高分子化学教学中无机化学知识的有效融入

王磊　汪蓓蓓　巩振虎

摘 要 高分子化学中融入了大量的无机化学知识，在高分子化学教学中，适当的引入无机化学中的相关知识，将有助于学生更好的学习高分子化学知识。文章根据教学实践，介绍了无机化学知识在自由基聚合、离子聚合以及平衡缩聚中的运用情况，取得了较好的教学效果。

关键词 高分子化学 无机化学 高职院校 教学

中图分类号：G712 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.01.044

“高分子化学”是高分子学科一门重要的专业必修课，是继无机化学、有机化学、分析化学和物理化学之后新开设的一门科学，主要研究高分子化合物的合成原理及其化学反应，该课程的学习为学好后继专业课程奠定了基础。然而，“高分子化学”由于内容抽象、概念多、公式复杂等特点，使得很多学生特别是高职院校的学生在学习该门课程时信心不足。因此，为了培养学生学习该课程的积极性和主动性，增加该课程学习的趣味性，提高该课程学习的质量，很多一线教师开始探索该课程的教学方法。其中，陈静、王小龙、何冰晶等①②③④认为，教学中不能孤立的去讲授该课程，应注重加强高分子化学知识和有机化学知识的有效衔接，取得了很好的教学效果。然而，笔者在教学中发现，对于高职院校的学生来说，无机化学知识在高分子化学学习中同样具有举足轻重的地位。文章結合作者多年的教学实践和心得，分析了无机化学知识在高分子化学教学中的运用情况，既提高了教学效果，又达到了温故而知新的目的。

1 自由基聚合

自由基聚合反应是连锁聚合反应中最重要、最典型的一种聚合反应，生活中约60%高分子材料，都是按自由基聚合反应合成的，如：PE、PP、PVC、PMMA、ABS、SBS、SBR、丁氰胶、丁苯胶等。自由基聚合反应是单体借助于光、热、辐射、引发剂等的作用，使单体分子活化为活性自由基，再与单体分子连锁聚合形成高聚物的化学反应，聚合过程见图1，也就是说，要想使单体小分子转变成高聚物，活性自由基是贯穿着整个自由基聚合反应的主线，然而，什么是自由基？自由基是怎么产生的？自由基的活性以及自由基的化学反应等问题是教学中的一个难点，学生只有掌握了自由基方面的内容，才能更好的学习接下来自由基聚合机理的问题。因此，教师上课时必须首先讲自由基知识。

自由基，化学上也称为“游离基”，是指化合物的分子在光、热等外界条件下，共价键发生断裂而形成的具有不成对电子的原子或基团。授课时，应结合无机化学知识系统的复习共价键的相关知识。共价键概念最早是由美国化学家路易斯提出的，通常是指两个原子通过共用电子对形成的化学键，而这两种原子的电负性一般相差不大。共价键可以是单键，也可以是双键和三键，根据共价键的极性情况，又可以把共价键分成极性共价键和非极性共价键，极性共价键通常是由不同原子组成的，非极性共价键通常是由同种原子组成的。当学生充分了解了共价键的相关知识后，再进一步讲清楚共价键是如何断裂形成自由基的。共价键在不同的外界条件下发生断裂的方式不同，如图2。通常共价键在光、热等的条件下易发生均裂，形成的两个原子各带有一个未成对电子，叫做自由基；在极性溶剂或者催化剂作用下易发生异裂，产生了带有不同种电荷的离子。至此，学生便了解了自由基是什么，自由基是如何产生的问题。

然而，对于一个小分子来说，共价键通常有很多个，在形成自由基的时候究竟是哪一条键发生断裂呢？即影响共价键断裂的因素是什么？此时，教师又可以展开讲授共价键断裂的因素有哪些。如此讲解，帮助学生揭开了自由基神秘的面纱，从根本上解决了学生的疑虑，对接下来的学习更有信心。

在讲授自由基聚合反应时，必须要讲到它的引发体系，其中引发剂是最常用的引发方式，要重点讲解。常用的引发剂主要有偶氮双腈类、有机过氧类、无机过氧类和氧化—还原类引发剂。对于前三种引发剂，其共价键的断裂通常发生在C-N、O-O键之间，因为相对于C-C、C-H键的键能，C-N、O-O键的键能要低很多，也就是说共价键的键能越小越易断裂，越易形成自由基。然而，含有弱键的引发剂通常要在较高的温度下才能分解成自由基，若是聚合反应要求的温度较低该怎么办呢？此时可以在过氧化物类引发剂里加入还原剂，便成了氧化—还原引发体系，这里面除了有共价键方面的知识外，还涉及到无机化学里面的氧化还原反应的相关知识。如过氧化氢和亚铁离子氧化—还原引发剂引发的方式见图3，过氧化氢是氧化剂，具有氧化性，亚铁离子是还原剂，具有还原性，两者发生了氧化还原反应。

亚铁离子把自己的一个电子给了过氧化氢，形成了氢氧根离子，本身化合价升高变成了正三价铁离子。然而，在讲授过硫酸盐和亚铁离子引发体系的时候，如图4，该引发体系产生了一个带负电荷的硫酸根自由基，这和大多数学生一贯认为自由基应该是电中性的认识是不吻合的，因此这里要结合以上自由基的知识进行拓展。自由基可以是电中性的，也可以是带电的离子，判断某种物质是不是自由基，关键是看是否存在不成对的电子。

2 离子聚合

离子聚合是另一种重要的连锁聚合方式。由于反应活性种所带电荷的不同，离子聚合可以分为阳离子聚合、阴离子聚合和配位离子聚合。⑤和自由基聚合反应不同，离子聚合对体系中的水、空气及杂质等非常敏感，且通常在低温下进行，给科学实验和工业生产增加了难度。然而，离子聚合反应在高分子合成的理论研究上和工业生产上同样具有着重要的地位，有些重要的聚合物只能使用离子聚合的方式进行合成，如热塑性弹性体SBS、聚甲醛、丁基橡胶等。因此，离子聚合也要详细讲解。

2.1 阳离子聚合

当烯类单体双键上带有推电子取代基或者具有共轭效应的基团时，该单体具有富电子性质，易被阳离子进攻，发生阳离子聚合。在讲到阳离子聚合时，阳离子引发剂既是重点，也是难点，必须好好讲。常见的阳离子引发剂通常是亲电试剂，即电子接受体，被称为广义上的“酸”。当让学生回顾“酸”的知识的时候，多数学生一脸茫然，可能是对之前所学的酸的概念记得不是很清楚了。因此，这里必须要先帮助学生回顾无机化学中酸的知识。酸碱质子理论认为，凡是能给出H+的物质都是酸，如HClO4、H2SO4 HCl、H3PO4等，这些酸在溶液中会离解成质子氢，从而引发单体聚合。但是质子酸反离子亲核能力较强，在聚合过程中容易和活性中心结合导致反应提前结束，一般不能得到高聚物。酸碱电子理论认为，酸是任何可以接受电子对的分子或离子，由于该理论是美国化学家G.N.Lewis提出的，将此类酸称为Lewis酸，如BF3、TiCl4、SnCl4、AlCl3等。Lewis酸中除了少数能单独引发聚合外，大多数Lewis酸需要和能够提供质子或者碳阳离子的物质一同引发聚合，称为助引发剂，如水、醇、氢卤酸等。BF3和助引发剂水的作用如图5，可以看出BF3中的B的空轨道接受了水的OH中的O提供的孤对电子而形成的离子对。当讲清楚酸的相关知识后再学习阳离子聚合引发体系内容，学生会更容易接受。

2.2 阴离子聚合

当烯类单体双键上连接吸电子基团或者具有共轭效应的基团时，该单体易于被阴离子引发剂进攻，发生阴离子聚合。阴离子聚合的引发剂通常为有机金属化合物、碱金属、碱金属—芳烃配合物、醇的碱金属化合物等。在讲授阴离子聚合的引发剂时应带学生回顾无机化学中关于碱的知识。酸碱电子理论认为，凡是能给出电子的物质都为碱，又称为亲核试剂，如K、Na、LiR 、RMgX、RONa等。此时教师可以列举几个碱引发单体的反应式，并详细讲解电子转移的情况。和其它的聚合反应不同，阴离子聚合应选择和单体活性相匹配的引发剂，引发剂的碱性越大，活性越大。那么究竟如何判断某种物质的碱性大小呢？需要带学生复习无机化学中关于碱相对强弱的知识。

3 逐步聚合

和连锁聚合反应不同，逐步聚合反应无特定的活性中心，而缩聚反应是逐步聚合反应中的一个重要聚合反应方式。书中讲到，线性缩聚反应一个重要的特征就是具有平衡性，其反应程度可用平衡常数K表示。什么是反应的平衡性？平衡常数K如何表示？需要首先带领学生熟悉无机化学中关于化学平衡的相关知识。当某一化学反应在同一条件下，既能向正反应方向进行又能向逆反应方向进行，称为可逆反应，当正、逆反应速率相等时，系统处于平衡状态。以聚酯的平衡缩聚反应为例，如下：

设反应开始时-COOH和-OH的总数各位N0，达到平衡时未反应的官能团数各位N，反应中生成的水为N水，则有平衡常数K为：

= （1）

在一定的温度下，K的值是一定的，由式（1）可知，为了保证平衡缩聚反应向形成聚合物的方向顺利进行，必须在反应过程中不断移去小分子物质，即无机化学中的吕查德里原理。

4 结束语

综上所述，“高分子化学”课程中涉及到较（下转第135页）（上接第92页）多的无机化学知识，因此，若要使学生能够更好的掌握和理解该课程内容，进一步激发学习的兴趣和动力，教师在授课中及时的引导学生回顾无机化学中的知识点，并加以拓展和利用是相当必要的。

基金项目：2015年安徽省职业与成人教育学会课题“高职院校自主招考形势下的《高分子化学》课程教学研究”（BCB15025）

注释

① 陈静，侯文华.高分子化学教学中有机化学知识的融通实践[J].大学化学，2013.28（3）：19-23.

② 何冰晶，蒋华江，王庆丰，等.有机化学知识在高分子化学教学中的应用[J].高分子通報，2011（3）：105-108.

③ 张高文，龚兴厚，李学锋.《高分子化学》聚合机理教学中有机化学知识的衔接利用[J].高分子通报，2013（8）：76-78.

④ 王小龙，何乃普，王九思.《高分子化学》教学中有机化学知识的有效利用探索[J].高分子通报，2009（11）：62-65.

⑤ 徐玲.高分子化学[M].北京：中国石化出版社，2012：1-15.