單元伍:聚合物

一、 碳原子鍵結的特性

()聚合物的定義:

1.無機化合物的分子中所含的原子數目較少,分子量也較小,且這些無機化合物限於原子鍵結合方式變化有限,故原子排列不能無限制增加。

2.有機化合物中的碳原子,其鍵結的特性具有多樣化,可結合同類的碳原子也能結合其他非金屬元素或金屬元素,甚至可無限制鍵結大量的碳原子,這使得有機化合物的種類及分子結構變得多樣化。

3.一般的有機化合物,含有的原子總數大都在100個以下,分子量也較小。但像澱粉、蛋白質、橡膠、塑膠、布料等有機化合物的分子量卻非常大,所含的原子總數可能有數千到數十萬個。而且即使是同一種聚合物,各個分子的大小也不一定相同,像這類有許多小單元連接而成的巨大分子,通常稱為聚合物或高分子化合物

4.聚合物的分子結構因原子數目多,故分子量較大,通常聚合物的分子量在數萬到數十萬,總之,聚合物的分子量較無化合物大很多,而種類數目亦較無機化合物多出許多。

()構成聚合物的小分子:

1.聚合物雖然為巨大的分子,但其結構仍由許多小單位鍵結而成,此種小單位稱為聚合物的單體,聚合物就是由這些小單體反覆鍵結而成。

2.自然界存在許多聚合物其分子結構即為許多小單體結合形成大分子,例如:構成澱粉和纖維素的單體為葡萄糖、構成蛋白質的單體胺基酸…等。

3.人類運用科技以人工合成的方法,製造出許多合成聚合物,其組成的小單體因聚合物種類之不同而有所不同,例如:運用於保鮮膜的PE塑膠,就是由許多小分子:乙烯反覆鍵結合成,故此種聚合物命名為聚乙烯。乙烯分子結構如圖一所示:

4.無論構成聚合物的小分子為何種結構,之所以能夠連結構巨大的分子,都是碳原子的緣故,碳原子在聚合物的鍵結上扮演最關鍵的角色。

 

二、聚合物的分類

1.聚合物依來源分類,有天然聚合物、合成聚合物兩類。

2.天然聚合物

(1)天然聚合物是生物體內經細胞組織,微妙而複雜的作用所產生的,例如蛋白質、肝糖、纖維素等。

(2)天然聚合物是生物重要的營養素來源,如:蛋白質、澱粉和纖維素等。有的可應用於日常用品中,如:天然橡膠、纖維素等。

(3)天然聚合物如:DNA能支配生物體的遺傳,酵素能維繫生物體消化系統正常運作,這些都是屬於天然聚合物。

3.合成聚合物

(1)常見的合成聚合物製品,包括塑膠、合成纖維、合成橡膠等,隨著科技的進步,合成聚合物已被廣播泛地應用在我們的生活中。

(2)合成聚合物在室溫時,不溶於大部分有機溶劑,也不易受其他化學品(如無機酸、醇、油脂等)的侵蝕,故常作為容器及包裝材料。

(3)合成聚合物具有不導電及不易傳熱的性質,因此,很多電器的外殼、電纜線包覆材料、鍋子把手和部份微波爐專用碗盤,也都是以合成聚合物製成。

(4)合成聚合物以石化原料由人工合成的方法製成,統稱為:塑膠,在生活中運用非常廣泛。

 

三、聚合物的結構分類

1.聚合物依分子結構來分類,可分為鏈狀聚合物及立體網狀聚合物

2.鏈狀聚合物
當組成聚合物的小單元反覆結合成長鏈狀時,稱為鏈狀聚合物,此種聚合物只有線狀的連結而無平面或立體的鍵結。(如圖二)

(1)這類聚合物通常加熱後會融化變形,冷卻後又能變硬成形,具有可塑性,故又稱為熱塑性聚合物,如聚乙烯PE)、聚氯乙烯(PVC)、耐綸及俗稱保利綸的聚苯乙烯(PC等。

(2)由於此類聚合物具有加熱會熔化的特性,可以回收再重覆利用,以避免對環境造成傷害。

3.網狀聚合物
當合成聚合物組成的小單元,反覆結合成複雜的立體網狀時,稱為網狀聚合物。(如圖三)

(1)這類聚合物在高溫時,仍不易熔化變形,稱為熱固性聚合物,如尿素甲醛樹脂、酚甲醛樹脂、合成橡膠…等。

(2)由於此類聚合物加熱不會熔化,不易再回收利用,且燃燒時會產生戴奧辛等毒性物質,以掩埋法處理又不易被微生物分解,故會常造成嚴重的環境污染問題。

 

四、 常見的衣料纖維

()衣料與天然纖維:

1.天然纖維的來源包括植物纖維及動物纖維

(1)植物纖維:成分為纖維素,由葡萄糖單體聚合而成,如棉、麻等,其成分元素主要有碳、氫、氧,此類纖維製成的衣服,不但可以保暖,同時通風透氣,能保持舒爽,尤其吸水性極佳。

(2)動物纖維:成分為蛋白質,是由胺基酸單體組成的聚合物,如動物的皮、毛髮或蠶絲等,其成分元素主要有碳、氫、氧、氮、硫等。

(3)蠶絲製成的布料,質地柔軟而不易皺;動物的皮、毛等纖維的特性具有保暖性極佳、容易染色的優點。

2.人造纖維包括再生纖維及合成纖維,而再生纖維使用的原料仍為天然纖維中的纖維素加工製成。

(1)再生纖維是將植物的纖維素經過處理溶解後,再抽成絲狀纖維而製得,因性質類似蠶絲,具有光澤,所以再生纖維又稱為人造絲。

(2)再生纖維在稀酸或鹼的溶液中性質安定,與植物纖維一樣,具有良好的吸水性,溶液漂白和染色,例如:嫘縈(Rayon)、醋酸纖維(Acetate fiber)等。

()衣料與合成纖維:

1.合成纖維是以石化產品為原料,經人工合成反應製成的聚合物,其特性為抗酸鹼、具有韌性耐磨損,大量製造可降低成本,故售價便宜,在生活中為常見的衣料,例如:耐綸、達克綸、奧綸等。

2.合成纖維的結構皆屬於鏈狀聚合物,即熱塑性纖維,應避免高溫整燙。且吸水性及保暖性較差,常與天然纖維混紡以改善其缺點。

3.一般常利用燃燒法辨認布料的纖維種類:

(1)燃燒植物纖維時,產生類似紙張燃燒時的氣味,燃燒時不會捲曲。

(2)燃燒動物纖維時,則發出如同羽毛燃燒時的臭味,且毛纖維會捲曲。

(3)大多數的合成纖維加熱後起火燃燒,纖維熔化且在末端會結成小球狀。

(4)市售布料有棉與聚酯纖維的混合紡織品,也有羊毛與聚酯纖維混合紡織而製成的,要辨認這些混紡布料,則需要更複雜的檢驗方法才行。

()有關戴奧辛:

1.戴奧辛是一種脂溶性的性質,在動物體內並沒有適當的酵素可以將它分解及排除。它會造成初生嬰兒殘障、導致癌症、流產、危害免疫系統等病症。它的毒性很強,即時只用極微的量,也足以毒死動物。由於它的毒性在生物體內有累積性,在造成生物中毒前,其對健康的危害不容易被發現,因此被稱為世紀之毒。

2.戴奧辛的污染有許多來源,其中之一為垃圾焚化爐。垃圾焚化爐之所以產生戴奧辛,主要是垃圾中含有塑膠外皮的電線、PVC質材脂塑膠及水管等物質,未能於安全的高溫下完全燃燒所致。各國所公認垃圾焚化之安全溫度,至少在攝氏850度以上。

3.食物中也可能含有戴奧辛,在北美洲歐洲國家,有些農藥中含有戴奧辛的相關成分,或是有些工廠煙塵落在鄰近地區的農牧場或溪流中,被水中生物或陸上牲畜所攝食,造成生物累積,間接地使得海產與肉類成為戴奧辛污染的來源。

 

五、 常用的清潔劑

清潔劑的種類:

1.凡具有清潔功能的物質皆為清潔劑,通常具較強的溶解能力,對汙漬而言清潔劑是溶劑,欲清洗的汙漬則為溶質,依溶質的性質選用適合的清潔劑才能達到洗淨的效果。

2.例如:一般油漬屬於脂肪類,難溶於水卻易溶於鹼性溶液中,故選用肥皂類的清潔劑即可達成洗淨的目的。

3.清潔劑依其結構大致上可分為:合成清潔劑肥皂兩大類。

4.合成清潔劑為巨大分子的聚合物,以石化原料製成,較肥皂類的清潔能力強,其去汙原理和肥皂相同,優點是清潔效果較不受硬水影響,例如:洗衣精、洗碗精和洗髮精等清潔劑。但不易被微生物分解而造成環境汙染。

5.肥皂類則是以脂肪和鹼類為原料反應生成的鹽類,此種反應稱為:皂化反應,肥皂分子較小,易被微生物分解,對環境影響較小。

6.隨著消費形態求新求變,清潔劑除了基本的清潔功能之外,也走向多功能的分工導向,舉凡衣物、浴室、廚房、玻璃專用,或講求防、抗菌等多功能清潔產品琳瑯滿目,提供了更多元化的選擇。

7.合成清潔劑對環保的影響:

8.部分合成清潔劑中含有磷酸鹽,當這類物質進入河川、湖泊後,易導致河川、湖泊的優養化

9.因為這類物質會造成藻類大量繁殖(磷可用為藻類肥料),藻類死亡後細菌便開始被微生物分解藻類,導致水中的含氧量降低,造成其他水生動、植物無法生存,嚴重影響生態平衡及環境品質。

10.容易被微生物分解的清潔劑稱為:軟性清潔劑,選擇清潔劑應兼顧環保,盡可能選擇低磷或無磷、易被分解的產品,並養成謹慎而適量使用的習慣,以減少對環境的污染。

 

六、肥皂分子與清潔原理

1.日常生活中,大部分的污垢都含有油的成分,而油和水不能互溶,因此只用清水洗滌,是無法將油汙清除,必須藉清潔劑的洗淨功能。

2.肥皂分子為脂肪酸金屬鹽類的結構,其分子模型如圖一所示:

20080820142426464.png

(1)親油端CnH2n1):主要為長鏈狀的碳-氫原子結構,易溶解脂肪等油漬,而難溶於水中,故稱為:親油端。

(2)親水端COO-金屬):肥皂分子中;有機酸的末端結構,易溶於水中,但不溶於脂肪油漬中,故稱為:親水端。

3.去汙原理:當肥皂分子遇油脂類時,先以親油端侵入油漬中,將油脂以肥皂分子的親油端包圍後,再以親水端將油漬溶入水中,達成清潔的目的。

4.肥皂去汙的過程:(如圖二所示)

20080820142442051.png

創用CC標示:
CC