高分子化合物的概念与结构

高分子化合物的概念与结构

在这个科技的时代，“高分子”一词大家都有所耳闻，那么高分子究竟是一种什么样的物质呢？首先它是一种有机物，是由碳、氢、氧、硅、硫等元素组成的相对分子质量足够高的有机化合物，之所以称为高分子，就是因为它的相对分子质量高。常用高分子材料的相对分子质量在几百到几百万之间，高相对分子质量对化合物性质的影响就是使它具有一定的强度，从而可以作为材料使用。这也是高分子化合物不同于一般化合物之处。又因为高分子化合物一般具有长链结构，每个分子都好像一条长长的线，许多分子纠集在一起，就成了一个扯不开的线团，这就是高分子化合物具有较高强度，可以作为结构材料使用的根本原因。另一方面，人们还可以通过各种手段，用物理的或化学的方法，或者使高分子与其他物质相互作用后产生物理或化学变化，从而使高分子化合物成为能完成特殊功能的功能高分子材料。

高分子化合物有天然高分子，如棉花、羊毛；人工合成高分子，如塑料、橡胶合成纤维以及合成橡胶等。

在通常情况下，由单体分子经加聚或缩聚反应得到的高分子聚合物都是线型长链状化合物，如聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙－66、涤纶等。有的线型高分子在长链上可带有支链，例如聚甲基丙烯酸甲酯长链上带有支链。当长链状高分子还带有其他官能团时，分子链之间可以通过官能团发生化学反应，形成化学键使分子链交联起来，构成体型网状高分子。因此合成高分子的结构大体有三种：线型长链状不带支链的、带支链的和体型网状的。这就是高分子的三种结构。线型高分子可呈蜷曲、弯折或呈螺旋状，加热可熔化，也可溶于有机溶剂，易于结晶，合成纤维和大多数塑料都是线型高分子。支链高分子在很多性能上与线型高分子相似，但支链的存在使高分子的密度减小，结晶能力降低。体型高分子具有不熔化、耐热性高和刚性好的特点，适用作工程和结构材料。

合成高分子的主链主要是碳链（－C－C－），就是碳原子之间依靠共价键结合起来的。单键可以自由旋转，使线型长链高分子在旋转的影响下，整个分子保持直线状态的几率甚微。事实上线型长链高分子由于单键的可旋转性而处于自然蜷曲的状态，分子纠缠在一起，因而具有可柔性。当有外力作用在分子上，蜷曲的分子可以被拉直，但外力一除去，分子又恢复到原来的蜷曲状态，因此合成高分子都有一定的弹性。

高分子物质是非晶态的，这是由于合成高分子都是长链大分子，且处于自然的蜷曲状态，所以不容易排列整齐成为周期性的晶态结构。与小分子不同，合成高分子不容易形成完整的晶体。然而在局部范围内，分子链有可能排列整齐，形成结晶态，即所谓短程有序。因此在高分子晶体中往往含有晶态部分和非晶态部分，故常用结晶度来衡量整个高分子中晶态部分所占的比例。晶态高分子的耐热性和机械强度一般要比非晶态高分子高，而且还有一定的熔点，所以要提高高分子的这些性质，就要设法提高高分子的结晶度。

高分子结构具有不均一性、多分散性的特点，这与小分子结构是完全不同的。小分子的结构是确定的，相对分子质量也是确定的。但对合成高分子来说，每个独立的高分子只要聚合度n确定了，相对分子质量也就确定了。但在聚合反应中，得到的聚合物不是均一的，而是不同聚合度的高分子的混合物，因此在这种情况下无法确定高分子的相对分子质量。实验测定高分子的相对分子质量，只是试样中聚合度大小不一的高分子相对分子质量的统计平均结果而已。

在自然界中，一切物质的性质都是由结构决定的，合成高分子的结构特点，造就了合成高分子物质具有热塑性、热固性、耐磨性、绝缘性、相对密度小、强度高等特殊的性质。

由于长链型高分子在加热时，分子受热不均匀；导致有的部分已受热，有的部分受热少，甚至还有一部分没有受热。因此高分子加热后不是马上熔化变成液体，而是先经历一个软化过程再变为液体。当然，这是外因的作用，分子内部不均匀，也是使得高分子受热不均的另一个重要的原因。液体冷却后，变硬成为固体，再次加热，它又能软化、流动。线型高分子的这种性质称为热塑性，它不但使高分子材料便于加工，而且还可以多次重复操作。线型高分子都具有热塑性，加热软化后可以加工成为各种形状的塑料制品，也可制纤维，加工非常方便。

有机物质的单体进行聚合反应时，首先形成线型高分子，在某种条件下分子链之间发生交联由线型高分子转变为体型高分子。体型高分子加热后不会熔化或流动，当加热到一定温度时体型高分子的结构遭到破坏，这种性质称为热固性。因此，体型高分子一旦加工成型后，不能通过加热重新回到原来的状态。

由于在合成高分子中C、H、O、N、S及卤素等元素为主要元素，因此比金属材料轻得多。一般高分子相对密度在1～2之间，最轻的聚丙烯塑料，相对密度只有0．91；泡沫塑料的相对密度只有0．01，比水轻100倍，是非常好的救生材料。高分子材料相对密度小，但强度高，有的工程塑料的强度超过钢铁和其他金属材料。例如玻璃的强度比合金钢的强度大1．7倍，比铝的强度大1．5倍，比钛钢的强度大1倍。由于质轻、强度高、耐腐蚀、价廉，所以高分子材料在不少场合已逐步取代金属材料的位置，全塑汽车的问世就是典型的例子。高分子材料为什么有这样高的强度呢？高分子的相对分子质量大，分子中原子数目多，且分子链彼此缠绕在一起的，因此分子链之间原子的接触点就非常多，相互间的作用力也就非常的大。这种作用力称为分子间作用力或称范德华力。如果具备形成氢键的条件，分子链之间还可形成氢键。高分子中存在强大的分子间作用力是高分子材料具有高强度的主要原因。

由于高分子的分子链在组成一个可看得见的高分子物体的时候，分子是缠绕在一起的，因此许多分子链上的基团被包在里面，当有试剂分子加入时，只有露在外面的基团容易与试剂分子作用，而被包在里面的基团不易反应，所以高分子化合物的化学反应性能较差，对化学试剂显得比较稳定。高分子具有耐酸、耐腐蚀等特性，著名的“塑料王”聚四氟乙烯，即使把它放在王水中煮也不会变质，其耐酸程度远超过金。聚四氟乙烯是优异的耐酸、耐腐蚀材料。

高分子中的分子链是其中的原子以共价键相互结合起来的，所以分子既不能电离，也不能在结构中传递电子，具有高度的绝缘性能，电线的包皮、电插座等都是用塑料制成。此外，高分子对多种射线如α、β、γ和X等射线有抵抗能力，可以抗辐射。

由于高分子的相对分子质量特别大，命名就显得有些困难；为了既体现高分子的结构，又能有一个合理的名称；一般是在单体前加“聚”字，如聚乙烯、聚氯乙烯等。体后面加“树脂”二字，如本醇醛树脂、醇酸树脂等。有机高分子的结构与小分子有很大的不同。单个高分子是由一个个链节连接起来的，成千上万的链节常常连成一条长链。

在所有的高分子物质中，最普通、最重要的结构是长链状的——即人们发现的高分子的线型结构。例如，聚乙烯、聚氯乙烯的长链就是由C—C键连接的，淀粉和纤维素的长链则是由C—C键和C—O键相连接的。可以想象，当这种多条高分子链聚集在一起时，相互间的缠绕使得许多分子间接触的地方以分子间作用力而紧密结合，这就使高分子材料的强度大大增加，相对分子质量越大，相互作用的分子间力就越强。线型结构的高分子，可以不带支链，也可以带支链。除具有线型高分子的长链状结构外，长链之间通过化学键产生交联，形成网状结构。