高分子化學(xué)課程教學(xué)探討范文

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《蘭州文理學(xué)院學(xué)報(bào)》2017年第6期

[摘要]高分子化學(xué)課程是高分子材料與化工專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，涵蓋內(nèi)容多，需要合理安排教學(xué)，運(yùn)用其他課程知識(shí)，用學(xué)生容易接受的實(shí)例解釋理論問(wèn)題，能夠增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，達(dá)到較好的講授效果。

[關(guān)鍵詞]高分子化學(xué)；教學(xué)；實(shí)例

高分子化學(xué)課程是高分子材料與化工專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是研究高分子化合物的合成原理和化學(xué)反應(yīng)的科學(xué)。學(xué)生應(yīng)具備一定的無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)和概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)才能學(xué)好該課程。國(guó)內(nèi)高校多采用潘祖仁先生主編的國(guó)家級(jí)優(yōu)秀教材高分子化學(xué)[1-2]，對(duì)這門課的掌握程度，影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。因此學(xué)生一般比較重視[3]。但對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，認(rèn)為該課程的內(nèi)容較多，比較分散，系統(tǒng)性不強(qiáng)，有些知識(shí)點(diǎn)理解不透。

1高分子化學(xué)的課程特點(diǎn)

高分子化學(xué)主要介紹高分子的合成原理及高分子的化學(xué)反應(yīng)，合成原理以聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為主線，衍生到聚合速率和分子量，而這二個(gè)指標(biāo)正是工業(yè)生產(chǎn)控制的主要工藝參數(shù)，再通過(guò)聚合理論方程，討論溫度、介質(zhì)、單體、引發(fā)劑等對(duì)聚合的影響。對(duì)于連鎖聚合，每一種聚合機(jī)理都有特殊的引發(fā)體系，因此引發(fā)劑或引發(fā)體系也是高分子化學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容之一。最后一章，聚合物的化學(xué)反應(yīng)，主要介紹聚合物化學(xué)反應(yīng)特征、聚合物的基團(tuán)反應(yīng)及接枝、擴(kuò)鏈、交聯(lián)、降解和老化，提出促使降解或防止老化的途徑。有學(xué)者總結(jié)高分子化學(xué)課程有“五多”的特點(diǎn)，即內(nèi)容多、概念多、頭緒多、關(guān)系多和數(shù)學(xué)推導(dǎo)多[4]。該課程專業(yè)理論性強(qiáng)，概念復(fù)雜，抽象難懂，一定程度上影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[5]。

2課程知識(shí)點(diǎn)淺析

該課程序論中，除了介紹高分子化合物的基本概念、命名、發(fā)展歷程及結(jié)構(gòu)方面的基本知識(shí)外，重點(diǎn)介紹分子量。高分子的分子量大且具有一定的分布是高分子化合物的主要特點(diǎn)，其作為材料的力學(xué)性能主要由分子量及其分布決定。該部分內(nèi)容介紹，需使學(xué)生明白高分子的分子量與小分子的相對(duì)分子質(zhì)量的區(qū)別。縮合和逐步聚合反應(yīng)中，首先通過(guò)二種雙官能團(tuán)單體參與的線形縮聚過(guò)程示例，第一步反應(yīng)，得到二聚體，第二步反應(yīng)可以得到三聚體、四聚體，此時(shí)體系中含有一、二、三、四聚體的分子，第三步聚合，體系中可能含有八、七、六、五、四等聚體，假若反應(yīng)就此終結(jié)，體系中產(chǎn)物的聚合度不同，由此使同學(xué)們很容易理解聚合反應(yīng)得到的產(chǎn)物即聚合物，分子量存在一定的分布。同時(shí)自然引入官能團(tuán)等活性概念，才能從紛亂的聚合反應(yīng)中抽取出本質(zhì)特征，用一個(gè)速率常數(shù)描述同種官能團(tuán)的反應(yīng)特征。在課程體系中，活性中心等活性概念是高分子化學(xué)的基本思想，因此要借助實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行例證，分子碰撞理論進(jìn)行闡釋。還需要明晰N0和N的含義。有二個(gè)相同的羥基，肯定體系中存在另一個(gè)分子含有二個(gè)羧基，因此平均每個(gè)分子鏈含有一種基團(tuán)；對(duì)于均縮聚，更是如此。這點(diǎn)一定讓同學(xué)理解，因?yàn)楹竺娴睦碚摲匠掏茖?dǎo)要不斷用到。另外，反應(yīng)程度p是一個(gè)非常重要的概念和度量，定義為參與反應(yīng)的基團(tuán)數(shù)(N0－N)占起始基團(tuán)數(shù)N0的分?jǐn)?shù)[2]，代表某種基團(tuán)的轉(zhuǎn)化率，反映了聚合反應(yīng)的反應(yīng)進(jìn)程。縮聚反應(yīng)中產(chǎn)物分子量分布，F(xiàn)lory利用統(tǒng)計(jì)法，根據(jù)等活性概念假設(shè)，以雙官能團(tuán)單體均縮聚為例，形成x-聚體每個(gè)鍵的成鍵幾率為p，分子末端一個(gè)不成鍵幾率為(1-p)，推導(dǎo)了線形縮聚的分子量分布關(guān)系[2]。實(shí)質(zhì)上，每一個(gè)鍵的成鍵幾率不同，按照反應(yīng)程度概念，應(yīng)該是隨著聚合度增大，p增大，為了處理簡(jiǎn)便，等同化，根據(jù)乘法原理，即得x-聚體的數(shù)量分布函數(shù)。后面自由基聚合、共聚合、離子聚合和配位聚合，都屬于連鎖或鏈?zhǔn)骄酆蠙C(jī)理，聚合一般都包含鏈引發(fā)、鏈增長(zhǎng)、鏈終止和鏈轉(zhuǎn)移幾個(gè)基元反應(yīng)。首先，要有活性中心的形成，進(jìn)行鏈引發(fā)反應(yīng)；正是根據(jù)其活性中心的不同，將其分為以上自由基聚合、離子聚合等。

有關(guān)其機(jī)理及分子結(jié)構(gòu)的形成，與有機(jī)化學(xué)中的空間位阻效應(yīng)、共軛效應(yīng)有關(guān)。聚合動(dòng)力學(xué)與物理化學(xué)知識(shí)有關(guān)，需要同學(xué)學(xué)前不妨復(fù)習(xí)下以前學(xué)過(guò)的有關(guān)內(nèi)容。對(duì)于自由基聚合，介紹其英文詞匯為Radical，含有“激進(jìn)、活潑”之意，故可以作為活性中心，故教材中一般用R•表示，黑點(diǎn)代表單電子。聚合物中單元結(jié)構(gòu)主要在鏈增長(zhǎng)階段完成，故鏈增長(zhǎng)過(guò)程直接影響聚合物分子結(jié)構(gòu)。①鍵接結(jié)構(gòu)。增長(zhǎng)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)單元間的連接存在“頭—尾”、“頭—頭”(或“尾—尾”)兩種可能形式，一般以頭－尾結(jié)構(gòu)為主。原因是以尾－尾連接，活化能大。列舉生活中的實(shí)例，如小轎車、“和諧號(hào)”動(dòng)車車頭，都采用流線型，頭部體積較小，阻力較小。微觀上的化學(xué)反應(yīng)也遵循同樣道理。②立體構(gòu)型。自由基上C為SP2雜化，與單體作用時(shí)既可從上方也可從下方進(jìn)行作用，自由基聚合物分子鏈上取代基在空間的排布是無(wú)規(guī)的，但從空間位阻考慮，無(wú)規(guī)結(jié)構(gòu)中，間同結(jié)構(gòu)略占優(yōu)勢(shì)。③幾何構(gòu)型。雙烯類單體，還存在幾何異構(gòu)，傾向于形成反式結(jié)構(gòu)，都可以根據(jù)空間位阻進(jìn)行解釋。這樣同學(xué)就容易理解高分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的特性。另外自由基聚合的引發(fā)效率，主要是①誘導(dǎo)分解。誘導(dǎo)分解實(shí)際上是自由基向引發(fā)劑的轉(zhuǎn)移反應(yīng)，也就是說(shuō)，自由基誘使引發(fā)劑分解，消耗掉引發(fā)劑，作無(wú)用功，故使引發(fā)效率降低。②籠蔽效應(yīng)，主要指溶液聚合中，引發(fā)劑分子處于溶劑的包圍中而不能發(fā)揮作用，可以想象，引發(fā)劑分子周圍存在一層層的溶劑分子和單體分子相隔的球形包圍圈(好像籠子一樣)，初級(jí)自由基遇到單體，直接作用，形成單體自由基，若遇到溶劑分子，不能作用，被彈回，有可能與下一個(gè)初級(jí)自由基結(jié)合，甚至與溶劑分子結(jié)合，使引發(fā)劑分子白白消耗，引發(fā)效率降低，稱為籠蔽效應(yīng)。由此派生出單體的活性與濃度、體系粘度和引發(fā)劑濃度，都影響引發(fā)效率，使同學(xué)將知識(shí)學(xué)通、學(xué)活。自由基共聚合中，關(guān)于鏈自由基的活性，一般認(rèn)為帶有共軛取代基的鏈自由基穩(wěn)定，同學(xué)不易理解，以射擊為例，若自由基上存在共軛基團(tuán)，單電子不再歸屬于某個(gè)原子，離域程度大，行蹤不定，這樣用槍瞄準(zhǔn)難度增加。單體相當(dāng)于槍，就不易和它反應(yīng)，故該類自由基活性差。

若鏈自由基帶有非共軛取代基，其單電子位置固定，活動(dòng)空間小，容易瞄準(zhǔn)擊中，即容易和單體發(fā)生反應(yīng)，該類自由基活性高。烯類單體的離子聚合中，單體適宜于進(jìn)行陽(yáng)離子聚合還是陰離子聚合，主要取決于單體的結(jié)構(gòu)，考慮取代基的誘導(dǎo)效應(yīng)和工軛效應(yīng)。帶有π-π共軛體系的單體都能進(jìn)行陰離子聚合。如果取代基具有吸電子性質(zhì)，更易進(jìn)行陰離子聚合。因?yàn)槲娮踊档碗p鍵上電子云密度，有利于陰離子進(jìn)攻，并使形成的碳陰離子的電子云密度分散而穩(wěn)定。而具有推電子取代基的烯類單體可進(jìn)行陽(yáng)離子聚合，因?yàn)橥齐娮尤〈龃罅穗p鍵上電子云密度，有利于陽(yáng)離子進(jìn)攻，并使形成的碳陽(yáng)離子的正電性降低而穩(wěn)定。苯乙烯，丁二烯等含有共軛體系的單體，由于其π電子云的流動(dòng)性強(qiáng)，易誘導(dǎo)極化，能進(jìn)行陽(yáng)離子、陰離子或自由基聚合。陰離子的活性聚合在理論上和實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義，要讓學(xué)生明白活性聚合的原因、應(yīng)用價(jià)值。配位聚合，要重新復(fù)習(xí)下無(wú)機(jī)化學(xué)中的配合物知識(shí)，其引發(fā)體系中，過(guò)渡金屬為中心原子，它提供空軌道，烯類單體作為配體在空軌道上活化、按照一定的方向或方式進(jìn)行配位、插入到增長(zhǎng)鏈中，因此所得產(chǎn)物立構(gòu)規(guī)整度一般較高。聚合物的化學(xué)反應(yīng)，是聚合物改性、擴(kuò)大聚合物品種的手段之一。接枝、交聯(lián)等使聚合物分子量增大，降解、老化使聚合物分子量降低。用鮮活的實(shí)例向同學(xué)介紹，這樣學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)不覺得生硬，便于接受。

3結(jié)語(yǔ)

作為一名高校教師，能夠?qū)?fù)雜的原理講解得淺顯易懂，抽象的理論能夠結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活具體化、簡(jiǎn)單化，語(yǔ)言生動(dòng)，課堂氣氛活躍，學(xué)生對(duì)所講內(nèi)容有強(qiáng)烈的興趣，這門課程的授課質(zhì)量才有保證。

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作者：廖肅然；遲長(zhǎng)龍 單位：河南工程學(xué)院