上海有机所“魅力有机化学”科普拓展课程系列报道之“神奇的凝胶”
6月12日,在上海市零陵中学“魅力有机化学”课堂上,来自中科院有机功能分子合成与组装化学重点实验室的科普志愿者李明睿、姚智理、王腾、包瑞鹏给同学们带来了《神奇的凝胶》科普拓展课程。
课程伊始,李明睿以图片的形式展示了生活当中各种各样的凝胶体系,让同学对于凝胶材料有了直观的认识。随后介绍了凝胶的形成机理以及凝胶的各种应用。凝胶体系根据交联网络行程的机制不同又分为化学凝胶和物理凝胶,化学凝胶是通过共价键形成交联体系的一类凝胶,其中最具代表性的无疑是水凝胶。水凝胶是以水为分散介质的凝胶,通过在具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基而形成的,亲水残基与水分子结合,将水分子连接在网状内部,而疏水残基起到骨架作用使得凝胶遇水膨胀,并保持一定的形状。在日常生活中,隐形眼镜、尿不湿、水精灵等都是由高吸水性凝胶构成。而物理凝胶则是指通过非共价键交联形成的一类凝胶,天然橡胶、以及我们平时食用的橡皮糖、固体酒精等,分别是通过晶区间相互作用、氢键等形成交联网络从而形成凝胶体系。
接着,王腾以固体酒精为例,从形成原理、加工工艺、质量评价体系等方面对这类物理凝胶进行了系统介绍。固体酒精是介于固体与液体的一种物质形态,具有温度响应性,其形态随温度变化可由凝胶态变为溶胶态。利用这一特性,往无水乙醇中添加胶凝剂就可以改变其物质形态,制备固体酒精。依据胶凝剂的不同,主要有短硬脂酸盐、醋酸盐等胶凝剂。从溶液制备凝胶须满足两个基本条件,一是降低溶解度,使固体物质从溶液中成“胶体分散态”析出;二是需要析出的固体质点既不沉降,也不能自由移动,而是搭成骨架形成连续的网状结构。在对固体酒精有了初步了解的基础上,王腾采用硬脂酸作为交联剂的加工工艺为同学们讲解了固体酒精的制备原理和方法,实验采用硬脂酸与氢氧化钠反应生成的硬脂酸钠作固化剂,采用两步法制备固体酒精。由于硬脂酸钠是一个长碳链极性分子,室温时在酒精中溶解度低,高温时可以均匀分散在酒精中,冷却后形成凝胶体系,使酒精分子被束缚于相互连接的分子骨架之间而使酒精凝固,从而可以形成固体酒精。
随后,姚智理和包瑞鹏带领同学们自己动手合成固体酒精,志愿者们为每位同学准备了氢氧化钠和硬脂酸,在两个样品中加入不同量的酒精,并在加热条件下搅拌溶解,随后将两份液体趁热混合,冷却后便得到了白色的固体酒精。通过燃烧试验,同学们制备的固体酒精都有很好的燃烧性能。最后同学们更是创新思路,通过设计不同的磨具得到了不同形状的固体酒精。
随着下课铃声响起,一堂生动有趣的化学科普拓展课程画上了句号。本次课程,志愿者们将生活中常见的凝胶材料,以贴近生活、简单有趣、寓教于乐的方式带进课堂,使同学们在轻松活泼的气氛中增长了知识,拓宽了视野。
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