Как же вещество может одновременно проявлять столь различные свойства? Казалось бы, текучесть и упругость полностью исключают друг друга,
так что всегда можно сказать, является ли данное тело твёрдым веществом или жидкостью. Оказывается, не всегда. Конкретный тому пример — «дурацкая замазка» (другое название — «прыгающая замазка»). И он далеко не единственный. Впервые предположение о том, что могут существовать тела, которые являются текучими и упругими одновременно, и что чёткой границы между жидкостью и твёрдым телом не бывает, высказал в XIX в. английский физик Джеймс Кларк Максвелл (1831—1879). Тогда это вызвало огромное удивление.
На самом деле ничего странного здесь нет. Ведь и обычная вода, если по ней ударить с большой скоростью, не успеет отреагировать на воздействие и будет сопротивляться ему, как твёрдое тело (в этом может убедиться каждый, если неудачно плюхнется с берега в воду животом или же просто стукнет ладонью по поверхности воды). Это свойство жидкости можно проверить и более безопасным способом: если по вытекающей из трубки струе вязкой жидкости сильно ударить молотком, струя поведёт себя как хрупкое тело и разобьётся на осколки с острыми краями (это можно зафиксировать с помощью скоростной кинокамеры или фотоаппарата с малым временем выдержки).
С другой стороны, твёрдая смола или битум под нагрузкой медленно текут, как очень вязкая жидкость. Значит, всё дело в соотношении между временем воздействия на вещество и временем, которое требуется молекулам, чтобы отреагировать на внешнее воздействие. Среднее время, необходимое молекуле жидкости для перемещения под внешней нагрузкой, называется временем релаксации. Когда время воздействия значительно меньше времени релаксации и частицы не успевают должным образом перестроиться, «поддаваясь» внешней силе, происходит разрыв химических связей между молекулами (или даже внутри них). Время релаксации может изменяться в очень широких пределах — от тысячных долей секунды до многих веков и даже тысячелетий.
Особый интерес представляет случай, когда время релаксации не слишком мало (как у воды) и не слишком велико (как у твёрдой смолы), т. е. измеряется секундами или десятыми долями секунды. Именно это наблюдается у «дурацкой замазки». Кроме того, будучи полимерным веществом, она обладает ещё и эластичными свойствами. Они проявляются особенно заметно, когда длительность воздействия примерно равна времени релаксации. Последнее сильно зависит от температуры (в этом нетрудно удостовериться, понаблюдав за асфальтом на дороге зимой и жарким летом). Только при комнатной температуре «дурацкая замазка» проявляет все три свойства: при медленном воздействии она ведёт себя как очень вязкая жидкость, при более быстром — как резина, а при очень резком — как хрупкое твёрдое тело.
С химической точки зрения необычное вещество представляет собой кремнийорганический полимер, содержащий от 0,5 до 7,5 % бора, и называется полидиметилборасилоксаном. Подобно силиконовым каучукам, полимер построен из диметилсилоксановых цепочек (—(СНз)2Si—О—)n. Кроме них в полимере имеются борсодержащие группы —О—В—О—, которые связывают между собой силоксановые цепи. Молекулярная масса полимера может изменяться от нескольких сотен до десятков тысяч, а консистенция — от почти жидкой до почти твёрдой. Если цепи не очень длинные, полимер уже при комнатной температуре медленно растекается по твёрдой поверхности. С увеличением длины цепей вещество постепенно твердеет, улучшается и его «прыгучесть»: некоторые сорта «прыгающей замазки» подскакивают после свободного падения на твёрдую поверхность почти до исходной высоты. Это свойство позволяет, например, изготовлять из «дурацкой замазки» мячи для игры в гольф.
Заметная упругость многих полимерных жидкостей проявляется еще в
одном необычном опыте. Если наклонить стакан с такой вязкой жидкостью, она начнёт медленно переливаться через край, постепенно заполняя подставленный снизу сосуд. Если теперь, сохраняя непрерывность струи, вернуть стакан в исходное положение, жидкость будет продолжать перетекать в нижний сосуд, пока её в стакане практически не останется! Очевидно, что с водой такой фокус не пройдёт: её струя немедленно прервётся.
Для того чтобы провести подобные опыты в домашних условиях, не обязательно синтезировать кремнийорганический полимер. «Интересное» время релаксации имеют сгущённое молоко, некоторые сорта мёда и шампуней, резиновый клей средней густоты. Его можно переливать из стакана в стакан, как обычную жидкость. И в то же время струю этой жидкости можно в буквальном смысле слова разрезать ножницами (только их надо предварительно смазать жиром, иначе клей к ним прилипнет). После разрезания нижняя часть струи быстро упадёт в сосуд, в который клей переливают, а верхняя, проявляя упругие свойства, подскочит и вернётся в стакан, из которого она только что вылилась.
Любопытный опыт можно провести с шампунем подходящей густоты. Если выливать его тонкой струйкой в маленькое блюдечко, то струя через некоторое время начнёт укладываться поверх горки шампуня петлями, как будто это не жидкость, а верёвка. И хотя «верёвка» постепенно расплывается, легко заметить, как её петли время от времени забавно прыгают во все стороны (а иногда даже вверх). Значит, и у шампуня есть свойства резины!
Опыт же с «прыгающей замазкой» можно проделать с помощью обычного силикатного клея (это водный раствор силиката натрия) и этилового спирта. В небольшую чашечку наливают примерно 10 мл клея и медленно, непрерывно помешивая, добавляют равный объём спирта. Вскоре жидкость застывает в студнеобразную массу; из неё надо слепить шарик и промыть его водой (руки и особенно посуду потом нужно тщательно очистить от клея).
Полученная эластичная разновидность силикагеля (он имеет состав Sio2•nН2О) обладает всеми свойствами «прыгающей замазки». При медленном приложении силы вещество ведёт себя как очень вязкая жидкость, похожая на холодный пластилин: шарик можно разминать руками, а если его положить на твёрдую поверхность, он постепенно растечётся. От твёрдой поверхности он отскакивает не хуже резинового, а при сильном ударе рассыпается. К сожалению, со временем шарик высыхает, становится хрупким и теряет эти свойства.
В обычной жизни смолой называют густую тягучую жидкость, выступающую из надреза в коре сосны, ели и некоторых других деревьев. Раньше,
когда не было синтетических смол, люди использовали только природные. Многие из них, например канифоль (от названия древнегреческого города Колофона в Малой Азии), копал (ископаемая смола), янтарь, натуральный каучук, имеют растительное происхождение, однако есть и такие смолы, которые производятся животными — в частности, шеллак.
Раньше природный шеллак был практически незаменимым материалом: из него делали граммофонные пластинки и другие предметы быта, а его спиртовой раствор использовали в качестве лака для дерева. Шеллак стоил очень дорого: европейцам приходилось завозить его из далёких
южных стран — Индии и Индокитая. Процесс получения шеллака из природного сырья был очень долгим и трудоёмким. Все эти причины заставили химиков в конце XIX в. заняться поисками материала, который смог бы заменить шеллак. И такой материал удалось найти. Им стала фенолформальдегидная смола — синтетическая смола, получаемая нагреванием смеси фенола с формальдегидом.
Реакция образования фенолформальдегидной смолы впервые была описана немецким учёным Адольфом Байером в 1872 г. В результате этой реакции молекулы формальдегида связывают между собой молекулы фенола, при этом выделяется молекула воды.
Формальдегид способен взаимодействовать с молекулами фенола по орто-и пара-положениям с образованием сетчатого полимера.
Главным недостатком первой синтетической смолы была хрупкость. Кроме того, её синтез проводили при довольно высокой температуре (140—180 °С), и образующаяся водавыделялась в виде пара. Это приводило к возникновению вздутий и пустот.
Может ли стекло быть органическим
С древнейших времён человеку было известно стекло — твёрдый прозрачный термостойкий материал. К сожалению, оно очень хрупкое — все хорошо знают, как легко бьётся стеклянная посуда. И только в XX в. развитие химии полимеров позволило получить пластмассу, по свойствам похожую на неорганическое стекло, — полиметилметакрилат (ПММА). Это высокомолекулярное соединение образуется в результате радикальной полимеризации мономера — метилового эфира метакриловой кислоты.
В макромолекулах ПММА к атому углерода присоединено два заместителя — полярная сложноэфирная и метильная группы. Силы притяжения между молекулами полимера чрезвычайно велики, и потому ПММА — один из самых жёстких пластиков: его можно пилить и обрабатывать на токарном станке.
Этот бесцветный прозрачный полимер при температуре более 110 °С размягчается и переходит в вязко-текучее состояние. Поэтому ПММА легко перерабатывается в различные изделия формованием и литьём под давлением. Полиметилметакрилат — один из наиболее термостойких полимеров: он начинает разлагаться только при температуре свыше 300 °С.
Лёгкие прозрачные листы, изготовленные из ПММА, а также ряда других полимеров (полистирола, поликарбоната и т. п.) химики-технологи назвали органическим стеклом (сокращённо — оргстекло или плексиглас). Главное достоинство этого материала — его высокая прочность. Она превосходит прочность обычного (силикатного) стекла в десятки раз: предметам из органического стекла не страшны удары. В отличие от обычного стекла, оргстекло хорошо пропускает ультрафиолетовые лучи, необходимые растениям, и именно его предпочтительнее использовать для остекления теплиц. Однако такое стекло уступает обычному в твёрдости (острые предметы оставляют на нём царапины) и химической стойкости.
Благодаря уникальным свойствам оргстекло прочно обосновалось в промышленности и в быту, потеснив в некоторых областях силикатное стекло. Оно широко применяется в военной технике, авиации, различных измерительных приборах, часовых механизмах. Этот материал оказался удобным и для изготовления светильников, реклам, дорожных знаков и безосколочного стекла «триплекс». А поскольку оргстекло практически безвредно для человеческого организма, оно нашло применение в качестве материала для зубных протезов и контактных линз. Так вот и сбылась многовековая мечта ремесленников-стекольшиков и химиков-технологов:
получено лёгкое, прочное, небьющееся стекло — стекло из органических соединений.
Список литературы
1. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия/Глав. ред. В. А. Володин. – М.: Аванта+, 2001. – 640 с.: ил.
2. И.Г. Хомченко ‘Общая химия’, М. ‘Химия’ 1987
3. Г.П. Хомченко ‘Химия для поступающих в Вузы’, М.’Высшая школа’ 1994