В каждом уважающем себя за'мке должно обитать привидение. А что должно уметь делать каждое уважающее себя привидение? Конечно же, проходить сквозь стены и своим неожиданным появлением и не менее стремительным исчезновением нагонять ужас ужасный на людей. Ладно, привидений, насколько известно современной науке, не существует — иначе бы одно из них точно завело бы себе блог в какой-нибудь соцсети, с таким-то количеством телефонов с камерами 4K у населения. Но что с возможностью проходить сквозь стены? Может ли что-то настоящее, из нашего материального мира похвастаться такой «сверхъестественной» способностью?
Перво-наперво на ум приходит излучение: начиная от рентгеновских лучей, просвечивающих ваши вещи при досмотре в аэропорту, и заканчивая разными экзотическими элементарными частицами вроде нейтрино, которые могут пролетать не то что через стенку квартиры, а даже сквозь весь земной шар. У излучения разного типа и разной энергии будет и разная проникающая способность, но всё-таки это немного не то, что мы хотели — ни гамма-лучи, ни потоки нейтрино толком не увидишь без специальных приборов, чего уж говорить о том, чтобы попытаться потрогать их рукой. Здесь самое время уточнить, что под способностью проникать сквозь препятствия мы будем понимать такое проникновение, которое не оставляет после себя следов — точь-в-точь, как это делает привидение: раз — и убежало в соседнюю комнату, да так, чтобы ни одна стенка не пострадала. Такое тоже возможно, и это всепроникающее нечто в буквальном смысле витает в воздухе!
Речь идёт о газах — они способны проникать сквозь твёрдые и герметичные, на первый взгляд, препятствия как заправские призраки. И самое необычное — это то, что с эффектом проникновения газов сквозь твёрдые вещества мы сталкиваемся буквально каждый день. В общем, добро пожаловать в удивительный материальный мир газообразных веществ!
Для начала пойдём в обычный продуктовый супермаркет и поищем там что-нибудь вроде чипсов. Да, не самая полезная еда, но в этот раз мы пришли в магазин не за здоровой пищей, а за физической химией. Всё хрустящее, с ароматом самых идентичных натуральным ароматизаторов и оставляющее на одежде жирные следы будет аккуратно расфасовано в яркие, красочные пластиковые пакетики. Но вы вряд ли найдёте чипсы в прозрачной упаковке из обычного полиэтилена, хотя, казалось бы, так можно было бы и товар наглядно показать и на упаковке сэкономить. Однако на то есть свои причины.
Дело в том, что производитель чипсов, может, был бы и рад показать нам свой товар во всей хрустящей красе, но вместо этого он вынужден его прятать за непрозрачной упаковкой. И вина за это лежит в том числе на газе, без которого мы не можем жить, — кислороде. А всё потому, что молекулы кислорода обладают способностью проникать сквозь обычный полиэтилен — ставший почти синонимом герметичности полиэтиленовый пакет совсем не герметичен, когда речь касается молекул О2.
Вы вполне можете возразить: как так — ведь полиэтиленовый пакет можно легко надуть, заперев в нём воздух вместе с кислородом, а значит, ни воздух, ни кислород, которого в нём примерно 20%, он не пропускает. Это, конечно, верно, но только когда мы говорим о сравнительно небольших промежутках времени — минуты, часы, может быть, сутки, и сравнительно больших объёмах кислорода. Но пакет с жареной картошкой может лежать на полке магазина месяц, два, даже все пять. И… это другое.
За долгое время из окружающего воздуха внутрь обычного пакета проберётся уже ощутимое количество кислорода — такое, что может изменить вкус и запах продукта и без того сомнительной полезности. Кислород — вещество, которое не прочь окислить что-нибудь химически активное, повстречавшееся у него на пути. Например, молекулы каких-нибудь масел, спиртов, витаминов — да много чего. И тогда вместо аромата зелёного лука у чипсов к середине срока годности появится аромат прогорклого масла или у них просто изменится вкус.
Тонкий слой полиэтилена или полипропилена для маленьких молекул кислорода представляет что-то вроде леса с оврагами и буреломом разной степени труднопроходимости. Бежать с закрытыми глазами по чаще, конечно, не получится, но при должном усилии пробраться всё-таки можно, особенно, если захватить с собой компас, чтобы не сбиться с выбранного пути. Молекулы кислорода точно так же пробираются сквозь переплетение полимерных цепочек, а направление им «указывает» собственная концентрация: молекулы всегда стремятся туда, где их пока мало. Внутри пакета кислорода всегда меньше — производитель может даже упаковывать продукты в пакеты в бескислородной среде — обычно это смесь азота и углекислого газа. Поэтому молекулы кислорода из воздуха будут стремиться проникнуть внутрь пакета, где их меньше. А попав внутрь, кислород спустя некоторое время прореагирует с какими-нибудь активными молекулами продуктов, кислорода в пакете станет ещё меньше и так по кругу, пока пакет вместе с едой не отправится в бак с просрочкой.
К счастью, спасти продукты от «вредного» кислорода можно. Например, увеличить толщину стенок упаковки — так молекулам кислорода банально потребуется больше времени, чтобы пробраться к свежему мягкому круассану. А там, глядишь, его кто-то успеет купить и съесть. Но делать очень толстую упаковку невыгодно: она дороже, она тяжелее и от неё больше отходов. Поэтому обычно идут по другому пути — делают полимер менее проницаемым для газов, по-другому это называется повышением его барьерных свойств. И вот как это получается.
У разных полимеров разные барьерные свойства — у каких-то они лучше, у каких-то хуже. Поэтому один полимер всегда может прийти на помощь другому, если тот не справляется с чем-то в одиночку. Например, можно сделать материал из двух и более слоёв, каждый из которых хорошо выполняет какую-то одну задачу: обеспечивает прочность упаковки, её гибкость, проницаемость для газов или для ультрафиолета (это для тех, кто нарушает правило «хранить вдали от прямых солнечных лучей»). Таким образом изготавливают полимерные бутылки для некоторых газированных напитков — фактически на выходе получается «бутылка в бутылке», где между слоями из ПЭТ (полиэтилентерефталата) находится барьерный слой из другого полимера, к примеру нейлона. Своим барьером бутылка «убивает» сразу двух зайцев: не даёт кислороду проникать внутрь, а углекислому газу – наружу. Всё хорошо, кроме цены, — такая бутылка сильно дороже обычной однослойной
Ещё один вариант барьерного материала — это металл, например алюминий. Проникнуть сквозь металл газам намного сложнее, чем через полимеры, даже если толщина этого металла измеряется в микронах. Тут уже подойдёт аналогия не с чащей, а с отвесной скалой — будь у тебя хоть десять компасов, подняться по горной круче они не помогут, нужно другое оборудование. Чтобы не пускать к еде вредный кислород, упаковочные плёнки металлизируют — наносят тончайший слой алюминия. Поэтому, когда вы видите блестящую «фольгированную» упаковку из-под чипсов, знайте, она не для красоты, а для сохранности вкуса и запаха хрустящих ломтиков.
Кстати, металлизация полимеров может не только подарить радость вашим вкусовым и обонятельным рецепторам, но и порадовать глаз и даже добавить комфорта вашему телу долгими зимними вечерами. Воздушные шары, наполненные гелием, сделаны из того же металлизированного пластика. Гелий — ещё более способный к проникновению «сквозь стены» газ. Поэтому латекс, из которого делают обычные воздушные шары, очень плохо справляется с удержанием гелия. Стоит только надуть такой шар, как через пару часов гелий как будто говорит «ну, я пошёл» и шарик буквально на глазах теряет свой объём. Ситуацию можно чуть-чуть улучшить, нанеся на внутреннюю поверхность шарика специальный полимерный состав, «заделывающий» крупные поры, но даже эта мера кардинально не меняет ситуацию. Здесь на помощь приходят фольгированные шары: они шуршат, не раздуваются и гелий держат неделю и больше.
Ещё одно применение противокислородной металлизации — полимерные трубы для горячего водоснабжения. Здесь такая же история, как с бутылками: сквозь пластиковую полипропиленовую трубу — а толщина её стенки может быть несколько миллиметров и больше — к воде просачивается кислород. Что же в этом плохого — ну, будет вода с кислородом, она же не испортится от этого? С водой, конечно, от кислорода ничего не случится, а вот металлическим деталям насосов, нагревателей, вентилей и всего остального будет плохо — они начнут ржаветь быстрее, чем могли бы. Горячая вода с кислородом — просто мечта для ржавчины! Кстати, ещё одни «выгодоприобретатели» тёплой воды с кислородом — бактерии. Поселившиеся в трубах, они за десяток лет, а то и быстрее, могут развить такую кипучую деятельность, что сократят просвет труб в несколько раз. Чтобы этого не произошло, в полимерные трубы для горячей воды добавляют барьерный слой из металлической фольги или стекловолокна. Он не только препятствует проникновению кислорода, но и повышает прочность трубы — от высокой температуры и давления обычный полипропилен медленно «раздувается».
Но всё это, скажем так, физические способы постройки баррикад на пути кислорода. А можно ли придумать что-то химическое? Что ж, мы не зря сравнили полимер с тёмным-тёмным лесом. Ведь в дремучем лесу могут жить голодные-преголодные волки! От того, кто сунется туда с одним компасом в кармане, останутся лишь рожки да ножки, и то не факт. В полимер тоже можно напустить своих «волков», которые будут охотиться за незваным кислородом, — их называют поглотителями или сорбентами кислорода. Это могут быть как сравнительно небольшие молекулы вроде аскорбиновой кислоты или жирных кислот, так и окисляемые полимеры, готовые цепко хватать своими химическими лапами всякий кислород. Правда, подобная защита не может быть вечной — рано или поздно все такие поглотители полностью окислятся и перестанут выполнять свои сорбирующие функции.
Так что, когда вы берёте с полки магазина пакет с мягкими круассанами, у которых срок годности несколько месяцев, это вовсе не значит, что вместо начинки они, как фаршированные перцы, набиты консервантами. Совсем нет, потому что немалую роль в повышении срока хранения продуктов играет именно упаковка!
Металл газу не помеха?
Когда мы говорим про барьерные свойства металлизированных полимеров, то предполагаем, что полимер пропускает газ, а металл — нет. Может даже создаться ощущение, что фольга — это неприступная «газонепроницаемая» крепость. Однако данное предположение верно лишь отчасти. Газопроницаемость металлов на порядки меньше, чем полимеров, особенно если говорить о каучуке или полиэтилене. Но это не значит, что сквозь металлы совсем не могут просачиваться молекулы газов. Здесь у металлов с газами свои особые, тесные отношения.
Газопроницаемость металлов обусловлена другим механизмом — если в полимерах молекулы газов как бы «протискиваются» между полимерными нитями, то чтобы пройти сквозь слой металла, газ должен в нём раствориться, фактически стать с ним одним веществом.
Возьмём для примера молекулу водорода Н2, которая хочет пройти через слой фольги. Она подлетает к поверхности металла, садится на неё и… распадается на два отдельных атома. Дальше эти атомы независимо друг от друга начинают свой непростой путь сквозь кристаллическую решётку металла, добираются до противоположной стороны, находят себе пары из других таких же атомов-путешественников, превращаются обратно в молекулы водорода и довольные улетают в «новый мир».
Чемпион по «нырянию» в металл — газ водород, у него самая высокая растворимость в металлах. С ним связан ряд интересных явлений. Например, в лабораторных установках очень сложно создать высокий вакуум, потому что даже в полностью герметичной системе при достижении определённого вакуума водород начинает буквально просачиваться сквозь металлические стенки. Кстати, для получения особо чистого водорода его как раз «фильтруют» через тонкую палладиевую пластинку — в этом драгоценном металле водород растворим лучше всех других газов.
У кислорода растворимость в металлах похуже, чем у водорода, но и он может преподносить сюрпризы, притом не всегда приятные. Если вы попытаетесь расплавить серебро в открытом сосуде, а потом станете его охлаждать, то оно может в вас… плюнуть каплями раскалённого жидкого металла. Происходит это из-за того, что расплавленное серебро очень хорошо растворяет кислород, забирая его прямо из воздуха. При охлаждении растворимость кислорода в серебре резко падает и кислород начинает очень быстро выделяться, разбрызгивая капли расплавленного металла.
Плавя серебро в тигле, нужно всегда помнить о «коварном характере» этого металла.
В быту растворимостью газов в металлах, конечно, можно пренебречь (а плавить серебро на кухне слишком опасно). Но чем дальше мы отходим от «комнатных» условий во всех смыслах, тем больше нас поджидает неожиданных проявлений разных интересных физико-химических эффектов.
0
210.00
