有机化学材料
“高分子”这一专业名词的概念，会使许多人感到陌生、遥远。其实，高分子就在我们每一个人的身边。人们的衣食住行都离不开高分子，甚至人们自身的肌体也是由大量的高分子组成的。
也许，你不太相信。那么，当我们看一下所穿的衣服，不外乎是棉麻、丝毛、尼龙、的确良等纤维构成；吃的食物，如米、面、豆、肉、蛋中都含有大量淀粉、蛋白质；建房子用的木料，屋内摆设的木质家具是植物纤维构成的，而有些灯具等是塑料制品；交通工具使用的轮胎、穿的球鞋、雨衣是橡胶制品……而所有这些都是高分子物质。由此可见高分子物质在我们日常生活中的重要地位。
虽然高分子物质的应用如此广泛，但人工合成高分子化合物，还是20世纪的事。历史表明，新型材料的每一次出现都促进了人类文明的巨大飞跃。如从石器时代到青铜时代再到铁器时代，都是以新型材料的出现和使用为标志的。在科学技术突飞猛进的当代，人工合成纤维、合成橡胶和塑料等种种新型材料的问世，对人们的社会生产和日常生活产生了更加重大而深远的影响。
一、人造橡胶
大家都知道哥伦布是著名的探险家，是新大陆的发现者；他也是橡胶的发现者，当他的航船到了南美洲，发现当地的土著人玩的一种球是用硬化了的植物汁液做成的。哥伦布和后来的探险家们对这种带有弹性的小球起了莫大的兴趣，像珍品一样的带回本国。后来人们又发现这种弹性球能够擦掉铅笔的痕迹，因此给它起了一个普通的名字“擦子”，这种物质就是橡胶。
1823年，一个叫麦金托什的苏格兰人在两层布之间夹上一层橡胶，做成长袍以供雨天使用，为此他申请了专利。这也是雨衣的雏形。
由于当时对橡胶的特性还不是非常的了解，导致这种雨衣的缺点太多。天热的时候它变得像胶一样粘；天冷的时候它又像皮革一样硬。因此，如何处理天然橡胶，使它去掉上述缺点，激发了许多人的兴趣。其中对化学几乎一无所知的美国人古德伊尔，却全身心地投入到此项研究中。一次次的失败并没有使他泄气。终于在1839年的某一天，在实验中，有些橡胶和硫磺的混合物无意中撒落在火热的炉子上。他赶忙将这种混合物从炉子上刮下来。结果惊奇地发现，这种混合物虽然仍很热，却很干燥。他又将混合物再加热和冷却，发现它既不因加热而变粘，也不会遇冷而变硬，而是始终柔软而富有弹性。魔术般的实验使他发明了硫化橡胶。那么，为什么橡胶会有弹性呢？让我们分析一下橡胶的分子结构。天然橡胶分子的链节单体为异戊二烯。我们知道高分子中链与链之间的分子间力决定了其物理性质。在橡胶中，分子间的作用力很弱，这是因为链节异戊二烯不易于再与其他链节相互作用。好比两个朋友想握手，但每个人手上都拿着很多东西，因此握手就很困难了。橡胶分子之间的作用力状况决定了橡胶的柔软性。橡胶的分子比较易于转动，也拥有充裕的运动空间，分子的排列呈现出一种不规则的随意的自然状态。在受到弯曲、拉长等外界影响时，分子被迫显出一定的规则性。当外界强制作用消除时，橡胶分子就又回原来的不规则状态了。这就是橡胶有弹性的原因。
在所有化学键力作用中，分子间作用力是较弱的一种，这是由于分子可以自由转动，使得分子链间缺乏足够的联结力；因此，分子之间发生相互滑动后，物质的弹性就不能表现出来了。而这种滑动作用又会因分子间相互缠绕而减弱。可是，分子间的缠绕是不稳定的，随着温度的升高或时间的推移缠绕会逐渐松开，因此有必要使分子链间建立较强固的连接。这就是古德伊尔发明的硫化方法。硫化过程一般在140℃～150℃下进行。当时古德伊尔的小火炉正好起了加热的作用。硫化的主要作用，简单地说，就是在分子链与分子链之间形成交联，从而使分子链间作用力量增强。
当人类彻底驯服了橡胶以后，它在各方面的应用也渐渐地广泛，随着机械制造业的发展，橡胶就成了制造轮胎的首选材料，虽然橡胶的这个用途还没有100年，但是人类对于橡胶的需要却日益增长。1845年汤姆森发明了充气橡胶管套在车子上，并以此获得了专利。以前的车子都是木轮的，或在外部加金属轮箍，但人们发现柔软的橡胶比木头和金属更加耐磨，而且减震性好，使人们乘坐车时感到很舒适。1890年轮胎用于自行车，1895年汽车也装上了轮胎。如此广泛的应用使天然橡胶供不应求，整个军需品生产受到很大威胁。
在第一次世界大战期间，德国的天然橡胶供应被切断，为了缓和这一紧张的局势，德国制成一种叫甲基橡胶的合成橡胶，但是质量低劣，战后便被淘汰了。二战后，各种合成橡胶应运而生。如合成了用钠作催化剂聚合丁二烯制得的丁钠橡胶、用丁二烯和苯乙烯聚合制得的丁苯橡胶、用氯丁二烯聚合制得的氯丁橡胶等等。
在第二次世界大战期间，日本侵占了橡胶产量最大的马来西亚，这无疑对美国的橡胶工业构成严重威胁。大家都知道美国的科技在世界上是一流的，1955年利用齐格勒在聚合乙烯时使用的催化剂（也称齐格勒—纳塔催化剂）聚合异戊二烯。首次用人工方法合成了结构与天然橡胶基本一样的合成天然橡胶。不久用乙烯、丙烯这两种最简单的单体制造的乙丙橡胶也获成功。此外还出现了各种具有特殊性能的橡胶。至此，合成橡胶的舞台上已经变得丰富多彩了。
合成橡胶是一种高分子材料，其合成的关键是聚合反应。就是怎样将一个单体聚合成大的橡胶分子。其中的奥秘就是生成游离基。什么是游离基呢？例如：乙烷分子（C2H6）是稳定的，但在某些条件下，如受热、光或某些化学剂作用时，乙烷分子一分为二，生成的两个甲基（CH3）都带有一个不成对的电子（也称孤电子）。带有孤电子的原子团就称为游离基，常用R表示。游离基性质十分活泼，极易跟别的游离基或者另外的化合物起反应。只要有一个游离基出现，便会跟周围物质立刻发生聚合反应。通过加热不稳定的化合物如过氧化氢（H2O2）、过硫酸钾等可以获得游离基。聚合反应一般可分为三步。第一步是链引发，先由过氧化物产生游离基R，然后R使被合成单体的共价键打开，形成活性单体；第二步是链增长，活性单体通过反复地、迅速地与原单体加合，使游离基的碳链迅速增长；第三步是链终止，即在一定的条件下，当碳链聚合到一定程度时，游离基的孤电子变为成对电子。这时游离基特性消失，链的长度就不能再增长了。
在上述过程中的三个步骤中，除了引发游离基这一步较慢之外，后两步都是在一瞬间完成的。可以说游离基一旦形成，成千上万个单位的双键立刻打开，相继连接成很多个大分子，因此这也称为连锁反应。
人工合成的橡胶的许多特性都优于天然橡胶，这也正体现了人工仿照自然，从自然中发现规律，最后超越自然的科学技术发展规律。
二、纤维素和合成纤维
淀粉是我们在日常生活中常见的一种物质，如果把它拿到化学的层面上讲，它就是一种高分子化合物。纤维素和淀粉的分子式是一样的，可性质却是大不相同了。植物的枝干主要是由纤维素组成的，它们只能用来烧火，人是吃不下去的。这是什么原因呢？我们知道，淀粉和纤维素的分子都是由许多葡萄糖单位连接而成的，但连接方式都不同。葡萄糖分子可以正着看（以u表示），也可以倒着看（以n表示），淀粉分子可以由葡萄糖分子按“…uuuuuu…”的图式缩合而成，而纤维分子则按“…ununun…”的方式缩合而成。这种结构上的差异决定了两者性质上的巨大差异。人类的消化液中含有能使淀粉的“uu”键分解的消化酶，因此能够从淀粉中获得葡萄糖。但同样的酶对纤维素的“un”键却无能为力。实际上没有一种高等生物能够消化纤维素，倒是有些微生物，如寄生在反刍动物和白蚁肠道中的微生物却能做到这一点。也多亏了这些不起眼的助手，使让我们受益匪浅的牛能吃草而生存；使让我们狼狈不堪的白蚁能靠啃木头而活命。纤维素虽不能吃，用途却很大。棉麻纤维素可以用来织布做衣，但它的光泽没有蚕丝织品好。这是因为蚕丝是蛋白质，棉麻是纤维素。影响色泽的主要因素还在其结构形状。蚕丝的形状是圆筒状的，而棉纤维则呈扁平卷曲状。因此用一定的工业方法处理棉纱，就可使它有了丝的光泽。这种方法一般称为丝光处理。经丝光处理过后的棉纱就称为丝光棉。但是这种布料下水洗上几次就变了，光泽也就失去了。
纤维素可以做炸药是瑞士化学家舍恩拜在偶然之中发现的；那是在1839年，舍恩拜因在他家的厨房里做实验时，洒了一瓶硫酸和硝酸的混合物。他立刻抓起夫人的棉布围裙去擦，然后把围裙放在火炉上方烘烤。结果，“轰”的一声，围裙着了起来，片刻之间消失得无影无踪。舍恩拜因些发明了一种新的炸药。他给这种炸药取名为“火药棉”。由于火药棉威力巨大，而且爆炸时没有烟，这比以前的有烟火药好得多。于是舍恩拜开始在各国游说他的火药棉秘方，而战火连绵的欧洲对此也十分感兴趣。结果一批批的工厂建起来，但不久，这些工厂就全被炸光了。火药棉太容易爆炸了，稍微受热或碰撞都能引起灾难性的后果。直到1889年，杜瓦和阿贝尔把火药棉和硝酸甘油混合，再掺入凡士林并压成线绳状，才是无烟火药的真正问世。在火药棉中，将一个硝酸根与葡萄糖中的一个氢氧根连接，这是改造纤维素的一种方法。在这种方法中，所有可被取代的羟基全被硝化了。如果只将其部分羟基硝化会如何呢？是不是就不太容易爆炸了呢？试验结果表明它根本就不会爆炸，却很容易燃烧。这种物质被称为焦木素。焦木素溶于乙醇和乙醚的混合物，蒸发后得到一种坚韧的透明薄膜，称为胶棉。胶棉也很容易燃烧，但无爆炸性。
在焦木素溶于乙醇和乙醚的混合物中，再加入一种樟脑一类的物质后蒸发，便得到坚硬固状物。其加热后会变得柔软而富有韧性，可以模塑成各种需要的形状，冷却和变硬之后仍保持这种形状，乒乓球和画图用的三角板等都是这样制得的。
由此可见，纤维素不仅能制成棉纱等纤维，也能做成塑料状的东西，如三角板等。因此一种物质能否被称为纤维，不在于它有什么物质构成，而是决定于它的形态。一般的说，人们把细而长的东西称为纤维。一般纤维的直径纵使眼力再好的人也不可能用尺子测出来。像棉花、羊毛、麻之类的天然纤维的长度约为其直径的1000～3000倍。由于直径之小难以用肉眼测量，而其长度约为直径的1000倍以上的物质，就是我们所认为的纤维。实际上，对蚕丝和化学纤维而言，长度和直径的比值可能绵延到无穷大。
