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

Это стало революционным открытием, поскольку ранее металлы не использовались для образования ковалентных связей между двумя молекулами. Прежде ученые просто соединяли молекулы и меняли их количество, давление и температуру, пытаясь вызвать нужные им реакции. Но, сам того не зная, Циглер запустил новый вид катализа – это важная и огромная тема в моей области – неорганической химии.

В 1952 году немецкий ученый предоставил свою работу на конференции, и тогда итальянский химик Джулио Натта решил, что он сможет вывести «катализаторы Циглера» на новый уровень. Он решил добавить сокатализаторы. И это именно то, о чем вы думаете: он решил добавить второй металл, чтобы тот помог первому спровоцировать химическую реакцию.

Догадки Натта оказались верны, и они с Циглером быстро разработали катализатор Циглера – Натта; это название стало общим для двух любых сокатализаторов, превращающих двойные связи в одинарные путем образования длинной полимерной цепи. Данный метод был настолько инновационным, что вызвал огромный ажиотаж вокруг исследований новых полимеров. Поскольку это исследование провело революцию в произведение полимеров, Циглер и Натта в 1963 году получили Нобелевскую премию по химии.

Имея простой и быстрый способ получения ПЭВП, инженеры хотели начать использовать их в изготовлении предметов быта. В настоящее время ПЭВП используется не только в холодильниках или переносных холодильниках, но и в лодках, шезлонгах, кувшинах для воды и баночках для солнцезащитного крема. Вы можете найти ПЭВП в любом предмете для пляжа, точно так же, как и ПЭНП, который содержится в горках на игровых площадках, крышках контейнеров для еды и коробках сока.

Со временем ПЭВП стал самым популярным материалом для производства пластиковых холодильников. Причина в его изоляционных свойствах. Полимер удерживает тепло внутри контейнера, а твердая пена снаружи не позволяет солнечному свету проникнуть внутрь переносного холодильника. Горячий воздух остается на пляже, в то время как прохладный воздух, окруженный полиэтиленом, охлаждает ваше пиво.

Знаете ли вы, что в 1960-х годах компании начали использовать полимеры для производства упаковок с пластиковыми колечками вместо бумажных и металлических? Думаю, изначально эти изменения были восприняты хорошо, поскольку бумажные колечки сразу же размокали из-за конденсата на банках. Но в конце 1970-х – начале 1980-х годов активисты забили тревогу, и началась масштабная кампания по запрету жестких пластиковых колец. Дело в том, что небольшие дикие животные застревали в кольцах, из которых потом не могли выбраться, и в результате умирали. Тогда производители начали использовать более гибкий пластик, чтобы избежать смертей животных. Это означало, что новые держатели в упаковках будут достаточно прочными, чтобы не давать банке болтаться, но достаточно слабыми, чтобы животные могли их порвать. ПЭНП идеально подходил для этих целей.

В 1993 году Агентство по охране окружающей среды (АООС) потребовало, чтобы все полиэтиленовые колечки были биоразлагаемыми; пластик должен разрушаться естественным образом без участия человека. Производители решили использовать фотодеградацию: процесс, в ходе которого УФ-излучение разрушает связи в полимере (мы поговорим об УФ-излучении чуть позже). В зависимости от размера пластика этот процесс может протекать как несколько месяцев, так и несколько лет. Однако если выбросить предмет на свалку или закопать под землю, то солнечные лучи не смогут активировать механизм разрушения, и пластик никогда не разложится. Труднее всего разлагаются ПЭВП из-за своего большого размера.

Это касается всех полимеров на основе этилена, включая полистирол. Полистирол представляет собой крупную молекулу, используемую для создания пенопластовых охладителей. Полистирол состоит из молекулы стирола, которая во многом похожа на этилен. Единственное различие в том, что концевой атом этилена (H2C=CHH) – водород – заменяется на бензольное кольцо (С6H5), и формула стирола выглядит так: (H2C=CHC6H5). У полистирола есть шестичленное бензольное кольцо (С6H5), начинающееся с каждого второго атома углерода. Это довольно большая молекула.

Впервые полистирол был синтезирован в 1839 году немецким фармацевтом Эдуардом Симоном. Он извлек смолу из ликвидамбара восточного, а затем варил ее до состояния маслянистого вещества. В процессе очистки ученому удалось выделить молекулу под названием стирол. В конце концов эта молекула превратилась в вязкое густое вещество, похожее на желе. В 1866 году французский химик Марселен Бертло определил эту молекулу как длинную цепь углеводородов с чередующимися бензольными кольцами. Но тогда ученым только предстояло открыть полимеры. Поэтому потребовалось еще восемьдесят лет, чтобы это вещество получило официальное название полистирол.

Есть три общие конфигурации, которые может образовать полистирол: изотактическая, синдиотактическая и атактическая. Данный термин указывает на тактичность полимера – это странный способ указать на положение бензольных колец в молекуле. Если все бензольные кольца расположены с одной стороны полимера, то такой полимер является изотактическим. По правде говоря, не важно, где расположены кольца: справа или слева. Нам просто нужно, чтобы все они находились на одной стороне – это как если бы у сороконожки ноги располагались только на одной стороне тела. Эти полимеры самые прочные из трех, так как могут стоять вплотную к соседним полимерам.

Именно поэтому изотактическая конфигурация отлично подходит для производства пены для охлаждения. Как и в случае с холодильниками, горячий воздух не может пройти через пену, благодаря чему охлажденные напитки и еда продолжают оставаться охлажденными. Но есть две другие конфигурации, которые можно обнаружить в дешевых пенах для охлаждения.

Если бензольные группы полимера чередуются, располагаясь попеременно то с одной стороны, то с другой, то такой полимер является синдиотактическим. Эти полимеры по внешнему виду напоминают стебель розы, листья которой растут по всей длине. Из-за такой формы полимеры не могут стоять вплотную друг к другу. Стоящие невпопад кольца мешают.

Если бензольные группы распределены вокруг полимера случайным образом, то с одной стороны, то с другой, то полимер является атактическим. Такие полимеры считаются самыми слабыми из трех, так что у них самая низкая температура плавления. Именно поэтому атактические полимеры обладают наибольшей гибкостью и эластичностью, и это придает им текстуру резины.

Поскольку бензольные кольца очень большие, обычно полимеры полистирола являются атактическими. Это означает, что бензольные кольца в них расположены случайным образом. Какие-то слева, а какие-то – справа. Одни друг за другом, а другие – равномерно. Универсального образца такого полимера нет.

Именно поэтому мы работаем только с двумя основными формами полистирола. Первая называется кристаллической; такой полистирол используется в одноразовых пластиковых изделиях, например в пластиковых вилках и ножах, которыми вы едите во время пикника на пляже. Если вы используете пищевую пленку вместо пакетов для сэндвичей, то ваш холодильник будет заполнен полистиролом.

Я никогда не пожалею о том, что когда-то купила пищевую пленку. Это самый лучший продукт, поскольку ею можно закрыть контейнер, не используя при этом скотч или другие средства. Межмолекулярные взаимодействия в полистироле настолько сильны, что атомы притягиваются друг к другу, удерживая пластик вместе. Если пленка когда-нибудь скатается, распутайте ее и снова закройте контейнер. Просто дайте атомам немного времени для формирования дисперсионных взаимодействий между полимерными цепями.

Вторая форма полистирола – это вспенивающийся полистирол. Вы можете обнаружить ее на пляже во всем, что сделано из Styrofoam, например в стаканчиках или пенопластовых переносных холодильниках. (Styrofoam – это торговая марка пенопласта, и прямо как Kleenex, она используется для обозначения ткани.) Некоторые госучреждения прокладывают полистирол под дорогами, чтобы защитить асфальт от замерзания и деформации.

Вспененный полистирол является попкорн-полимером. Во время производства происходит весьма увлекательный процесс. Во-первых, молекулы полистирола искусственно делятся на небольшие гранулы, внешне напоминающие икру. Затем их накачивают воздухом и ссыпают в большую форму. Там гранулы плавятся: их нагревают до высокой температуры, а затем спрессовывают.

Пенопласт на 3–5 % состоит из полистирола, остальная часть – просто воздух. Вот поэтому большинство продуктов из пенопласта, например охлаждающая пена, такие легкие. Пенопласт тоже является хорошим изолирующим веществом, так что мы можем использовать его для хранения еды и напитков в охлажденном виде.

Однако ни кристаллический, ни вспенивающийся полистирол не обладают достаточной прочностью, так что они не могут выдержать давление газированного напитка. Для этого мы можем использовать другой полимер, полиэтилентерефталат (ПЭТ), который уже обсуждали в прошлой главе.

Интересный факт: этот же полимер используется в производстве бутылок для воды и газированных напитков. Пластик получается полупрозрачным, что очень хорошо: мы можем рассмотреть жидкость в бутылке. Сама емкость достаточно прочная, чтобы выдержать давление в газированном напитке. Если вы, как и я, предпочитаете приносить на пляж фрукты, то вас могут окружать молекулы ПЭТ – они находятся в пластиковых контейнерах для фруктов и ягод.

Как только все закуски и напитки уложены в холодильник, мы надеваем купальники и садимся в машину. Большинство тканей для купальников изготовлены из полиэфирных (или нейлоновых) полимеров с содержанием спандекса от 10 до 20 %, благодаря чему купальник будет эластичным и очень удобным. По правде говоря, эта информация не должна стать для вас чем-то новым, ведь мы уже обсуждали полиэстер и нейлон. Но в синтетическом волокне – спандексе (известном как лайкра) – есть нечто интересное. Впервые этот полимер был получен в 1952 году из полиэфира и полимочевины и поначалу рассматривался как замена каучуку в поясах для женщин. И поскольку этот полимер подходил для использования в нижнем белье, его назвали «спандекс», от слова «эластичность».

Все три синтетических волокна идеально подходят для использования в купальниках из-за их неполярных свойств. Когда вы заходим в океан, молекулы воды сразу же начнут проходить через свободное пространство между волокнами купальника; именно поэтому натуральная ткань, например хлопок или шерсть, сразу пропитается влагой. Но так как наши купальники сделаны из неполярных материалов, то полярные молекулы воды от них отталкиваются. Конечно, вода продолжает проходить через купальники, поскольку они не являются водонепроницаемыми, однако количество поглощаемой влаги сведено к минимуму.

Чтобы доказать это, давайте представим купальник из хлопка, который состоит из другого полимера – целлюлозы. Целлюлоза, в свою очередь, состоит из длинной цепочки молекул глюкозы, покрытых спиртовыми функциональными группами (OH). Благодаря этому молекулы целлюлозы становятся чрезвычайно полярными; это приводит к тому, что молекулы будут образовывать водородные связи с водой. Подобные межмолекулярные взаимодействия хороши тогда, когда козы пытаются растворить целлюлозу в желудке, но уж точно не в купальниках. Хлопок впитывает большое количество воды, из-за чего ткань становится тяжелой, а купальник начинает сползать.

Чтобы избежать этой неловкой ситуации, я покупаю купальники с содержанием нейлона и лайкры. И если у меня есть возможность приобрести купальник из переработанного нейлона, то я выберу его. В процессе переработки одежды старые полимеры разрушаются под действием высоких температур и высокого давления. Тем не менее, когда дело касается покупки купальника, для меня важнее его посадка и то, как хорошо он будет держаться на моем теле.

Моего мужа совершенно не заботит то, как сидят на нем пляжные шорты. Он просто хочет носить что-то легкое и водоотталкивающее, поэтому покупает шорты из полиэстера и спандекса. Вода буквально скатывается с его шорт; однако ему нужно использовать шнурки, чтобы шорты не упали, поскольку ткани в них обладают разной эластичностью.

Когда мы приезжаем к океану, я везде вижу одежду из спандекса. Купальники, гидрокостюмы, велосипедные джерси, одежда для пляжного волейбола, пляжные накидки… Если приглядеться, то эти волокна можно обнаружить даже в шляпках.

Но почему мы носим шляпки и накидки на пляже? От чего мы пытаемся защититься? Дело в очень вредном солнечном свете, провоцирующем рак. Но что такое свет? Это тоже химия? Да! По правде говоря, все, что вы видите, взаимодействует со светом. Красная книга в углу комнаты излучает видимый свет в красной области светового спектра, а ваша фиолетовая рубашка излучает свет в фиолетовой области. Свет от лампы или экрана мобильного телефона представляет собой инфракрасное излучение (ИКИ) или тепловое излучение (именно поэтому они нагреваются). А если ваши шторы открыты, то вы подвергаетесь ультрафиолетовому излучению. Итак, если вы не сидите в полной темноте, вы так или иначе взаимодействуете со светом.

Ученые исследуют свет уже достаточно давно. В те времена, когда считалось, что мир состоит из четырех элементов: огня, воды, воздуха и земли, греческий философ Эмпедокл сделал предположение, что из наших глазных яблок вырывается огонь, освещающий окружающие нас предметы и позволяющий нам видеть.

У этой теории имелось множество недостатков, и самым главным было то, что если наши глаза стреляли огнем, то мы должны были видеть в темноте. Между прочим, именно Эмпедокл стал автором идеи того, что мир состоит из четырех элементов. Он ошибался в обоих случаях; как мы знаем, у людей нет стреляющих огнем глаз, как у Циклопа из «Людей Икс».