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趣话高分子——高分子到底是何方神圣?

本文来自Chem-Station日文版 高分子ってよく聞くけど、何がすごいの? Monica

翻译投稿 炸鸡 校对 肥猫

笔者写这篇文章的初衷是让更多人知道高分子是种多么神奇的物质!

大家都知道我们身边的许多东西都是由高分子制成的,可以说我们被高分子围绕着。我们穿在身上的衣服的材质大多都是涤纶、丝绸、木棉、尼龙之类的高分子。甚至我们的肉,生鱼片,芋头也都是高分子。我们里也都是高分子,地板,墙壁,天花板,榻榻米,混凝土,油漆,都是高分子。别忘了,连我们自己——我们的身体也都是由非常精细的高分子所构成。当然,高分子渗透的不仅仅是人类领域,还有动物领域。狗也好,猫也好,杉树也好,蚕也好,所有的生物都是由高分子构成的。高分子囊括了我们的衣食住行,连动植物(当然也包括我们人类)都是由高分子构成的,所以高分子不可谓不是一门深奥的学问。为了让读者们领略高分子的神奇之处,下面就由我来带大家走进高分子的世界。

目录

1.先来看看非高分子

2.高分子也太强了吧

3.高分子受热&溶解性

4.高分子的神奇之处绝不止此

1.先来看看非高分子

虽然笔者马上要带你们进入高分子世界了,笔者上文说到高分子是类神奇的物质,它无处不在,但那些非高分子到底长什么样呢,下面就让我们来看一下非高分子吧。

从名字我们可以想象出来非高分子就是低分子了。低分子家族也很庞大,比如空气中的氮气,氧气,以及水,硫酸,汽油,盐,砂糖等都属于低分子(图1)。从化学角度来解释,由低于100个原子组成的分子量为100左右分子称为“低分子”,由1000个以上的原子组成的分子量在10000以上的分子称为“高分子”(图2)。但是说到底高分子又是由低分子构成。比如人体肌肉的组成成分——蛋白质就是由氨基酸这样的低分子组成。尼龙当初上市时是以“由石墨,水,空气组成的但是确比钢铁还要硬,细过蛛丝”作为广告标语。那么低分子和高分子之间的界限在哪儿呢?其实界限并不是明确,为了方便起见,我们把分子量超过10,000的分子当作高分子。这里的高分子分子量指的是表观平均分子量,比如一堆分子混合物中有分子量为9990和11000的分子,这堆混合物的平均分子量大概在10000以上,那么我们就把这一堆分子混合物统称为高分子。我们可以不必过多纠结高分子的定义,因为比起高分子的定义,高分子的性质才是最为重要的,这引申出了我们今天的主题:高分子到底厉害在什么地方。那么高分子都具有什么样的性质呢?

图1 我们身边的高分子和低分子

图2. 高分子和低分子之间的差异

2.高分子也太强了吧 1)

在上文中笔者给大家介绍的低分子——水,水在0℃结冰,在100℃时沸腾。当水被电解时会按一定比例分解出氧气和氢气,工业上也用电解水来制取氧气和氢气。由此可见,低分子都是由一定比例的原子组成的。并且低分子都能在一定的温度下溶解,融化或沸腾。说的更具体一点吧,不同压力下低分子会有不同的沸点,低分子对不同的溶剂比如水或苯表现出不同的溶解程度:是勉强能溶解还是很轻易就溶解,最多能溶解多少量的低分子,这些性质都说的是物质的溶解难易程度,我们把物质的溶解难易程度称之为溶解度。盐也好砂糖也好,都是低分子,放入水中的话,能溶解并变成具有一定浓度的混合溶液。

但对于高分子来说情况就不同了。把高分子溶解就好比努力把一片树叶溶解一样,我们是很难把高分子轻易溶解于某一溶剂中的,即便把温度升高也无济于事;高分子也不会变成液体,也不会在某一温度下沸腾(图3,图4)。这就是高分子的厉害之处说明高分子的耐热性和不易溶解这方面非常厉害!)。这就是高分子和低分子的性质差异所在,所以高分子能在我们的日常生活中扮演多个角色。

在天然存在的高分子中,蛋白质,核酸,多糖等在生物体内合成的生物高分子承担着维持形态,控制生物体内的化学反应,传递遗传信息等作用,这些生物高分子支持着生命体的功能。如果这些生物高分子在某个温度下就融化或是温度升高一点就蒸发,沾点水就溶解的话这些高分子就不会聚集在一起了。所以包括人类在内的动植物能够由高分子构成。在此笔者不由赞叹造物主之伟大。人类模仿造物主的神技就造出了高分子,我们生活中不可或缺的尼龙和聚酯就是人类合成出的人工光高分子。关于为什么高分子不表现出与低分子相同的熔点和沸点,也不表现出溶解性质,下一章会直截了当地告诉大家。

图3. 低分子和高分子的耐热性

 图4. 低分子和高分子的溶解性

3.高分子也太强了吧 2)

首先从热力学性质方面说高分子的过人之处。低分子一般有三种形态:固态,液态,气态。拥有融点和沸点。但对于高分子而言,则观测到了其他的热力学性质。大致可以归纳为玻璃态,橡胶态,液态这三态。

这里插播句题外话,高分子分为分子链不规则排列所形成的非结晶性高分子和分子链规则排列形成的可以变成晶体形态的结晶性高分子。对低分子而言,无论分子是大还是小,分子的结构都不复杂,所以所有的低分子的分子排列都是规则的,所有低分子都可以变成结晶。但对高分子而言,分子链都极其长且分子量分布广,所有的分子链都整整齐齐排列在一起显然是不可能办到的(图4)。如果读者难以理解,那就请想象一下让几百人甚至几千人排好队站整齐是多么困难,几百人几千人就像高分子。因此高分子分为结晶区和非结晶区。

图5 低分子和高分子

接近玻璃态的固体受热时,在一定温度下,非晶区的分子链首先开始部分运动。分子链的部分运动称为微布朗运动,此时的温度称为玻璃化转变温度(Tg)。虽然温度上升,分子链的运动开始变得剧烈,但各个分子所仍然缠绕在一起,所以肉眼看来整个物质仍然呈现出固体状态。我们把此时高分子的状态称之为橡胶态,温度如若继续升高至结晶融点,那么高分子就会变为液体(图6)。人们正是利用了高分子的这一特性,使高分子在特定的温度下不变成气体或是液体。

图6. 高分子的玻璃化转变温度

那么高分子的溶解性能赋予高分子什么样的使用优势呢?首先,让我们比较一下频繁用作服装纤维的纤维素和构成纤维素的重复单元葡萄糖。葡萄糖分子之间形成氢键,具有规则排列的晶体结构,但这种氢键并不强。一旦溶于水,分子就会和水形成更强的氢键,结晶就被破坏了,结晶就溶解于水中了。而纤维素是葡萄糖脱水缩合生成的高分子,并不溶于水。因为纤维素分子的高分子链是规则排列的,所以这些高分子链之间形成了强烈的分子间相互作用力,且分子链上有亲水性高的羟基,水也无法破坏这种强大的分子间相互作用(图7)。高分子这些不溶于水的性质得以让我们不至于一沾雨或是下水游泳就被溶解了。

图7. 葡萄糖和纤维素3)4)

4.高分子的神奇之处绝不止此

当然,仅仅是热行为和溶解性的性质并不意味着高分子具有重要的功能。高分子强大的功能来源还包括机械强度,橡胶弹性,重量轻,抗冲击性,透明度,吸水性和保水性等各种各样的性质。我们能用眼睛看到世界,能乘坐汽车和飞机,都是因为高分子的这些性质。

在下一篇文章中,我想详细解释我在这里没有说完的高分子的其他神奇之处,即高分子的结构和合成。

参考文献

1)神原周, 高分子の世界, コロナ社, 1961, p1~8

2)小澤美奈子, 高分子学会編 基礎高分子科学, 東京化学同人, 2016, p2~9

3)グルコース: 主要なエネルギー源となる糖 (ultrabem.com)

4)セルロース | 構造生物薬学 (iwate-med.ac.jp)

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