Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул - Кейт Бибердорф
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
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.
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
