前两天Prof. Stephen Craig组的一个博士来做了报告,然后我突然想起来了这个回答。1930, 63, 774.说这是高分子链在力作用下断裂首次被提出……即使我找得到德文原文也看不懂……有爱自取。
我首先必须承认撕聚合物的这样的一个问题是需要仔细考虑时间尺度和塑料种类还有是不是交联等等因素的,总之其他答主的答案是很重要的,我只是想给那些说手撕化学键没法撕的答主甩一摞文献罢了。
第一部分:力作用下高分子中的自由基生成现象的观察和表征(也就是化学键断裂了)最早可以追溯到1970年左右。萌院士@孟祥溪钦点过这是高分子教科书水平的内容。
补充材料:超高分子量聚合物和超分子聚合物作为添加剂在剪切和非剪切条件下的爆炸实验视频authors.library.caltech.edu/60693/
第二部分:力化学(Mechanochemistry)中应用到的高分子链断裂
(基本上都是在聚合物块体里面使用一种两端连有长聚合物链的分子来使得宏观的力可作用于单个化学键之上而致使其断裂的,不过本文使用的是超声来促使化学键断裂,从而用外力的输入来激活催化剂。超声对聚合物链产生应力作用的原理如下图所示。)
不,也就是说其实……你只要稍微知道点力化学就知道手撕聚合物的时候化学键当然是存在断裂的情况的。(虽然这些力活性的基团一般键能低于正常的化学键)
关于力化学的简介不妨参考@鲲鹏驹@邓耿两位师兄在《化学进展》上发表的综述《机械力响应高分子体系的原理、构建与应用》,可见于当我们撕开塑料袋的时候,是撕开了化学键还是只是分开了两条或几条链? - 知乎用户的回答。
这帮搞力化学的人喜欢在高分子中间引入一些较弱的化学键,然后手撕聚合物(当然其实是用机器撕块体,不过手撕也可以的,或者用超声处理聚合物溶液),从而诱导一些化学反应/颜色/发光等等,经典的如:
(可怜我对Prof. Moore爱得深沉,然而他一直没给我什么回复……)
Prof. Rint Sijbesma的系统工作,其中描述了含有不稳定的金刚烷的衍生物(1,2-dioxetane)的一种聚合物链在力作用下可以断裂并发光。
不是让你们点赞,是让你们去看看原始文献(毕竟写的时候没有access没法再检查一遍)。
简单点来说,撕扯塑料袋的问题跟掰药片的根本差异在于分子大小不一样,药片的小分子近似球形呗,塑料袋的大分子的形状千奇百怪。所以,掰不掰得弯分子链就看您的手艺了。
首先,我个人觉得,题主需要交代下您要撕什么塑料袋。仅以材料区分,塑料袋就有12种。并且,塑料袋彼此之间也有挺大的差异的,并不是每一种都好撕。
一般来说,塑料袋的分子是长碳链,这个长度在几十到几百吧(也有上十万数量级的,总之很长就是了!),具体看什么用途了。在这个回答中,以聚乙烯(Polyethylene)为对象。
虽然上图的分子链像是锯齿一样排列整齐,并且又长又直颜值高,但实际上,PE链的柔性非常好。当这些长链分子被做成塑料袋的时候,由于C-C单键的旋转,并且长时间保持这么坚挺是很累的,自己就会把自己团成一个松散的,近似的球。在这样的一个过程中间,彼此缠结,难免我中有你,你中有我(咦,好色情的样子……)。并且,分子运动的过程是持续的,他们总是在改变自身的形状,并且互相纠缠。也就是说,宏观上我们正真看到的塑料袋,微观上是由很多这样互相缠结的高分子链组成的。以上,是高分子的微观结构。
从分子结构上来说,高分子之所以有抵抗外界破坏力的原因主要在于内部的力的作用。主要的力有:化学键(一般来说都是共价键),分子间力(范德华力实在是难听)和氢键。以上,是手撕塑料袋,需要克服的备选目标。
同学,你在掰药片的时候,是“嘎嘣!”一声,药片就断了(非常直,掰不弯)。
但是高分子在受力的情况下(也就是你瞎扯的时候),并不是立刻发生断裂,首先产生的是形变,比如橡皮筋(拉一下就松吧,拉久了,就回不去了)。以下根据应力大小,以及作用时间长短,逐条说明。
在一定应力的范围内,并且作用时间不长,所产生的形变为弹性形变(Elasitc Deformation),能恢复到本身的形状,比如,没事干掰肯德基(聚苯乙烯,PS)的勺子玩。作用时间长了,自然也会产生不可恢复的形变。这样的一个过程在微观上,其实就是高分子链的形变运动,说的简单一地那,就是在力的作用下,球状的高分子被拉成长的椭球状。
当应力超出一定的范围,塑料就会产生应力发白(Stress Whitening)的现象。就是应力集中处,试样的发白现象。比如,掰DQ的勺子(因为是肯德基的是白色的,根本看不到应力发白)。当持续用力,材料中就会出现的宏观可见的微裂纹(Craze),也叫银纹,由聚合物纤维以及周围的空隙组成。这样的一个过程非常有意思,实际上在这样的情况下,由于外力的作用,高分子链的排列更规整,类似于晶体。
(图片来源:Davide De Focatiiss Webspace Main/Older Research Openings)塑料袋,在拉伸的过程中,首先发生的是形变,然后形变不能恢复,最后,“吧嗒”一下,被撕开。
当你铁了心,和塑料袋死磕到底,在第一个阶段,塑料袋也被你拉变形了。然后,你即将成功的获得成就“撕开塑料袋”。聚合物断裂的微观过程,根据克服的力不同,可分为三种:
在第一种情况下,拉伸强度为:2*10^6kg/cm^2,塑料袋也很牛逼啊。
第二种情况下,分子间滑脱必须破坏,分子链之间所有的氢键和分子间力,是一个非常巨大的工程,拉伸强度,总之很大,约是化学键的好几倍。(太累了,不想换算了)
第三种情况下,分子垂直于受力方向排列。省略所有的假设和计算过程,拉伸强度在400到1200kg/cm^2,与实际实验结果同数量级。
在正常断裂的过程中,聚合物分子链的取向并不是非常好(就像一元硬币一样,马丹,我都在说些什么?),所以受力的第一步是决定取向,然后大部分的氢键,分子间力受到破坏,少部分,来不及改变取向的分子键发生断裂,个把纠缠在一起的分子链实在分不开,撕开了也正常。归根到底是理论是理论,实际是实际,你用多大力,就能破坏多强的力。
实际中,塑料袋的拉伸强度与材料,加工工艺(比如,单向拉伸还是双向拉伸之类的)都有关系。恭喜题主获得成就:手撕塑料袋。那么现在问题来了,手撕塑料袋(怎么看都觉得和手撕鸡是亲戚),应该放什么调料?
高分子链受机械力的断裂,早期证据是超声作用的高分子降解,近二十年来开发了大量功能化体系。以下引用内容来自我们 2014 年在《化学进展》上发表的综述论文《
》,原文还对几类常见的机械力响应高分子体系进行了综述,可在链接中下载。当然,限于此文的发表时间和文献引用量,对于近年新的研究成果仍有不少遗漏,可以与
近年来,刺激响应高分子(stimuli-responsive polymer)因为其新颖的功能与广泛的应用前景而受到研究者们的广泛关注[1][2]。在刺激响应高分子材料中,机械应力响应的高分子具有独特的功能特点。
机械力化学(Mechanochemistry)的研究领域包括宏观机械力对化学体系和化学反应的效应,同时正在兴起中的另一个方面是化学反应或化学现象在宏观或微观层面上具有的机械力效应[3]。早在两千四百多年之前,人们就已经认识到诸如研磨或破碎等机械手段可以加快一些化学反应的发生[4]。然而与其它物理手段控制化学反应的分支学科(如热化学、光化学和电化学)不同的是,由于宏观机械方式难以操纵原子或化学键,长期以来机械力化学未能得到充分重视。1919 年,W. Ostwald 首次提出机械力诱发化学反应的概念,并称之为机械力化学[5]。此后,机械力化学在无机合成、有机反应、合金材料、纳米材料、生物矿化材料等领域得到一定发展和应用[6][7]。在高分子化学领域中,人们很早就开始关注材料的机械性能和效应,诸如超声等机械方法很早就被应用到聚合物降解反应中。过去的二十年中,力学响应的高分子及其理论研究得到了很大发展[8][9][10]。与通过原子力显微镜(AFM)等操纵的微观机械方法[11][12]。不同的是,这些力学响应的高分子体系是通过宏观机械力诱导的方法促进微观化学变化的发生。原则上,机械力响应的高分子体系可以对不同来源的(宏观或微观)机械力都发生响应。研究机械力使得高分子体系发生化学响应的原理以阐明其反应细节,并进一步指导新的力学响应体系的设计与合成,是研究者们十分关注的问题[13][14]。但由于高分子材料内部的无规取向和宏观机械弹性等特点,准确描述宏观机械力对分子层面的化学反应如何调控尚有着非常大难度[15]。
从能量角度考察力学响应高分子材料中的机械诱导化学变化过程,可以将其概括为机械能转化为化学键能,最终一部分存储在化学键中、另一部分以热能等其它形式散失的过程。其相反的过程——存储的化学键能或张力能等释放转化为机械能——也是机械力化学研究的内容。这一过程中体系因为机械力的诱导而产生的额外自由能变 ΔGF 应当与机械力所做的非体积功相同。一般的,机械力做功微元 δw=F•Δd,其中F为机械力的大小,Δd为在力的方向上体系运动的距离。因此我们得到
在使用原子力显微镜(AFM)等手段测量单分子力谱时[16][17],上式被用来测量键能或者其它相互作用能。但力学响应的高分子对机械力刺激的响应方法不一样于AFM等微观手段,宏观的机械力作用如机械拉伸或超声等方式就可以使得高分子中特定化学键发生化学变化。这是高分子材料具备不同于一般材料的独特性质造成的。高分子材料中相互缠结的聚合物链可以传导作用在材料上的宏观机械力,并使积累的张力在分子内的化学键或分子间相互作用最薄弱的地方通过断键得到释放[18]。人们很早在研究超声降解聚合物的过程中就发现,聚合物溶液的平均分子量与降解速率有关,只有当平均分子量大于某一确定值Mlim时,超声降解才能有效发生[19]。这说明聚合物链长在传递宏观作用力到共价键上、以及促进共价键在机械力作用下的断裂过程中具有非常明显的推动作用。量子力学和统计力学研究进一步说明聚合物链在促进相应化学反应发生中起到了及其重要的作用[20][21]。这些结论提示研究者可能设计出具有特定化学结构的高分子体系,利用共价键的断裂实现功能化响应[22]。
先说结论:撕裂塑料袋,的确有化学键的断裂。绝大多数塑料制品都是高分子材料。高分子材料根据单体类型,聚合度,链状等等性质,可以演变成种种高分子材料。他们的物理性质化学性质都不一样。
单体:高分子都是由单体聚合而成。单体就是构成高分子基本结构的单元小分子,部分体现了高分子的表面性质,化学性质。
聚合度:每一个聚合成的高分子大概包含的单体分子数量。如果聚合成的高分子分子量大,聚合度就相应高。
平均分子量:高分子材料中,平均每一个聚合成的高分子的分子量,某些特定的程度上影响高分子的物理性质。
链类型:直链类的高分子,多数分子之间通过分子间作用力结合在一起,并没有化学键。这类高分子大多具有柔软韧性等等物理性质。
交叉链高分子(cross link),通过光照射或者其他自由基生成手段,使得直链和直链之间形成化学键链接,这样形成的高分子通常具有网状结构,链之间不仅有分子间作用力,有可能有化学键链接。通常硬度较大。
对于软塑料,在撕开的时候,边缘的高分子因为外界的力的作用,分子形成重排来适应物理变化。
通常情况下,外力大多数用来克服分子间作用力,使高分子重排。因为高分子重排的过程,远比化学键断裂需要的能量小,所以高分子会自然重排来避免化学键断裂。但是仍然会有部分的化学键断裂。下面会提出证据。
对于硬塑料,绝大多数硬塑料是crosslink的高分子,所以在断裂的时候,通常会伴随高分子重排和化学键断裂。
高分子材料大多是共价键,共价键断裂会生成一部分自由基,因为极少量生成,而且暴露在空气中,所以生成的自由基大多在被检测到之前就被氧化了。
对于硬塑料,含有crosslink的高分子,研究已经证实,在断裂边缘确实有自由基能够被ESR检测到。
对于软塑料,研究表明断裂处的高分子结构的确有变化,自由基生成之后会被氧化产生结构性的变化。可是因为没能直接检测到生成的自由基,所以没有直接的证据来证明。
知乎大牛多,谁能在手套箱里撕一块塑料然后去跑一个ESR就能给出硬邦邦的证据了。
他的答案里刀切水理论上能做到,然而,你们你可以查询一下刀切水,一个水分子有多大,多厚的刀能伸进H-O键中间?切断塑料也不是由于刀能伸进键中间,而是局部应力集中拉断的
常见的塑料一般由晶区或非晶区组成,中间有杂乱无章的分子链,常常会有分子链缠起来,叫做链缠结,若想分开这样一种材料,只有一种方法——切断共价键
请不要小瞧高分子间的范德华力。。。设想扯一团拉面状的高分子,共价键键能按350kJ/mol计,当两原子间相距0.15nm时便算做断键,则F=E/d=3.9*10^-9N/键,每根高分子链的截面积约为0.2nm^2,则拉伸强度为2*10^6kg/cm^2
分子间有氢键的聚合物,比如聚乙烯醇、聚酰胺每0.5nm链段的摩尔内聚能(你可以看做另一种“键能”啦)20kJ/mol,链长按100nm计,则总的摩尔内聚能为4000kJ/mol,聚丁二烯等没氢键的约为5kJ/mol,摩尔内聚能也有1000kJ/mol。
最后做一下总结吧,材料断裂总是发生在最容易断裂的地方,所以用刀切水制氢气氧气还是不可能的,高分子因为其特殊的长链特点,会表现出一些跟小分子不同的性质,可以说要研究高分子就一定要考虑其长链特点(原帖里并没有提及,这是最大的疏漏)。由上面的分析可以得知高分子在用刀切时确实有可能发生共价键断裂
我们在分析PET的特性粘度的时候,发现过,完整的PET颗粒与粉碎后的PET粉没有可分辨区别。
特性粘度与分子量有对应关系,如果在粉碎中大量破坏分子链,那么必然会降低特性粘度,但是实际上未发现这种情况。
另外,也可以从端羧基检测是否有分子链断裂的现象,PET分子链断链时,必然会出现-COOH,我们一般检测这个指标来判定生产的全部过程是否异常。但是,无论是不是粉碎,不影响这个指标。
PET是这样,其他材料PP PE等也应该是这样,因为PET的分子链键能还不如它们。
此外,撕开塑料袋与该塑料袋是否取向有关,如果有取向过程,那么撕的方向具有决定性影响,垂直取向方向撕开塑料简直不是人力所为,比如:你试着撕断PP打包带看看,因为这是高度取向的材料,但是,从纵向撕开就太容易了。
这也说明,能否撕开塑料袋,与材料的分子排列有关,是范德华力决定的。如果撕开的是分子链,那么取向不会有这么大的影响。
当然,撕开塑料时,个别分子链发生断裂肯定是存在的,但在统计学上没有意义。
尽量说人话。但所有绕过科学基本概念,不分情况讨论,一锅端下结论的答案都是耍流氓。
手撕塑料袋是一个拉伸高分子材料使其产生形变(deformation)直至断裂的过程。
高分子分为amorphous polymer(无定型态,如PVC)和 semicrystalline polymer(半结晶态,由规整的晶区和不规整的无定型区组成,参见@匿名用户的第二张图。如PP, PE). Tg是高分子的amorphous部分自身的一个热学性质。Amorphous polymer 在Tg(玻璃化转变温度)以上链段就能自由运动,手撕塑料袋如果在Tg以上,高分子就可以滑逸,不需要断键;Tg以下高分子链就被“冻”住了,就是脆性断裂。可能会出现键的断裂(只有能量达到,为什么一定不会呢。说“没有化学反应就不可能断键”的是要初中化学吃一辈子吗?何况即使初中化学说的也只是“化学反应伴随旧键的断裂,新键的生成。”),但也有一定的可能拉伸产生的潜热使高分子材料局部超过Tg (局部高于环境和温度,注意这个局部小到摸不到,但红外照相机能观测到气温变化),那么还是不用断键。这要看拉伸的环境和温度和速度。
至于我们常用的聚乙烯,聚丙烯(semicrystalline polymer)怎么形变呢?毕竟晶区是“硬”的(类比小分子NaCl晶体)。下面提供一种观点。
然而,这篇nature paper只是一种观点。也算挖了一个坑——后来科研工作者在很长的时间里(至今)试图探测到local melting (局部熔融,nm级)。其他的还有别的观点。也有说固态就能够实现拉伸,不用local melting;也有说即使晶区的高分子也能有大幅度远动的。但还没有做高分子拉伸的文献以断键为主要机理发表的(我没有说绝对没断键,只是说我读过的几百篇关于高分子拉伸的paper没有涉及断键)。但我认为材料的裂开是可能断键的,上面有人说断裂处观测到了自由基。至于到底高分子材料在拉伸直至断裂过程具体经历了什么呢?到现在都没有定论。回归到你的问题,把这些主流的形变机理说成“分开了高分子链”。。。。也可以吧。但两条不可能,除非你的拉伸方向垂直于高分子的C轴,然而这不可能。
先谢谢有耐心看到这儿的。您估计要说,擦!不是吧?!国际空间站都造了!机器人都能帮人撸了!这么low的问题,没有定论???不好意思,这是真的。scifinder上用polymer stretch/polymer deformation作关键词能搜出很多这两年发的paper, 说明这个课题还在研究。
这么low的问题,怎么还在研究?高分子科学分为创造新的(合成新分子,组成新的混合物,开创新的加工方法等等)和对已有现象的解释(更科学的用语为characterization, 表征)。所有对于现象的解释,都是随着观测手段的提高而更完善的(参考对宇宙的理解)。现在还没有手段能定位到体相高分子(polymer bulk)内部的某几条链段从而对其进行拉伸过程的即时观测,所以具体的高分子形变机理还在研究。(虽然即时观测实现了,中科大的National Synchrotron Radiation lab就发过好几篇即时观测的,但观测的是微米级的晶区,而不是埃米级的高分子链段)
总之,高分子跟高分子不一样。我们用的塑料分amorphous 和semicrstaylline, 所有的文献都是分开讨论的。其次,同样的高分子,你撕的速度和环境和温度不一样,那么它的行为也不一样。所有对手撕塑料袋中高分子链的行为进行了结论性描述的答主,请提供实验数据/国际认可的期刊文献。假如没有实验数据就不要这么认真的胡说八道了。
根据指正,将原文“分子间力”重新表述为“氢键和范徳华力”,并增补一段模型假设,谢谢各位。
那么回到正题,这种实际上的意思就是聚合物的屈服与断裂问题,事实上我们在做薄膜材料的时候,也需要裁样去做薄膜拉伸实验。
那么原理是什么?这里我们就以PP薄膜这种最常见的柔性链为例,当然为了简化我们抛开教科书里面玻璃态和结晶型聚合物的区分,仅仅指出大体原理。
首先有一个概念必须搞清楚,是所谓聚合物,可以看成大分子链的缠结,链段之间是由分子间力结合的,在高分子链结构理论中,我们大家都认为高分子链并不是完全静止的,而是一种自由旋转链,为何能成型材,则是因为在较低温度下,分子运动能量很低,单键主链是没有办法进行内旋转的,链段被“冻结”了,此时的高分子没有办法进行构象的转变,即链段的松弛时间几乎是无限大的。但是如果有足够的运动能量,分子链就可以运动,就能够实现构象的转变。比如对于玻璃态聚合物,前面我们也说过,聚合物是分子链的缠结,那么缠结意味着链与链段之间是会存在“空隙”,也就是Flory认为的“自由体积”的,当温度上升,分子热运动有了足够能量,此时分子与自由体积都会膨胀,主链便有了自由运动的空间,才会进行运动。
那么有了这些理论,我们回到聚合物的屈服与断裂。上文也讲了,聚合物是链段缠结,“冻结”的效果,那么就必然会出现材料各处性质性能不均匀的现象,因为好比你抓住一团鞋带,但是你没办法保证这鞋带在你手里是“排列整齐且处处一致”的,即使是结晶聚合物,也存在非晶区和缺陷。因此,当我们拉伸聚合物的时候,这些不一致的地方,也就是聚合物缺陷和薄弱处,就首先“撑不住了”,慢慢的出现与应力方向垂直的微裂纹,也就是材料内部有了可观的空洞(一般0.6-30nm),材料在此处变成了“一根根的微纤”,因为它看起来是灰白色,又称为“银纹”,如果微裂纹变大,成了裂缝,聚合物就要断开了。以此为基础,聚合物断裂分为脆性和韧性,表观上,脆性断裂是一拉就断 ,材料只有普弹形变,就像掰断了一颗硬糖,材料的松弛时间跟不上外力的作用速率,对于聚合物,就是微裂纹快速地发展的断裂,一般我们大家都认为,这主要涉及化学键的破坏。那么还有一种材料,就像题主说的一样,属于韧性断裂,材料越拉越细,最后断裂。这就是材料先发生屈服,材料会出现于拉伸方向成45度角的滑移变形带,分子链沿着作用力方向进行高度取向,分子链开始滑移,就像解开鞋带一样,但是材料不可能无限拉伸,由于拉伸产生的灰白色细颈终究会由于剪切带的发展而断裂。
那么究竟是化学键还是氢键和范徳华力主导呢?这里有个极端假设的估算方法。我们第一步假设聚合物断裂全部都是化学键破坏,仅从键能出发,估算拉力,大多数聚合物主链共价键键能一般为 350kJ/mol,也就是5.8x10^-19 erg/键,我们假设有个人徒手抓住了一根分子链,那么我们大家都知道,如果扯开距离有0.15nm,这个键就可以视为断了,由E=fd知,他需要3.9x10^-9 N/键。好,我们再以PE晶胞估算,每根高分子链截面积约为0.2nm^2,每平米有5x10^8根分子链,那么全部扯断,拉伸强度就达到了2x10^6 kg/cm!可惜,实际上,哪怕是高度取向的结晶PE,拉伸强度也要小上几十倍。。。。因此,这个假说不成立。
那么如果全是分子间滑脱,即滑移时全是分子间氢键和范徳华力被破坏呢?我们以聚乙烯醇PVA为例,如果是这样,那每0.5nm链段摩尔内聚能以20 kJ/mol计算,好家伙,100nm总摩尔内聚能就有4000kJ/mol,这是共价键键能10倍以上,其实即使去掉氢键(毕竟强度比范德华力大) ,以PE为例,每0.5nm链段摩尔内聚能以5 kJ/mol计算,总值也比共价键键能大,可见断裂也不可能全是分子间滑脱。
那么来了最极端的一种例子,我们假设分子链全部是横着的(其实就是没有的,就是高度取向也不会有,高度取向纤维可以近似),然后我们垂直于分子链排列的方向去拉它 , 那么才会有断裂时是部分氢键和范徳华力的破坏 ,事实上确实实验测下来拉伸强度与高度取向纤维一致,也就是说,主要是氢键和范徳华力被破坏了,但不排除有极少数(可能个位数?)分子链被截断,毕竟误差还是存在的。其实这也不是什么稀奇的事情,应力总可能集中在某一根或者某一股分子链上。再比如一些热固化交联的橡胶,人力也不是撕不开,但是一个交联网状结构的聚合物材料,显然不可能是破坏氢键和范德华力,肯定是主价键破坏比例居多,不然你这交联不是白做了?
因此综上,聚合物断裂,从微观上来说,有化学键断裂,分子链间滑脱以及氢键和范徳华力的破坏,几个因素共同作用,但由于聚合物构型等其它因素,所起主导的不一样而已。但事实上高分子物理涉考虑的因素有很多,一种材料呈现合种性能也是有非常多的理论在里面,加之我本人也并非什么专家,所以我讲述中的错误和不到之处,还望各位指出和海涵。
即便是Tg以上、非缠结的高分子熔体, 拉的够快的话, 也会有一部分高分子链的化学键断了。 只是这个一部分,是非常少的一部分
然后就是Boltzmann分布。以化学基团为“原子”,忽略打碎化学基团的可能性:1.分子内能考虑下;2.再考虑下分子间互势
然后看看到底谁先在外场作用下跃迁,谁的概率高。如果换我就挑简单分子下手~
对这样的一个问题而言,两种情况都有——既有撕开了的化学键,也有分开了的两条或几条链。
下图展示了几个比较形象的高分子模型,从左到右高分子的交联程度依次增加,分别表示:
I、链状高分子结构 —— II、树枝状高分子结构 —— III、网状高分子结构
后两者自不必说,撕开的时候必然破坏分子机构。即便是最左边的链状高分子做成的产品,它被撕开以后肯定还是会扯断很多高分子链,因为材料中的高分子不可能都是同一走向的,有的方向的高分子必须被破坏。
如果进一步讨论这个问题,我不认为有什么宏观的破坏性的物理反应在分子层面不包含化学键的断裂的,什么摩擦呀,摔裂呀,扯断呀,高温呀(也包括之前有人在知乎提问的掰开药片)都会有或多或少的化学反应发生。再往远处说一点,这世界上任何一种存在,石头也好,河流也好,里面无时无刻不在发生各种化学反应,你我此时正在打字用的鼠标、键盘、电脑,都在不断发生化学反应,因此它们会不断老化,越来越慢,直到彻底罢工。
其实发生点化学反应很正常,没什么大不了的。说点极端的,谁知道抽刀断水的时候,里面会不会有那么一个水分子首先电离了,然后其正离子和负离子分别被截断在刀的上下两面,或者这些离子与刀面金属发生了化学反应——毕竟有那么多水分子、那么多氢离子和氢氧根离子,水里有杂质,刀上有金属分子,也可能有杂质——发生几个化学反应又算什么呢?
像上图这样的一种情况,本来是一家的氢离子和氢氧根离子基本上就说再见了。如果一刀切下去,某一侧有两个氢离子,正好被刀上的金属给还原了,于是还真就产生氢气了。但如果我们说刀把水切成氢气和氧气那可就太不靠谱了。不过无论如何,这么点小反应对体系整体的化学环境基本没影响。很多情况下,有没那么几根化学键的断裂并不是多数问题的关键。难道我们非要定义有几个以上的分子发生了化学反应就算有反应,几个以下的分子就算没反应?
如果考试里问到这样一些问题,大家只需要这么回答就可以了——手撕塑料袋是化学变化,手掰药片是物理变化,抽刀断水是物理变化,打人一巴掌是物理化学各种变化。但是很多问题如果真要像我上面这样严格讨论和追究起来,就不那么简单了。如果上面这些定义有助于我们简化问题和解决实际问题,那么它就是好的;如果这些定义在更深入地讨论问题时失效了,我们便可以在这种情境下修正或者是放弃这些定义。
最后,当我说“why so serious?”的时候,我的意思是说何必要像我这样想那么多呢?而不是相反。请不要误解了。
另外大家也不必怀疑本答案的正确性,如果我发现了自己的回答有问题的话,我大部分会选择及时撤回。等我有时间的时候会再写一个更详细的答案,来说明手撕化学键就是这么轻松。毕竟本回答这么少赞的重要原因是我没能用这篇短文让大多数人理解我的意思。等下次吧。
掰药片的例子在这里不对。 这是完全不同的两个例子。 极端一点,一个塑料袋如果经过交联 那就是一个分子, 扯开也就有断键的发生。 学过高分子就知道分子链在相互是混乱缠绕的,撕裂点不会只在分子团之间。拉伸中有分子团的脱离,留出空隙,但是也有避不开的缠绕分子团。这时候就不得不断键了。
之前在实验室忙,一直随便举个例子,不如高票那个详细。谢各位的赞。补充一些内容。
试问,这样的塑料形态,如何在撕开的时候不撕断分子链。 C-C键能不过是334KJ/mol, 除以NA常数6.02E23,断一根键才要多少能量。
在拉伸过程中,不定向的非晶区分子链受力向两边伸长,链的转动自由度降低,排列趋于整齐,渐渐变得不透明。 所以肯定断键啦。
塑料注塑过程中,由于模具壁的阻力导致高分子球沿着壁拉伸成线。此时如果阻力依然有效,不免就会断键。
塑料虽然不像不那么规则整齐,然而高分子材料之所以能展示出聚合的特性不主要是因为它们本身分子链长,且缠绕,且相互缠绕么。所以简单理解一下还是有可比性的啦。
存在一些化学键的断裂,但主要反应是链状高分子之间发生的位错,其本质是在克服分子间作用力(范德华力)做功。