高分子化學教學中無機化學知識的有效融入

王磊　汪蓓蓓　鞏振虎

摘 要 高分子化學中融入了大量的無機化學知識，在高分子化學教學中，適當的引入無機化學中的相關知識，將有助于學生更好的學習高分子化學知識。文章根據教學實踐，介紹了無機化學知識在自由基聚合、離子聚合以及平衡縮聚中的運用情況，取得了較好的教學效果。

關鍵詞 高分子化學 無機化學 高職院校 教學

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.01.044

“高分子化學”是高分子學科一門重要的專業必修課，是繼無機化學、有機化學、分析化學和物理化學之后新開設的一門科學，主要研究高分子化合物的合成原理及其化學反應，該課程的學習為學好后繼專業課程奠定了基礎。然而，“高分子化學”由于內容抽象、概念多、公式復雜等特點，使得很多學生特別是高職院校的學生在學習該門課程時信心不足。因此，為了培養學生學習該課程的積極性和主動性，增加該課程學習的趣味性，提高該課程學習的質量，很多一線教師開始探索該課程的教學方法。其中，陳靜、王小龍、何冰晶等①②③④認為，教學中不能孤立的去講授該課程，應注重加強高分子化學知識和有機化學知識的有效銜接，取得了很好的教學效果。然而，筆者在教學中發現，對于高職院校的學生來說，無機化學知識在高分子化學學習中同樣具有舉足輕重的地位。文章結合作者多年的教學實踐和心得，分析了無機化學知識在高分子化學教學中的運用情況，既提高了教學效果，又達到了溫故而知新的目的。

1 自由基聚合

自由基聚合反應是連鎖聚合反應中最重要、最典型的一種聚合反應，生活中約60%高分子材料，都是按自由基聚合反應合成的，如：PE、PP、PVC、PMMA、ABS、SBS、SBR、丁氰膠、丁苯膠等。自由基聚合反應是單體借助于光、熱、輻射、引發劑等的作用，使單體分子活化為活性自由基，再與單體分子連鎖聚合形成高聚物的化學反應，聚合過程見圖1，也就是說，要想使單體小分子轉變成高聚物，活性自由基是貫穿著整個自由基聚合反應的主線，然而，什么是自由基？自由基是怎么產生的？自由基的活性以及自由基的化學反應等問題是教學中的一個難點，學生只有掌握了自由基方面的內容，才能更好的學習接下來自由基聚合機理的問題。因此，教師上課時必須首先講自由基知識。

自由基，化學上也稱為“游離基”，是指化合物的分子在光、熱等外界條件下，共價鍵發生斷裂而形成的具有不成對電子的原子或基團。授課時，應結合無機化學知識系統的復習共價鍵的相關知識。共價鍵概念最早是由美國化學家路易斯提出的，通常是指兩個原子通過共用電子對形成的化學鍵，而這兩種原子的電負性一般相差不大。共價鍵可以是單鍵，也可以是雙鍵和三鍵，根據共價鍵的極性情況，又可以把共價鍵分成極性共價鍵和非極性共價鍵，極性共價鍵通常是由不同原子組成的，非極性共價鍵通常是由同種原子組成的。當學生充分了解了共價鍵的相關知識后，再進一步講清楚共價鍵是如何斷裂形成自由基的。共價鍵在不同的外界條件下發生斷裂的方式不同，如圖2。通常共價鍵在光、熱等的條件下易發生均裂，形成的兩個原子各帶有一個未成對電子，叫做自由基；在極性溶劑或者催化劑作用下易發生異裂，產生了帶有不同種電荷的離子。至此，學生便了解了自由基是什么，自由基是如何產生的問題。

然而，對于一個小分子來說，共價鍵通常有很多個，在形成自由基的時候究竟是哪一條鍵發生斷裂呢？即影響共價鍵斷裂的因素是什么？此時，教師又可以展開講授共價鍵斷裂的因素有哪些。如此講解，幫助學生揭開了自由基神秘的面紗，從根本上解決了學生的疑慮，對接下來的學習更有信心。

在講授自由基聚合反應時，必須要講到它的引發體系，其中引發劑是最常用的引發方式，要重點講解。常用的引發劑主要有偶氮雙腈類、有機過氧類、無機過氧類和氧化—還原類引發劑。對于前三種引發劑，其共價鍵的斷裂通常發生在C-N、O-O鍵之間，因為相對于C-C、C-H鍵的鍵能，C-N、O-O鍵的鍵能要低很多，也就是說共價鍵的鍵能越小越易斷裂，越易形成自由基。然而，含有弱鍵的引發劑通常要在較高的溫度下才能分解成自由基，若是聚合反應要求的溫度較低該怎么辦呢？此時可以在過氧化物類引發劑里加入還原劑，便成了氧化—還原引發體系，這里面除了有共價鍵方面的知識外，還涉及到無機化學里面的氧化還原反應的相關知識。如過氧化氫和亞鐵離子氧化—還原引發劑引發的方式見圖3，過氧化氫是氧化劑，具有氧化性，亞鐵離子是還原劑，具有還原性，兩者發生了氧化還原反應。

亞鐵離子把自己的一個電子給了過氧化氫，形成了氫氧根離子，本身化合價升高變成了正三價鐵離子。然而，在講授過硫酸鹽和亞鐵離子引發體系的時候，如圖4，該引發體系產生了一個帶負電荷的硫酸根自由基，這和大多數學生一貫認為自由基應該是電中性的認識是不吻合的，因此這里要結合以上自由基的知識進行拓展。自由基可以是電中性的，也可以是帶電的離子，判斷某種物質是不是自由基，關鍵是看是否存在不成對的電子。

2 離子聚合

離子聚合是另一種重要的連鎖聚合方式。由于反應活性種所帶電荷的不同，離子聚合可以分為陽離子聚合、陰離子聚合和配位離子聚合。⑤和自由基聚合反應不同，離子聚合對體系中的水、空氣及雜質等非常敏感，且通常在低溫下進行，給科學實驗和工業生產增加了難度。然而，離子聚合反應在高分子合成的理論研究上和工業生產上同樣具有著重要的地位，有些重要的聚合物只能使用離子聚合的方式進行合成，如熱塑性彈性體SBS、聚甲醛、丁基橡膠等。因此，離子聚合也要詳細講解。

2.1 陽離子聚合

當烯類單體雙鍵上帶有推電子取代基或者具有共軛效應的基團時，該單體具有富電子性質，易被陽離子進攻，發生陽離子聚合。在講到陽離子聚合時，陽離子引發劑既是重點，也是難點，必須好好講。常見的陽離子引發劑通常是親電試劑，即電子接受體，被稱為廣義上的“酸”。當讓學生回顧“酸”的知識的時候，多數學生一臉茫然，可能是對之前所學的酸的概念記得不是很清楚了。因此，這里必須要先幫助學生回顧無機化學中酸的知識。酸堿質子理論認為，凡是能給出H+的物質都是酸，如HClO4、H2SO4 HCl、H3PO4等，這些酸在溶液中會離解成質子氫，從而引發單體聚合。但是質子酸反離子親核能力較強，在聚合過程中容易和活性中心結合導致反應提前結束，一般不能得到高聚物。酸堿電子理論認為，酸是任何可以接受電子對的分子或離子，由于該理論是美國化學家G.N.Lewis提出的，將此類酸稱為Lewis酸，如BF3、TiCl4、SnCl4、AlCl3等。Lewis酸中除了少數能單獨引發聚合外，大多數Lewis酸需要和能夠提供質子或者碳陽離子的物質一同引發聚合，稱為助引發劑，如水、醇、氫鹵酸等。BF3和助引發劑水的作用如圖5，可以看出BF3中的B的空軌道接受了水的OH中的O提供的孤對電子而形成的離子對。當講清楚酸的相關知識后再學習陽離子聚合引發體系內容，學生會更容易接受。

2.2 陰離子聚合

當烯類單體雙鍵上連接吸電子基團或者具有共軛效應的基團時，該單體易于被陰離子引發劑進攻，發生陰離子聚合。陰離子聚合的引發劑通常為有機金屬化合物、堿金屬、堿金屬—芳烴配合物、醇的堿金屬化合物等。在講授陰離子聚合的引發劑時應帶學生回顧無機化學中關于堿的知識。酸堿電子理論認為，凡是能給出電子的物質都為堿，又稱為親核試劑，如K、Na、LiR 、RMgX、RONa等。此時教師可以列舉幾個堿引發單體的反應式，并詳細講解電子轉移的情況。和其它的聚合反應不同，陰離子聚合應選擇和單體活性相匹配的引發劑，引發劑的堿性越大，活性越大。那么究竟如何判斷某種物質的堿性大小呢？需要帶學生復習無機化學中關于堿相對強弱的知識。

3 逐步聚合

和連鎖聚合反應不同，逐步聚合反應無特定的活性中心，而縮聚反應是逐步聚合反應中的一個重要聚合反應方式。書中講到，線性縮聚反應一個重要的特征就是具有平衡性，其反應程度可用平衡常數K表示。什么是反應的平衡性？平衡常數K如何表示？需要首先帶領學生熟悉無機化學中關于化學平衡的相關知識。當某一化學反應在同一條件下，既能向正反應方向進行又能向逆反應方向進行，稱為可逆反應，當正、逆反應速率相等時，系統處于平衡狀態。以聚酯的平衡縮聚反應為例，如下：

設反應開始時-COOH和-OH的總數各位N0，達到平衡時未反應的官能團數各位N，反應中生成的水為N水，則有平衡常數K為：

= （1）

在一定的溫度下，K的值是一定的，由式（1）可知，為了保證平衡縮聚反應向形成聚合物的方向順利進行，必須在反應過程中不斷移去小分子物質，即無機化學中的呂查德里原理。

4 結束語

綜上所述，“高分子化學”課程中涉及到較（下轉第135頁）（上接第92頁）多的無機化學知識，因此，若要使學生能夠更好的掌握和理解該課程內容，進一步激發學習的興趣和動力，教師在授課中及時的引導學生回顧無機化學中的知識點，并加以拓展和利用是相當必要的。

基金項目：2015年安徽省職業與成人教育學會課題“高職院校自主招考形勢下的《高分子化學》課程教學研究”（BCB15025）

注釋

① 陳靜，侯文華.高分子化學教學中有機化學知識的融通實踐[J].大學化學，2013.28（3）：19-23.

② 何冰晶，蔣華江，王慶豐，等.有機化學知識在高分子化學教學中的應用[J].高分子通報，2011（3）：105-108.

③ 張高文，龔興厚，李學鋒.《高分子化學》聚合機理教學中有機化學知識的銜接利用[J].高分子通報，2013（8）：76-78.

④ 王小龍，何乃普，王九思.《高分子化學》教學中有機化學知識的有效利用探索[J].高分子通報，2009（11）：62-65.

⑤ 徐玲.高分子化學[M].北京：中國石化出版社，2012：1-15.