天然橡胶与硫化

本页讲解中五聚合物一章的内容标准 12.3：天然橡胶与硫化。天然橡胶是马来西亚最著名的聚合物，考试期望你懂它的单体、胶乳如何变成固体橡胶、为何未硫化橡胶软弱，以及硫化究竟如何改善它。

关于交联的推理是这条标准的核心。

天然橡胶作为聚合物

天然橡胶是一种天然聚合物，由单体异戊二烯（2-甲基丁-1,3-二烯）C₅H₈ 的加成聚合制成。产物是聚异戊二烯，一条长链，在每个重复单元里保留一个碳碳双键（C=C）。

这些留下的双键很重要，因为它们正是后来硫化时硫形成交联的位置。

长链盘曲着，可以彼此滑动，这就是生橡胶能拉伸的原因。但由于链之间只靠弱力维系、能自由滑动，未硫化橡胶不太坚固，也不太有回弹。

胶乳及其凝固

橡胶从橡胶树割取时是胶乳，一种胶体，微小的橡胶颗粒悬浮在水中。每个橡胶颗粒都被一层带负电荷的外层包围，所以颗粒互相排斥、保持分开，使胶乳保持液态。

• 酸使之凝固。 加入甲酸或乙酸等酸，会提供氢离子 H⁺。这些 H⁺ 离子中和橡胶颗粒上的负电荷。不再排斥后，颗粒碰撞并结合，于是橡胶凝固成固体块。
• 用氨阻止凝固。 为了让胶乳在储存或运输时保持液态，会加入少量氨水（碱性）。氢氧根离子 OH⁻ 使颗粒保持带负电荷，从而继续排斥、不凝固。

未硫化橡胶对硫化橡胶

未硫化（生）橡胶软，抗张强度低，不太有弹性，受热时发黏，在空气中容易氧化，也不太有回弹。它的链能彼此滑动，回弹得不好。

硫化是把橡胶与硫一起加热（有时用一氯化硫）的过程。硫化时，硫原子在相邻聚合物链的 C=C 双键处形成交联（硫桥）。

这些交联把链锁在一起，使它们无法再彼此滑动太远。

交联为何有帮助。 因为链被绑在一起，一块被拉伸的硫化橡胶会弹回原来的形状。交联使橡胶更硬、更坚固（抗张强度更高）、更有弹性、更有回弹，也更耐热、更耐氧化。形成的交联越多，橡胶就越硬。

性质	未硫化橡胶	硫化橡胶
强度	低	高
弹性	低	高
受热的影响	变软、发黏	更耐受
氧化	容易氧化	更耐受
硬度	软	更硬

例题

问题。 天然橡胶是聚异戊二烯，即异戊二烯 C₅H₈ 的加成聚合物。

一份天然橡胶样品的分子相对分子质量为 204 000。计算这种橡胶的聚合度 n。

[相对原子质量：H = 1，C = 12]

第一步，求重复单元的 Mr。 在加成聚合物中，重复单元与单体异戊二烯 C₅H₈ 的分子式相同。

C₅H₈ 的 Mr = (5 × 12) + (8 × 1) = 60 + 8 = 68

第二步，建立关系。

聚合物的 Mr = n × 重复单元的 Mr

第三步，解出 n。

n = 204 000 ÷ 68
n = 3000

答案。 聚合度是 n = 3000，即一个橡胶分子里约有 3000 个异戊二烯单元。

练习题

问题。 一名学生在天然橡胶胶乳里滴入几滴乙酸，胶乳变成了固体块。

(a) 命名这个过程。(b) 从电荷的角度解释它为何发生。

(c) 说出一种可改为加入、以使胶乳保持液态的物质。

答案。 (a) 这个过程是凝固。(b) 胶乳里的橡胶颗粒带负电荷、互相排斥。酸提供氢离子（H⁺），中和了这个负电荷，于是颗粒不再排斥，它们碰撞、结合，凝固成固体橡胶。(c) 可加入氨水（一种碱）以使胶乳保持液态。

考试提示

这里的大部分分数来自两个观念。第一，永远从电荷的角度解释凝固：酸提供 H⁺ 中和橡胶颗粒上的负电荷，使它们停止排斥、结合起来；氨使颗粒保持带电、彼此分开。

不要只说「酸使它变固体」，要给出电荷的原因。第二，用交联解释硫化：硫在 C=C 双键处于链间形成硫桥，阻止链滑动，从而使橡胶更硬、更坚固、更有弹性。

一个很常见的失误是写硫化「加硫使橡胶变软」，它使橡胶更硬、更有回弹，而交联越多就越硬。

本节定位

这是 聚合物 一章的内容标准 12.3，它把前面标准的观念用到一种真实的聚合物上。天然橡胶本身就是一种加成聚合物（承接聚合反应类型，12.3 建立在 12.2 之上），也是 12.1 里天然聚合物的头号例子。

在本章 例题 页面练习聚异戊二烯的聚合度题与凝固的解释，并在 常见错误 页面核对电荷与交联的措辞。在我们以英文授课、每小时 RM50 起的在线一对一 SPM化学课上，一对一老师可以确保你的凝固与硫化答案总是包含评分方案想要的原因。

快速回顾

• 天然橡胶 = 聚异戊二烯，异戊二烯 C₅H₈ 的加成聚合物，每个重复单元里有一个 C=C 双键。
• 胶乳是带负电荷橡胶颗粒的胶体；酸使它凝固（H⁺ 中和电荷）；氨阻止凝固。
• 未硫化橡胶软、弱、受热发黏、容易氧化。
• 硫化 = 与硫一起加热，形成交联，使橡胶更硬、更坚固、更有弹性。