Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Так Кволек обнаружила кевлар. Мы используем этот материал во многих вещах: от пуленепробиваемых жилетов и оптико-волоконных кабелей до скафандров, в которых астронавты будут ходить на Марсе. Эта гигантская молекула называется полипарафенилен-терефталамид и представляет собой синтетическое волокно.

Кевлар – один из самых прочных материалов, известных на сегодняшний день. Его атомы располагаются вплотную и прочно связаны друг с другом; благодаря этому ничто – даже пуля – не может разорвать связи между ними. Во время стрельбы в ночном клубе Орландо одного полицейского спас шлем из кевлара, защитивший того от пули. А во время стрельбы в Паркленде группа старшеклассников спряталась за листом из кевлара, который они обнаружили в кабинете по военно-патриотической подготовке.

Это волокно спасает жизни. А все из-за (чрезвычайно сильного) притяжения между молекулами.

Эластичные волокна полимера были изобретены в 1930-х годах, и ученые сразу поняли, что их можно использовать при создании одежды (но не средств для макияжа). Например, в 1939 году были выпущены первые нейлоновые чулки – и знаете, это был огромный шаг вперед, если сравнивать их с чулками из хлопка или шерсти. Женщины по несколько часов стояли в длинных очередях, чтобы купить одну пару чулок – прямо точь-вточь как сейчас, когда люди выстраиваются в очереди на Черную пятницу.

Как и с другими тканями, нейлон вытягивается в длинные тонкие волокна, которые затем переплетаются между собой. Эти волока принимают замысловатую форму, образуя нейлоновую ткань. И хоть такая ткань очень эластичная, она дышит не так хорошо, как ткань из полиэстера, которую мы уже обсуждали в прошлой главе. Все из-за того, что молекулы в нейлоновой ткани тесно связаны друг с другом.

Как я уже говорила, когда нейлоновые чулки только изобрели, женщины стали одержимы новой тканью. Во время Второй мировой войны DuPont изменили свое производство и начали использовать полиамидный материал для производства парашютов. Количество чулок на рынке резко сократилось, при том, что спрос на них резко вырос. Это вызвало – я сейчас серьезно – нейлоновые бунты. Обида и злость женщин были настолько сильны, что дамы даже дрались друг с другом из-за чулок. А кто-то даже грабил соседок!

После войны компании вернулись к производству чулок, на этот раз смешивая нейлон с другими натуральными и синтетическими волокнами, например хлопком и полиэстером. Для того времени эти ткани были чем-то новым, из-за чего одежда из них оказалась очень популярной среди женщин. Новые чулки стали эластичными, недорогими и красивыми. Но если посмотреть с молекулярной точки зрения, то это был совершенно другой тип полимера.

В настоящее время в наших тканях используются все типы полимеров. В верхней одежде, например дождевике или непромокаемых штанах, вы найдете нейлон. Один из самых дешевых полимеров – полиэтилентерефталат (ПЭТ). Он занимает четвертое место по объему производства в мире, и, я уверена, вы знаете его по бытовому названию – полиэстер. Как и нейлон, полиэстер (и другие распространенные ткани) изготавливается с использованием полимерных цепей и механизмов связывания.

Я могла бы еще долго говорить на эту тему, потому что каждая вещь в вашем гардеробе состоит из химии: в бархате содержатся ацетаты, хлопок сделан из целлюлозы, а во влагоотводящей одежде используется полилактид.

Даже ваши ювелирные изделия – это химия! Серьги, браслеты, ожерелья – все это сочетания металлов – расплавленные и сформированные заново структуры. К слову, захватите с собой ваши любимые серьги и мини-бикини, потому что мы отправляемся на пляж!

8. Дай мне немного солнца. На пляже

Сейчас мы живем в Остине, и наша дорога до океана занимает около четырех часов. Все, что нам нужно сделать, это посадить собак на заднее сиденье, завести машину, открыть люк и наслаждаться яркой поездкой в Галвестон или Корпус-Кристи. Лето 2019 года вышло очень жарким, так что на какое-то время вода стала залогом выживания. В августе температура держалась в районе 37,8°C почти двадцать дней. Это было ужасно.

Тем летом мы буквально жили на пляже, и именно тогда я обратила внимание на химию, которая окружает нас там, начиная с авобензона в солнцезащитном креме и заканчивая полимерами в моих купальниках. Я видела примеры моей любимой науки буквально везде. Например, в холодильнике.

Единственная вещь, на которую мы тогда постоянно полагались, – качественный переносной холодильник, в котором мы хранили и еду и напитки. Наша любимая модель сделана из полиэтилена, хотя для их создания можно использовать и полистирол.

Не думаю, что вы часто думаете о холодильниках, но это просто удивительная вещь! Как правило, они используют особую молекулярную структуру, с помощью которой могут удерживать холодный воздух внутри. В основном у больших и крепких холодильников есть две разные формы полиэтилена, так что давайте сначала рассмотрим этот полимер. Как вы поняли из названия, полиэтиленовые полимеры состоят из молекул этилена. В настоящее время полиэтилен – это самый популярный и распространенный вид пластика. Этилен представляет собой углеводород с формулой Н₂С=СH₂, является газом и чрезвычайно легко воспламеняется. Такое неполярное соединение (электроны равномерно располагаются в молекуле) означает, что газ может образовывать дисперсионные взаимодействия только с соседними молекулами.

Но под чрезвычайно высоким давлением этилен способен вступать в химическую реакцию с самим собой; в ходе реакции получается длинная этиленовая цепь. Когда это случается, двойная связь разрушается и остается только одинарная, удерживающая всю молекулу. После этого атомы углерода могут образовать новые ковалентные связи с другими атомами углерода, что приводит к созданию длинной углеводородной цепи.

Позвольте объяснить это на примере Райана Рейнольдса из первой части книги. Мы уже обсуждали, как я могу образовать с ним двойную связь: нам нужно просто соединить по две наших руки. Но если я хочу пройти реакцию полимеризации, то мне нужно отпустить одну руку Райана и взяться за другую прекрасную знаменитость, Джо Манганьелло. Конечно же, Райан сделает то же самое – образует новую связь с Блейк Лайвли.

Эффект домино будет продолжаться до тех пор, пока все атомы углерода не окружат себя четырьмя ковалентными связями (все из-за положения углерода в периодической таблице). Полиэтилен является неполярным, между полимерными волокнами образуются дисперсионные взаимодействия. Такое взаимодействие очень похоже на межмолекулярное, образующееся между отдельными молекулами этилена.

Это гигантские молекулы с молекулярной массой от 10 000 до 100 000 г/моль. Так как полиэтилен представляет собой большую неполярную молекулу, он не растворяется в воде. Данное качество делает его идеальной молекулой для создания холодильников. Неспособность полиэтилена раствориться в воде позволяет наполнить холодильник льдом и принести его к океану.

Внешнее пластиковое покрытие большинства холодильников изготавливается из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), в то время как пакеты для сэндвичей из полиэтилена низкой плотности (ПЭНП). Давайте поговорим о ПЭНП, чтобы лучше понять разницу. ПЭНП впервые был использован еще в 1930-х годах, он имеет более низкую плотность, чем ПЭВП (да-да, я капитан очевидность). Но несмотря на то, что два этих вида пластика имеют одинаковые атомы и ковалентные связи внутри полимеров, способ образования связей у них очень различается.

ПЭНП представляет собой полимер, в котором ковалентные связи образованы между соседними молекулами этилена. Как мы уже обсуждали ранее, когда молекулы этилена вступают в реакцию друг с другом, двойная связь разрывается, а между молекулами образуется новая одинарная связь. В ходе этого процесса создается разветвленная углеводородная цепь. Следовательно, вместо того, чтобы формировать одну прямую цепочку атомов углерода (в ряд), связи образуются между случайными атомами. В результате образуется цепочка, по внешнему виду напоминающая букву Т. Форму «в ряд» можно сравнить со строем школьников, идущих в столовую, в то время как разветвленная форма напоминает хаос, который эти же школьники устраивают на перемене.

Из-за разветвленной формы ПЭНП намного слабее ПЭВП (и намного эластичнее). Такая форма не позволяет молекулам располагаться вплотную к другим ПЭНП, а значит, они не могут образовывать сильные дисперсионные взаимодействия. Следовательно, если мы возьмем определенное пространство, то там будет небольшая плотность полимером (диапазон плотности колеблется от 0,917 до 0,930 г/см³).

Что на самом деле важно, так это то, почему мы так часто используем эти типы полимеров в повседневной жизни. Они легко растягиваются, эластичные и износостойкие, поэтому данные полимеры отлично подходят для использования в качестве пакетов для сэндвичей (и пластиковых пляжных сумок – но лишь до тех пор, пока все не поняли, что одноразовые сумки загрязняют окружающую среду; так что довольно быстро они превратились в многоразовые). ПЭНП идеально подходят для хранения больших сэндвичей, так как им можно обернуть хрупкие ломтики хлеба и защитить их от влаги. Тут полимеры определенно выигрывают конкуренцию с бумагой, которая неэластична и промокает при контакте с водой.

По сути, полиэтилен не считается твердым полимером, а это значит, что у нас есть возможность формировать молекулы в разных конфигурациях – изменять форму пластиков благодаря тому, как молекулы выстраиваются в линию в полимере. К примеру, если мы возьмемся за две стороны пакета для сэндвичей и потянем его в разные стороны, то увидим, что его форма изменится. Он ответит на прилагаемое давление, увеличиваясь в длину и уменьшаясь в ширине. Если мы потянем слишком сильно, то пакет порвется.

Этот процесс, называемый уменьшением поперечного сечения, происходит каждый раз, когда молекулы внутри полимера пытаются адаптироваться к изменениям. До того, как мы начали растягивать пакет, молекулы были в полном беспорядке, прямо как мокрые спагетти на сковородке. Но как только мы растянули пакет, молекулы выпрямились в ряд. Это можно сравнить с тем, что мы поставили сковородку на огонь и высушили спагетти. В стрессовой ситуации молекулы выпрямляются и выстраиваются в идеальный ряд. Благодаря длинной форме молекул мы можем растянуть пакет, придав ему форму гантели, о которой я уже говорила выше.

Но если вы отпустите пакет, то он со временем примет изначальную форму. Конечно, в некоторых местах могут появиться повреждения, особенно в тех, где пальцы соприкасались с поверхностью. Однако остальные полимеры должны вернуться к своему изначальному положению.

В отличие от ПЭНП, ПЭВП имеет линейную конфигурацию с прочными ковалентными связями между множеством атомов углерода. Чуть ниже я объясню, что это значит (выглядит очень странно). Сейчас вам необходимо знать, что именно эта форма делает ПЭВП особо прочными; ведь так ПЭВП могут располагаться вплотную друг к другу. При такой конфигурации полимеры образуют прочные дисперсионные взаимодействия между каждой молекулой полиэтилена, а это приводит к тому, что мы получаем ПЭВП. Он используется в создании холодильников, а их плотность колеблется от 0,930 до 0,970 г/см³.

И хотя ученые смогли предсказать, что ПЭВП будет прочнее ПЭНП, сначала они пытались найти хороший способ синтеза полимера. Спустя двадцать лет после открытия ПЭНП немецкий химик Карл Циглер начал проводить эксперименты с этиленом. После каждой реакции он находил один и тот же продукт – бутен, молекулу, у которой все связи были одинарными и только одна – двойная.

Циглера заинтересовала эта неожиданная химическая реакция, так что он сразу же начал проводить более сложные эксперименты. Ученый выяснил, что внутри газообразного этилена находятся небольшие скопления никеля, благодаря котором образуется бутен.

Циглер начал добавлять этилен во все металлы. И хотя он не придерживался какой-либо системы, его эксперименты дали результат. Химик заметил, что цирконий и хром тоже способны образовывать смесь полимеров, но для производства полиэтилена с линейной формой лучше всего подходит титан.