高分子化学课程教学探讨范文

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《兰州文理学院学报》2017年第6期

[摘要]高分子化学课程是高分子材料与化工专业的专业基础课，涵盖内容多，需要合理安排教学，运用其他课程知识，用学生容易接受的实例解释理论问题，能够增强学生学习的兴趣，达到较好的讲授效果。

[关键词]高分子化学；教学；实例

高分子化学课程是高分子材料与化工专业的专业基础课，是研究高分子化合物的合成原理和化学反应的科学。学生应具备一定的无机化学、有机化学、物理化学和概率论与数理统计知识才能学好该课程。国内高校多采用潘祖仁先生主编的国家级优秀教材高分子化学[1-2]，对这门课的掌握程度，影响后续课程的学习。因此学生一般比较重视[3]。但对于初学者来说，认为该课程的内容较多，比较分散，系统性不强，有些知识点理解不透。

1高分子化学的课程特点

高分子化学主要介绍高分子的合成原理及高分子的化学反应，合成原理以聚合反应动力学为主线，衍生到聚合速率和分子量，而这二个指标正是工业生产控制的主要工艺参数，再通过聚合理论方程，讨论温度、介质、单体、引发剂等对聚合的影响。对于连锁聚合，每一种聚合机理都有特殊的引发体系，因此引发剂或引发体系也是高分子化学的重点内容之一。最后一章，聚合物的化学反应，主要介绍聚合物化学反应特征、聚合物的基团反应及接枝、扩链、交联、降解和老化，提出促使降解或防止老化的途径。有学者总结高分子化学课程有“五多”的特点，即内容多、概念多、头绪多、关系多和数学推导多[4]。该课程专业理论性强，概念复杂，抽象难懂，一定程度上影响了学生的学习兴趣[5]。

2课程知识点浅析

该课程序论中，除了介绍高分子化合物的基本概念、命名、发展历程及结构方面的基本知识外，重点介绍分子量。高分子的分子量大且具有一定的分布是高分子化合物的主要特点，其作为材料的力学性能主要由分子量及其分布决定。该部分内容介绍，需使学生明白高分子的分子量与小分子的相对分子质量的区别。缩合和逐步聚合反应中，首先通过二种双官能团单体参与的线形缩聚过程示例，第一步反应，得到二聚体，第二步反应可以得到三聚体、四聚体，此时体系中含有一、二、三、四聚体的分子，第三步聚合，体系中可能含有八、七、六、五、四等聚体，假若反应就此终结，体系中产物的聚合度不同，由此使同学们很容易理解聚合反应得到的产物即聚合物，分子量存在一定的分布。同时自然引入官能团等活性概念，才能从纷乱的聚合反应中抽取出本质特征，用一个速率常数描述同种官能团的反应特征。在课程体系中，活性中心等活性概念是高分子化学的基本思想，因此要借助实验数据进行例证，分子碰撞理论进行阐释。还需要明晰N0和N的含义。有二个相同的羟基，肯定体系中存在另一个分子含有二个羧基，因此平均每个分子链含有一种基团；对于均缩聚，更是如此。这点一定让同学理解，因为后面的理论方程推导要不断用到。另外，反应程度p是一个非常重要的概念和度量，定义为参与反应的基团数(N0－N)占起始基团数N0的分数[2]，代表某种基团的转化率，反映了聚合反应的反应进程。缩聚反应中产物分子量分布，Flory利用统计法，根据等活性概念假设，以双官能团单体均缩聚为例，形成x-聚体每个键的成键几率为p，分子末端一个不成键几率为(1-p)，推导了线形缩聚的分子量分布关系[2]。实质上，每一个键的成键几率不同，按照反应程度概念，应该是随着聚合度增大，p增大，为了处理简便，等同化，根据乘法原理，即得x-聚体的数量分布函数。后面自由基聚合、共聚合、离子聚合和配位聚合，都属于连锁或链式聚合机理，聚合一般都包含链引发、链增长、链终止和链转移几个基元反应。首先，要有活性中心的形成，进行链引发反应；正是根据其活性中心的不同，将其分为以上自由基聚合、离子聚合等。

有关其机理及分子结构的形成，与有机化学中的空间位阻效应、共轭效应有关。聚合动力学与物理化学知识有关，需要同学学前不妨复习下以前学过的有关内容。对于自由基聚合，介绍其英文词汇为Radical，含有“激进、活泼”之意，故可以作为活性中心，故教材中一般用R•表示，黑点代表单电子。聚合物中单元结构主要在链增长阶段完成，故链增长过程直接影响聚合物分子结构。①键接结构。增长过程中，结构单元间的连接存在“头—尾”、“头—头”(或“尾—尾”)两种可能形式，一般以头－尾结构为主。原因是以尾－尾连接，活化能大。列举生活中的实例，如小轿车、“和谐号”动车车头，都采用流线型，头部体积较小，阻力较小。微观上的化学反应也遵循同样道理。②立体构型。自由基上C为SP2杂化，与单体作用时既可从上方也可从下方进行作用，自由基聚合物分子链上取代基在空间的排布是无规的，但从空间位阻考虑，无规结构中，间同结构略占优势。③几何构型。双烯类单体，还存在几何异构，倾向于形成反式结构，都可以根据空间位阻进行解释。这样同学就容易理解高分子结构比较复杂的特性。另外自由基聚合的引发效率，主要是①诱导分解。诱导分解实际上是自由基向引发剂的转移反应，也就是说，自由基诱使引发剂分解，消耗掉引发剂，作无用功，故使引发效率降低。②笼蔽效应，主要指溶液聚合中，引发剂分子处于溶剂的包围中而不能发挥作用，可以想象，引发剂分子周围存在一层层的溶剂分子和单体分子相隔的球形包围圈(好像笼子一样)，初级自由基遇到单体，直接作用，形成单体自由基，若遇到溶剂分子，不能作用，被弹回，有可能与下一个初级自由基结合，甚至与溶剂分子结合，使引发剂分子白白消耗，引发效率降低，称为笼蔽效应。由此派生出单体的活性与浓度、体系粘度和引发剂浓度，都影响引发效率，使同学将知识学通、学活。自由基共聚合中，关于链自由基的活性，一般认为带有共轭取代基的链自由基稳定，同学不易理解，以射击为例，若自由基上存在共轭基团，单电子不再归属于某个原子，离域程度大，行踪不定，这样用枪瞄准难度增加。单体相当于枪，就不易和它反应，故该类自由基活性差。

若链自由基带有非共轭取代基，其单电子位置固定，活动空间小，容易瞄准击中，即容易和单体发生反应，该类自由基活性高。烯类单体的离子聚合中，单体适宜于进行阳离子聚合还是阴离子聚合，主要取决于单体的结构，考虑取代基的诱导效应和工轭效应。带有π-π共轭体系的单体都能进行阴离子聚合。如果取代基具有吸电子性质，更易进行阴离子聚合。因为吸电子基降低双键上电子云密度，有利于阴离子进攻，并使形成的碳阴离子的电子云密度分散而稳定。而具有推电子取代基的烯类单体可进行阳离子聚合，因为推电子取代基增大了双键上电子云密度，有利于阳离子进攻，并使形成的碳阳离子的正电性降低而稳定。苯乙烯，丁二烯等含有共轭体系的单体，由于其π电子云的流动性强，易诱导极化，能进行阳离子、阴离子或自由基聚合。阴离子的活性聚合在理论上和实际应用中具有重要意义，要让学生明白活性聚合的原因、应用价值。配位聚合，要重新复习下无机化学中的配合物知识，其引发体系中，过渡金属为中心原子，它提供空轨道，烯类单体作为配体在空轨道上活化、按照一定的方向或方式进行配位、插入到增长链中，因此所得产物立构规整度一般较高。聚合物的化学反应，是聚合物改性、扩大聚合物品种的手段之一。接枝、交联等使聚合物分子量增大，降解、老化使聚合物分子量降低。用鲜活的实例向同学介绍，这样学生学习时不觉得生硬，便于接受。

3结语

作为一名高校教师，能够将复杂的原理讲解得浅显易懂，抽象的理论能够结合现实生活具体化、简单化，语言生动，课堂气氛活跃，学生对所讲内容有强烈的兴趣，这门课程的授课质量才有保证。

参考文献

[1]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．

[2]潘祖仁．高分子化学(第五版)[M]．北京：化学工业出版社，2011．

[3]王国建．《高分子化学》课程教学体会点滴[J]．高分子通报，2012(11)：97-100．

[4]陈传祥．金属材料工程专业高分子化学教学改革探索[J]．化工高等教育，2007(2)：37-39．

[5]郝智，伍玉娇，罗筑．高分子化学课程教学改革与实践初探[J]．高分子通报，2012(5)：116-118．

作者：廖肃然；迟长龙 单位：河南工程学院