對時呈三角平面排列，鍵角120°（這便是化學結構式中，六邊形結構的由來）。

高分子化合物

從高分子的合成方法可以知道，合成高分子的化學反應，可以隨機地開始和停止。因此，合成高分子是長短、大小不同的高分子的混合物。與分子形狀、大小完全一樣的一般小分子化合物不同，高分子的分子量只是平均值，稱為平均分子量。 決定高分子性能的，不僅是平均分子量，還有分子量分布，即各種分子量的分子的分布情況。從其分布中可以看出，在這些長長短短的高分子的混合物中，是較長的多還是較短的多，或者中等長短的多。

高分子具有重複鏈節結構這一概念，是施陶丁格在20世紀20年代初提出的，但沒有得到當時化學界一些人的贊同。直到30年代初，通過了多次實踐，這一概念才被廣泛承認。正確概念一經成立，就使高分子有飛躍的發展。當時鏈式反應理論已經成熟，有機自由基化學也取得很大的成就。三者的結合，使高分子合成有了比較方便可行的方法。

高分子科學的興起

實踐證明，許多烯類化合物，經過有機自由基的引發，就能進行鏈式反應，迅速地形成高分子。由20世紀30年代初期到40年代初期，許多現在的通用高分子品種，都已按此方法投入工業生產。在30年代末期卡羅瑟斯又發現用縮聚方法合成高分子。後來，為了合理的加工和有效的套用，高分子結構和性能的研究工作逐漸開展，使高分子成為廣泛套用的材料。同時，一門新興的綜合性學科——高分子科學——從40年代下半期開始，蓬勃地發展起來。

高分子科學可以分為高分子化學(狹義的)、高分子物理和高分子工藝學三部分。高分子化學又分為高分子合成、高分子化學反應和高分子物理化學。高分子物理研究高聚物的聚集態結構和本體性能。高分子工藝學又分為高聚物加工成型和高聚物套用。

高分子雖然分子量很高，但是它們所具有的官能團，仍然與一般小分子有機化合物有一樣的反應性能。但其反應性能受兩種特有因素的影響：高分子是長鏈結構，這個長鏈是曲曲折折的蜷曲形。有規則的蜷曲(摺疊)形成晶態，無規則的蜷曲形成非晶態；高分子的分子與分子堆砌在一起。有規則的堆砌形成規整的晶態排列；無規則的堆砌形成非晶態。規整結構中分子排列緊密，試劑不易侵入，官能團不易起反應；不規整結構中分子排列疏鬆，試劑容易侵入，官能團容易起反應。

天然高分子的化學轉化

早在19世紀就為人們所研究和利用。1845年舍恩拜因就發現纖維素可以硝化，成為硝酸纖維素。1865年許岑貝格爾把纖維素乙醯化成為醋酸纖維素。粘膠人造絲的生產也是通過纖維素的化學變化來實現的。

高分子的化學反應，有些是破壞性的，例如高分子光降解、高分子熱降解、高分子氧化等。它們使高分子材料老化，

高分子

性能變壞，以致最後不能使用。但不少反應是有用的，甚至是重要的高分子合成方法，例如橡膠硫化成為具有彈性的橡皮；纖維素黃化，製成粘膠纖維；聚乙酸乙烯酯先水解成聚乙烯醇，再與甲醛縮合，紡成的纖維即維輪；高分子先轉化成自由基，再與另一單體形成接枝共聚物；兩種高分子鏈段用化學方法連線起來，成為嵌段共聚物。此外，還可以把某些元素或基團先接到高分子上去，再進行化學反應，反應後還可解脫，以完成某些分離、分解和合成工作，例如高子交換樹脂、固定化酶、多肽、某些激素甚至蛋白質的合成等等。 高分子鏈結構包括鏈節的化學結構，鏈節與鏈節連線的化學異構和立體化學異構、共聚物的鏈節序列、分子量及分子量分布，以及分子鏈的分支和交聯結構。

在適當情況下，這些結構相同的鏈節，正如許多相同的小分子可以整齊地排列起來成為晶體一樣，也可以局部摺疊起來成為片狀結晶態，稱為片晶。片晶又可以堆砌成球狀，稱為球晶。在高分子的分子與分子之間，相同的鏈節也可排列成為片晶，片晶再堆砌成為球晶或其他晶態；那些未摺疊起來的一部分分子是非晶態的。非晶態部分也有一定的結構。小分子化合物，要么是結晶的，要么是非晶態的；而高分子化合物，則可以一部分是晶態結構，另一部分是非晶態結構。

連結結構

高分子鏈結構是一級結構；孤立高分子鏈，即稀溶液中高分子的形態，如無規線團、螺旋、雙螺旋、剛性棒或橢球等是二級結構；三級結構指高聚物分子聚集態結構，即分子鏈與分子鏈之間的堆砌。聚集態結構隨著加工成型方法的不同而有所不同。具有聚集態結構的高分子，稱為高聚物。

多數線型高分子，可以在相應的溶劑中溶解，形成溶液。高分子溶液是真溶液，而不是以前所認為的膠體溶液。高分子是長鏈結構，在流動時能相互阻滯，因此高分子溶液是粘稠的。一般情況下，分子鏈愈長，粘度愈大。當光束通過高分子溶液時，由於高分子比較大，可以發生光的散射，分子愈大，散射愈強。

高分子遠比溶劑分子重，在超高速離心下，高分子的移動比溶劑分子快，擴散比溶劑分子慢。分子量愈大，這些區別愈明顯。利用這些高分子溶液性能，可以測定高分子的分子量。研究高分子溶液，除了能測定分子量及其分布以外，還可從溶液的各種性質推測高分子的形態結構等。

高分子與小分子不同，具有強度、模量，以及粘彈、疲勞、鬆弛等力學性能，還具有透光、保溫、隔音、電阻等光學、熱學、聲學、電學等物理性能，由於具有這些性能，高聚物可作為多種材料套用。高聚物的結構與加工成型的方法有關。因此，要取得高聚物的優良性能，必須採用適當的加工成型方式，使它形成適當的結構。例如，成纖的高聚物，在紡絲以後必須在特定溫度下進行牽伸取向，才能達到較高強度。

高聚物作為材料使用，主要可分塑膠、纖維和橡膠等，都需要加工成一定的形狀方可使用。此外，用做分離、分析材料的離子交換樹脂，在聚合過程中就可製成可使用的球形顆粒；用做油漆塗料的高聚物，只須溶在適當溶劑中，就可使用，無須加工成型。

高分子生產的迅速發展，說明了社會對它的需要量的迅速增加。高分子材料首先用作絕緣材料，用量至今還很大，特別是新型高絕緣材料。例如滌綸薄膜遠比雲母片優越；矽漆等用作電線絕紡漆，與紗包絕緣線不可相提並論。由於種種新型、優異的高分子介電材料的出現，電子工業以及計算機、遙感等新技術才能建立和發展起來。

高分子作為結構材料，在代替木材、金屬、陶瓷、玻璃等方面的套用日新月異。在農業，工業和日常用途上，它的優點很多，如質輕、不腐、不蝕、色彩絢麗等，用於機械零件、車船材料、工業管道容器、農用薄膜、包裝用瓶、盒、紙，建築用板材、管材、棒材等等，不但價廉物美，而且拼裝方便。還可用於醫療器械，家用器具，文化、體育、娛樂用品，兒童玩具等，大大豐富和美化了人們的生活。

合成纖維的優越性，如輕柔、不縐、強韌、挺括、不霉等，也為天然纖維棉、毛、絲、麻等所不及。尤其重要的是它們不與糧食爭地，一個工廠生產的合成纖維，可以相當上百萬畝農田所能生產的天然纖維。天然橡膠的生產，受地區的限制，產量也不能適應日益增長的要求。但合成橡膠不受這種限制，而且其各個品種各有比天然橡膠優良之處。

一般認為高分子材料強度不高、耐熱不好，這是從常見的塑膠得到的印象。現在最強韌的材料，不是鋼，不是釷，不是鈹，而是一種用碳纖維和環氧樹脂複合而成的增強塑膠。耐熱高分子，已經可以長期在300攝氏度下使用。

特別應當提起的是，在航天技術中，火箭或人造衛星殼體從外部空間回到大氣層時，速度高，表面溫度可達5000～10000攝氏度，沒有一種天然材料或金屬材料能經受這種高溫，但增強塑膠可以勝任，因為它遇熱燃燒分解，放出大量揮發氣體，吸收大量熱能，使溫度不致過高。同時，塑膠不傳熱，仍可保持殼體內部的人員和儀器正常工作和生活所需要的溫度。好的燒蝕材料，外層只損壞了3～4厘米，即可保全內部，完成回地任務。

弱點

不過高分子材料也有不少弱點，必須開展研究加以克服。比如易燃燒，大量使用高分子材料時，防火是一個大問題，必須使高分子不易燃燒，才能安全使用；易老化，不經久。用作建築材料，要求至少有幾十年的壽命；用於其他方面，也須有耐久性。

大量使用高分子材料時，作為廢物扔掉的高分子垃圾，不被水溶解和風化，不受細菌腐蝕，如不處理就會越積越多，成為嚴重公害。必須設法使高分子材料在使用後能適時分解消失。