構象概念主線在高分子物理課程中的實踐探討*

孫鵬飛，范曲立

(南京郵電大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210003)

高分子概念的提出只有100多年的歷史，經過百年歷史的發展高分子學科已經占據了化學學科的半壁江山，同時高分子材料在人們的日常生活中也占據及其重要的地位。在高分子學科的發展及建立過程中，高分子物理是極其重要的一部分。在高分子物理中主要講述高分子與其他分子或材料的本質物理學行為的區別。同樣，由于高分子物理行為與小分子的不同也使其學習較為枯燥、困難[1-3]。前人多年的高分子物理教學實踐中發現高分子物理的學習中存在一條主線，即高分子鏈的構象。高分子物理的每一章節幾乎都與構象概念緊密相關[4-5]。如何將構象這條珍珠串連在高分子物理的教學過程中使用好，學習在逐步的學習及最后的復習中認識清楚是高分子物理課程能否講好的關鍵點。

1 構象概念及在高分子物理中的串聯作用

構象概念來源于有機化學，其表示原子或原子基團由于圍繞單鍵不斷進行內旋而產生的空間分布。小分子中分子的長度較小這種單鍵的內旋轉不會對其性質產生重要影響。而在高分子中分子量高達上萬甚至上百萬，這種構象的變化就會對高分子材料的性質產生重要的影響。因此，在高分子物理的各個章節均與構象概念相關，如在遠程結構部分主要討論的是理想高分子鏈中構象行為，使理想高分子的均方末端距符合高斯分布并形成無規線團的概念；高分子的運動部分也涉及高分子鏈中鏈段和整條鏈的運動；高分子溶液中高分子的溶解過程及混合熱的推導也是和高分子鏈的構象相關；在熱塑性塑料的應力-應變曲線中冷拉階段高分子鏈的構象變化與高彈態即有關又存在區別。所以在高分子物理的教學過程中應該緊緊抓住高分子鏈的構象變化這條主線，并在每章節的教學過程中讓學生理解構象行為在各個章節的異同之處。

下面筆者將以構象主線的教學過程舉幾個實例講述在教學過程中的運用。

2 遠程結構中的構象及柔順性

我們知道，高分子長鏈中單鍵的內旋轉使高分子鏈的構象及形態發生了巨大變化，雖然高分子鏈構象的變化不會破壞化學鍵，然而其轉換需要外界能量。在高分子物理的遠程結構章節，為表征高分子鏈的大小在高分子物理中引入了均方末端距的概念，為表征高分子鏈構象變化的能力引入了柔順性的概念。這兩個概念即分離又相互依存，在教學過程中需要學生理解兩者之間的聯系和區別。針對理想的高分子鏈不考慮單鍵旋轉的位能差，這樣單鍵的選裝可以使高分子鏈一直處于形態的變化之中，通過幾何推導方法推算出理想高分子鏈的均方末端距。真實的高分子鏈單鍵的內旋轉是存在位壘的，雖然高分子可能存在的形態會有減少，但仍是非常大的一個數目，同時真實高分子鏈構象相對于理想高分子鏈的均方末端距就會增大[6]。

在教學中需要通過高分子鏈的形態數目來表示構象的變化，使學生將高分子鏈的均方末端距、柔順性和外界的環境相聯系。特別是柔順性表示的真實高分子鏈的構象變化能力，需要學生理解這種變化能力即是構象數目的多少也是單鍵內旋轉能力的大小。在此次，還需要強調高分子鏈的運動是和外界條件相依存的，當外界熱量比較高的時候高分子鏈容易運動，這樣高分子鏈的柔順性就好，高分子鏈可以形成的構象數也就越多。在此外特別需要向學生強調是末端距更多的是從整條高分子鏈的角度出發看待問題，而討論高分子鏈的化學機構對柔順性影響的時候則更多是從高分子鏈的內部出發看待問題。

3 不同狀態的下的高分子鏈構象

在高分子的遠程章節，學生學習了高分子的構象，但此次的構象更多的是針對理想高分子鏈，在真實的各種物理狀態中高分子鏈的構象則更加復雜，并且又相互依存。高分子溶液的章節，高分子溶液中高分子處于外界的溶劑分子的包圍中，雖然在教學過程中主要講述高分子鏈的溶解過程及溶解過程的熱力學變化。筆者認為，在此章節也必須向學生強調高分子溶液中的構象行為，如在理想溶液中高分子鏈的構象和理想的高分子鏈形式是一致的，也可以說是接近理想高分子鏈的無規線團形式，當在不良溶劑中高分子鏈則更傾向于收縮狀態，量溶劑是高分子鏈則是擴展狀態，這里看待高分子鏈的時候不應該過渡的考慮分子鏈的運動，而應該關注整個高分子鏈的大小。與高分子溶液相反，在結晶高分子中構象則關注的是高分子鏈的局部狀態，結晶高分子中高分子鏈的各個連接或者鏈段是固定的(以鋸齒狀態或螺旋鏈存在)，是高分子鏈中單鍵的內旋轉被阻止。如果從高分子鏈的整體看待，高分子則不是全部卷曲在一起，而是保持高分子溶液或熔融狀態的無規線團狀態。

4 高分子運動及力學狀態中的構象

高分子材料之所以能夠應用到我們日常生活的各種場所，根源就來自隨著高分子的種類不同和高分子隨外界環境如溫度、外力的改變，其能夠表現出不同的微觀構象的變化，并表現出宏觀的行為狀態及行為的變化。在高分子物理中主要有兩個章節設計設計高分子鏈與溫度和外力因素的關系。在高分子鏈的運動章節(形變-溫度曲線)中高分子力學特征即會隨外界溫度的不斷升高，高分子的狀態依次經歷玻璃態-橡膠態-粘流態。如何讓學生理解三種狀態的本質區別是學生理解的關鍵。在玻璃態的高分子材料主要可以作為塑料使用，這種狀態高分子鏈的運動以側基等小運動單位為主，所以材料表現為虎克彈性形變，表現為堅硬的材料。當到達高彈態時，高分子鏈中的鏈段可以運動，這樣高分子構象的變化就越為劇烈，材料就變得柔軟可以作為橡膠使用。溫度繼續升高到粘流態使整個高分子鏈都可以發生運動，高分子鏈的構象變化就更為活躍、同樣也變得更為復雜，高分子材料表現為可以流動的液體狀態。

高分子鏈的構象變化在單獨的章節內需要講述，同樣也需要跨章節進行講述。和應變-溫度曲線相對于的是塑料的斷裂-屈服章節的應力-應變曲線。在應變較小時高分子材料表現為虎克彈性行為，表觀為熱塑性的塑料，在這個狀態高分子鏈的運動單元為側基等小運動單元。但高分子材料發生屈服以后高分子材料進入冷拉階段，這個時候高分子鏈的運動單元也變成了鏈段，這個和高彈態是一樣的，并有專業的名稱叫強迫高彈態。在教學中應該給學生同時講述兩個章節的兩個曲線變化。這樣學生就能夠理解同樣的高分子鏈的運動和構象的變化是來源于溫度的升高和外界的拉力。

5 高分子流動狀態的構象

前面部分討論的是高分子鏈在靜止狀態的構象，當高分子鏈在溶液狀態或者熔融狀態整體高分子鏈開始發生運動，所以看待高分子鏈的構象時應該把高分子鏈看成一個整條，但又不能因為高分子鏈整體是運動的而忽略高分子鏈內部的單鍵內旋轉。如高分子溶體屬于非牛頓流體，在外力作用下流動時會發生可回復的彈性形變也能發生永久的粘性形變。這部分對學生講述時需要強調把高分子鏈看成一條線，拉伸后發生了類似于液體的粘性流動，但高分子鏈不是單純的一條線，高分子鏈內部還存在單鍵的內旋轉，高分子還是傾向與回縮，這樣就給高分子熔體或溶體帶來了彈性。同樣在高分子的粘彈性行為是也需要給學生強調高分子鏈構象的變化。

6 結 語

高分子鏈的構象來源于單鍵的內旋轉，而高分子鏈的構象又不局限于單鍵的內旋轉，更多的是表現為這種旋轉對整體高分子鏈的運動及整體的狀態的影響。所以在高分子物理的教學過程中不能把各個章節的內容孤立開來，應該在講述的過程中緊緊抓住高分子鏈的構象概念及變化展開。在學生對高分子物理進行復習時不要只是通過死記硬背各個孤立的知識點，也需要通過構象把整本書串起來。