close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1280.Практическая химия

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Поморский государственный университет
имени М.В. Ломоносова»
Т.В. Левандовская
ПРАКТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Учебное пособие
Архангельск
Поморский университет
2004
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Печатается по решению
редакционно-издательского совета
Поморского университета
Автор:
Т.В. Левандовская, кандидат химических наук, доцент кафедры химии
ПГУ им. М.В. Ломоносова
Рецензенты:
Э.В. Швакова, кандидат педагогических наук, доцент кафедры химии
ПГУ им. М.В. Ломоносова;
Л.Н. Нестерова, кандидат педагогических наук, доцент, зав. кафедрой
теории и методики предмета АО ИППК РО;
Ю.Г. Хабаров, доктор химических наук, профессор кафедры
технологии ЦБП АГТУ
В учебном пособии теоретические химические понятия рассматриваются на примерах процессов и веществ, с которыми учитель технологии связан или может быть связан в ходе профессиональной деятельности. Каждый раздел теоретической части снабжен вопросами и заданиями для
контроля и самоконтроля. Практическая часть содержит примеры расчетов, необходимых для приготовления растворов, и три лабораторных работы. В приложениях даны контрольные задачи и задания для студентов заочного отделения.
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 030600 «Технология и предпринимательство», но может быть полезно и студентам химических специальностей, а также учителям школ и учреждений среднего профессионального образования.
© Поморский университет, 2004
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПРЕДИСЛОВИЕ
П р а в д и н. Дверь, например, какое имя: существительное или
прилагательное?
М и т р о ф а н. Дверь, котора дверь?
П р а в д и н. Котора дверь! Вот эта.
М и т р о ф а н. Эта? Прилагательна.
П р а в д и н. Почему же?
М и т р о ф а н. Потому что она приложена к своему месту. Вон
у чулана шеста неделя дверь стоит еще не навешена:
так та покамест существительна.
Д.И. Фонвизин. Недоросль.
В повседневной жизни мы постоянно встречаемся со многими веществами и
их химическими реакциями. Однако всегда ли мы можем увязать свойства веществ
и правила обращения с ними с материалом, изученным в школьном курсе химии
(то есть, по терминологии Митрофанушки, сделать знания из «существительных»
«прилагательными»)? Опыт показывает, что отнюдь не всегда, а точнее  редко.
Отсюда многочисленные ошибки в пользовании веществами и материалами  от
пищевой соды до пластмасс,  отсюда же и неспособность распознать недобросовестную или просто безграмотную рекламу. Учитывая растущее разнообразие
веществ, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, научиться применять
свои знания на практике необходимо для любого ученика, и немалую роль в этом
может сыграть учитель технологии.
В настоящем пособии рассмотрены с практической точки зрения отдельные
темы курса химии, представляющие наибольшую актуальность для учителя технологии. Следует подчеркнуть, что предлагаемая методология практического подхода к рассмотрению химических процессов и веществ не требует знаний, выходящих
за пределы школьного курса химии (а также физики и биологии), а потому может
быть в дальнейшем применена студентами и учителями при решении любых других
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
проблем, требующих обращения к учебникам химии. Задания, способствующие
закреплению навыков работы с учебниками, помещены в приложении.
При чтении каждого раздела обратите, пожалуйста, внимание на
вопросы и задания, заключенные в рамку. Постарайтесь сначала ответить
на них самостоятельно, не читая дальше, и только потом проверьте себя:
ответы даны в следующих абзацах.
В конце каждой главы даны вопросы и задания для контроля и самоконтроля.
Пособие содержит практическую часть, включающую методику расчетов,
необходимых для приготовления растворов заданной концентрации, и три лабораторных работы. В приложении даны расчетные задачи и контрольные задания для
студентов-заочников, которые могут быть использованы и студентами дневного
отделения.
Пособие может быть полезно также учителям химии школ и учреждений
среднего профессионального образования.
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЧАСТЬ I
Глава 1. ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВ И ИХ ФИЗИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА
1.1. Агрегатное состояние вещества
Когда мы говорим о каком-то веществе, что оно является твердым, жидким
или газообразным, не уточняя условий, имеется в виду комнатная температура. На
примере воды всем хорошо известно, что в зависимости от температуры вещество
может находиться во всех трех состояниях. Но попробуйте, не читая дальше, об ъяснить, почему при одной и той же температуре разные вещества находятся в разных агрегатных состояниях? Почему разные жидкости кипят, то есть переходят в
газовую фазу, при разных температурах?
Постараемся разобраться. Для начала рассмотрим только два состояния вещества  жидкое и газообразное. В качестве примеров возьмем хорошо знакомые
всем вещества молекулярного строения  метан СН4 и воду Н2О. Вода, как известно, кипит при +100оС, метан же  при 161оС. Из школьного курса физики и
химии известно, что газовая фаза, в отличие от твердой и жидкой, является разр еженной, то есть расстояния между молекулами в ней значительно больше. С др угой стороны, мы знаем, что, нагревая тело, мы сообщаем ему тепловую энергию,
которая, как любой вид энергии, может быть израсходована на совершение работы.
Тогда сформулируем наш вопрос иначе: почему на совершение однотипной работы по удалению молекул друг от друга требуется так мало энергии в случае метана и так много в случае воды?
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ответ напрашивается сам собой: в жидкостях существуют силы притяжения
между молекулами, причем в воде эти силы значительнее, чем в метане. Энергия
тратится именно на преодоление этих сил.
Как же связана величина сил межмолекулярного взаимодействия с химическим строением молекул?
Для ответа на этот вопрос надо знать природу названных сил. Самые извес тные из физики силы притяжения  электростатические, то есть взаимное притяжение положительных и отрицательных зарядов. Молекула, как известно, электрич ески нейтральна. Но значит ли это, что в ней нет областей, в которых преобладает
тот или иной заряд?
Вспомните, какие частицы в атоме являются носителями положительного
заряда, а какие  отрицательного.
В каждом атоме любого элемента суммарный положительный заряд протонов ядра уравновешен суммарным отрицательным зарядом электронов. Но если
молекула состоит из атомов различных элементов, то электроны связей удерживаются разными ядрами с неодинаковой силой. Напомним, что способность ядер
атомов удерживать электроны связи называется электроотрицательностью. Чем
правее и выше в таблице Д.И. Менделеева находится элемент, тем большей электроотрицательностью (ЭО) он обладает. Характеристика эта количественная, безразмерная, наибольшее значение ее (по наиболее распространенной шкале Полинга)
равно 4 (для фтора). Следствием различия ЭО атомов, входящих в молекулу, является полярность связей, образованных этими атомами. При этом связь тем полярнее, чем больше разность ЭО атомов.
Сравним с этой точки зрения полярность связей СН в метане и ОН в воде.
ЭО атомов составляет: Н  2,1; С  2,5; О  3,5. Очевидно, что полярность связи
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СН значительно меньше, чем связи ОН. Иными словами, в первом случае меньше возникшие на отдельных атомах частичные заряды, а значит, меньше и сила
взаимодействия между ними.
Вспомните, какой закон количественно определяет силу электростати ческого взаимодействия зарядов.
Это закон Кулона:
F = q1*q2/r2,
где q1 и q2  величины зарядов, а r 
расстояние между этими зарядами.
Из формулы следует, что при сближении на равное расстояние атом водор ода одной молекулы метана притянется к атому углерода другой значительно слабее,
чем атом того же водорода, входящий в молекулу воды, к атому кислорода другой
молекулы.
Молекула метана включает 4 связи СН, расположенные в пространстве абсолютно симметрично под углами 109о28 друг к другу. Проекция этих связей на
плоскость также симметрична. Изобразим ее, обозначив одинаковые электронные
сдвиги одинаковыми по величине векторными стрелками:
Н δ+

δ+
Н  С δ- Н δ+

Н δ+
(Греческой буквой δ (дельта) принято обозначать частичный заряд).
Сложение векторов дает 0, то есть при том, что каждая связь представляет
хоть и слабый, но диполь, молекула в целом абсолютно неполярна. Следовательно,
расстояние между отрицательно заряженным атомом углерода одной молекулы и
любым из положительно заряженных атомов водорода другой молекулы должно
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
быть довольно велико, что также снижает возможность взаимодействия. В воде же
угол между связями ОН составляет 104,5о.
В таком случае вектор суммы не равен нулю и направлен от обоих атомов водорода к атому кислорода. Молекула в целом также представляет собой диполь.
Обычно диполь изображают схематически так:
+
--
Тогда положительный заряд одной молекулы может подойти значительно
ближе к отрицательному заряду другой, чем в предыдущем случае. Очевидно, что
этот фактор также благоприятствует межмолекулярному взаимодействию.
Таким образом, мы познакомились с двумя вариантами диполь-дипольного
взаимодействия: слабым в метане и сильным в воде.
Наконец, заметим, что атом кислорода обладает не только весьма большим
частичным отрицательным зарядом, но и двумя свободными парами электронов, в
то время как атомы водорода, отдав электронную плотность кислороду, вместе с
положительным зарядом приобрели и способность взамен притягивать на ч астично освободившуюся орбиталь электронную плотность от атомов кислорода
других молекул. Иными словами, между молекулами воды образуются донорноакцепторные связи, имеющие уже отчасти ковалентный характер. Напомним, что
этот особый вид связи называется водородной связью. Нетрудно подсчитать, что
максимально возможное количество водородных связей, образуемых одной молекулой воды, равно четырем. Конечно, тепловое движение молекул делает образ ование всех четырех связей в жидкой фазе маловероятным, но даже само наличие
такого сильного межмолекулярного взаимодействия объясняет относительно высокую температуру кипения воды.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Есть, конечно, и вещества, имеющие полярные молекулы, но водородных
связей не образующие. Они имеют температуры кипения ниже, чем у аналогов,
способных к образованию таких связей, но выше, чем вещества с неполярными
молекулами.
Как вы думаете, какое из двух близких по составу веществ  формальдегид
СН2=О или метанол СН 3ОН  имеет более высокую температуру кипения?
Вместо ответа  подсказка: метанол, как и вода, содержит группу О Н.
Теперь зададим себе следующий вопрос: почему в любом гомологическом
ряду органических веществ с ростом размера молекулы растет и температура
кипения? Ведь характер межмолекулярного взаимодействия при этом не меняется.
Сравним тот же метан и его гомолог н-бутан С4Н10. Последний является составной частью бытового сжиженного газа, который отличается от природного
газа тем, что в зимние морозы может поступать в дома с перебоями. Дело в том,
что бутан сжижается (а значит, и кипит) при 0,5С. В небольшие холода его уносит
более летучий пропан, но и он сжижается при не очень низкой температуре  около 40 ниже нуля.
Попробуйте сами найти объяснение повышения температуры кипения более
чем на 160  при переходе от метана к бутану. Для этого изобразите структурную формулу бутана.
Для объяснения используем простую аналогию. Всем известна застежка
«велкро», или в просторечии «липучка». Она состоит из множества плас тмассовых
крючков и петелек. Каждый крючок в отдельности мягок и легко выдергивается из
петельки. Но множество таких крючков делает застежку вполне надежной. Молекула метана может взаимодействовать с соседними молекулами за счет максимум ч етырех связей-диполей. Если же взять бутан, то в его молекуле 10 связей СН. Сле9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
довательно, возрастает вероятность того, что в каждый момент времени хотя бы
часть молекулы будет сближена с соседней молекулой. При этом десять слабополярных связей бутана способны обеспечить более сильное межмолекулярное пр итяжение, чем четыре аналогичных связи метана. Это и есть эффект «липучки». Поскольку алкильные радикалы входят и в состав более сложных органических с оединений (спиртов, альдегидов, карбоновых кислот и т.д.), в любом гомологич еском ряду наблюдается та же закономерность.
Температура плавления вещества также зависит от силы взаимодействий
между частицами в кристалле, но эта зависимость является более сложной, так как
здесь играет роль еще и форма частиц.
Очень важно понимать, что если на отрыв молекул друг от друга затрачивается энергия, то при взаимодействии этих молекул, то есть при противоположном
процессе, энергия выделяется.
Вопросы и задания
1. Изобразите структурные формулы бутана и изобутана. Какой изомер должен иметь более высокую температуру кипения? Обоснуйте ответ.
2. Какие типы взаимодействия могут осуществляться между молекулами: а) фтороводорода;
б)
хлороводорода? Какое из этих веществ должно кипеть при более высокой температуре?
3. Почему физические свойства сероводорода и воды сильно различаются? (Для ответа воспользуйтесь таблицей Менделеева).
4. Что имеет более высокую температуру кипения – вода или метанол? Обоснуйте ответ.
1.2. Растворимость веществ в полярных и неполярных растворителях
Те же силы, которые определяют температуру кипения вещества, а тем самым
и его агрегатное состояние при обычных условиях, определяют и способность вещества растворяться в том или ином растворителе.
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Дайте определение понятия «раствор».
Растворами называют однородные системы, состоящие из молекул ра створителя и частиц растворенного вещества, между которыми происходят
физические и химические взаимодействия. Исходя из этого определения, рассмотрим процессы, происходящие при растворении.
1. Молекулы или ионы растворяемого вещества должны отделиться друг от
друга, чтобы равномерно распределиться между молекулами растворителя.
При этом затрачивается энергия на преодоление сил притяжения между
всеми частицами растворяемого вещества.
2. Молекулы растворителя должны как бы расступиться, давая место частицам
растворяемого вещества. При этом также затрачивается энергия, но только на преодоление сил притяжения между частью молекул растворителя.
3. Поскольку в природе невозможны процессы, идущие только с затратой
энергии (например, камень не может сам покатиться в гору), затраты энергии должны чем-то компенсироваться. Как было сказано выше, энергия
выделяется при взаимодействии (притяжении) частиц. В данном случае
новым взаимодействием является взаимное притяжение частиц растворенного вещества и молекул растворителя.
Чтобы процесс растворения был энергетически выгоден, общая сумма затрат
энергии не должна превышать выигрыш энергии при взаимодействии растворенного вещества и растворителя. В крайнем случае это превышение должно быть невелико. Рассмотрим теперь три случая растворения веществ в самом распространенном растворителе  воде.
1. Растворяемое вещество имеет ионную структуру.
Затраты энергии на
разрушение ионной кристаллической решетки весьма велики. Велики также и
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
затраты на разрыв части водородных связей в воде. Но диполи воды очень
эффективно взаимодействуют с ионами, имеющими целочисленные (то есть
достаточно большие) заряды. В результате выигрыш энергии также велик.
Следовательно, такой процесс может оказаться энергетически выгоден, растворение возможно. Однако нам известны и вещества с ионной кристаллической решеткой, нерастворимые в воде, например, карбонат кальция, хлорид
серебра и т.д. Здесь энергия, которая могла бы выделиться в результате вз аимодействия воды с ионами, не покрывает затрат на разрушение кристаллической решетки.
2. Растворяемое вещество состоит из полярных молекул. В таком веществе
наблюдается сильное диполь-дипольное взаимодействие, для ряда веществ
возможно и образование водородных связей между молекулами. Следовательно, затраты энергии в этом случае также велики. Но такое вещество и с
водой будет вступать в те же виды сильного взаимодействия, а значит, процесс также может быть энергетически выгоден и растворение возможно.
3. Растворяемое вещество состоит из неполярных молекул. Затраты на отделение его молекул друг от друга достаточно невелики, но и с водой такие
молекулы не способны сильно взаимодействовать. Затраты на разрыв части
водородных связей в воде не будут компенсироваться, процесс энергетич ески невыгоден, растворение не произойдет.
Общий вывод можно сформулировать следующим образом: в полярных
растворителях растворимы вещества, имеющие ионную структуру или состоящие из полярных молекул.
Кроме воды, часто мы используем растворители типа бензина, скипидара,
уайт-спирита. Все они с водой не смешиваются (не растворяются в ней), а значит,
состоят из неполярных молекул (см. выше, п. 3).
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Подумайте: какие вещества способны растворяться в этих растворителях?
Молекулы углеводородов, из которых и состоят перечисленные неполярные
растворители, способны только к слабым диполь-дипольным взаимодействиям.
Следовательно, выигрыш энергии при их взаимодействии с растворяемым веществом будет невелик, а значит, может компенсировать только небольшие затраты
энергии на отделение друг от друга столь же слабо связанных молекул. Итак, делаем вывод: в неполярных растворителях растворимы вещества, состоящие из
неполярных же молекул.
Мы пришли к выводам, совпадающим с известной формулировкой средневековых алхимиков: «Подобное растворяется в подобном».
Вопросы и задания
1. Что лучше использовать для удаления с одежды жирных пятен – спирт или бензин?
2. Вам предложили растворитель, состав и свойства которого вам незнакомы. Как проще всего
определить, пригоден ли он для удаления жирных пятен, не экспериментируя с жирами?
3. Формальдегид способен растворяться как в воде, так и в этиловом спирте. В каком из этих
растворителей он растворяется лучше? Чем вы можете обосновать свое предположение?
4. Не пользуясь учебниками и справочниками, предположите, как меняется растворимость
спиртов в воде по мере роста их углеводородного радикала.
Глава 2. ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА И МОЮЩИЕ
СРЕДСТВА НА ИХ ОСНОВЕ
2.1. Поверхностно-активные вещества (ПАВ)
Рассмотрим взаимодействие с водой молекул какого-либо спирта с достаточно большим алкильным радикалом, например, лаурилового С 12Н25ОН. Такую
молекулу можно схематично изобразить следующим образом:
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
+
Гидроксильная группа способна эффективно взаимодействовать с водой за
счет электростатического притяжения и образования водородных связей. Однако
углеводородный радикал с его малополярными связями СН с водой взаимодействует слабо, а места ему в случае растворения нужно много. Для предоставления
этого места, в свою очередь, требуется «раздвинуть» много молекул воды, раз орвав водородные связи между ними.
Подумайте: как же поведут себя молекулы лаурилового спирта в воде?
Если молекул спирта мало, они распределятся на поверхности воды таким
образом, что компактная полярная ОН-группа (или, как такую группу называют в
общем случае, гидрофильная «головка») будет обращена к воде, а неполярный углеводородный радикал (гидрофобный «хвост»)  в противоположную сторону
(рис. 1). Вещества, молекулы или ионы которых взаимодействуют с водой таким
образом, получили название поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Рис.1. Ориентация частиц ПАВ на поверхности воды.
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Как поведут себя молекулы лаурилового спирта по отношению к другим
полярным веществам? А по отношению к неполярным веществам?
Легко догадаться, что частицы ПАВ будут взаимодействовать с любыми полярными веществами так же, как и с водой: за счет полярных «головок», а с неполярными – наоборот, то есть за счет неполярных «хвостов». Такие частицы, пр оявляющие сродство к двум средам, называют дифильными.
Изменится ли что-нибудь, если «головка» будет представлять собой не диполь, а группу, несущую целый отрицательный (а) или положительный (б) заряд?
+
а
б
Принципиально  ничего, только взаимодействие с водой такой «головки»,
конечно, усилится. Следовательно, вещества ионного строения, содержащие органические ионы с компактной заряженной группой и достаточно большим гидр офобным радикалом, также относятся к ПАВ. В зависимости от характера заряженной «головки» выделяют соответственно неионные (неионогенные), анионные и
катионные ПАВ.
Вспомните, какие анионы строения (а) знакомы вам из школьного курса органической химии.
Это анионы высших карбоновых кислот, входящие в состав солей этих кислот. Такие соли называются мылами.
Вопросы и задания
1. С детства вы помните, что мыльные пузыри переливаются всеми цветами радуги.
Вероятно, вам приходилось видеть и радужную пленку бензина на поверхности в оды. Вспомните, что собой представляет бензин с химической точки зрения, и объясните сходство оптических эффектов в обоих случаях.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Как будет изменяться растворимость ПАВ в полярных и неполярных растворителях с
ростом гидрофобного радикала?
3. Как ориентируются частицы мыла в водном растворе относительно друг друга и относительно молекул воды? (Подсказка: мыльный раствор всегда выглядит мутным).
2.2. Получение мыла и его свойства
Обычное твердое мыло представляет собой смесь натриевых солей высших
карбоновых кислот. Калиевые соли этих кислот растворимы в воде значительно
лучше натриевых, поэтому их обычно используют в виде высококонцентрированного раствора  жидкого мыла. Выражение «Калиевые соли высших карбоновых
кислот являются жидкими» неправильно.
Первоначально мыло получали только из природных жиров (триглицеридов
высших карбоновых кислот), подвергая их щелочному гидролизу:
СН 2 — О — СО — R1
|
CH — O — CO — R2
|
CH2 — O — CO — R3
CH2—OH
to |
+ 3NaOH → CH—OH +
|
CH2—OH
R1COONa
R2COONa
(2.1)
R3COONa
Наиболее распространенные значения R:
С17Н35  стеариновая кислота (соли  стеараты);
С15Н31  пальмитиновая кислота (пальмитаты);
С11Н23  лауриновая кислота (лаураты).
Стеараты получают в основном из животных жиров, а также из гидрогениз ированных растительных масел. Пальмитаты, как можно догадаться по названию,
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
получают из пальмового масла (масло из мякоти плодов масличной пальмы), где
пальмитиновая кислота составляет 39–47% всех жирных кислот. Лаураты выделяют
из кокосового и пальмоядрового (полученного из ядер плодов масличной пальмы)
масел, где содержание лауриновой кислоты достигает 44–52%. В хозяйственном
мыле преобладает стеарат. Туалетные мыла содержат смесь солей, причем чем
больше в этой смеси лаурата, тем нежнее мыло. В настоящее время мыло получают
не только из жиров, но и из синтетических жирных кислот состава С10 – С20, а также из таллового масла – продукта переработки сосновой смолы, содержащего
высшие карбоновые кислоты с радикалами более сложного строения (смоляные
кислоты).
Каким же образом строение аниона мыла связано с его моющей способностью? Чтобы ответить на этот вопрос, надо вспомнить, что для удаления с
рук, посуды или ткани некоторых загрязняющих веществ можно вполне обойтись
чистой водой.
Какими свойствами обладают такие загрязняющие вещества?
Если вы ответили: «Растворимостью в воде», – ответ неверен. Например, песок в воде не растворяется, но смывается ею весьма легко. Точнее будет сказать,
что эти вещества взаимодействуют с водой, а значит, обладают полярностью.
Так, песок представляет собой оксид кремния, в узлах кристаллической решетки
которого находятся атомы Si+ и О–, хорошо взаимодействующие с диполями воды. Поэтому песок хоть и не растворяется в воде, но хорошо смачивается и уносится ею чисто механически. Следовательно, мыло необходимо, лишь когда треб уется смыть загрязнения неполярного характера – жиры и подобные им вещества.
По опыту вы знаете, что жиры не просто нерастворимы в воде – они выталкиваются ею. Это происходит отнюдь не из-за разницы в плотности, как думают некоторые: этиловый спирт имеет примерно такую же плотность, как и растительное мас17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ло, а растворимость их в воде несравнима. Не вдаваясь в подробное изложение физических основ наблюдаемого явления, можно объяснить его точно так же, как мы
объясняли нерастворимость неполярных веществ в воде. Представим себе, что частичка твердого жира или капля растительного масла окружена водой. Жир взаимодействует с водой слабо, а для освобождения места для него пришлось «раздвинуть» множество молекул воды, разорвав водородные связи между ними. На это
затрачена энергия (например, механическая, когда мы перемешиваем жир с водой),
компенсировать которую нечем. Если же вода вытолкнет из своего объема чужеродную частицу, вновь образуются все разрушенные водородные связи, выделится
энергия.
Углеводородный радикал мыла взаимодействует с водой слабо, зато с неполярными веществами – достаточно сильно, учитывая его размеры и соответственно количество слабых диполей С–Н. В таком случае при появлении в воде более
или менее крупных частиц (капель) неполярного вещества радикалы, которые до
сих пор могли взаимодействовать только друг с другом, станут связываться с поверхностью этих частиц. К воде же будут обращены гидрофильные группы СОО –
(рис.2).
Рис.2. Ориентация анионов мыла относительно частицы неполярного вещества.
Теперь взамен разрушенных водородных связей между молекулами воды о бразовались новые – между водой и анионными «головками» ПАВ. Вода уже не выталкивает частицы загрязнения и механически уносит их.
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К сожалению, мыло имеет ряд ограничений в применении. Во-первых, оно
плохо моет в жесткой воде, а также в воде, имеющей повышенную кислотность.
Во-вторых, мыльный раствор при длительном контакте (особенно при повышенной
температуре) отрицательно действует на кожу рук, разрушает шерсть и шелк. Почему же это происходит?
Поведение мыла в жесткой воде. Жесткой называется вода, содержащая
значительное количество катионов кальция и магния. Анионы мыла взаимодействуют с этими катионами, образуя нерастворимые соли:
2С17Н35СОО– + Са2+ → (С17Н35СОО)2Са↓
(2.2)
Эти соли образуют корку на куске мыла, препятствуя его дальнейшему растворению, а также оседают на всех поверхностях в виде липких хлопьев. Даже если
корку механически удалять, процесс осаждения нерастворимых солей закончится
не раньше, чем все катионы кальция и магния будут связаны. Иными словами, мыло тратится не только на сам процесс мытья или стирки, но и на умягчение воды.
Поведение мыла в кислой воде. Карбоновые кислоты являются довольно
слабыми электролитами, то есть в их растворе присутствуют как продукты дисс оциации, так и недиссоциированные молекулы. Между ними устанавливается равновесие:
С17Н35СООН
С 17Н35СОО– + Н+
(2.3)
В кислой среде согласно принципу Ле-Шателье равновесие сдвигается влево,
то есть протекает ассоциация анионов кислот с катионами водорода. Поскольку
высшие карбоновые кислоты плохо растворимы в воде (хотя и лучше, чем кальциевые соли), они выпадают в осадок, повышая тем самым расход мыла.
Поведение мыла в водном растворе. Анионы слабых кислот подвержены
гидролизу:
С17Н35СОО– + НОН
С 17Н35СООН + ОН–
19
(2.4)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вследствие гидролиза раствор приобретает щелочную реакцию, а щелочь
разрушает белки, из которых состоит и кожа, и шерсть, и шелк. С повышением
температуры реакция щелочи с белками ускоряется, и ее результат становится з аметнее.
Почему же в некоторых популярных изданиях и даже учебниках можно пр очитать, что именно щелочная среда обуславливает моющую способность мыла?
Возможно, потому, что многие загрязняющие вещества имеют жировую природу и
соответственно расщепляются щелочью. Заметим, однако, что для полного щело чного гидролиза жира его надо кипятить со щелочью 10 – 15 минут. На мытье рук
или посуды мы тратим намного меньше времени, а температура воды при этом не
превышает 40оС. В таких условиях жир практически не гидролизуется. Кроме того,
многие загрязнения неполярного характера, успешно смываемые мылом, вообще
не являются сложными эфирами. Так, машинные масла представляют собой смеси
углеводородов и со щелочью никак не реагируют.
Источник столь распространенного заблуждения можно найти, вспомнив историю.
Знаете ли вы, чем пользовались для стирки белья наши предки?
Еще не так давно в русских деревнях мыло было редкостью. Белье замачивали, а затем и кипятили в настое древесной золы – щелоке. Само название говорит
о том, что этот раствор имеет щелочную реакцию. При длительной выдержке и кипячении действительно протекал гидролиз по крайней мере части жировых загрязнений, а образовавшееся мыло справлялось с остальной грязью. Иными словами,
щелочной раствор оказывает моющее действие, потому что в нем образуется
мыло. Собственно, так оно и было изобретено. Однако поскольку описанный выше механизм моющего действия мыла был установлен много позже, в сознании
людей прочно закрепилось ложное обратное представление.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Истории изобретения мыла мы обязаны и еще одним стойким заблуждением:
якобы чем больше пены дает моющее средство, тем оно лучше. Действительно, при
кипячении белья со щелоком образовывалось не так уж много мыла, так что на поверхности раствора плавали лишь отдельные пузырьки пены. Когда же мы стираем
белье готовым мылом, раствор получается более концентрированным, что сказ ывается и на количестве пены. Отсюда и возникла ложная связь между обилием пены и качеством стирки и мытья. В последние десятилетия это заблуждение понемногу рассеивается, так как всем известно, что стиральные машины-автоматы требуют применения порошков с пониженным пенообразованием, а стирают отлично.
Вопросы и задания
1. Как правильно пользоваться мылом для стирки: натереть смоченное в воде белье куском мыла и смыть водой или растворить мыло в воде и тогда начинать стирку? Дайте
обоснованный ответ.
2. Старый совет гласит, что после стирки изделий из любых волокон, но особенно из
шерсти и шелка, их надо прополоскать в подкисленной воде. Объясните химический
смысл этого совета, напишите необходимые уравнения реакций.
3. Объясните смысл другого старого совета: если шерстяное изделие колется, надо постирать его с хозяйственным мылом в горячей воде.
2.3. Синтетические анионные ПАВ
Когда был раскрыт механизм моющего действия мыла, стало ясно, что точно
так же должны вести себя любые вещества, диссоциирующие с образованием дифильных анионов. Возможности органического синтеза позволили разработать целый ряд новых анионных ПАВ (сокращенно А-ПАВ), не имеющих недостатков,
свойственных мылу, и к тому же получаемых из продуктов нефтепереработки, а не
из пищевого сырья. Все А-ПАВ можно разделить на две большие группы: сульфо-
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
наты R–SO3– и сульфаты R–O–SO3–, где R – гидрофобные радикалы различного
строения. Если R = алкил, эти группы ПАВ называют соответственно алкилсульфонаты и алкилсульфаты. Примерами синтетических А-ПАВ могут служить входящие во многие моющие средства додецилбензолсульфонат натрия С12Н25–
С6Н4SО3Na и додецилсульфат (чаще называемый лаурилсульфатом) натрия С12Н25–
О–SO3Na. Сульфонаты представляют собой соли достаточно сильных сульфоновых кислот, а потому гидролизу практически не подвергаются. Сульфаты – соли
сложных эфиров серной кислоты, в которых сохранилась одна из двух кислотных
групп. Так как серная кислота является сильной по обеим ступеням диссоциации,
сульфаты также не гидролизуются. Растворы таких ПАВ имеют нейтральную реакцию и соответственно не оказывают вредного влияния на кожу, волосы, шерсть и
шелк. Их кальциевые соли хорошо растворимы в воде, а значит, такие ПАВ не расходуются на умягчение жесткой воды, то есть более экономичны, чем мыло. В
кислой среде анионы этих ПАВ не реагируют с катионами водорода. Значит, в моющие средства на их основе, предназначенные для тела, волос, шерсти и шелка,
можно добавлять немного кислоты (чаще всего лимонной) для достижения наиболее благоприятного для соответствующих белков рН – водородного показателя,
значение которого для чистой воды равно 7, для кислой среды меньше, а для щелочной больше 7.
У синтетических А-ПАВ есть и недостатки: некоторые из них, в отличие от
мыла, биохимически трудноразлагаемы, то есть медленно усваиваются микроорганизмами. Это означает, что значительная часть таких ПАВ, попав в канализацию,
проходит без изменения через очистные сооружения и загрязняет водоемы.
Вопросы и задания
1. Проанализируйте приведенные названия А-ПАВ и сформулируйте общие признаки, благодаря которым можно определить по названию другие аналогичные ПАВ.
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Какое значение рН имеет кожа человека? Вам помогут ответить на этот вопрос некоторые
моющие средства. Какие именно?
3. На этикетках некоторых жидких моющих средств для тела написано: «рН эквидермальный». На других этикетках написано: «рН нейтральный». Это одно и то же? Что означает
выделенное слово?
2.4. Синтетические катионные ПАВ (К-ПАВ)
По аналогии с анионными ПАВ можно догадаться, что катионными называются ПАВ, имеющие положительно заряженную «головку». При этом положительный заряд находится на атоме азота, соединенном с четырьмя заместителями. Как
правило, все четыре являются углеводородными радикалами, так как наличие хотя
бы одного атома водорода делает катион нестабильным:
R3NH+
R3N + H+
(2.5)
В некоторых случаях атом азота входит в состав цикла. Тогда в названии К ПАВ присутствуют термины «имидазолиний» или «пиридиний». Простейшим пр имером
катионного
ПАВ
является
хлорид
триметилоктадециламмония
[C18H37N(CH3)3]+ Cl–. Катионы такого строения не дают осадков в любой воде и не
изменяют рН среды.
Тем не менее катионные ПАВ практически не используются как основные
компоненты моющих средств. Дело в том, что поверхности большинства различных материалов в водной среде заряжаются отрицательно, в результате чего катионы ПАВ прочно ими удерживаются, а с ПАВ удерживаются и частицы загрязнений.
Но у этого свойства К-ПАВ есть и положительная сторона. Представим себе ткань
из чистого хлопка. Хлопковое волокно состоит из практически чистой целлюлозы
и имеет трубчатое строение. Формула целлюлозы, представляющей собой полимер
глюкозы:
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
O
CH 2OH
O
OH
O
CH 2OH
O
OH
OH
OH
n
В каждом остатке глюкозы имеется три гидроксильных группы, способных
образовывать водородные связи друг с другом. Благодаря водородным связям полимерные молекулы целлюлозы и соединяются в волокна. Однако на поверхности
волокон – особенно на внутренней – остаются свободные гидроксильные группы,
не образующие связи друг с другом вследствие пространственной удаленности.
Представим теперь, что трубчатое волокно сложилось пополам. На месте сгиба
внутренние поверхности сблизятся, и гидроксильные группы образуют многочисленные водородные связи.
Какое свойство хлопчатобумажных тканей
обусловлено описанным выше
эффектом?
Образование новых водородных связей при механическом сближении поверхностей удерживает эти поверхности в новом положении – ткань сминается.
Если же мы обработаем ткань катионным ПАВ, его частицы сориентируются «г оловками» к поверхности, а «хвостами» наружу. Гидроксильные группы целлюлоз ы
окажутся связаны, а слабо взаимодействующие «хвосты» при механическом сближении не дадут прочных связей, то есть ткань станет меньше сминаться. Кроме того, катионы ПАВ закрепятся и на внешних поверхностях волокон, не позволяя им
сближаться, и ткань останется более рыхлой, пушистой. На этом основано действие кондиционеров для белья. При этом многие катионные ПАВ обладают еще и
бактерицидными свойствами.
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кроме кондиционеров, К-ПАВ входят в состав некоторых жидких моющих
средств для тела и шампуней.
С точки зрения экологии широкое применение К-ПАВ нежелательно, так как
они слишком медленно разлагаются микроорганизмами. В настоящее время производство К-ПАВ составляет около 5% от всего выпуска ПАВ.
Вопросы и задания
1. Почему шерстяные ткани сминаются меньше, чем хлопчатобумажные? Стоит ли использовать для шерстяных вещей кондиционер или он не даст никакого эффекта?
2. Льняное волокно, в отличие от хлопкового, имеет вид полого веретена. Такое строение повышает или понижает эффективность применения кондиционера?
3. Рассмотрите этикетки нескольких видов жидкого мыла, шампуня, геля для душа. Попытайтесь найти в их составе К-ПАВ, опираясь на обнаруженные вами закономерности построения названия.
2.5. Неионогенные ПАВ (Н-ПАВ)
С неионогенных, или неионных, ПАВ началась эта глава. Примером НПАВ послужил лауриловый спирт. В моющих средствах, однако, используются более эффективные Н-ПАВ, позволяющие получать заданную растворимость в воде и
моющую способность. Чаще всего это соединения на основе полиэтиленгликоля
(ПЭГ) НО–СН2–СН2–(О–СН2–СН2)n–ОН, где степень полимеризации n колеблется
примерно от 2 до 40. Полиэтиленгликоль за счет концевых гидроксильных групп
образует простые или сложные эфиры с соединениями, содержащими достаточно
длинный гидрофобный радикал. В названиях Н-ПАВ обычно присутствуют обозначения типа «ПЭГ-7», «ПЭГ-40», где цифры указывают степень полимеризации.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вопросы и задания
1. Рассмотрите этикетки различных жидких косметических моющих средств. Найдите
производные полиэтиленгликоля, по названиям попытайтесь определить, являются
ли они простыми или сложными эфирами.
2. Как расшифровать часто встречающееся не очень удачное название «ПЭГ-40 кокосового масла»?
2.6. Состав стиральных порошков
Любое моющее средство содержит не только ПАВ, но и целый ряд вспомогательных веществ. К сожалению, подробное перечисление всех компонентов мы
можем найти только на этикетках жидких косметических средств. Тем не менее
можно выбрать порошок, руководствуясь даже скупой информацией. Для этого
следует представлять, какие вещества и с какой целью вводятся в состав порошка,
какие побочные эффекты возможны в каждом конкретном случае.
Вещества, добавляемые для умягчения воды. Самый доступный и дешевый
реагент, связывающий ионы кальция, – кальцинированная сода Na2CO3. Она не
только входит в состав многих порошков, но и продается отдельно. Однако сода
является солью очень слабой угольной кислоты, а потому подвергается сильному
гидролизу, давая ярко выраженную щелочную реакцию среды. Порошки, содержащие соду, совершенно не пригодны для стирки тканей из белковых волокон, а
при ручной стирке разъедают руки. Однако для кипячения белья с большим количеством жировых загрязнений щелочность раствора является положительным фактором. Вместо чистой соды в некоторые порошки вводят более дешевую смесь
карбонатов натрия и калия. Используется также силикат натрия Na2SiO3, так же,
как и сода, дающий сильнощелочную реакцию. Меньше гидролизуется ортофосфат натрия Na3PO4, продающийся также отдельно под названием «тринатрий-
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
фосфат», еще меньше триполифосфат натрия Na5Р3О10, но эти соли, во-первых,
дороже карбонатов, а во-вторых, при попадании в водоемы способствуют развитию в них организмов, для которых фосфор является питательным элементом. Часто в порошки вводят смесь карбонатов и фосфатов, достигая компромисса между
ценой и качеством.
Более приемлемы в качестве умягчителей такие добавки, которые не меняют
реакцию среды. В первую очередь следует назвать цеолиты – природные или синтетические алюмосиликаты, обладающие тонкопористой структурой, благодаря
чему ионы кальция сорбируются из раствора. Цеолиты нерастворимы в воде, поэтому вводятся в порошки в малом количестве.
Самыми эффективными являются комплексообразователи – вещества, связывающие ионы кальция, но при этом остающиеся в растворе. Это, например, соль
этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА), полиакрилат натрия. Как правило, на
упаковке не указано конкретное название, ключевым словом является «комплекс ообразователь».
Антиосадители, или антиресорбенты. При соударении частиц загрязнения с отмытой поверхностью возможно обратное осаждение (ресорбция) загрязнений. Для предотвращения этого отрицательного эффекта используются добавки
полимерного строения, чаще всего натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы
(КМЦ). В составе порошка эта добавка может быть названа в более общей форме:
«поликарбоксилат» или даже просто «полимер». Наличие антиосадителей в составе порошка – серьезный довод в пользу его покупки. Функцию антиресорбентов в некоторой степени выполняют и полифосфаты.
Ферменты (энзимы). Это биодобавки, катализирующие расщепление некоторых трудноудаляемых загрязнений. В порошках встречаются три группы ферментов:
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 протеазы способствуют гидролизу белков. Содержатся во всех биопорошках;
 амилазы катализируют расщепление крахмала. Содержатся лишь в некоторых порошках;
 липазы способствуют гидролизу жиров. Содержатся в немногих биопорошках.
Химические и оптические отбеливатели (см. раздел 3.2).
Отдушки – ароматизаторы.
Сульфат натрия безводный – для предотвращения слеживания порошка
при хранении. Эффект достигается за счет образования с парами воды, содержащимися в воздухе, кристаллогидрата: Na2SO4 + 10H2O = Na2SO4*10H2O.
Красители, антимикробные средства – в малом количестве содержатся в
отдельных порошках.
Вопросы и задания
1. Напишите уравнения реакций гидролиза карбоната, ортофосфата и силиката натрия.
2. Выпишите состав нескольких популярных порошков («Аист», «Миф», «Тайд» и т.п.),
выберите тот, который, на ваш взгляд, больше подходит для повседневного использования.
3. На упаковке биопорошков обычно указываются
некоторые ограничения их приме-
нимости. Какие именно? Чем вы можете объяснить эти ограничения?
Глава 3. КРАСИТЕЛИ И ОТБЕЛИВАТЕЛИ ДЛЯ ВОЛОКОН
3.1. Красители и краски
Красителями называются индивидуальные (то есть описываемые конкретной формулой) окрашенные вещества, способные удерживаться окрашиваемыми материалами – в данном случае волокнами, образующими нити и
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ткани – либо за счет достаточно сильных межмолекулярных взаимодействий,
либо за счет образования химических связей. Из этого определения следует,
что не всякое окрашенное вещество может быть красителем, а один и тот же
краситель может давать окраску разной прочности на разных материалах. В
частности, для определения применимости красителя для тех или иных волокон окрашенные образцы испытывают на устойчивость к свету, стирке, поту
и высокотемпературным воздействиям (глажке).
Красители, не растворимые в воде и окрашиваемых материалах, называются пигментами. В зависимости от назначения один и тот же краситель
может играть роль и собственно красителя, и пигмента. Пигменты применяются, в частности, для окрашивания химически инертных волокон, например,
полипропиленовых, посредством равномерного их распределения в расплавленной массе перед формованием волокон.
Краски – это композиции на основе красителей, способные прочно удерживаться на окрашиваемой поверхности. В более узком смысле красками
называют однородные суспензии пигментов в пленкообразующих веществах
(краски масляные, водоэмульсионные и др.). Если речь идет о крашении
тканей, краской называют пасту для нанесения узора методом печати.
В домашних условиях невозможно нанести печатный узор на ткань, поэтому с текстильными красками мы дела не имеем. Все красители, имеющиеся в продаже, предназначены для крашения тканей в один цвет. При этом
краситель переходит на ткань из водного раствора. В зависимости от химического строения самого красителя и окрашиваемого волокна в раствор могут быть добавлены вещества, способствующие более полному связыванию
красителя с волокном. В таком случае инструкция по крашению четко указ ывает, какое именно вещество и в каком количестве следует добавить. В ин-
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
струкции указывается также, какие именно ткани можно окрасить данным
красителем. Важно отметить, что в любом случае краситель берется в избытке, поэтому нельзя нарушать инструкцию и пытаться покрасить одной упаковкой больше ткани, чем указано.
Как вы можете объяснить необходимость избытка красителя при
крашении?
Скорость любого взаимодействия между веществами зависит от концентрации каждого из них, если взаимодействие идет в растворе, и от ко нцентрации растворенного вещества, если второе находится в твердом состоянии. Если взять красителя ровно столько, сколько может поглотить волокно, то по мере перехода красителя на волокно его концентрация в растворе
будет падать и в конце концов процесс крашения практически прекратится,
хотя краситель в растворе еще останется. Кроме того, процесс взаимодействия красителя с волокном может быть обратимым, и если концентрация
красителя на волокне окажется намного выше, чем в растворе, ускорится о братный процесс перехода красителя в раствор. Именно этот процесс мы
наблюдаем при стирке непрочно окрашенных тканей.
С наиболее распространенными классами красителей вы познакомитесь
при выполнении лабораторной работы №2.
Вопросы и задания
1. Вы хотите окрасить ткань в зеленый цвет, но в магазине нет зеленого красителя.
Как можно выйти из положения?
2.
Часто черная ткань после стирки приобретает коричневый или синий оттенок.
Как можно это объяснить?
3. Зеленый рисунок на летнем платье постепенно стал желтеть. Как можно объяснить это явление?
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Изучите ассортимент имеющихся в продаже красителей для тканей. На какие три
группы можно их разделить? По какому признаку?
3.2. Химические и оптические отбеливатели
Химические отбеливатели – это вещества, разрушающие окрашенные
загрязнения, вступая с ними в реакции либо окисления, либо восстановления.
Окисляющие отбеливатели содержат в качестве активного элемента хлор
или кислород, которые переводят окрашенные загрязнители в другие соед инения. Эти продукты либо легко переходят в водный раствор, либо легко
удаляются с помощью ПАВ. Наиболее распространенные хлорсодержащие
вещества, входящие в состав отбеливателей:
 гипохлориты натрия, калия или кальция NaClO, KClO, Ca(ClO)2;
 дихлоризоцианураты калия и натрия – органические соли общей
формулы C3N3Cl2O–K+(Na+).
При отбеливании эти вещества выделяют хлор, который наряду с отбеливанием оказывает и бактерицидное действие. Однако эти отбеливатели
разрушают белки, а потому непригодны для шерсти и шелка. Кроме того,
хлор ядовит в больших концентрациях, а в присутствии некоторых других
веществ – например, оксида серы (IV) SO2, образующегося, в частности, при
сжигании угля и мазута – оказывает вредное воздействие на организм человека и в малых концентрациях. Поэтому пользоваться хлорсодержащими отбеливателями надо осторожно, строго соблюдая инструкции. Так, не следует
превышать указанную температуру отбеливания, а тем более доводить раствор до кипячения. Во-первых, при этом большая часть хлора оказывается в
воздухе, а во-вторых, частично разрушаются даже целлюлозные волокна
(хлопок, лен).
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кислородсодержащие отбеливатели содержат следующие вещества:
 пероксид водорода Н2О2 (только жидкие отбеливатели);
 перборат натрия NaBO2*H2O2*3H2O;
 перкарбонат натрия Na2СО3*1,5Н2О2;
 пергидрат мочевины (гидроперит) (NH2)2СО*Н2О2;
 пероксомоногидросульфат калия KHSO5.
При отбеливании эти вещества выделяют атомарный кислород, который, как и хлор, оказывает бактерицидное действие. В зависимости от действующего вещества и добавок отбеливание требует разной температуры – от
40–50О до кипячения, но в целом кислородсодержащие отбеливатели действуют более мягко и по сравнению с хлорсодержащими при той же темпер атуре в меньшей степени разрушают ткани. Тем не менее использовать их для
шерсти, шелка и синтетических тканей надо аккуратно.
Восстанавливающие отбеливатели также разрушают окрашенные загрязнения, но уже за счет восстановления. В качестве восстановителей используются соединения серы: дитионит натрия Na2S2O4 или ронгалит
CH2(OH)OSONa. Эти отбеливатели не требуют сильного нагревания и практически не разрушают белковые волокна, однако способны взаимодействовать с некоторыми красителями, поэтому перед отбеливанием ткани с рисунком надо проверить прочность окраски на небольшом кусочке ткани. Внимание! Исторически сложилось так, что за дитионитом натрия в промышленности закрепилось неправильное название «гидросульфит». На самом деле гидросульфитом называют кислую соль сернистой кислоты (напишите
формулу самостоятельно). Специалисты крупных предприятий, производящих красители и бытовую химию, знают об этом, а вот небольшие компа-
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нии, занимающиеся производством препаратов бытовой химии из готовых
компонентов, вполне могут закупить вместо дитионита гидросульфит, отбеливающим действием не обладающий. Примеры таких неработающих отбеливателей, к сожалению, не единичны. Поэтому, покупая отбеливатель, следует
обращать внимание на фирму-производителя.
Синьки и оптические отбеливатели (белофоры). Если на белье нет
пятен, а просто ткань со временем пожелтела или приобрела сероватый оттенок,
можно придать ей видимую белизну с помощью небольшого количе-
ства синего красителя. Синий цвет компенсирует желтизну, и ткань кажется
белее. В быту такой краситель называют синькой. Самая простая синька –
пигмент ультрамарин – представляет собой продукт сплавления каолина (белой глины) с содой и серой. Состав ультрамарина описывается приблиз ительной формулой Na6Al4Si6S4O24. В наше время выпускаются также синьки
на основе органических красителей и пигментов. Все синьки удовлетворяют
следующим основным требованиям: не оказывают вредного действия на кожу, легко смываются с рук и посуды, а синьки на основе пигментов смываются также с белья при следующей стирке. Последнее требование обусловлено тем, что частички пигмента способны сорбировать на своей поверхности
загрязняющие вещества. К водорастворимым красителям такое требование не
предъявляется, но сами условия обработки не позволяют красителям прочно
связаться с волокном, поэтому ткани требуют подсинивания при каждой
стирке. Это не всегда удобно. К тому же синька имеет еще один недостаток:
если ее взято слишком много, она может неравномерно распределиться на
ткани.
Более современными средствами, возвращающими ткани белизну, являются оптические отбеливатели (белофоры). Это, в сущности, флуорес-
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
центные красители, поглощающие ультрафиолетовое излучение с длиной
волны 300–400 нм и преобразующие его в видимое, преимущественно фиолетовое и голубое (длина волны 400–500 нм). Оптические отбеливатели, как
правило, способны прочно связываться с волокнами. В некоторые химич еские волокна их добавляют прямо при формовании. Возможно, вы замечали,
что в ультрафиолетовых лучах, используемых на дискотеках, белая одежда из
полиэфира ярко светится – это и есть действие белофора.
Отдельно оптические отбеливатели не продаются, так как для получения нужного эффекта их требуется очень мало, а при передозировке они не
флуоресцируют. Поэтому их вводят в состав стиральных порошков – часто
наряду с кислородсодержащими химическими отбеливателями. Кислоро дсодержащие и восстанавливающие отбеливатели, продающиеся отдельно,
также могут содержать добавки оптических отбеливателей.
Вопросы и задания
1. В рекламе говорится: «С каждой стиркой белье становится все белее». Отбеливатель какого типа содержится в рекламируемом порошке?
2. Некоторые производители рекламируют свои отбеливатели как «не содержащие хлора», хотя на самом деле в них входят хлорсодержащие соли. Как можно
в домашних условиях обнаружить наличие соединений хлора в отбеливателе?
3.
При кипячении белья с кислородсодержащими отбеливателями ощущается
приятный запах свежести. Какое вещество издает этот запах? Напишите уравнения реакций, ведущих к его образованию при использовании пероксида в одорода.
4. Рассмотрите упаковки различных стиральных порошков. Какие из них содержат:

только химические отбеливатели;

только оптические отбеливатели;
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

те и другие?
Глава 4. ПОЛИМЕРЫ, ПЛАСТМАССЫ, ВОЛОКНА
4.1. Полимеры и способы их синтеза
Когда мы говорим «полиэтилен», о чем идет речь? Химик скажет: «О высокомолекулярном веществе, имеющем формулу (─СН2─СН2─)n». Дачник решит, что
речь идет о прозрачной пленке, которой покрывают теплицы, еще кто -то ─ о непрозрачной пленке, из которой делают пакеты… И каждый будет по-своему прав.
Материалы на основе полимеров часто носят названия, тождественные названиям
самих полимеров, хотя представляют собой не чистые вещества, а довольно сложные смеси. Надо помнить об этом и в каждом конкретном случае четко представлять, о чем идет речь.
Что мы называем полимерами?
Полимеры ─ это высокомолекулярные соединения (ВМС), молекулы которых
(макромолекулы) состоят из большого числа одинаковых группировок, соединенных химическими связями. Часто это понятие расширяют, относя его и к ВМС, цепи которых состоят из различных нерегулярно повторяющихся групп. Примерами
таких ВМС могут послужить белки и нуклеиновые кислоты.
Полимеры получают в процессе полимеризации или поликонденсации.
Полимеризация ─ это процесс получения ВМС, при котором макромолекула
образуется путем последовательного соединения молекул одного или нескольких
низкомолекулярных веществ (мономеров). Если в реакции участвует один мономер, процесс называется гомополимеризацией, если два и более ─ сополимеризацией.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Поликонденсация ─ это процесс образования полимеров из би- или полифункциональных мономеров, сопровождающийся выделением побочного низкомолекулярного вещества (например, воды). В этой реакции также могут участвовать как один, так и несколько мономеров.
Полимеры отличаются от низкомолекулярных веществ тем, что, как правило,
не имеют строго определенной молекулярной формулы, так как в процессе их синтеза образуются цепи различной длины. Поэтому их строение представляют фо рмулами вида (–Х–)n, где Х - повторяющаяся группировка, называемая элементарным звеном полимера (иногда используют также термины «структурное звено» и
«мономерное звено»), а n – число таких группировок в молекуле, называемое степенью полимеризации. Элементарное звено представляет собой остаток одной молекулы мономера для гомополимеров или соединенные остатки мономерных молекул для сополимеров. Если полимер не обладает регулярным строением, элементарное звено изображается в обобщенном виде. Примером может служить общая
формула белков:
(–NH–CH(R)–CO–)n.
Степень полимеризации может изменяться в довольно широких пределах, причем
и эти пределы, и средняя степень полимеризации зависят от условий синтеза полимера. Так, целлюлоза хлопка содержит до 90% фракции с n = 14000, а для технической (полученной варкой древесины) целлюлозы n составляет всего 800-2000. Точные значения n имеют только белки и нуклеиновые кислоты.
4.2. Полимерные материалы
Каждый полимер, как и любое чистое вещество, обладает определенными
физическими и химическими свойствами, которые не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к конкретным изделиям. С целью получения нужных ха36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рактеристик в полимерную массу могут быть внесены разнообразные добавки, меняющие свойства материала в целом. Кроме того, изделия могут иметь различную
форму, что также влияет на некоторые свойства материала. Так, из расплавленного
капрона можно отлить кубик, сформовать пленку или волокно. Легко догадаться,
что эластичность этих изделий будет различной.
Пластмассами (пластическими массами, пластиками) называются материалы, основу которых составляют полимеры, находящиеся в период формования
изделий в вязкотекучем или высокоэластичном состоянии, а при эксплуатации – в
стеклообразном или кристаллическом состоянии. В приведенном примере этому
определению соответствует кубик. Такое деление полимерных материалов на
пластмассы, пленки и волокна удобно на практике, но достаточно условно с химической точки зрения.
4.3. Классификация полимеров и полимерных материалов
Полимеры и материалы на их основе можно классифицировать по различным
признакам.
По происхождению они делятся на природные, искусственные и синтетические. Примерами природных полимеров являются полисахариды (в частности, целлюлоза), белки, нуклеиновые кислоты. К природным полимерным материалам можно соответственно отнести, например, растительные или животные волокна. Искусственные полимеры получают химической переработкой природных
(например, эфиры целлюлозы). Синтетические полимеры, как явствует из названия,
полностью синтезируются человеком, исходя из мономеров. Искусственные и синтетические полимеры и материалы объединяют термином «химические».
По способу синтеза различают полимеризационные и поликонденсационные полимеры. Основная цепь первых состоит только из атомов углерода, а вто37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рые представляют собой полиэфиры (в основную цепь входят также атомы кислорода) и полиамиды (основная цепь содержит атомы азота). Эфиры и амиды способны к гидролизу, а значит, поликонденсационные полимеры в целом имеют химическую стойкость ниже, чем полимеризационные.
По характеру процессов, сопутствующих формованию изделий, полимеры и материалы на их основе делятся на термопласты и реактопласты.
К числу реактопластов относят материалы, переработка которых в изделия
сопровождается химическими реакциями образования трехмерного полимера. О тдельные макромолекулы при этом сращиваются друг с другом, а значит, теряют
способность двигаться друг относительно друга.
Как это сказывается на физических свойствах материала?
Возможность движения молекул друг относительно друга означает, что при
определенной температуре материал способен переходить в текучее состояние, то
есть плавиться. При образовании единой трехмерной структуры эта способность
утрачивается, то есть материал становится неплавким. Поэтому процесс образования трехмерной структуры называют отверждением.
Термопласты, в противоположность реактопластам, при формовании не пр етерпевают химических изменений и сохраняют способность плавиться.
4.4. Состав пластмасс
Пластмассы обычно состоят из нескольких компонентов. Если полимер является основным компонентом, определяющим свойства материала, а остальные
ингредиенты растворены в полимере, такой пластик называют гомогенным. Если
полимер служит связующим по отношению к диспергированным в нем компонентам, пластик называют гетерогенным. Ниже мы рассмотрим наиболее распространенные компоненты пластмасс.
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Наполнители. Это твердые, жидкие, газообразные неорганические или органические вещества, вводимые в пластмассы для улучшения их эксплуатационных
характеристик, придания им различных специфических свойств и снижения сто имости.
Наиболее часто используются твердые наполнители
в виде порошков
(например, древесная мука, мел, графит), зерен (в частности, полых сфер из стекла,
углерода или полимеров), волокон (в том числе углеродных, стеклянных, металлических) или листовых материалов (бумага, ткани, шпон, сетки, пленки). В последнем случае получают слоистые пластики.
В качестве жидких наполнителей используют, например, воду (при получении жестких материалов на основе полиэфирных смол) и минеральные масла (для
создания слоя смазки на поверхностях трения).
Газообразные наполнители (СО 2, N2, NH3, H2) используются в производстве
пенопластов. Эти газы могут применяться для вспенивания расплава непосредственно или выделяться при разложении в расплаве твердых или жидких веществ,
называемых газообразователями. Простейшие примеры газообразователей – гидрокарбонаты натрия или аммония. Для вспенивания полимерных материалов могут
использоваться также низкокипящие углеводороды.
Пластификаторы. Это вещества, вводимые в полимеры с целью придания
(или повышения) эластичности и (или) пластичности в условиях переработки и
эксплуатации. Чаще всего в этом качестве используют сложные эфиры карбоновых
кислот или фосфорной кислоты.
Стабилизаторы. Это вещества, повышающие устойчивость полимерных
материалов к действию различных факторов: высоких и низких температур, света,
кислорода (антиоксиданты) и т.п. – в условиях переработки, хранения и эксплуатации. Таким образом, стабилизаторы защищают полимерные материалы от стар е39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ния. Важно отметить, что среди стабилизаторов есть весьма токсичные вещества –
фенолы, амины, соединения сурьмы и цинка, поэтому для контакта с пищевыми
продуктами можно использовать только материалы, предназначенные специально
для этой цели.
Антипирены. Это вещества, понижающие горючесть полимерных материалов. Среди них также встречаются весьма токсичные вещества.
В состав полимерных материалов могут входить многие другие добавки –
смазки, антистатики, красители и т.п. Таким образом, в зависимости от состава пластмассы на основе одного и того же полимера могут сильно отличаться
друг от друга как по внешнему виду, так и по свойствам. С другой стороны, материалы на основе разных полимеров могут выглядеть очень похоже. Следовательно,
прежде чем приступить к какой-либо работе с полимерным материалом, следует
определить, с чем именно мы имеем дело, и ознакомиться с основными свойствами данного полимера.
4.5. Основные характеристики наиболее распространенных полимеров и полимерных материалов
В табл. 4.1 приведены наиболее важные сведения о полимерах и материалах
на их основе, с которыми мы встречаемся в быту. Обратите внимание на аббревиатуры, заключенные в скобки – они используются для маркировки изделий.
В табл. 4.2 приведены сведения об искусственных полимерах на основе целлюлозы и материалах на их основе.
Таблица 4.1
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Свойства некоторых синтетических полимеров
Название, формула
Свойства
Примечание
1
2
3
Термопласты
Полиэтилен (ПЭ, РЕ), в
ПЭВД
размягчается при
105– Если на изделии стоит аббре-
том числе ПЭ низкой плот- 110оС, ПЭНД – при 120–129оС. виатура РЕ, то скорее всего
ности (PE-LD, LDPE) и вы- При температуре –70оС и –60оС оно сделано из полиэтилена
сокой плотности (PE-HD,
соответственно становятся хруп- вторичной переработки.
HDPE), в нашей литературе
кими. При комнатной температу-
называемый соответственно ре ПЭ нерастворим в органичеПЭ высокого давления
ских растворителях, устойчив к
(ПЭ ВД) и ПЭ низкого
действию всех кислот и щелочей,
давления (ПЭ НД)
воды, спирта, ацетона. Диэлек-
(СН2 – СН2)n
трик.
Полипропилен (ПП, РР)
Как правило, имеет более упоря- В отличие от ПЭ, широко ис-
(CH(CH3) – CH2)n
доченную
структуру,
чем ПЭ. пользуется для производства
Плавится при 160 – 170оС, стано- волокон и изделий из них:
вится хрупким при –10оС. По хи- технических тканей (напримической стойкости аналогичен мер, для изготовления мешков
ПЭ, но при продолжительном для муки и сахара), упаковочвоздействии бензина набухает. В ного шпагата, канатов и тропленках
обладает
различной сов.
прочностью вдоль и поперек основного направления укладки полимерных молекул.
Полистирол (ПС, PS)
Размягчается при 80 – 85оС, при Посуду из ПС нельзя исполь-
(CH(C6H5) – CH2)n
сильном нагревании способен де- зовать для жидких и
полимеризоваться. К кислотам
41
горячих продуктов, так как
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1
2
3
и щелочам стоек, но растворяется в
полимере
могут содер-
во многих органических раство- жаться остатки ядовитого
рителях. Блочный ПС имеет вы- мономера.
сокий коэффициент преломления
и используется для изготовления
оптических линз.
Политетрафторэтилен
Плавится при 327оС, разлагается В быту – антиадгезионные по-
(фторопласт-4, тефлон)
при 415оС. По химической стой- крытия на кухонной посуде,
(CF2 – CF2)n
кости превосходит все известные утюгах,
лыжах.
Тефлониро-
материалы – устойчив даже к ванные ткани используются
жидкому фтору. Очень низкий ко- для изготовления скатертей,
эффициент трения, низкая адгезия чехлов для гладильных досок,
к различным материалам. Мягок, водоотталкивающей
верхней
хорошо обрабатывается на станках одежды.
для обработки металла и дерева.
Поливинилхлорид
(ПВХ, Основная особенность – легкость Легко совмещается со многи-
PVC)
разложения при нагревании с вы- ми добавками и материалами,
(CH2 – CHCl)n
делением НСl (в зависимости от благодаря чему на основе ПВХ
добавок разложение может начи- получают материалы с широнаться при 40 – 60оС, а выше 100 ким спектром свойств. Из ПВХ
– 140оС идет очень бурно). Стоек делают, например, линолеум,
к действию спирта, бензина, во- искусственную кожу, оболочки
ды, жиров, нефтепродуктов. При кабелей,
горении наряду с НСl выделяет трубы.
хлор и фосген.
42
канализационные
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Полиэтилентерефталат
В отличие от перечисленных Пленки и волокнистые мате-
(ПЭТ, PET, PETF)
выше полимеров ПЭТ является риалы из ПЭТ в России назы-
(CO– C6H4 – COO – C2H4O)n
полиэфиром, что обуславлива-
1
ваются «лавсан» (в честь ла-
2
3
ет его относительно невысокую боратории
высокомолекуляр-
стойкость по отношению к кон- ных соединений АН СССР).
центрированным кислотам и щелочам, особенно при нагревании. При комнатной температуре
стоек к органическим растворителям, разбавленным растворам
кислот и щелочей.
Капрон
(полиамид-6, Капрон
является полиамидом, Подвержен
деструкции
под
найлон-6)
что обуславливает легкость гид- действием кислорода, а тем
(NH – (CH2)5 – CO)n
ролиза полимера при нагревании более озона, поэтому изделия
с растворами щелочей и особен- из
капронового
волокна
но кислот. В концентрированной нельзя отбеливать.
серной кислоте растворяется.
Реактопласты
Фенопласты
(на
основе Трудногорючи, выдерживают без Изделия окрашены в коричневый и черный цвет.
фенолформальдегидной
изменений длительное воздейИзбегать контакта с пищей –
о
смолы)
ствие 125 С. Стойки к воде, рассодержат остатки фенола и
творам кислот и солей, органичеформальдегида.
ских растворителей, масел, бензина.
Обладают
действием
фунгицидным
(убивают
плесень).
Отличные диэлектрические и физико-механические свойства.
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Аминопласты (на основе Обладают высокой твердостью, Мелалит
(меламинофор-
амино-, меламино- и моче- механической прочностью и тер- мальдегидную
пластмассу)
виноформальдегидных
мостойкостью. Разрушаются силь- нельзя использовать для го-
смол)
ными кислотами и щелочами, но к рячей пищи.
их разбавленным растворам
1
2
3
устойчивы. Устойчивы к действию воды, органических растворителей, нефтепродуктов. Хорошо окрашиваются. Хорошие диэлектрики.
Таблица 4.2
Искусственные полимеры и полимерные материалы на основе целлюлозы
Название
Свойства
Примечание
1
2
3
Вискоза
(вискозное
во- Получают растворением природ- Нити и ткани из вискозного во-
локно)
ных
целлюлозных
волокон локна иногда называют искус-
(С6H7O2(OH)3)n
(обычно древесных) и последу- ственным шелком.
ющим выделением из раствора
при формовании волокна, в результате чего молекулы укладываются более плотно, чем в природных целлюлозных волокнах.
Благодаря этому обладает большей
прочностью.
Химические
свойства аналогичны свойствам
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
целлюлозы.
Целлофан
Пленка, формуемая из того же Внешне очень схож с полипро-
(С6Н7О2(ОН)2)
раствора, что и вискозное волок- пиленовой пленкой. Если целно, пропитанная для пластично- лофан не покрыт лаком, его
сти
глицерином.
Химические можно отличить по сладкова-
свойства аналогичны свойствам тому вкусу глицерина.
целлюлозы.
1
2
3
Прочность вдоль и поперек основного направления укладки
молекул различна.
Диацетат
и
триацетат Триацетат растворяется в хлор- Нити и ткани из обоих полиме-
целлюлозы
производных углеводородов, в ров называют искусственным
(С6H7O2(OCOCH3)2OH)n и
уксусной кислоте. Диацетат рас- шелком, а пластмассы – ацетат-
(С6H7O2(OCOCH3)3)n соот- творяется в тех же веществах, а ными этролами. Этролы приветственно
также в сложных эфирах и аце- меняются в производстве оправ
тоне. Гидролизуются щелочами, для очков, галантерейных издеособенно концентрированными, лий, а также приборных щита также минеральными кислота- ков, кнопок и ручек для автомоми.
Динитрат
билей, самолетов и судов.
целлюлозы Нерастворим в воде и неполяр- Применяется как основа клеев,
(коллоксилин)
ных растворителях, легко раство- лаков и эмалей, для производ-
(С6Н7О2(ОNO 2)2ОН)n
ряется в ацетоне, спирте и мно- ства этролов и целлулоида.
гих других полярных органиче- Обладает повышенной горюских растворителях. Нестоек к честью.
кислотам и щелочам. Термически
нестоек.
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Целлулоид
Пластмасса на основе коллокси- Ввиду высокой горючести праклина, производимая с 1868 г. В тически полностью вытеснен
качестве пластификатора содер- более современными пластмасжит большое количество камфа- сами, но незаменим в произры.
водстве шариков для настольного тенниса.
Тринитрат
целлюлозы По химической стойкости похож Используется в производстве
(пироксилин)
на коллоксилин, но термически бездымного пороха.
(С6Н7О2(ОNO 2)3)n
еще более нестоек, разлагается со
взрывом.
Вопросы и задания
1. Рассмотрите внимательно бутылки от газированной воды и растительного масла, коробочки
от йогурта и маргарина. Найдите информацию о том, из какого полимера они изготовлены.
Какой знак обычно сопровождает эту информацию? Что он, на ваш взгляд, означает?
2. В таблице 4.1 указано, что полипропилен имеет очень низкую морозостойкость. Тем не менее в магазинах продается посуда из полипропилена, предназначенная для замораживания
продуктов в домашних условиях (в морозильных камерах минимальная температура составляет –24оС). Как вы объясните этот факт?
3. Найдите на одноразовых пластиковых стаканчиках обозначение полимера, из которого они
сделаны. Почему не следует пользоваться такими стаканчиками многократно?
4. В хозяйственном магазине на ценнике написано: «Тарелка глубокая». На дне тарелки вы обнаружили надпись «Melamin». Для чего на самом деле может служить эта посуда? Чем объясняются ограничения в ее использовании?
5. Часто в магазинах тканей или одежды на ценниках в составе материала указывается «полиэстер». Как следует называть этот материал по-русски?
6. Пластмасса, используемая для производства электрических розеток, выключателей, вилок,
должна быть термопластичной или термореактивной? Дайте обоснованнный ответ.
7. Небольшая полоска целлофана, положенная на ладонь, заметно изгибается. Как связать это с
химическим составом целлюлозы и глицерина, составляющих основу целлофана?
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 5. ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА И КЛЕИ
Вяжущие вещества и клеи при всем различии химического состава и свойств
имеют нечто общее: они используются для соединения различных поверхностей
друг с другом.
5.1. Минеральные вяжущие вещества
Минеральные вяжущие вещества (МВВ) – порошкообразные продукты, которые при смешивании с водой (затворении) образуют тестообразную массу. Через
некоторое время эта масса начинает загустевать, теряет текучесть и постепенно
превращается в твердое тело (схватывается). После этого происходит постепенное увеличение прочности (твердение). При контакте с твердыми поверхностями,
особенно имеющими поры или мелкие неровности, «тесто» при схватывании с оединяется с этой поверхностью, что и определило применение МВВ в строительном деле для связывания кирпичей и блоков. Из той же массы после смешения с
заполнителями (чаще всего песком) можно получить монолитные части сооружений (искусственный камень). При затворении массы можно добавить пигменты,
тогда в зависимости от интенсивности перемешивания камень будет окрашен либо
равномерно, либо разводами. Во втором случае мы получим имитацию приро дных декоративных камней. Насколько удачна бывает такая имитация, можно убедиться, посетив Исаакиевский собор в Санкт-Петербурге. Если экскурсовод не
скажет вам, на какой высоте мрамор сменяется искусственным камнем, сами вы
никаких отличий не заметите.
Гидравлические вяжущие вещества после смешения с водой способны твердеть и сохранять свою прочность как на воздухе, так и в воде. К ним относятся
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
многие марки цемента, например, портландцемент, а также гидравлическая известь (смесь извести и глины).
Воздушные МВВ способны твердеть только на воздухе. К ним относятся воздушная известь, гипс и магнезиальный цемент.
5.1.1. Химизм затвердевания гипса
Природный гипс представляет собой двухводный кристаллогидрат сульфата
кальция CaSO4*2H2O. Прокаливание (обжиг) его при 140–190оС приводит к потере
части кристаллизационной воды:
CaSO4*2H2O  CaSO4*0,5H2O + 1,5Н2О
(5.1)
Полученный полуводный кристаллогидрат имеет несколько названий: жженый гипс, алебастр, строительный гипс. При замешивании с водой он частично
растворяется и постепенно присоединяет воду, снова переходя в двухводный кр исталлогидрат.
Почему при переходе полуводного гидрата в двухводный не выпадают отдельные кристаллы, а происходит их сращивание?
Чем больше кристаллизационной воды в кристаллической решетке соли, тем
больший размер имеет каждая ячейка этой решетки. Следовательно, при поглощении воды кристаллы жженого гипса как бы распухают, их поверхности сближаются, и возникают ионные взаимодействия между катионами одного кристалла и анионами другого.
Вяжущее вещество, получаемое обжигом гипса при 900–1100оС, называется
высокообжиговым гипсом и имеет состав (CaO)m*(CaSO4)n. Твердение раствора на
его основе происходит и за счет превращения оксида кальция в гидроксид, и за
счет гидратации сульфата кальция. В этом случае сращивание кристаллов протека-
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ет еще эффективнее, именно из такого сырья изготавливают искусственные декоративные камни и монолитные строительные детали.
Аналогичные процессы, основу которых составляет гидратация, протекают
при затвердевании цементов, имеющих в сравнении с гипсом более сложный с остав.
5.1.2. Химизм затвердевания воздушной извести
Воздушная известь – термин, объединяющий два вещества: негашеную известь («кипелку») СаО и гашеную известь («пушонку») Са(ОН)2. Смесь порошка
гашеной извести с водой и песком, иногда с добавлением цемента, называют соо тветственно известковым или известково-цементным раствором и применяют для
связывания кирпича при кладке стен и для штукатурных работ. Первая стадия з атвердевания раствора заключается в испарении воды и выпадении кристаллов гидроксида кальция, срастающихся друг с другом. Если раствор готовят из негашеной
извести, важную роль играет также «вспухание» кристаллической решетки оксида
кальция при превращении его в гидроксид.
Вторая, значительно медленнее протекающая стадия – карбонизация извести
– ведет к дальнейшему упрочнению всей массы:
Са(ОН)2 + СО2 → СаСО3 + Н2О (5.2)
Кристаллическая решетка карбоната кальция объемнее, чем у гидроксида, поэтому реакция (5.2) ведет к еще более прочному сращиванию отдельных кристаллов.
Каким образом можно ускорить карбонизацию извести?
Если повысить концентрацию углекислого газа, в соответствии с законом
действующих масс реакция (5.2) пойдет быстрее. Если работы ведутся на открытом
воздухе, сделать что-либо сложно, зато как повысить концентрацию СО 2 в поме49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
щении, знает любой штукатур. В оштукатуренном помещении ставят жаровню с
тлеющими углями и закрывают все окна и двери.
С химизмом затвердевания извести связан интересный факт из истории живописи. Как называется живопись по сырой штукатурке, знает любой мало-мальски
образованный человек: это фреска (от итальянского fresсo – «свежий»). А вот о
том, что живопись по сухой штукатурке называется альсекко, знает не каждый.
Почему так получилось?
Фрески Джотто во Флоренции, Микельанджело и Рафаэля в Ватикане дошли
до нас через века. В России не менее знамениты фрески Дионисия в Ферапонтовом
монастыре (Вологодская область), Андрея Рублева во Владимире. В том же Влад имире сохранились фрагменты еще более ранних фресок, датирующихся XII–XIII веками. В церквях Великого Новгорода, разрушенных фашистами, находили куски
отбитой штукатурки с уцелевшими фрагментами фресок. Значит, частицы пигментов были очень крепко сцеплены со штукатуркой. Росписи же, сделанные в технике
альсекко, недолговечны, потому и знаменитыми, как правило, стать не успевают.
Технику альсекко в наше время используют в основном для реставрации фресок. В
чем же причина стойкости росписи по сырой штукатурке? Дело в том, что слово
«сырая» в данном случае означает не просто «влажная», а «свежая», как и следует
из перевода с итальянского. Мельчайшие частицы пигментов при росписи попадают в неровности слоя штукатурки и при затвердевании как бы охватываются кристаллами гидроксида кальция, врастают в них. Последующая карбонизация еще
прочнее закрепляет красочный слой. Недаром лучше сохранились фрески, выполненные внутри церквей и соборов, а не на наружных стенах: в церкви каждый день
бывало множество людей, горели свечи, в результате создавалась довольно высокая концентрация углекислого газа. Если же краска наносится на затвердевшую
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
штукатурку, частицы пигмента не могут прочно закрепиться и постепенно осыпаются.
Вопросы и задания
1. Школьник сломал руку, ему наложили гипсовую повязку. Через некоторое время кожа под
гипсом начала чесаться, и мать мальчика решила самостоятельно снять гипс, смазать руку и
наложить гипс снова. Для этого она раздробила снятый гипс в порошок, замесила с водой,
нанесла полученную массу на свежий бинт и забинтовала руку. Прочная ли получилась п овязка? Обоснуйте ответ.
2. На бумажной упаковке строительного гипса указана дата производства и гарантийный срок
хранения. Что произойдет, если использовать просроченный гипс? Увеличится или умен ьшится срок хранения, если гипс содержится в полиэтиленовой упаковке?
3. Зайдите в ближайший магазин стройматериалов. Если в продаже есть строительный гипс
(алебастр), запишите, в какой он упаковке, указаны ли дата производства и гарантийный
срок хранения (какой именно?). Если этих сведений на упаковке нет, поинтересуйтесь у
продавца, имеется ли соответствующая информация в сопроводительных документах. Сделайте вывод, соблюдают ли завод-производитель и торгующая организация права потребителей.
4. Делая самостоятельно ремонт в квартире, хозяин решил высушить оштукатуренные стены с
помощью электрообогревателя, так как от жаровни с углями пахнет дымом. Как вы оцен иваете это решение?
5. Почему здания, покрытые штукатуркой, приходится красить довольно часто? Будет ли лучше
держаться краска, если штукатурку предварительно смочить? Обоснуйте ответ.
6. Найдите сведения о возрасте фресок, упомянутых в этом разделе. Возможно, вам встретится
информация и о других известных фресках – подготовьте сообщение о них.
7. Почему фрески никогда не бывают яркими, все цвета на них как бы приглушены?
5.2. Клеи
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Клеящие вещества очень разнообразны по химическому составу. Среди них
есть вещества неорганические (например, силикатный клей) и органические
(например, крахмал), растворимые в воде и в органических растворителях. Общим
внешним признаком всех клеящих веществ является способность в определенном
соотношении с растворителем образовывать желеобразную массу, застывающую
при высыхании. Способность прилипать к поверхностям, склеивая их, зависит от
химической природы самой поверхности и от химического состава клея. Многие
клеи представляют собой сложные композиции, благодаря чему они могут соед инять поверхности, различающиеся по химической природе. На упаковке любого
клея указано, как им пользоваться, но практика показывает, что некоторые потр ебители не считают следование инструкции обязательным. В связи с этим ниже мы
рассмотрим особенности некоторых клеев и распространенные ошибки при пользовании ими.
Силикатный клей. Это водный раствор силиката натрия Na2SiO3. При высыхании становится хрупким, поэтому наносить его на склеиваемые поверхности
следует как можно более тонким слоем. Силикат натрия – соль слабой кислоты,
следовательно, подвержен гидролизу парами воды, содержащимися в воздухе:
Na2SiO3 + H2O
NaHSiO 3 + NaOH (5.3)
NaHSiO3 + H2O
H2SiO3 + NaOH (5.4)
Щелочь, образующаяся в результате гидролиза, со временем разрушает бумагу, поэтому канцелярский силикатный клей нельзя использовать для документов длительного хранения. Особенно разрушительно силикатный клей действует на фотографии.
Крахмальный клейстер. Используется для склеивания бумаги и тканей из
целлюлозных волокон. Хорошее сцепление с целлюлозой объясняется тем, что
крахмал, как и целлюлоза, является полимером глюкозы, отличаясь лишь пр остранственным строением (структурная формула целлюлозы приведена в главе 3).
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В каждом структурном звене обоих полимеров есть три гидроксильных группы,
способных к образованию водородных связей. В отличие от силикатного клея
крахмал при высыхании дает эластичный клеевой слой и не разрушает бумагу. Однако со временем клеевой слой может разрушиться под действием микроорганизмов и даже насекомых (домовые муравьи, тараканы), поэтому использовать клейстер для наклейки обоев не рекомендуется.
Клеи на основе каучука (например, «Момент»). Инструкция к таким клеям
гласит, что после нанесения клеевого слоя на склеиваемые поверхности их надо
определенное время выдержать на воздухе и только потом соединить. Некоторые
люди считают, что выдержку лучше сократить, иначе клей высохнет. Это мнение
неверно: рекомендации по применению учитывают химизм склеивания композициями на основе каучуков.
Чем каучуки отличаются от полимеров на основе производных этилена
(полиэтилена, поливинилхлорида и т.п.)?
В каждом структурном звене каучука есть двойная связь. Так, формула изопренового каучука (СН2–С(СН3)=СН–СН2)n. За счет разрыва -связей каучук способен
полимеризоваться далее, сращивать полимерные цепи. Именно эта реакция медленно протекает при старении каучука пол действием кислорода воздуха. Если же в
раствор каучука добавить ускоритель полимеризации, то процесс пойдет весьма
быстро, но только после насыщения раствора достаточным количеством кислорода. Именно для насыщения кислородом и требуется выдержка перед склеиванием.
Зачем нам нужно, чтобы полимерные цепи каучука срослись? Клеевой слой,
образованный полимерными молекулами – например, крахмала – состоит из множества отдельных молекул. Даже самые сильные межмолекулярные взаимодействия – водородные связи – по прочности уступают нормальным ковалентным
связям. Следовательно, склеенные поверхности могут отделиться друг от друга,
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
особенно под нагрузкой, как из-за плохого сцепления клеевого слоя с поверхностью, так и за счет разрыва самого клеевого слоя. Если же от одной поверхности
до другой протянется одна полимерная молекула, разрыв клеевого слоя будет
происходить труднее. (Сравните, например, прочность на разрыв резины с низкой
(воздушный шарик) и высокой (велопокрышка) степенью вулканизации). Следовательно, прочность клеевого соединения будет зависеть только от качества подготовки поверхностей. В инструкции обычно говорится, что их надо тщательно
обезжирить, например, ацетоном, а затем просушить. Почему же нельзя получить
заранее такие сверхкрупные разветвленные молекулы? Дело в том, что по мере полимеризации растворимость каучука падает. Вот и приходится инициировать эту
реакцию уже после нанесения клея на поверхности. Если время насыщения кислородом сократить, клеевой слой будет состоять из отдельных молекул, и прочность
его снизится.
Аналогично клею «Момент» полимеризуются в клеевом слое и эпоксидные
клеи, причем в этом случае реакция протекает столь активно, что заранее вводить в
композицию ускоритель, называемый в данном случае отвердителем, нельзя. Он
продается отдельно и добавляется непосредственно перед склеиванием.
Вопросы и задания
1. Если у вас дома есть силикатный клей, нанесите его толстым слоем на полоску бумаги и дайте высохнуть, после чего попробуйте скрутить полоску в трубочку. Как ведет
себя слой клея?
2. Повторите этот опыт с поливинилацетатным клеем (ПВА) и крахмальным клейстером.
3. Ознакомьтесь с ассортиментом имеющихся в продаже клеев. Какие из них требуют
предварительной выдержки на воздухе? Одинаково ли время выдержки для всех клеев?
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 6. ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ
6.1. Защита от биопоражения
Основным недостатком любых деревянных изделий и конструкций является
относительно небольшой срок службы. Вначале ухудшается внешний вид древесины, а затем и ее физико-механические свойства. Это связано с биологическим поражением древесины, и в первую очередь с поражением различными грибами. Поэтому в деревообрабатывающей промышленности широко используется защитная
обработка древесины. Препараты, применяемые в этих целях, проходят проверку
на токсичность, но, тем не менее, при неправильном пользовании ими, а также при
неправильной эксплуатации обработанных пиломатериалов и изделий возможны
отравления. Кроме того, разные способы обработки древесины дают совершенно
разный эффект. Об этом нужно помнить, выбирая пиломатериалы или деревянные
изделия. Ниже мы вкратце познакомимся с двумя основными способами пред охранения древесины от биопоражения.
Антисептирование. Этот способ обработки предохраняет древесину от поражения деревоокрашивающими и плесневыми грибами. На древесине хвойных
пород наиболее часто встречается синевато-серая окраска, называемая синевой, но
бывает и окраска коричневых, розовых и желтых тонов. Различают поверхностную
(не более 2 мм вглубь древесины) и глубокую синеву. Плесневые налеты чаще всего
бывают зеленоватыми и белыми, реже – розоватыми, желтыми или бурыми. При
поражении древесины плесневыми грибами ее физико-химические показатели
практически не меняются, но ухудшается внешний вид. По вопросу о влиянии деревоокрашивающих грибов существуют противоречивые мнения. По-видимому,
все зависит от вида гриба, а также от продолжительности и условий его воздей55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ствия. Так, после воздействия грибов синевы в течение 1 месяца скорость водопоглощения заболони сосны может возрасти в 1,5 раза. Сопротивление древесины
сжатию вдоль волокон практически не меняется, сопротивление ударному изгибу
снижается незначительно. Большинство видов грибов может вызвать снижение
вязкости древесины на 10-15%, а некоторые даже на 30-40%.
Препараты для антисептирования (антисептики) выпускаются обычно в виде
порошков, реже в виде концентрированных растворов, из которых непосредственно перед использованием готовят рабочий раствор. Такие препараты бывают и в
розничной продаже. Химический состав антисептиков различен, но почти все они
в той или иной степени токсичны. Особенно это относится к хлорпроизводным
фенола, соединениям фтора, олова, бора. Кроме того, порошки, независимо от состава, могут пылить, раздражая органы дыхания. Покупая антисептик, следует убедиться, что к нему приложена инструкция по применению, и строго придерживаться этой инструкции.
Обработка древесины антисептиками заключается в погружении изделия в
рабочий раствор либо в опрыскивании поверхности этим раствором. Поскольку
антисептики бесцветны, обработанная древесина внешне ничем не отличается от
необработанной. Это представляет определенную опасность для потребителя.
Представьте, например, что из древесины, антисептированной хорошо растворимым в воде и очень токсичным пентахлорфенолятом натрия (ПХФН), сделали кухонную разделочную доску. В этом случае велика опасность попадания ПХФН в
пищу. Конечно, существуют индикаторы для обнаружения антисептиков в древесине, однако большинство из них широкому потребителю недоступно. Можно
предложить только реактив на хлорфенольные антисептики: примерно половину
чайной ложки кристаллов медного купороса растворить в 20 мл воды, добавить столько же кристаллов ацетата натрия (если его нет, погасить поло-
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вину чайной ложки соды разбавленным уксусом, убавив соответственно объем
воды на растворение купороса) и 10 мл ацетона. После нанесения этой смеси
антисептированная древесина приобретает бордово-коричневую окраску, а необработанная – зеленовато-голубую.
Консервирование. В отличие от антисептирования, которое лишь сохраняет
товарный вид древесины, консервирование значительно повышает ее долговечность. Это глубокая пропитка древесины, достигаемая применением специального
оборудования, например, автоклавов. Следовательно, в домашних условиях, да и в
обычной столярной мастерской, такая обработка невозможна. Консервирование
входит в технологическую цепочку деревообрабатывающих предприятий.
Препараты для консервирования, чаще всего применяемые в настоящее время, содержат соединения меди, цинка, хрома, мышьяка, а также производные фенола, то есть очень токсичны. Следовательно, консервированную древесину ни в
коем случае нельзя использовать для изделий, контактирующих с пищей.
6.2. Окрашивание и осветление древесины
Окрашивание. Придать древесине желаемый цвет можно не только с помощью красок, но и путем обработки ее растворами различных веществ. Для имитации ценных пород дерева в магазинах продаются морилки – растворы красителей
в изопропиловом спирте с примесью диэтиленгликоля (НО–СН2– СН2–О–СН2–
СН2–ОН). Маслянистый, малолетучий диэтиленгликоль, содержащий эфирную
связь и спиртовые группы, прекрасно совмещается с целлюлозой и спиртом. После
того как состав нанесен на поверхность, изопропанол достаточно быстро испаряется, а оставшийся тонкий равномерный слой диэтиленгликоля с красителем хор ошо впитывается древесиной.
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Морилку наносят тампоном из марли или фланели на отшлифованную поверхность, добиваясь равномерной окраски требуемого оттенка, после чего дают
высохнуть (время должно быть указано в инструкции, но обычно достаточно 15
минут) и покрывают прозрачным лаком или политурой. Морилку можно смешивать и с некоторыми лаками – спиртовыми или нитроцеллюлозными.
В домашних условиях деревянное изделие можно покрасить самыми простыми красителями, например, опустить его в отвар луковой шелухи или в крепко
заваренный чай. Небольшие изделия из дуба, ивы или бука легко окрасить парами
нашатырного спирта (10%-ного раствора аммиака). На дно эмалированной посуды
наливают немного раствора, ставят подставку, а на нее изделие (оно не должно касаться жидкости). Посуду плотно закрывают крышкой, которую желательно для
герметичности обмотать по окружности изолентой. Через 3-6 часов дерево приобретет приятный коричневый цвет.
Серый цвет можно получить, подержав дерево в уксусе, в котором несколько
дней лежали ржавые гвозди. Если же древесину предварительно пропитать отваром
дубильных веществ (например, отваром коры дуба, лиственницы или ивы) или
просто крепким чаем, получится окраска от темно-зеленой до черной, так как дубильные вещества дают с железом (II) интенсивно окрашенные соединения.
Красивый цвет получается при обработке дерева водными растворами различных солей. Растворы надо готовить в стеклянной или эмалированной посуде,
воду лучше взять мягкую. Изделие предварительно увлажняют, а потом тампоном
или кистью наносят раствор соли. Окраска получается более равномерной, если
изделие подержать в растворе от 5 до 20 минут, в зависимости от тр ебуемой глубины обработки. Интересно, что получаемый цвет зависит от породы дерева. В
табл. 6.1 приведены данные для некоторых лиственных пород.
Таблица 6.1
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Цвет древесины после обработки раствором соли
Раствор соли
Береза
Железный купорос, Темно4-5%-ный
Серый
Дуб
Иссиня-
серый
Железный купорос, Светло1%-ный
Липа
Бук
Черный
черный
Желтый
сирене-
Сине-
Клен
Темносерый
Серый
серый
Светлокоричне-
вый
вый
Дихромат калия,
Зелено-
Желтова-
Светло-
Оливко-
Желто-зо-
3%-ный
желтый
то-корич-
коричне-
во-
лотистый
невый
вый
коричневый
Хлорид железа (III), Темно1%-ный
серый
Темно-
Синевато- Серый
Серо-ко-
серый
серый
ричневый
Существует еще один вид химической обработки древесины – осветление
(если она потемнела от времени).
Его можно осуществить самостоятельно не-
сколькими способами.
1. Приготовить 30%-ный раствор пероксида водорода, добавить немного нашатырного спирта и обработать деревянную поверхность этой смесью с помощью кисти. Через 40 мин промыть поверхность теплой водой.
2. Подогреть водный 5-6%-ный раствор щавелевой кислоты до 45-55оС и обработать им поверхность, как указано в п.1. Если работа ведется на открытом
воздухе (например, вы осветляете обшивку дачного домика), желательно делать это прохладным вечером, чтобы дерево сохло подольше. После высыхания нейтрализовать поверхность 3-4%-ным раствором пищевой соды и промыть теплой водой.
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Приготовить 10%-ный раствор универсального (кислородсодержащего) отбеливателя для тканей и обработать им поверхность, как указано выше.
Работать надо в очках и в резиновых перчатках. Особенно осторожно следует обращаться со щавелевой кислотой и ее раствором. Расход реактивов зависит от
площади обрабатываемой поверхности и желаемой степени осветления.
Вопросы и задания
1. Раньше бревна тесали на доски топором, теперь их пилят. Какая из этих досок легче пропитается раствором консерванта? Почему?
2. Какая поверхность окрасится более гладко – расположенная вдоль или поперек древесных
волокон? Почему?
Глава 7. ХИМИЯ И ПИЩА
Все продукты питания, все материалы, из которых сделана посуда, состоят
из веществ. Все процессы приготовления пищи являются химическими или физ ико-химическими. Таким образом, заявленная в заголовке тема практически беспр едельна. Поэтому мы коснемся только отдельных вопросов, понимание которых
особенно важно для человека, живущего в современном мире, испытывающего
постоянное воздействие рекламы, газетных публикаций и т.д. Объем школьного
курса химии вполне позволяет оценить достоверность получаемой информации, на
него мы и будем опираться.
7.1. Сравнение материалов, используемых для производства посуды
7.1.1. Металлическая посуда
В настоящее время посуду делают из сплавов на основе только двух металлов
– железа и алюминия. (Есть, конечно, и серебряная, и даже золотая посуда, но вряд
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ли стоит о ней говорить). О столовых приборах (ложках, вилках и ножах), которые
могут быть выполнены также из медно-никелевых сплавов (мельхиор, нейзильбер),
речь пойдет ниже.
Алюминиевая посуда. С конца Х1Х века, когда алюминий подешевел и стал
доступен широкому потребителю, и примерно до середины ХХ века алюминиевая
посуда считалась лучше чугунной или стальной по многим параметрам. Во -первых,
у алюминия выше теплопроводность. Во-вторых, он легче. В-третьих, чугун и низкосортная сталь подвержены коррозии, а нержавеющая сталь относительно дорога.
Алюминий же на воздухе сразу покрывается оксидной пленкой, которая защищает
его от соприкосновения с веществами пищи, водой и воздухом. Реакционную способность самой оксидной пленки считали при этом достаточно низкой, чтобы не
беспокоиться по поводу перехода ионов алюминия в раствор.
Вспомните химические свойства оксида алюминия.
Процитируем для примера книгу «Обиходная рецептура», изданную в 1893
году: «...Всякая варка пищи в сосудах из алюминия сопровождается переходом
большего или меньшего количества его в раствор. Съедая приготовленное при таких условиях кушанье, человек вводит в себя и весь растворенный алюминий, но
это не имеет никакого значения, потому что мы без всякого вреда постоянно поглощаем незначительные количества глиноземных соединений вместе с водой для
питья». Надо сказать, что в другой статье того же сборника приводится иное мнение: «...Совершенно ясно, что столовая посуда – вилки, ложки и т.п., – сделанная
из алюминия, не может быть годной к употреблению; точно так же невозможно
пользоваться алюминиевой посудой для кипячения молока, варки щей, вообще
нагревания или даже хранения жидкостей со сколько-нибудь щелочной или кислой
реакцией». Правда, речь здесь идет не о вреде растворенного алюминия для человека, а о порче самой посуды.
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Как вы полагаете, почему в настоящее время отношение к алюминиевой посуде изменилось?
В современном мире, к сожалению, появилось значительно больше источников токсичных веществ, чем век назад. В частности, если говорить о соединениях
алюминия, в водопроводной воде их больше, чем в природной, так как сульфат
алюминия используется в качестве коагулянта на станциях водоочистки. Конечно,
технология очистки такова, что содержание ионов алюминия в воде не превышает
ПДК (предельно допустимой концентрации), однако при переходе в воду дополнительного количества алюминия из посуды ПДК может быть и превышена. Кроме
того, при установлении ПДК для конкретного вещества невозможно в полной мере
учесть воздействие на организм других веществ. В то же время хорошо известно,
что одновременное действие двух или нескольких веществ на организм может быть
значительно сильнее, чем действие каждого по отдельности при тех же концентр ациях (это явление называется положительным синергизмом). Отсюда следует, что
постоянное пользование алюминиевой посудой может отрицательно сказаться на
здоровье человека, даже если содержание алюминия в пище не превысит ПДК.
Стальная посуда. С учетом сказанного выше посуда из не подверженной
коррозии нержавеющей стали представляется теперь более гигиеничной. Но и
здесь имеются свои тонкости. Вы, наверно, замечали, что стальные кастрюли од инаковых размеров могут заметно различаться по цене. На вопрос, чем обусловлена
эта разница, чаще всего дают два ответа:
 разные страны и фирмы-изготовители;
 разный состав стали.
Конечно, престиж фирмы сказывается на цене, но не настолько. Что же кас ается состава стали, то и посуда фирмы «Цептер», и относительно дешевая российская посуда сделаны из сплава, содержащего 18% хрома, дающего устойчивость к
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
коррозии, и 10% никеля, повышающего жаростойкость. Главный фактор, обуславливающий высокую стоимость некоторых стальных кастрюль и сковородок, з ашифрован в надлиси на упаковке: «Из медицинской стали». Чем же медицинская
сталь отличается от обычной, если не составом?
Вспомните, какую структуру имеет твердый металл, если рассматривать
его под микроскопом.
Любой металл имеет кристаллическое строение. Однако кусок металла,
представляющий собой единый кристалл, или монокристалл, получить достаточно
трудно. При кристаллизации металла из расплава одновременно зарождается множество кристалликов, затем они растут, мешая друг другу принять правильную
форму. В результате образуются так называемые зерна, различающиеся между с обой пространственной ориентацией их кристаллических решеток. При химическом
воздействии на поверхность металла сильнее разъедаются границы зерен. Поэтому
после обработки отшлифованной поверхности специальными растворами – травителями – под микроскопом хорошо видна зернистая структура металла. Если вам
приходилось заниматься пайкой металлов, вы знаете, что поверхность металла
предварительно травят, чтобы припой глубже проникал в образовавшиеся углубления между зернами и прочнее соединял поверхности.
В процессе приготовления пищи под действием содержащихся в ней кислот
постепенно также происходит травление поверхности. (Кстати, если вернуться к
алюминию, – старая кастрюля или сковородка зачастую настолько разъедена, что
зернистость поверхности видна даже невооруженным глазом). В образовавшихся
углублениях застревают микроскопические остатки пищи, к которым при последующей готовке могут прилипать новые частицы пищи, причем пища к пище прилипает гораздо легче, чем пища к металлу. Вот чем объясняется факт, хорошо извес тный любой хозяйке: к новой посуде пища практически не пригорает, но чем боль63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ше пользуются кастрюлей или сковородой, тем чаще приходится чистить ее от
нагара. Кроме этого, на остатках пищи, застрявших между зернами, поселяются
микроорганизмы, которые в процессе жизнедеятельности могут выделять токсические вещества. Значит, если чистая на вид кастрюля или сковорода длительное
время стояла без дела, пусть даже в закрытом шкафу, а затем вы, не помыв, используете ее для готовки, токсины могут попасть в пищу.
Поскольку от зернистости поверхности металла избавиться нельзя, мы можем лишь свести ущерб к минимуму. Представьте себе два образца одного и того
же металла, но с разной величиной зерен, подвергшиеся травлению одним и тем же
раствором в течение одного и того же времени.
Какая поверхность – крупнозернистая или мелкозернистая – будет глубже
разъедена? (Подсказка: в двух солонках лежит крупная и мелкая соль. В какой солонке поверхность соли выглядит ровнее?)
Между крупными зернами углубления окажутся больше, следовательно, там
задержится больше пищевых остатков. Значит, гигиеничнее изделия из мелкозернистой стали. Это и есть медицинская сталь – ведь для хирургических инструментов стерильность является важнейшим требованием. (К тому же при затачивании
скальпеля из мелкозернистой стали режущая кромка получается ровнее). Но поч ему же тогда не всякая посуда делается из медицинской стали?
Подумайте: от чего зависит размер зерен, получаемых при кристаллизации
одного и того же расплава?
Чем медленнее охлаждается расплав, тем крупнее зерна. Значит, для получения медицинской стали нужно обеспечить быстрое, но в то же время равномерное
охлаждение. Это требует применения специального оборудования, что удорожает
процесс, а тем самым и продукцию. Многие семьи с низким доходом не в состоянии, а более обеспеченные просто не готовы платить «всего лишь» за повышенную
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
гигиеничность посуды при том, что по внешнему виду она ничем от обычной не
отличается.
Эмалированная посуда. Если металл в любом случае имеет зернистую структуру, то наиболее радикальным решением проблемы является использование покрытия, не обладающего зернистостью вообще. Иными словами, покрытие должно
иметь не кристаллическое, а аморфное строение. Самый доступный аморфный материал – стекло. В зависимости от состава стекла имеют различную химическую и
термическую стойкость. Эмаль – это и есть достаточно стойкое к нагреванию и
воздействию пищи стекло. К сожалению, не каждая хозяйка это осознает. Вряд ли
кому-то придет в голову скрести, например, оконное стекло ножом, чистить его
абразивными пастами; его стараются не ронять, не бить по нему тяжелыми предметами... С эмалированной кастрюлей почему-то так не церемонятся. В результате на
гладкой поверхности эмали появляются те самые углубления и микротрещины, от
которых стекло призвано нас избавить. Заметьте: трещины на эмали всегда выглядят темнее. Это говорит о скоплении там разлагающихся пищевых остатков. Если
трещина сквозная, то есть достигает металла, пользование такой посудой вообще
недопустимо с точки зрения гигиены. Дело в том, что при изготовлении эмалированной посуды используются недорогие сплавы, в которых не лимитируется с одержание вредных веществ, способных переходить в пищу (такие сплавы называют
непищевыми) – ведь металл и не должен контактировать с пищей. Следовательно,
если хозяйка продолжает пользоваться кастрюлей с надбитой эмалью, уговаривая
себя, что трещина или скол не так уж велики, она потихоньку подрывает здоровье
членов своей семьи.
Тефлонированная посуда. Выше уже говорилось об особых свойствах фторопласта-4 (тефлона). Напомним те из них, которые позволяют использовать этот
полимер для покрытия металлической посуды. Тефлон химически абсолютно
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
устойчив, термостоек, а главное – имеет крайне низкий коэффициент адгезии, то
есть, попросту говоря, ни к чему не прилипает и ничто не прилипает к нему. Именно поэтому тефлоновое покрытие обладает антипригарными свойствами. Однако
зададим себе вопрос: если тефлон ни к чему не прилипает, как же им покрыли сковороду или подошву утюга?
Вспомните, чем различаются понятия «полимер» и «пластмасса».
Пластмасса – композиция на основе полимера, свойства которой во многом
определяются наличием тех или иных добавок. Мы упоминали в том числе добавки
специального назначения. К ним относятся и адгезионные добавки, ввод имые в
тефлон для обеспечения сцепления с металлом. Количеством и качеством этих д обавок, по-видимому, и определяется качество тефлонированной посуды разных
фирм-производителей. Случается, что пища к сковороде действительно не пригорает, но через некоторое время тефлоновое покрытие вздувается пузырями, которые легко механически разрушить. Здесь явно проявилась недостаточная адгезия
пластмассы к металлу. Диаметрально противоположный вариант: покрытие прочно
связано с металлом, но и адгезия пищи к покрытию весьма велика – пища пригорает, как и к обычной сковородке. Если же найдена «золотая середина», тефлонир ованная посуда может служить много лет.
7.1.2. Столовые приборы из цветных металлов
Серебро. Серебряные ложки и вилки мягче стальных и требуют бережного
обращения. Чистое серебро вообще непригодно для использования из-за чрезмерной мягкости, и потому все изделия, называемые серебряными, на самом деле изготавливаются из сплавов серебра с медью. Проба, стоящая на изделии, показывает
массовую долю серебра в сплаве. На старых изделиях проба указана в процентах,
на современных – в десятых долях процента. Так, проба 925 означает, что в сплаве
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
92,5% серебра. Химическая стойкость серебра весьма высока, но при длительном
пользовании серебряными столовыми приборами они могут приобретать неприятный запах и привкус. Предполагается, что это связано с образованием на повер хности органических соединений серебра, включающих также серу. Запах и привкус
легко устранить кипячением в сильно разбавленной соляной кислоте (в аптеках
продается 5%-ная соляная кислота, которую надо разбавить еще примерно в 5 раз).
Что касается черного налета, который иногда образуется на серебряных изделиях при длительном хранении, он может иметь различную природу. Черный
цвет может быть обусловлен образованием оксида меди (II), довольно легко растворяющегося в кислотах. Поскольку в пище всегда содержится некоторое количество кислот, ионы меди могут переходить в раствор. Возможно, вам знакома рекомендация: «Если ложки потемнели, прокипятите их в воде, в которой варилась картошка». Ложки действительно заблестят, но одновременно этот опыт показывает,
как легко ионы меди – тяжелого металла – могут попасть в нашу пищу. Пусть в
столь малых количествах медь не оказывает вредного воздействия на наш организм, но мы уже говорили о таком явлении, как положительный синергизм. Синергистом каких именно вредных веществ может быть медь, мы точно не знаем, а потому осторожность не будет лишней. Следовательно, лучше удалять налет оксида
меди. Не обязательно использовать именно картофельный отвар – раствор любой
кислоты, например, лимонной, справится с этой работой не хуже.
Но почернение может быть обусловлено также образованием сульфида сер ебра в результате взаимодействия влажного серебра с находящимся в воздухе в
малых количествах сероводородом. Сульфид серебра очень трудно растворяется в
воде и кислотах и потому практически безопасен. Тем не менее он портит вид изделий, так что его обычно стараются удалить. Сделать это можно с помощью мя гкого абразивного средства – пасты ГОИ, просто зубной пасты или даже старой
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
губной помады (она содержит тончайший порошок диоксида титана, являющийся
хорошим абразивом), – смыв его затем водой с моющим средством.
Вы слышали, вероятно, еще один совет: класть серебряную ложку в сосуд с
кипяченой водой, чтобы вода дольше хранилась. Действительно, серебро способно
медленно растворяться в воде, содержащей воздух:
4Ag + 2H2O + О2 → 4Ag+ + 4ОН–
(7.1)
Образовавшиеся ионы серебра обладают бактерицидным действием. Стоит
только помнить о сказанном выше и не использовать в этих целях потемневшую
ложку.
Медно-никелевые сплавы. Часто столовые приборы из таких сплавов называют мельхиоровыми, но на самом деле мельхиоры – сплавы, содержащие наряду
с медью 20–30% никеля и небольшие количества железа и марганца, – применяются в этих целях нечасто.
На черенке ложки или вилки вы можете увидеть аббревиатуру «МНЦ». Что,
на ваш взгляд, она означает?
«МНЦ» – это «медь, никель, цинк». Такие сплавы называются нейзильберами и содержат 5 – 35% никеля и 13 – 45% цинка.
Внешне те и другие сплавы очень похожи на серебро и даже так же чернеют
при хранении. Но в данном случае налет однозначно представляет собой оксид меди, а следовательно, должен удаляться, как указано выше.
7.1.3. Посуда из фарфора и фаянса
Фарфор и фаянс - разновидности керамики. Керамикой, в свою очередь,
называют материалы и изделия, изготовляемые из огнеупорных материалов,
например, из глины. Материал подвергают высокотемпературной обработке – об-
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
жигу. При этом, в отличие от металлов, сырье не плавится полностью, а спекается
за счет плавления лишь части компонентов, образуя пористую структуру. В час тности, фарфор и фаянс изготовляют из белой глины – каолина, но по разным рецептам. В результате фаянс имеет довольно крупные поры (специалисты относят
его к керамике с «пористым черепком»), а фарфор – очень мелкие («спекшийся черепок»).
Какая посуда при одинаковой толщине прочнее – фарфоровая или фаянсовая?
Фарфор прочнее, следовательно, служит дольше.
Для того, чтобы вода и пища не проникали в поры, посуду из обоих материалов покрывают глазурью. Как и эмаль для металлической посуды, глазурь представляет собой разновидность стекла. Глазурь наносят на изделие в виде пасты и
затем подвергают его повторному обжигу. При этом стекло плавится и затекает в
поры керамики. Неглазурованный фарфор, дважды обожженный до появления легкого блеска, называется бисквитом. Его используют для изготовления художественных изделий.
Как вы думаете, какой материал глазуруют при более высокой температуре фарфор или фаянс?
Поскольку расплав стекла обладает высокой вязкостью, ему труднее проникнуть в мелкие поры фарфора. Для снижения вязкости расплав приходится сильнее
нагревать. Таким образом, обжиг фарфора при нанесении глазури ведут при более
высокой температуре, чем обжиг фаянса.
Как же отличить при покупке посуды, какой из двух материалов перед нами?
Распространено заблуждение, что любая тонкая посуда – фарфоровая, а грубая,
толстостенная – фаянсовая. На самом деле в химических лабораториях вы можете
увидеть прочные толстостенные стаканы и кружки из фарфора. Из него делают д аже ступки с пестиками. Да и в продаже под названием «керамические» зачастую
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
встречаются именно фарфоровые изделия. С другой стороны, изделия из опака –
высшего сорта фаянса – так тонки, что выглядят изящнее многих фарфоровых.
На самом деле различить фарфоровую и фаянсовую посуду можно по внешнему виду ее дна. Разные температуры обжига требуют и разной технологии. Фая нсовые изделия обжигают, поместив их на специальные игольчатые держатели, что
позволяет покрывать глазурью всю поверхность. Фарфор же обжигают, поставив
на противни, поэтому дно посуды нельзя покрывать глазурью, чтобы она не пр ипаяла изделие к противню. Перевернув фарфоровую чашку или тарелку, мы увидим, что дно, если оно плоское, или выступающий ободок на дне не блестит, выглядит неровным, пористым.
Вопросы и задания
1. При длительном пользовании дно фарфоровой посуды становится темнее, чем глазурованная поверхность. Почему?
2. У вас есть фарфоровая и фаянсовая тарелки, каждая с небольшой трещиной. Вам не хочется с ними расставаться. Насколько гигиенично пользоваться этими тарелками? Есть ли с этой точки
зрения различие между фарфором и фаянсом?
3. Рассмотрите внимательно имеющуюся дома металлическую посуду. Обратите внимание
на маркировку, которая часто наносится на дно посуды. Какую информацию о материале, из которого сделана посуда, вы получили? Считаете ли вы эту информацию достаточной для потребителя?
4. Рассмотрите внимательно имеющуюся у вас дома фарфоровую посуду. Как вы думаете,
почему маркировка на ней бывает трех цветов – красного, синего и зеленого? Попробуйте самостоятельно определить, что именно означает каждый цвет.
7.2. Сахар, сахарозаменители, подсластители
7.2.1. Сахар
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сахар – такой обычный и такой знакомый продукт. Человечеству он известен
по крайней мере 2500 лет – с тех пор, как люди научились получать сахар из высушенного сока сахарного тростника. Казалось бы, что в нем неизвестного? «Белая
смерть», но и источник энергии. Бывает сахар кусковой (рафинад) и сахарный песок… Но тут-то и кроется первое заблуждение. Слово «рафинад» означает «оч ищенный», а потому с равным правом может быть отнесено к белому сахару в любой форме: и к кусковому – как твердому пиленому, так и прессованному быстрорастворимому, – и к мелкокристаллическому.
Как вы думаете, зачем сахар рафинируют?
Сок сахарной свеклы содержит наряду с сахарозой (химическое название
главного компонента обычного свекловичного или тростникового сахара) множество веществ: другие углеводы, органические кислоты, аминокислоты, минеральные вещества и т.д. Поэтому при выпаривании сока получается довольно липкая
масса, окрашенная в грязно-коричневый цвет. Вкус ее нельзя назвать неприятным,
но взвешивать и фасовать такую массу не очень-то удобно, да и вид у нее не очень
эстетичен. Надо как-то очистить сахар от примесей, но как? В старину был известен только один способ – перекристаллизация, основанная на различной растворимости веществ в холодной и горячей воде. При такой очистке в действительно
чистом виде выделяется лишь малая часть сахара. Наверно, именно поэтому на
протяжении веков сахар был дорог и считался скорее лакомством, чем продуктом
питания. Ситуация изменилась примерно два века назад, когда были найдены химические методы очистки, включающие обработку сырого сока известью (этот
прием называется дефекация) и затем сернистым газом (сульфитация). Валовое
производство сахара в считанные годы выросло в 50 раз, а потребление его люд ьми – в 10 – 15 раз.
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Что вы знаете об отрицательных последствиях употребления рафинированного сахара?
Американский специалист по питанию доктор Р. Аткинс писал: «Ничто в истории не вызывало больше болезней, чем открытие, научившее людей очищать сок
сахарного тростника и получать чистый белый сахар». Прежде всего, наш орг анизм вообще биологически плохо приспособлен к потреблению химически чистых
продуктов (а в сахаре-рафинаде 99,9% сахарозы). Сравните: когда люди лечились
лекарственными травами, содержащими сложный комплекс природных веществ,
аллергии были редкостью, а теперь те же вещества, продающиеся в аптеках в очищенном виде, вызывают массу побочных реакций организма. Другой известный
пример: те народы и группы людей, которые потребляют меньше сложных по с оставу натуральных вин и больше чистого алкоголя, расплачиваются за это более
быстрым распространением алкоголизма. Да и проблема наркомании возникла
только в ХХ веке, когда люди научились выделять алкалоиды опия в чистом виде,
хотя в странах Востока традиция употребления сырых продуктов опийного мака
насчитывает много веков.
Наиболее частые и серьезные последствия избыточного потребления рафинированного сахара – нарушения обмена углеводов. Обычно при этих словах
вспоминают о сахарном диабете, но на самом деле много чаще у людей, которые
едят много сахара, возникает гипогликемия – пониженное содержание сахара в
крови. Почему пониженное – ведь логичнее было бы предположить его повышение? Дело в том, что постоянное поступление в организм сахара вызывает усиленную работу ферментных систем, его утилизирующих, и для поддержания уро вня
сахара в крови его требуется все больше и больше. Иными словами, возникает з ависимость сродни наркотической. Недаром в англо-американской литературе по
диетологии появился термин «сахаролик».
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Каковы основные симптомы гипогликемии? Это усталость, слабость, головокружение, постоянное чувство голода, раздражительность, вегетативные нар ушения (холодный пот, ощущение жара и т.п.), бессонница, ухудшение зрения. Часто неприятные ощущения удается быстро снять, съев немного сахара, пирожное
или сдобную булочку. Но очень скоро, иногда уже через час, все симптомы возвращаются, что побуждает человека снова и снова потреблять углеводы. Статистика показывает, что при физиологической норме потребления сахара 50 г в день в
нашей стране его потребление составляло (по данным на 1983 год) примерно 70 –
100 г в день, в Англии – 130 г, а среди английских подростков 15 – 19 лет – целых
156 г в день.
Такое распространенное ныне заболевание, как кариес, тоже связано с употреблением рафинированного сахара. Тот самый «кислотно-щелочной баланс во
рту», который, судя по рекламе, может нам обеспечить только жевательная резинка
«Орбит», поддерживается комплексом органических кислот и их солей, содержащихся в сахаре-сырце. Это подтверждают многолетние исследования американских
стоматологов. Таким образом, можно сделать вывод: надо возвращаться к сахару с
пониженным содержанием сахарозы. Такой сахар уже производится во многих
странах. Он представляет собой кристаллическое вещество от серовато -песочного
до коричневого цвета, то есть очищен от смолообразных примесей, но сохранил те
органические и неорганические вещества, которые помогают организму усваивать
сахарозу без вышеупомянутых побочных эффектов. Правда, в нашей стране производство коричневого сахара пока не налажено, а импортный очень дорог.
7.2.2. Сахарозаменители и подсластители
При сахарном диабете человек не может употреблять сахарозу в любом виде. Есть и другие случаи, когда рекомендуется ограничить себя в сладостях. Чтобы
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
придать пище привычный вкус, необходимы сладкие вещества, либо не усваивающиеся организмом вообще – это обязательное требование при избыточном весе, –
либо не требующие для усвоения инсулина (при диабете) и не вызывающие кариеса. Эти вещества должны быть безвредны для организма (по крайней мере, в пр именяемых дозах, так как совсем безвредных веществ не бывает) и достаточно дешевы. Ассортимент таких веществ, применяемых в пищевой промышленности, достаточно велик, но мы познакомимся лишь с наиболее распространенными из них.
Сахарозаменители – это вещества, обладающие питательной ценностью, то
есть усваиваемые организмом, но не требующие для усвоения инсулина. Следовательно, эти вещества пригодны для питания диабетиков, но не помогут избавиться
от лишнего веса. Некоторые из них пригодны и для борьбы с кариесом. Наиболее
известные сахарозаменители, применяемые в нашей стране (в скобках приведены
их коды по европейской классификации, см. раздел 7.3.2):
 Фруктоза: природный моносахарид, встречающийся в зеленых частях растений, нектаре цветов, семенах, меде. В некоторых растениях, например, в
клубнях топинамбура (земляной груши), содержится полисахарид, образ ованный остатками фруктозы – инулин. При калорийности, равной калорийности сахара, фруктоза слаще в 1,1 – 1,7 раза, а значит, для получения того
же вкуса ее требуется во столько же раз меньше, чем сахара. Тем не менее, с
каждым граммом фруктозы вы получите 4 ккал (17 кДж). По кариогенным
свойствам фруктоза также аналогична сахару.
 Сорбит (Е 420): природный шестиатомный спирт, содержится, например, в
яблоках и грушах. Калорийность 3,4 ккал/г, но сладость составляет всего 50
– 70% от сладости сахара. Легко подсчитать, что в результате увеличения
дозы мы получим столько же, если не больше, энергии, сколько дает сахар.
По последним данным, для зубов сорбит не столь безвреден, как считали
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
раньше. Тем не менее в целом для организма сорбит безопасен, его содержание в пищевых продуктах не нормируется.
 Ксилит (Е 967): пятиатомный спирт, получаемый восстановлением моносахарида ксилозы. Сладость и калорийность такие же, как у сахара. Не вызывает кариес, увеличивает секрецию желудочного сока, показан как желчего нное, а в больших дозах (50 г в сутки и более) – как слабительное средство.
Содержание ксилита в пищевых продуктах не нормируется. Однако ксилит
весьма дорог и чаще применяется в сочетании с сорбитом.
Подсластители – вещества, не усваиваемые организмом либо настолько
сладкие, что калорийностью потребляемой дозы можно пренебречь. С химической
точки зрения не имеют ничего общего с сахарами, а значит, с одной стороны, пригодны и при диабете, и для снижения веса, и для борьбы с кариесом; с другой стороны, некоторые из них чужеродны для организма и могут вызвать как минимум
аллергические реакции. В связи с этим для подсластителей устанавливаются нормативы суточного потребления. Самые распространенные подсластители:
 Сахарин (Е 954): смешанный имид о-сульфобензойной кислоты, обычно
применяется в виде натриевой (реже калиевой или кальциевой) соли. В
300 – 500 раз слаще сахарозы, поэтому дозировка его очень низка. Допустимое суточное потребление (ДСП) – не более 2,5 мг/кг массы тела (то
есть, например, для человека массой 50 кг – не более 125 мг/сутки). Отрицательным свойством сахарина является неприятный металлический привкус, иногда ощущаемый как горькое послевкусие. В связи с этим сахарин
чаще применяется в смеси с другими подсластителями.
 Цикламаты (Е 952): натриевая и кальциевая соли цикламовой кислоты.
В 30 раз слаще сахарозы, ДСП – не более 11 мг/кг массы тела. Применяются в смеси с сахарином, маскируя его привкус. Одновременно снижа75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ется доза цикламатов, так как в организме они могут превращаться в циклогексиламин – продукт токсичный и являющийся, по некоторым данным, канцерогеном.
 Аспартам (NutraSweet, сластилин, сладекс, Е 951): дипептид, образованный аспарагиновой кислотой и метиловым эфиром фенилаланина, то
есть вещество усвояемое. Однако он слаще сахара в 200 раз, а потому калорийностью можно пренебречь. ДСП – 40 мг/кг. Следует, однако, отметить два ограничения на применение аспартама. Во-первых, он противопоказан больным фенилкетонурией, так как при этом заболевании организм не усваивает фенилаланин, а превращает его в токсичные продукты.
Во-вторых, при нагревании, особенно в кислой среде, аспартам довольно
быстро вступает в реакцию, приводящую к образованию несладкого производного. В связи с этим он применяется в пищевой промышленности
только для подслащивания холодных напитков, мороженого, кремов и
других продуктов, не подвергающихся термической обработке и длительному хранению.
Вопросы и задания
1. Сахароза – дисахарид, образованный остатками глюкозы и фруктозы, то есть молярное соотношение этих остатков составляет 1:1. Мед также состоит из смеси
глюкозы и фруктозы в молярном соотношении 1:1. Почему же именно мед считается диетическим продуктом и рекомендуется больным для восстановления сил?
2. Как вы можете объяснить тот факт, что относительная сладость многих веществ
указывается в довольно широких пределах (см., например, сахарин)?
3. На этикетке лимонада написано: «Содержит источник фенилаланина». Кому адресована эта информация?
4. Рассмотрите этикетки жевательной резинки, прохладительных напитков, кондитерских изделий. Найдите указания на содержание в этих продуктах сахарозаме-
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нителей и подсластителей. Какие вещества, кроме названных выше, указаны в
качестве подсластителей в составе этих продуктов?
5. В некоторых газетных и журнальных публикациях говорится, что сахарозамен ители дают «пустые калории», то есть не содержат питательных веществ. Что вы
думаете по поводу этого утверждения?
7.3. Пищевые добавки
Сахарозаменители и подсластители являются представителями большой
группы веществ, называемых пищевыми добавками. В последние годы появилось
множество публикаций на эту тему. Может создаться впечатление, что эти вещества
только недавно стали использоваться пищевой промышленностью, но на самом деле они имеют давнюю историю. Мы солим грибы, маринуем огурцы и не задумываемся, что соль и уксус и есть пищевые добавки, а именно – консерванты. В
сдобные булочки добавляют ванилин, в бездрожжевое тесто – соду, в холодец –
желатин… Все эти вещества тоже являются пищевыми добавками.
Чем же пищевые добавки отличаются от пищевых продуктов? В соответствии
с действующим в нашей стране санитарным законодательством под термином
«пищевые добавки» понимают природные или синтезированные вещества,
преднамеренно вводимые в пищевые продукты с целью придания им заданных свойств и не употребляемые сами по себе в качестве пищевых продуктов
или обычных компонентов пищи. Пищевые добавки могут добавляться в пищевой продукт на различных стадиях его производства, хранения или транспортировки с целью улучшения или облегчения технологического процесса, увеличения
стойкости продукта к различным видам порчи, сохранения структуры и внешнего
вида продукта или намеренного изменения органолептических свойств. При этом
законодательство большинства стран запрещает применение добавок, маскирую-
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
щих низкое качество продуктов. Так, например, в России и Европе запрещен кр аситель Цитрусовый красный 2, применяемый для подкрашивания кожуры кислых
сортов апельсинов, имеющей желтый цвет, в оранжевый, характерный для сладких
сортов.
Не следует путать пищевые добавки с так называемыми БАД – биологически
активными добавками к пище, играющими лечебно-профилактическую роль. Последние никогда не вводятся в пищевые продукты, а продаются отдельно, и каждый потребитель сам решает, использовать ли их.
7.3.1. Правовые основы использования пищевых добавок
В настоящее время в мире вопросами применения пищевых добавок занимается
специализированная международная организация – Объединенный комитет экспертов ФАО/ВОЗ * по пищевым добавкам и контаминантам (загрязнителям). В рамках
Европейского Сообщества действует аналогичная комиссия, а в России и странах
СНГ решение вопроса о применении той или иной пищевой добавки является пр ерогативой Министерства здравоохранения и Государственного комитета санитарно-эпидемиологического надзора. Решение о разрешении применения добавки
принимается только после проведения всесторонних исследований, подтверждающих относительную безвредность данной добавки (относительную – так как абсолютно *ФАО – Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН.
ВОЗ – Всемирная организация здравоохранения.
безвредных веществ не бывает, все зависит от дозы, сочетания вещества с другими
веществами, а также от индивидуальной чувствительности организма) и устанавливающих для нее, хотя бы ориентировочно, допустимое суточное потребление
(ДСП) – количество пищевой добавки в расчете на стандартную массу тела (60 кг),
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
которое можно потреблять ежедневно в течение всей жизни без риска для здоровья. Исследования продолжаются и после разрешения добавки, так что в случае
обнаружения новых фактов добавка может быть полностью запрещена или снижено ее ДСП. Следует отметить, что в России список разрешенных пищевых добавок
включает всего около 250 видов. Это значительно меньше, чем в странах ЕС и особенно в США.
Важно понимать, чем различаются применяемые в российских нормативных
документах понятия «запрещенная добавка» и «неразрешенная добавка». В первом случае либо доказано вредное действие добавки даже при минимально необходимом ее содержании в продукте, либо, как говорилось выше, добавка предназначена для маскировки дефектов продукта. Во втором случае либо исследования
не завершены, либо просто речь идет о добавке зарубежного производства, ничем
не превосходящей отечественный аналог, а значит, закупка такой добавки нецелесообразна. В Российской Федерации запрещенными до недавнего времени были
всего три добавки: краситель Цитрусовый красный 2, краситель Амарант и
консервант формальдегид. Стоит отметить, что последние две добавки разрешены в ЕС, в том числе в Германии, сохранившей более жесткие законодательные
нормы относительно пищевых добавок. С марта 2005 года действует запрет
еще на два консерванта (см. раздел 7.3.3).
7.3.2. Классификация пищевых добавок
Во всех странах мира пищевые добавки классифицируются по назначению,
но выделяемые классы могут несколько различаться. Например, в США выделяют
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
так называемые «питательные добавки». Не очень удачный термин заставляет думать, что такие добавки обладают высокой калорийностью, хотя на самом деле в
этот класс входят витамины и микроэлементы – вещества, повышающие питательную ценность продуктов. Наиболее удобная классификация пищевых добавок была
разработана в Европейском сообществе. Открытие границ между государствами
ЕС поставило перед производителями пищевых продуктов новую проблему: по з акону о защите прав потребителей каждый потребитель имеет право на исчерпывающую информацию о составе продукта на родном языке. Таким образом, на упаковке, к примеру, жевательной резинки надо было бы привести названия всех ее
компонентов по меньшей мере на десяти языках. Так появилась идея присвоить
каждой пищевой добавке определенный номер – ведь язык цифр интернационален.
Эти трехзначные, реже четырехзначные номера сопровождаются литерой Е (от Europe). Европейская система с небольшими изменениями включена в Кодекс ФАОВОЗ для пищевых продуктов (Codex Alimentarius) как Международная цифровая система (International Numbering System – INS). Идентификационные коды добавок в
этой системе те же, что и в европейской, только без литеры Е.
7.3.3. Некоторые классы пищевых добавок и их отдельные представители
Красители. Российское законодательство разрешает применение только
двух чисто синтетических красителей – желтого Тартразина (Е 102) и синего Индигокармина (Е 132), причем последний является производным природного крас ителя Индиго. Остальные красители либо являются синтетическими аналогами пр иродных, либо выделяются из природного сырья. Так, зеленый краситель Е141
представляет собой медные комплексы хлорофилла, синевато-красные антоцианы
(Е 163) – экстракты из кожицы винограда или из черной смородины, а краситель
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Е162 так и называется «Красный свекольный». Среди красителей есть и витамины:
рибофлавины (Е 101) – витамин В2, каротины (Е 160) – провитамин А. Стоит запомнить коды запрещенных в РФ красителей: Цитрусовый красный 2 – Е 121, Амарант – Е 123.
Консерванты. Консервирование продуктов предупреждает развитие в них
микрофлоры – бактерий, плесневых и дрожжевых грибков, – приводящее к порче
продуктов и пищевым отравлениям. Самый распространенный в быту консервант –
уксусная кислота (Е 260), известная с древних времен. Менее известно, что антимикробное действие оказывают и другие органические кислоты. Например, мо лочная кислота (Е 270) образуется при квашении капусты; бензойная кислота (Е 210)
обуславливает высокую стойкость при хранении клюквы и брусники, в которых ее
содержание достигает 500 – 2000 мг/кг; сорбиновая кислота (Е 200) содержится в
рябине в количестве 1000 – 2000 мг/кг, что также придает этой ягоде высокую лежкость. Наряду с самими кислотами в пищевой промышленности применяют их с оли, лучше растворяющиеся в воде.
Некоторые хозяйки используют для домашнего консервирования аспирин,
или ацетилсалициловую кислоту. Это вещество действительно обладает сильным
антимикробным действием, однако применение его, как и салициловой кислоты, в
дозах, требуемых для консервирования, наносит вред здоровью. Поэтому салициловая кислота в настоящее время запрещена к применению в качестве пищевой добавки, а ацетилсалициловая в этом качестве никогда и не применялась.
Отдельно следует упомянуть такие консерванты, как нитриты калия и натрия
(Е 249 и Е 250) и нитрат натрия (Е251). Эти вещества используются при консервировании мяса и грибов, в производстве колбасных изделий. Иногда в печати упоминают только их способность фиксировать миоглобин – белок, придающий мясу
красный цвет. Но с учетом токсичности нитритов, их способности образовывать в
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
организме канцерогенные вещества, может быть, стоит ради здоровья отказаться
от любви к красивой розовой колбасе и тушенке? На самом деле у нитритов и нитратов есть еще одно важное свойство: только они способны убивать грибок, развивающийся на белковых продуктах в анаэробных условиях (а значит, и в герметически закрытой банке) и вызывающий тяжелое, часто приводящее к смертельному
исходу заболевание – ботулизм. Учитывая низкие дозы нитритов в пищевых продуктах, а также их способность при достаточном поступлении в организм витамина
С переходить в значительно менее токсичные нитраты, следует признать использование этих консервантов вполне оправданным.
Запрещенный в РФ консервант формальдегид (Е 240) используется за рубежом в очень малых дозах для консервирования зернистой икры, маринадов для
рыбной продукции и колбасных оболочек. Заметим, что в России разрешен ко нсервант уротропин, или гексаметилентетрамин (Е 239), в продуктах разлагающийся
с выделением того же формальдегида. Дело, видимо, в том, что кристаллический
уротропин не так легко передозировать, как газообразный формальдегид. Запрещенные в Евросоюзе, а с марта 2005 г. и в России консерванты – пропиловый
эфир пара-гидроксибензойной кислоты
(Е 216) и его натриевая соль (Е 217)
– до сих пор относились в нашей стране к неразрешенным.
Антиоксиданты (антиокислители). Вещества этого класса замедляют
окисление жиров, приводящее к их порче (прогорканию). К природным антиокислителям относятся, например, токоферолы ( витамин Е, Е 306-309), аскорбиновая
кислота (витамин С, Е 300), ее соли и эфиры (Е 301-305), а также лецитин (Е 322).
Синтетические антиоксиданты Е 319-321 применяются во всем мире как добавки к
жирам, предназначенным для хранения свыше трех месяцев.
Загустители, стабилизаторы, эмульгаторы. Добавки, принадлежащие к
этим классам, служат для создания и поддержания необходимой консистенции
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
продуктов. К загустителям и стабилизаторам
консистенции принадлежат та-
кие известные вещества, как желатин (белковый продукт, получаемый из хрящей,
сухожилий и костей животных), крахмал (полисахарид, получаемый обычно из
картофеля или кукурузы), пектиновые вещества (полисахариды более сложного
строения, чем крахмал, получаемые из яблочных выжимок, свеклы и корзинок
подсолнечника). Менее известны камеди – водорастворимые полисахариды, применяемые в тех же целях. Их выделяют, например, из бобов рожкового дерева, зерен овса, плодов гуары. Крахмал может быть модифицирован путем физической,
химической или биологической переработки. Это делается с целью изменения его
свойств – гидрофильности, способности к студнеобразованию. Особо следует
подчеркнуть, что все способы модификации крахмала не имеют ничего общего с
генетической модификацией растений.
В производстве мармелада, зефира и других аналогичных продуктов, а также
мороженого применяют полисахариды, выделяемые из водорослей – агар-агар,
агароид, каррагинан и фурцеллеран. В последние десятилетия приобрела особое
значение еще одна группа полисахаридов, получаемых из водорослей – альгиновые
кислоты (Е 400) и их соли: альгинаты натрия (Е401), калия (Е 402), кальция (Е 404).
Эти вещества не усваиваются организмом, а следовательно, могут применяться для
снижения калорийности продуктов, например, хлеба или майонеза. Хлеб с добавкой альгинатов к тому же дольше не черствеет. Кроме того, альгиновые кислоты и
альгинаты способны выводить из организма токсины и радионуклиды.
Эмульгаторы – это пищевые ПАВ, чаще неионогенные, придающие стойкость эмульсиям. Так, майонез представляет собой эмульсию растительного масла
в водном растворе уксуса, сахара и других веществ. В классический майонез для
предотвращения расслоения добавляют яичный желток, содержащий фосфолипид
(жироподобное вещество, содержащее остаток фосфорной кислоты) лецитин, ко-
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
торый и является эмульгатором. Одновременно, как уже говорилось, лецитин игр ает роль антиоксиданта. Как и все жиры, он высококалориен, поэтому иногда его
заменяют продуктами частичного гидролиза жиров – моно- и диглицеридами.
Примерами могут служить соответственно моностеарат (I) и дистеарат (II) глицерина:
НО–СН2–СН(ОН)–СН2–О–СО–С17Н35
(I)
С17Н35–СО–О–СН2–СН(ОН)–СН2–О–СО–С17Н35
(II)
Эти вещества тоже усваиваются нашим организмом, но менее калорийны.
Разрыхлители теста. Для разрыхления теста в хлебопекарной промышленности используют дрожжи – грибки, усваивающие содержащиеся в муке и тесте
сахара и при этом выделяющие углекислый газ, пузырьки которого и делают тесто
пористым. Процесс спиртового брожения сахаров под действием дрожжей длительный, тесто до выпечки должно несколько часов постоять в тепле. Если рецепт
теста не предусматривает применения дрожжей, для разрыхления используют вещества, разлагающиеся при нагревании с выделением углекислого газа. Самое распространенное из них – гидрокарбонат натрия (пищевая сода), разлагающаяся при
100 – 150оС:
2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2↑ + H2O
(7.2)
Образующийся карбонат натрия при гидролизе дает щелочную среду, что
придает тесту после выпечки неприятный «мыльный» вкус, поэтому в тесте должно быть достаточно кислот, способных нейтрализовать карбонат:
Na2CO3 + 2HA → 2NaA + CO2↑ + H2O
(7.3)
Здесь НА – общее обозначение любой кислоты, где А – анион кислотного
остатка. Гидрокарбонат натрия также способен реагировать с кислотами теста:
NaHCO3 + HA → NaA + CO2↑ + H2O
84
(7.4)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Все приведенные реакции дают углекислый газ, разрыхляющий тесто. Обратим особое внимание на последнюю реакцию. Во многих кулинарных рецептах р екомендуется вводить в тесто соду, «погашенную» уксусом. При «гашении» протекает бурная реакция с выделением углекислого газа, описываемая уравнением (3),
где НА = СН3СООН. Возникает вопрос: зачем же выпускать углекислый газ в атмосферу, если он нужен нам для разрыхления теста? Ведь образующийся в результате
ацетат натрия при нагревании не разлагается и газ не выделяет. Тем не менее тесто
все-таки разрыхляется, значит, какой-то смысл в этом приеме есть. Какой же?
Попробуйте самостоятельно найти ответ на этот вопрос.
Заметим, что в результате «гашения» соды уксусом мы получаем не раствор,
а кашицеобразную массу. Следовательно, содержащейся в уксусе воды не хватает
ни на растворение соды, ни на растворение образующегося ацетата. В таком случае
реакция идет на границе раздела фаз кристалл – раствор, и нерастворенный ацетат
остается на поверхности кристалла, препятствуя проникновению кислоты вглубь,
где осталась непрореагировавшая сода. Иными словами, мы взяли половину чайной ложки соды, а после гашения уксусом ее осталось совсем немного. В таком
случае почему бы сразу не взять соды на кончике ножа? Дело в том, что малое количество соды трудно распределить равномерно в большом объеме теста, особенно если оно густое. Фактически этот прием основан на разбавлении соды инертным
ацетатом. К тому же избыток уксуса помогает нейтрализовать гидрокарбонат и
карбонат натрия уже в тесте.
Поняв химический смысл этого приема, можно увидеть и его недостаток:
мокрые, слипающиеся кристаллы не так удобно распределять равномерно, как,
например, порошок. С химической точки зрения логичнее пользоваться другим
приемом: соду заранее смешивают с мукой или крахмалом, играющими роль разбавителей, и добавляют в эту смесь кристаллические кислотные агенты для нейтрали-
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
зации. В домашних условиях обычно используют лимонную кислоту (Е 330), в пищевой промышленности применяются также кислые соли винной кислоты (гидротартраты натрия и калия, Е 335 и 336).
Пищевая промышленность использует в качестве разрыхлителей не только
соду, но и карбонат и гидрокарбонат аммония (Е 503), способные разлагаться при
нагревании:
(NH4)2CO3 → 2NH3↑ + CO2↑ + H2O (7.5)
NH4HCO3 → NH3↑ + CO2↑ + H2O
(7.6)
Выделяющийся аммиак частично растворяется в воде, создавая щелочную
среду, поэтому он должен быть нейтрализован кислотами теста:
NH3 + HA → NH4A
(7.7)
Для снижения содержания в тесте солей аммония их используют, как правило, в смеси с содой.
Усилители вкуса и аромата. Любая хозяйка знает, что блюда, приготовленные из свежих продуктов, имеют более богатый оттенками вкус, чем из замороженных или консервированных. Потеря вкуса связана не с порчей продуктов, а с
постепенным уменьшением содержания в них одной из аминокислот – глутаминовой (в старом написании «глютаминовой»). Эта кислота и ее сол – глутаматы (глютаматы) – обостряют чувствительность вкусовых рецепторов человека. В наибольшей степени это касается горького и соленого вкуса, в наименьшей – сладкого.
Добавление в замороженные блюда, концентраты и консервы, а также в готовые
блюда глутаминовой кислоты (Е 620) и ее солей (Е 621-625) возвращает им богатство вкуса, причем этот эффект сохраняется и после тепловой обработки. Кроме
того, глутаматы обладают антиокислительными свойствами. Глутамат натрия (Е
621) иногда появляется в продаже, но не стоит им злоупотреблять (как и соевым
соусом, в котором глутамата очень много). У восприимчивых людей может воз-
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
никнуть так называемый «синдром китайского ресторана» – временное явление,
наиболее типичными симптомами которого являются учащенный пульс, головная
боль, головокружение и чувство слабости в мышцах.
Вопросы и задания
1. В различных газетах и журналах время от времени публикуются списки вредных,
опасных и запрещенных пищевых добавок. В частности, там фигурируют такие
утверждения:

Е 160 – вредно для кожи;

Е 330 – канцероген, разрушает мозг;

Е 400-404 – опасны;

Е 210 – канцероген.
Что вы можете сказать по поводу обоснованности этих данных? Дается ли в подобных публикациях расшифровка упоминаемых кодов?
2. Если у вас дома есть подобные «черные списки» пищевых добавок, принесите их на
занятие и обсудите.
3. Рассмотрите этикетки различных пищевых продуктов. Какие пищевые добавки в них
содержатся? Дается ли полная или частичная расшифровка кодов?
4. На пакетиках с разрыхлителями теста, продающихся в магазине, найдите указание на
их состав, перепишите все составляющие. Для чего служит каждый компонент?
7.4. Химические аспекты производства чая
Чай – широко распространенный напиток в нашей стране, однако мало кто
представляет себе, какие сложные процессы происходят при переработке растительного сырья и какие именно вещества определяют пользу чая для организма ч еловека.
Чай – многолетний вечнозеленый кустарник. Он относится к семейству чайных (Theaceae). В настоящее время различают два основных вида чайных растений:
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
северное, или китайское, и южное, или ассамское (Ассам – индийский штат). Чайное дерево, масло которого продается в аптеках, отнюдь не является сырьем для
производства чая, как полагают некоторые.
Чай как пищевкусовой продукт получается в результате биохимических пр евращений, которым подвергаются молодые побеги чайного растения. В классич еской технологии производства чая используются только трехлистные побеги или
побеги с двумя листьями и почкой. Такой побег называется флеш. Однако при
машинном сборе чая, естественно, могут быть срезаны и более длинные побеги,
что ухудшает качество чая.
7.4.1. Химический состав чайного листа
1. Дубильные вещества. Основную массу дубильных веществ чая составляют
катехины – сложные вещества полифенольного характера. Более сложное
строение имеют таннины – полифенолы, содержащие остатки сахаров. Иногда
смесь катехинов и таннинов называют чайным таннином.
Полифенолы чая обладают тремя главными свойствами, которые
и
определяют пользу чая для организма человека:
 капилляроукрепляющее действие (Р-витаминная активность);
 антиокислительные свойства, обуславливающие, в частности, противолучевое
действие чая. Например, в 1959 году японские ученые установили, что катехины
чая почти полностью ликвидируют вредное влияние на организм стронция-90
при радиоактивных осадках;
 антимикробное действие.
Наиболее богаты катехинами нежные двулистные побеги (125-250 мг/г сухого чая), наименее – взрослые грубые листья (80-100 мг/г) и особенно стебель.
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Флавонолы. Это три соединения полифенольного характера: кемпферол, кверцетин и мирицетин, соединенные с остатками моносахаридов. Наибольшее с одержание флавонолов обнаружено в молодых листьях и лепестках цветов. С
возрастом в листьях увеличивается относительное содержание производных
кверцетина, особенно рутина (это название может быть вам знакомо – рутин
продается в аптеках в качестве сосудоукрепляющего средства).
3. Углеводы. Чайный лист содержит различные углеводы, начиная с моносахаридов. Из растворимых сахаров преобладают сахароза, глюкоза и фруктоза, пр ичем в результате переработки листа содержание сахарозы падает, а содержание
моносахаридов возрастает. Сахара играют важную роль в создании аромата чая.
Так, при сушке чая происходит частичная карамелизация сахаров. Кроме того,
восстанавливающие сахара взаимодействуют с аминокислотами и дубильными
веществами, образуя альдегиды, дающие целую гамму запахов: цветочный,
фруктовый, солодовый, медовый и т. д.
4. Пектиновые вещества. Пектиновые вещества – полисахариды сложного состава. Разные части флеша содержат неодинаковое количество пектиновых веществ, причем больше их в нежных молодых листьях и в стебле. Отмечено также, что грузинское чайное растение содержит примерно вдвое меньше пектинов, чем японское. Считают, что пектины участвуют в создании аромата чая. В
частности, с их превращениями связан яблочный запах, возникающий в процессе завяливания листа.
5. Алкалоиды. Именно эти вещества называют обычно неспециалисты в качестве
наиболее важных биологически активных веществ чая, хотя мы уже знаем, что
полифенолы во всяком случае не менее важны. В чае три алкалоида: кофеин, теобромин и теофиллин, причем только кофеин содержится в чайных листьях и в
чае в заметном количестве – от 3 до 5 %. Для сравнения: в кофейных зернах его
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
не более 1,5%. Не зря второе название кофеина – теин – происходит от латинского названия чая. Но не следует думать, что приведенные цифры говорят о
более сильном тонизирующем действии чая по сравнению с кофе. В пересчете
на чашку напитка чай и кофе содержат примерно равные количества кофеина.
6. Белковые вещества и аминокислоты. В чайном листе содержится до 29% белка в расчете на сухое вещество. В молодых побегах белков больше, чем во
взрослых; в начале вегетационного периода содержание белков выше, чем в
конце. Чайный лист и готовый чай содержат также около двадцати свободных
аминокислот. Как уже говорилось выше, аминокислоты играют важную роль в
создании аромата чая, взаимодействуя с сахарами.
7. Пигменты. Чайный лист, как и всякое зеленое растение, содержит хлорофилл, а
также каротин и ксантофилл. В готовом черном чае остается 20-25% исходного
содержания хлорофилла. Если же в процессе производства хлорофилл недостаточно разрушен, чай будет иметь зеленоватый цвет и неприятный привкус. Важнейшим продуктом разрушения хлорофилла в процессе производства чая является пигмент феофитин. Каротин и ксантофилл образуют летучие соединения,
принимающие участие в образовании аромата чая.
8. Смолистые вещества и эфирные масла. Эти вещества участвуют в создании
аромата чая.
9. Витамины. О витамине Р мы уже упоминали. Однако чайный лист богат и другими витаминами. Так, в свежем грузинском чайном листе витамина С в тричетыре раза больше, чем, например, в соке лимона или апельсина. По содержанию этого витамина чайный лист уступает только некоторым разновидностям
шиповника. В процессе производства черного чая аскорбиновая кислота разр ушается, и в готовом продукте ее содержание невелико. В зеленых и желтых ви-
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дах чая витамина С примерно в 10 раз больше, чем в черном. Кроме этого, в чае
найдены витамины К, В1, В2, никотиновая, пантотеновая и фолиевая кислоты.
10. Минеральные вещества. Их делят на две группы – растворимые и нерастворимые. С потребительской точки зрения важнее, конечно, растворимые, переходящие в водный экстракт чая и поступающие с ним в организм человека. Есть
данные о том, что низшие сорта чая богаче минеральными веществами, но зато
в высших больше именно растворимых минеральных веществ. Всего в готовом
чае минеральные вещества составляют 5-6% сухой массы, причем около половины массы золы приходится на калий. В значительном количестве чай содержит также фосфор, кальций, магний и серу.
Таким образом, чайный лист имеет очень сложный химический состав, который
претерпевает столь же сложные изменения в процессе получения готового продукта.
7.4.2. Классическая технология производства чая
Так как в нашей стране наиболее употребим черный чай, подробно рассмотрим стадии его производства.
1. Завяливание. Как ясно из названия этой стадии, собранный лист должен достичь определенной степени вялости, то есть потерять часть воды. При этом,
во-первых, повышается концентрация веществ, растворенных в клеточном
соке, а значит, ускоряются реакции между ними; во-вторых, происходит ряд
важных биохимических процессов.
2. Скручивание. Этот процесс имеет целью разрушение клеточных стенок листа. Содержимое клеток смешивается, благодаря чему происходят реакции,
невозможные в живом листе. Это окислительные процессы с участием кислорода воздуха, катализируемые ферментами чайного листа. Раньше скручивание проводили вручную. Чувствительные человеческие руки могут очень
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
точно регулировать нажим на лист, чтобы, с одной стороны, максимально
разрушить клеточные стенки внутри листа для смешивания их содержимого,
а с другой – не повредить защитную оболочку листа, чтобы не вытек сок, и
не раздавить стебель, в котором содержится слишком много таннинов, пр идающих чаю горечь. Теперь, когда объем производства чая резко возрос, эту
работу взяли на себя специальные машины – роллеры. Они скручивают лист
в три приема, каждый раз немного усиливая нажим, но все-таки около 25%
клеточных стенок остаются не разрушенными. Продолжительность скручивания составляет до 2–3 часов, в зависимости от внешних условий и качества
сырья.
3. Ферментация. Окислительные процессы с участием ферментов чайного листа, начавшиеся при скручивании листа, продолжаются в зависимости от
внешних условий еще от двух до пяти часов. В ходе ферментации синтезир уются красящие и ароматические вещества, смягчается горький вкус таннинов, то есть чай приобретает привычные для нас вкус, запах и цвет. Однако в
результате готовый продукт содержит намного меньше дубильных веществ,
чем исходное сырье, то есть частично теряет полезные свойства. В частности, таннинов остается около 50%, а катехины исчезают почти полностью. В
связи с этим очень важно правильно определить момент завершения ферментации, чтобы, с одной стороны, чай успел приобрести нужные органолептические свойства, а с другой – максимально сохранил биологическую активность.
Как можно быстро остановить процесс ферментации?
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ферменты по химической природе – белки. Следовательно, при высокой температуре они свертываются и теряют активность.
4. Сушка. Ферментированный лист поступает в сушильное отделение, в котором поддерживается температура 90 – 95оС. Ферменты сразу прекращают
свое действие, однако дальнейший процесс не сводится к испарению влаги;
под воздействием горячего воздуха происходят физические и химические
изменения, в результате которых чай окончательно приобретает характерный
комплекс органолептических свойств. К сожалению, у сушки есть и отрицательная сторона – на этой стадии улетучивается 75 – 80% эфирных масел, образовавшихся при ферментации, то есть чай теряет аромат.
7.4.3. «Новая» технология производства черного чая
Как сказано выше, в образовании красящих, вкусовых и ароматических
веществ черного чая играют роль не только ферментативные, то есть биохимические, но и просто химические процессы. Это позволило разработать
технологию, позволяющую максимально сохранить полезные вещества чайного листа без ущерба для вкуса напитка. «Новой» такую технологию можно
назвать с известной долей условности, так как она базируется на приемах,
выработанных опытным путем в Китае и Индии достаточно давно. Конечно,
современная технология имеет более строгую теоретическую базу.
Сущность новой технологии в том, что лист ферментируется
лишь в процессе скручивания, а затем сразу поступает на сушку. В результате
в нем сохраняется 65 – 75% исходного таннина, однако вкус такого чая груб
и горек, а пахнет он зеленью. Чтобы устранить эти недостатки, сушку заканчивают при влажности не 3 – 4%, как требует классическая технология, а от 6
до 9–10%. Недосушенный полуфабрикат несколько часов выдерживают в
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
специальной камере при 50 – 65оС. В ходе такой мягкой термической обработки происходит накопление вкусоароматических веществ без заметной потери таннинов и катехинов. В результате 1 г чая содержит 30 – 70 мг катехинов, тогда как 1 г чая, произведенного по классической технологии, – всего 3
– 4 мг. Для сравнения – дневная норма катехинов, удовлетворяющая потребность организма в витамине Р, составляет 25 мг. Вкус чая также улучшается.
Немаловажно для производства, что новая технология повышает примерно на
треть производительность сушильных машин. Кроме того, повышенное содержание дубильных веществ увеличивает срок хранения чая.
7.4.4. Зеленый, желтый и красный чай
Если чай после скручивания сразу сушат по классической технологии,
то есть до остаточной влажности 3 – 4%, то в нем сохраняется от 80 до 170 мг
катехинов на 1 г, однако вкус и цвет такого чая, как уже говорилось, весьма
специфичен. По цвету сухого листа и настоя этот вид чая называют зеленым. К
зеленому чаю, предназначенному для европейского рынка, часто добавляют лепестки жасмина или магнолии для смягчения вкуса. Особым сортом зеленого
чая является плиточный, или «кирпичный» чай, производимый из грубых нижних частей побегов. В плиточном чае так много горьких таннинов, что ни жасмин, ни сахар не смягчают его вкус. Поэтому народы Средней Азии, где этот
чай весьма популярен, готовят его особым образом – не как напиток, а скорее
как суп. Чай не просто заваривается, а варится несколько минут, иначе грубые
ткани листьев и стебля не позволят экстрагировать полезные вещества достаточно полно. Отвар сливают, подсаливают и добавляют жир, обычно бараний.
Городским жителям, непривычным к бараньему жиру, советуют заменить его
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сливочным маслом. Жиры не только маскируют горечь, но и делают полученное
блюдо – «калмыцкий чай» – очень питательным.
Если после скручивания провести ферментацию, но закончить ее раньше, чем для производства черного чая, получится желтый чай. По вкусу он
похож на черный, но дает не темно-коричневый, а красивый золотистокоричневый настой. В желтом чае катехинов больше, чем в черном, что делает
его более полезным для сосудов.
Если ферментация идет дольше, чем требуется для получения желтого
чая, но меньше времени, чем для черного чая, получают красный чай, или оолонг. По целебным свойствам он уступает желтому, а тем более зеленому чаю,
но имеет очень красивый цвет настоя. Именно это обстоятельство, а также тот
факт, что точно определить момент, когда нужно остановить ферментацию,
очень трудно, делает красный чай дороже остальных.
Вопросы и задания
1. Как вы могли заметить, классическая технология производства чая не включает его
измельчение каким-либо образом. Следовательно, на чайных фабриках измельчают
уже готовый чай. С какой целью это делается?
2. Некоторые сорта чая режут перед ферментацией. Для чего это делается и как сказывается на качестве чая?
3.
В Индии часть чая производится с помощью машины «СТС», которая скручивает,
раздавливает и режет чайный лист за 5–10 минут. Это позволяет сократить время последующей ферментации до 1–2 часов. За счет чего достигается такое ускорение? Как
это скажется на цвете, вкусе и аромате чая?
4. Почему, на ваш взгляд, именно чай «СТС» чаще всего поступает в продажу в гран улированном виде?
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. Как вы думаете, почему зеленый чай наиболее популярен в горных и степных реги онах?
ЧАСТЬ II
Практическое занятие
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ НА ПРИГОТОВЛЕНИЕ РАСТВОРОВ
В быту мы часто встречаемся с растворами определенной концентрации. В
продовольственном магазине покупаем 70%-ную уксусную кислоту или 6%-ный
уксус, в аптеке – 5%-ную настойку йода и т.п.
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Какой способ выражения концентрации растворов использован в этих случаях?
Это массовая доля вещества в растворе (или в любой другой смеси), опред еляемая по формуле:
ω(%) = [m (вещества) / m (смеси)] × 100%
(А)
Приготовление растворов заданной концентрации – операция, которую каждый из нас производит в повседневной жизни не раз, только не все осознают это.
Какие растворы нам приходится готовить в домашних условиях?
Это, например, уксус, раствор пероксида водорода для осветления волос, электролит для автомобильного аккумулятора. В ряде случаев приготовление раствора «на
глазок» может привести при его использовании к отрицательному результату, поэтому стоит относиться к этой, казалось бы, простой операции внимательно и
уметь делать необходимые расчеты. Для удобства освоения методики расчетов
большинство задач можно отнести к четырем основным типам:
 растворение чистого вещества в чистом растворителе;
 растворение молекулярных соединений в чистом растворителе;
 разбавление растворов чистым растворителем;
 смешение растворов разной концентрации.
Ниже мы рассмотрим примеры решения задач каждого типа. При этом условия некоторых задач будут сформулированы «как в жизни» – не математически точно, а
в свободной форме. Например, в советах дачникам может быть написано: «Удобрение лучше применять в виде 2%-ного раствора из расчета 10 л на квадратный
метр», – но как его готовить, не сказано. Следовательно, вам самим придется
определить, какие именно величины надо рассчитать для приготовления нужного
количества этого раствора.
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. Растворение чистого вещества в чистом растворителе
Задача 1. Как приготовить 1 кг 2%-ного раствора соли?
Для того, чтобы правильно решить задачу, следует четко сформулировать,
что именно дано в условии и что требуется найти. В данном случае надо узнать,
сколько следует взвесить соли и сколько добавить воды. Поскольку обычно мы не
взвешиваем жидкости, а отмеряем их по объему, ответ задачи должен содержать
именно объем воды, а не ее массу.
Дано: m(р-ра) = 1 кг
Найти:
m (соли) = ?
ω (соли) = 2%
V (воды) = ?
Решение:
1. По формуле (А) найдем массу соли, необходимую для приготовления 1 кг 2%ного раствора: m (соли) = 0,02m (р-ра) = 0,02 кг = 20 г
2. Найдем массу воды, которая равна разности между массой всего раствора и
массой растворенного вещества:
m (воды) = 1000 г – 20 г = 980 г
3. Найдем объем воды, воспользовавшись формулой (В):
(В)
V= m/ρ
Плотность воды во всех случаях, не требующих особой точности, принимают
равной 1 г/см3 (г/мл). Тогда V(воды) = 980 г / 1 г/мл = 980 мл.
Ответ: m(соли) = 20 г; V(воды) = 980 мл.
Изменится ли ход решения и ответ задачи, если в условии соль заменить на
сахар?
Совершенно очевидно, что не изменится. Этим и удобен такой способ выр ажения концентрации растворов, как массовая доля вещества.
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Задача 2. Приготовить 1 л 2%-ного раствора соли.
Как видим, эта задача очень похожа на предыдущую. Решение будет отличаться только одним действием: чтобы воспользоваться формулой (А), прежде
всего надо найти массу раствора по формуле (В), а для этого требуется знать пло тность 2%-ного раствора соли. Ее можно найти в справочниках. В данном случае
она составляет 1,012 г/мл.
Дано: V(р-ра) = 1л
Найти: m (соли) =?
ρ (р-ра) = 1,012 г/мл
V (воды) = ?
ω (соли) = 2%
Решение
1. Найдем массу раствора: 1000 мл * 1,012 г/мл = 1012 г.
2. Найдем массу соли: 0,02
*
1012 = 20,24 (г) ≈ 20 г (округление обосновано тем,
что в бытовых условиях невозможно обеспечить высокую точность взвешивания).
3. Найдем массу воды: 1012 - 20,24 = 991,76 (г)
4. Найдем объем воды: 991,76 / 1 = 991,76 (мл) ≈ 992 мл.
Ответ: m (соли) ≈ 20 г; V (воды) ≈ 992 мл.
Изменится ли на этот раз решение задачи, если в условии соль заменить на
сахар?
Решение изменится, так как плотность 2%-ных растворов разных веществ не
совпадает. Так, плотность 2%-ного раствора сахарозы равна 1,006 г/мл. Однако в
данном случае мы видим, что масса соли, рассчитанная для приготовления 1 л раствора, практически не отличается от массы, рассчитанной на 1 кг того же раствора.
Мы не можем в домашних условиях гарантировать даже взвешивание с точностью
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
до грамма. Разница в объемах воды несколько больше – около 12 мл, но в расчете
на почти литр воды и эта величина лежит в пределах погрешности измерения с помощью бытовой мерной посуды. Такой же результат, очевидно, получится, если
расчеты делаются для приготовления любого раствора, плотность которого мало
отличается от плотности воды.
Отсюда можно сделать важный практический вывод: Для водных растворов
с небольшой массовой долей вещества (в пределах 5–6%), используемых в
бытовых целях и приготавливаемых с помощью бытовой мерной посуды и не
очень точных бытовых весов, можно принимать плотность равной плотности
воды, то есть 1 г/мл. Следует лишь оговаривать это допущение при решении задач такого рода.
2. Растворение молекулярных соединений в чистом растворителе
Молекулярными называются такие соединения, в которых молекулы одного вещества включены в кристаллическую решетку другого. Примером могут служить кристаллогидраты – соли, в кристаллическую решетку которых включена вода.
Задача 3. Имеется 100 г медного купороса CuSO4*5H2O. Сколько 5%-ного
раствора сульфата меди, применяемого для обработки потолков и стен перед побелкой, можно приготовить? Сколько воды понадобится для этого?
Дано: m(CuSO4*5H2O) = 100 г
Найти: V (р-ра) = ?
ω (CuSO4) = 5%
V (H2O) = ?
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В данном случае массу медного купороса нельзя подставлять в качестве массы вещества в формулу (А), так как кристаллы купороса содержат наряду с сульфатом меди воду. Следовательно, надо узнать, сколько граммов сульфата меди с одержится в 100 г купороса.
4. Рассчитаем молярные массы сульфата меди и медного купороса:
M (CuSO4) = 64 + 32 + 16*4 = 160 г/моль;
M (CuSO4)*5H2O = 160 + 5(2 + 16) = 250 г/моль.
2. Найдем массу сульфата меди в 100 г купороса, составив пропорцию:
в 250 г CuSO4*5H2O содержится 160 г CuSO4,
в 100 г
–“–
––
Хг
– “–
Х = 64 г
Отметим, что масса вещества, содержащаяся в 100 г смеси – это и есть массовая доля данного вещества в смеси. Следовательно, массовая доля сульфата меди в медном купоросе равна 64%. Это нам понадобится впоследствии.
3. По формуле (А) найдем массу 5%-ного раствора:
m (р-ра) = 64 * 100/5 = 1280 (г)
4.Так как раствор применяется в бытовых целях, а массовая доля сульфата меди в
нем всего 5%, примем плотность за 1 г/мл и найдем объем раствора:
V (р-ра) = 1280/1 = 1280 (мл)
5. Найдем массу и объем воды, которую надо взять для растворения кристаллов
купороса:
m (Н2О) = m (р-ра) – m (CuSO4*5H2O) = 1280 – 100 = 1180 (г)
V (Н2О) = 1180/1 = 1180 (мл)
Ответ: V (р-ра) = 1180 мл; V (Н2О) = 1180 мл.
Молекулярные соединения могут содержать в кристаллической решетке не
только воду. Например, хорошо известные многим таблетки гидролерита представ-
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ляют собой карбамид (мочевину), в кристаллическую решетку которого включены
молекулы пероксида водорода. Формула гидроперита (NH2)2CO *H2O2.
Задача 4. Какова массовая доля пероксида водорода в растворе, приготовленном растворением двух таблеток гидроперита в 100 мл воды? Масса таблетки
равна 1,5 г.
Дано: m (таблетки) = 1,5 г
Найти: ω (Н2О2) =?
N (таблеток) = 2 шт.
V (Н2О) = 100 мл
Решение.
4. Найдем массу воды: m(Н2О) = 100 мл * 1 г/мл = 100 г.
2. Найдем молярные массы пероксида водорода и гидроперита:
М (Н2О2) = 2*1 + 2*16 = 34 (г/моль);
М ( (NH2)2CO* H2O2) = 12 + 16 + 2(14 + 21) + 34 = 94 (г/моль)
3. Найдем массу пероксида водорода в двух таблетках гидроперита:
в 94 г гидроперита содержится 34 г Н2О2,
в 1,5*2 г – “ –
–
Хг
– “–
Х = 1,08 г
4. Найдем массу раствора:
m (р-ра) = m ( (NH2)2CO *H2O2) + m (H2O) = 103 г.
5. Найдем массовую долю пероксида водорода в растворе:
ω (Н2О2) = 1,08 *100/103 = 1,05 (%)
Ответ: ω (Н2О2) = 1,05%
3. Разбавление растворов
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Задача 5. Как приготовить 1 л 6%-ного уксуса (ρ = 1,007 г/мл) из 70%-ной
уксусной кислоты (ρ =1,068 г/мл)?
В этой задаче речь идет о двух растворах одного и того же вещества. Чтобы
не запутаться, удобно исходному раствору присвоить номер 1, а тому раствору,
который требуется приготовить, – номер 2. Все данные для этих растворов записывают с соответствующим индексом.
Дано: ω1 = 70%
Найти: V (р-ра)1 = ?
ρ1 = 1,068 г/мл
V (Н2О) = ?
ω2 = 6%
ρ2 = 1,007 г/мл
V(р-ра)2 = 1 л
Решение.
1. Найдем массу раствора 2: m(р-ра)2 = 1000 * 1,007 = 1007(г)
2. Найдем массу уксусной кислоты (массу вещества), содержащуюся в этом растворе:
m (в-ва) = 1007 * 6/100 = 60,42 (г)
3. Столько же вещества содержалось и в исходном растворе, поэтому можно найти
по формуле (А) массу этого раствора, а по формуле (В) – его объем:
m(р-ра)1 = 60,42 * 100/70 = 86,3(г);
V (р-ра)1 = 86,3 /1,068 = 80,8 (мл)
4. Найдем массу и объем воды, необходимой для разбавления раствора 1:
m (Н2О) = m (р-ра)2 – m (р-ра)1 = 1007 – 86,3 = 920,7 (г)
V(Н2О) = 920,7 /1 = 920,7 (мл)
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ответ: V(р-ра)1 = 80,8 мл; V(H2O) = 920,7 мл. Для приготовления раствора в
домашних условиях можно округлить эти величины соответственно до 80 и 920 мл.
Заметим, что сложение объемов исходного раствора и воды не дает 1000 мл –
объема 6%-ного раствора.
Почему так получается и какую ошибку в решении можно сделать, если это
не учитывать?
При сливании растворов меняется плотность, поэтому нельзя найти объем
воды простым вычитанием (V2 – V1).
4. Смешение растворов различной концентрации
Задача 6. У вас имеется 50 мл 70%-ной уксусной кислоты (ρ = 1,068 г/мл) и
достаточное количество 6%-ного уксуса (ρ = 1, 007 г/мл). Сколько 9%-ного уксуса
(ρ = 1,011 г/мл) можно приготовить? Сколько 6%-ного уксуса для этого потребуется?
Теперь у нас имеется уже три раствора. В таком случае неважно, присвоим ли
мы номер 1 6%-ному или 70%-ному, так как оба являются исходными. Важно то,
что номер 3 надо присвоить 9%-ному раствору, который только предстоит приготовить. Поскольку предстоят довольно сложные расчеты, договоримся также, что
массы, объем и плотность растворов будем обозначать только соответствующими
символами с индексами, указывающими номер раствора, а скобки с пояснением
«р-ра» опустим.
Дано: V1 = 50 мл, ρ 1 = 1,068 г/мл, ω 1 = 70%
ω2 = 6%, ρ 2 = 1,007 г/мл
Найти: V3 = ?
V2 = ?
ω3 = 9%, ρ 3 = 1,011 г/мл
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Очевидно, что для нахождения объемов нужно предварительно найти массы
обоих растворов, а для использования с этой целью формулы (А), как это сделано
в задаче 7, у нас не хватает данных: мы не знаем массы растворенного вещества в
каждом из двух растворов. Иными словами, в этой задаче более одного неизвестного, следовательно, для ее решения надо составить систему уравнений.
Решение
1. Найдем массу раствора 1: m1 = 50 * 1,068 = 53,4 (г)
2. Найдем массу вещества в этом растворе:
m (в-ва)1 = 53,4 * 70/100 = 37,38 (г)
3. Запишем, из чего складывается масса раствора 3 и масса вещества в нем:
m3 = m1 + m2 = 53,4 + m2
(1)
m (в-ва)3 = m (в-ва)1 + m (в-ва)2 = 37,38 + m (в-ва)2
(2)
4. Выразим массы вещества через массы растворов по формуле (А):
0,09m3 = 37,38 + 0,06m2
(2a)
5. Решив систему уравнений (1) и (2а), получим:
m2 = 1085,8 г;
m3 = 1139,2 г
6. Переведем массы растворов в объемы:
V2 = 1085,8 / 1,007 = 1078,3 (мл) ≈1078 мл
V3 = 1139,2 / 1,011 = 1126,8 (мл) ≈ 1127 мл
Ответ: V2 ≈ 1078 мл; V3 ≈ 1127 мл.
Как видим, это решение достаточно сложное: надо правильно составить и
правильно решить систему уравнений. Если в другой задаче неизвестными окажутся другие параметры растворов, воспользоваться задачей 6 как образцом не удас т-
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ся. В таких расчетах была бы полезна универсальная формула, позволяющая находить как неизвестные массы растворов, так и неизвестные массовые доли вещества
в них.
5. Вывод расчетной формулы для смешения растворов
1. Воспользуемся уравнением (2) из задачи 6, записанным в общем виде, и
преобразуем его также в общем виде:
ω3m3/100=ω1m1/100 + ω2m2/100
(2a)
ω3m3 = ω1m1 + ω2m2
(2б)
2. Из уравнения (1) выразим m3 и подставим в уравнение (2б):
ω3(m1 + m2) = ω 1m1 + ω2m2
(3)
3. Раскроем скобки, перенесем члены уравнения, включающие m1, в левую
часть, а включающие m2 – в правую; затем вынесем массы за скобки:
m1(ω3 – ω1) = m2(ω2 – ω3)
(4)
4. Перенесем массы растворов в левую часть, а массовые доли вещества – в
правую, получив очень удобную формулу:
m1/m2 = (ω2 – ω3)/ (ω3 – ω1)
(5)
Теперь решение задачи 6 сведется к простому расчету:
53,4/m2 = (6 – 9)/(9 – 70) = 3/61, откуда m2 = 53,4*61/3 = 1085,8 (г).
Заметим, что в каждой скобке у нас получились отрицательные разности, но
их отношение все равно положительно. Поменяв местами массовые доли в каждой
скобке, то есть домножив числитель и знаменатель в правой части на (–1), получим положительные разности:
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
m1/m2 = (ω3 – ω2)/ (ω 1 – ω3)
(5a)
Однако эта операция не обязательна: если бы мы обозначили номером 1 не
70%-ный, а 6%-ный раствор, в формуле (5) разности получились бы положительными. При решении конкретной задачи нам будет заведомо известно, какая масс овая доля больше, а какая меньше.
Естественно, эта формула пригодна не только для нахождения неизвестной
массы раствора, но и для вычисления массовой доли вещества как в одном из исходных растворов, так и в конечном. Иногда полезно просто найти соотношение, в
котором следует смешать исходные растворы.
6. Правило креста (конверт Пирсона)
Для того, чтобы быстро и без решения системы уравнений вспомнить формулу для правила смешения, существует графический способ, известный как «пр авило креста». Алгоритм действий следующий:
1. Изобразим косой крест с пробелом в центре.
2. Слева у концов линий запишем массовые доли исходных растворов:
ω1
ω2
3. В центре запишем массовую долю конечного раствора, проведем к ней
стрелки, чтобы подчеркнуть, что раствор 3 готовится из растворов 1 и 2:
ω1
ω3
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ω2
4. Продолжим стрелки и на продолжении каждой запишем разность величин,
находящихся на этой диагонали. Поскольку нам неизвестно, какая из двух
массовых долей больше, в общем виде можно записать разность по модулю:
ω1
|ω3 – ω2 |
ω3
ω2
|ω3 – ω1|
Как видим, мы получили те же разности, которые в формуле 5 пропорциональны массам соответственно растворов 1 и 2.
«Конвертом Пирсона» этот прием называется потому, что иногда проводят
горизонтальные стрелки от ω 1 и ω2 к разностям, записанным справа от них, чтобы
нагляднее подчеркнуть, которая из разностей пропорциональна массе раствора 1, а
которая – массе раствора 2.
Пользуясь «правилом креста» или формулами (5) – (5а), можно с легкостью
решать усложненные задачи, не относящиеся к представленным выше четырем основным типам. Рассмотрим решение одной из таких задач.
Задача 7. К 100 г 5%-ного раствора сульфата меди добавили 20 г медного
купороса. Какова массовая доля сульфата меди в полученном растворе?
Решая задачу 3, мы рассчитали массовую долю сульфата меди в медном купоросе. Она составила 64%. Таким образом, можно считать медный купорос твердым раствором с фиксированной массовой долей растворенного вещества.
Дано: m1 = 100 г , ω 1 = 5%
Найти: ω3 = ?
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
m2 = 20 г, ω 2 = 64%
Решение
Подставим исходные данные в формулу (5):
100/20 = (64 – ω3)/(ω3 – 5), откуда ω 3 = 14,83%
Как видим, задача решается очень просто. Для закрепления навыков решения
аналогичных задач вы можете воспользоваться приложением №1, где приведены
задачи всех типов.
Вопросы и задания
1. Как поступить, если в растворе присутствуют одновременно два вещества – находить
массовую долю каждого или суммарную массовую долю?
2. Можно ли использовать правило смешения для решения задач третьего типа? Если да, то
какова массовая доля растворенного вещества в воде? Проверьте свои предположения,
решив задачу 5 по «правилу креста».
3. Если по условию к раствору добавили не раствор того же вещества и не кристаллоги драт, а чистое вещество, какое значение массовой доли вещества следует использовать для
расчета по правилу смешения?
Лабораторная работа №1
СРАВНЕНИЕ СВОЙСТВ МОЮЩИХ СРЕДСТВ
Цель работы:
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. Ознакомиться с простейшими методами анализа моющих средств.
2. Сравнить свойства различных сортов мыла, стиральных порошков и жидких
моющих средств, сделать выводы относительно возможных ограничений их
применения.
Общий ход работы:
1. В 10 мл воды растворить образец исследуемого средства (порошок или
мыльная стружка – в количестве, закрывающем дно пробирки, жидкость – 34 капли). Стараться не допустить вспенивания.
2. Разделить раствор на 4 равные части. Если остались не растворившиеся ч астицы, не допускать их попадания во вторую и третью пробирки.
3. В первую пробирку добавить 2-3 капли раствора фенолфталеина. Отметить,
есть ли окраска.
4. Во вторую пробирку добавить 0,5 мл 5%-ного раствора СаCl2 , а в третью 0,5
мл 5%-ного раствора HСl. В обоих случаях отметить наличие осадка, его
обильность и характер (муть, мелкие кристаллы, мелкие или крупные хлопья).
5. В четвертой пробирке раствор интенсивно вспенить. Отметить обилие пены и
ее плотность. Через 10 мин отметить, насколько сильно изменился уровень
пены и увеличились пузырьки.
Результаты всех наблюдений свести в таблицу:
Название
средства
Характерис-
Реакция на:
фенолфталеин
5% СаСl2
5% НСl
тика пены
По завершении работы ответьте на вопросы:
1. О чем свидетельствует появление розовой окраски фенолфталеина?
2. Как вы можете использовать полученные в опыте с индикатором данные?
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Что означает надпись на некоторых жидких моющих средствах: «рН эквидермальный»? На других средствах вы встретите надписи «рН 5,5», «рН нейтральный». Какие две из трех надп исей
означают одно и то же?
4. О чем свидетельствует появление осадка при реакции с раствором хлорида кальция? Это положительное или отрицательное явление?
5. Какие моющие средства дали с раствором хлорида кальция хлопьевидный осадок, а какие –
мелкодисперсный? Как это связано с химическим составом осадков?
6. Появление осадка в подкисленной воде – достоинство или недостаток моющего средства?
7. Водопроводная вода, как правило, имеет реакцию, близкую к нейтральной. А где вам может
встретиться вода, имеющая ярко выраженную кислую реакцию?
8. Выберите лучшее, на ваш взгляд, средство из числа испытанных, не учитывая характеристику
пены. По каким признакам вы сделали выбор?
9. Аналогично выберите худшее средство.
10. Выберите средство с самой обильной и стойкой пеной. Является ли оно лучшим по остальным
параметрам? Какой вывод можно сделать из ваших наблюдений?
Лабораторная работа №2
КРАСИТЕЛИ И КРАШЕНИЕ
Цель работы:
1. Ознакомиться с простейшими приемами крашения натуральных волокон,
классами используемых для этого красителей.
2. Составить представление о сравнительной прочности получаемых окрасок.
3. Составить представление об особенностях действия восстанавливающих о тбеливателей.
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Прежде чем приступить к работе, запишите ход каждого опыта, оста вляя справа широкие поля для записи наблюдений.
Опыт 1. Прямое крашение
1. Немного красителя Конго красного или другого прямого красителя (на ко нчике
влажной стеклянной палочки) растворить в 25 мл воды. Отметить легкость
растворения и цвет раствора.
2. Поместить в раствор образец хлопчатобумажной (х/б) ткани размером 2х3 см и
шерстяную нитку длиной 15 см. Сразу ли начинают окрашиваться волокна?
3. Довести раствор до кипения, вынуть образцы стеклянной палочкой в выпарную
чашку, тщательно промыть под краном и отжать. Охарактеризовать цвет и
интенсивность окраски волокон.
Опыт 2. Кислотное крашение
1. Немного красителя Метилового оранжевого или другого кислотного крас ителя
растворить в 75 мл воды. Отметить легкость растворения и цвет раствора.
2. Разделить раствор на три равные части. К одной из них добавить 2 мл 20%
H2SO4, а к другой 5 мл 20% H2SO4. Как изменились растворы при добавлении
того и другого количества кислоты?
3. Во все три раствора внести образцы волокнистых материалов (размеры о бразцов те же). Сразу ли начинают окрашиваться волокна?
4. Красить и промывать, как указано в п. 3 опыта 1. Охарактеризовать цвет и
интенсивность окраски волокон до и после промывки.
Опыт 3. Кубовое крашение
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К 25 мл воды добавить 4 мл 1н NаОН и отбеливатель «Лилия» или другой отбеливатель на основе дитионита натрия либо ронгалита (на кончике шпателя). Отметить вид раствора.
1. Внести в раствор краситель Индиго или другой кубовый краситель, взятый на
кончике влажной стеклянной палочки. Легко ли он растворяется?
2. Нагревать при постоянном помешивании, не допуская закипания, до полного
исчезновения синего цвета. Если синий цвет полностью не исчезает, добавить
отбеливателя. С разрешения преподавателя можно добавить также 1-2 мл щелочи. Все добавки обязательно отметить в тетради.
Как выглядит полученный
раствор?
3. Внести в раствор кусочек х/б ткани и шерстяную нитку указанных в опыте 1
размеров. Нагревать, не допуская закипания, в течение 5 минут. Как окрашиваются образцы?
4. Вынуть образцы стеклянной палочкой в выпарную чашку,
а) промыть,
б) не промывать (по указанию преподавателя).
Как окрасились образцы? Какие изменения произошли с шерстью? Есть ли
различия в окрашивании промытых и непромытых образцов?
6. Непромытый образец х/б ткани тщательно промыть. Сравнить интенсивность
его окраски с образцом, промытым сразу после извлечения из раствора.
По завершении всех опытов ответьте на вопросы:
1. Какие красители применимы для крашения хлопка? Отметьте достоинства и недостатки
каждого класса красителей.
2. Какие красители применимы для крашения шерсти? Отметьте достоинства и недостатки
каждого класса.
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Известно, что некоторые красители связываются с окрашиваемым волокном за счет межмолекулярных взаимодействий, а другие способны образовывать с волокном химические связи
(чаще ионные). Сделайте предположения о механизме крашения прямыми и кислотными
красителями, сравнив результаты крашения целлюлозного и белкового волокна.
4.
В чем состоит особенность кубовых красителей по сравнению с прямыми и
кислотными?
5. Какова роль щелочного раствора отбеливателя при кубовом крашении?
6. В продаже можно найти универсальные красители для домашнего крашения. В чем
заключается их универсальность? Каков может быть их состав?
Лабораторная работа №3
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПЛАСТМАСС И ВОЛОКОН
Цель работы:
1. Ознакомиться с простейшими методами распознавания полимерных материалов.
2. Ознакомиться с основными свойствами наиболее распространенных плас тмасс и волокон, сделать выводы относительно ограничений их применения и
особенностей работы с ними.
Общий ход работы:
1. В четыре пронумерованных пробирки положить по образцу исследуемого
материала:
 гранулированный – одна гранула;
 обломки изделия – кусочек размером с гранулу;
 ткань, трикотаж, пленка – примерно 0,5 см2;
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 волокно – комочек размером с гранулу.
2. В пробирки налить по 1 мл:
 концентрированной серной кислоты;
 концентрированной азотной кислоты;
 10%-ного раствора щелочи;
 ацетона.
Оставить не менее чем на час, затем отметить произошедшие
изменения.
3. Образец исследуемого материала указанного размера положить на хорошо
разогретую поверхность электроплитки или на металлическую пластину, закрепленную в лапке на штативе и нагреваемую спиртовкой. Отметить:
 обугливается, размягчается или плавится;
 хорошо ли тянется;
 наличие видимых продуктов разложения;
 реакцию среды продуктов разложения (влажную индикаторную бумажку зажать в держателе и поднести к образцу);
 другие эффекты.
4. Образец того же размера зажать в держателе и внести в пламя спиртовки.
Отметить:
 легко ли загорается;
 устойчиво ли пламя;
 размер и цвет пламени, наличие видимой копоти;
 другие эффекты.
Результаты всех наблюдений свести в таблицу:
Название
Внешний
Отноше-
Горение
115
Отношение к
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вид
ние к нагреванию
Н2SO4 HNO3 NaOH ацеконц. конц. 10%
тону
По окончании работы ответьте на вопросы:
1. Можно ли распознать полимерные материалы по внешнему виду?
2. Зависит ли скорость растворения и легкость сгорания материалов на основе одного и того
же полимера от того, представляют ли собой образцы гранулы, пленки или волокнистые
материалы? Если да, то как это объяснить?
3. Как связать наличие видимой копоти при сгорании некоторых образцов с химическим составом полимеров?
4. Как объяснить выделение газов кислотного или основного характера некоторыми полимерами? Какие именно газы выделяются?
5. Какие из исследованных пластмасс являются термопластичными, а какие – термореактивными?
6. Какие способы распознавания волокнистых материалов оказались наиболее информати вными?
7. Какие способы распознавания пластмасс оказались наиболее информативными?
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Булдаков А.С. Пищевые добавки. Справочник. – СПб.: Ut, 1996.
2. Варфоломеев Ю.А. Обеспечение долговечности изделий из древесины. – М.:
ИЧП фирма «Ассоль», 1992.
3. Гроссе Э., Вайсмантель Х. Химия для любознательных: Основы химии и з анимательные опыты: Пер. с нем. – Л.: Химия, 1987.
4. Кретович В.Л. и др. Техническая биохимия: Учеб. пособие для студ. ун-тов
и технол. ин-тов пищ. пром-ти. – М.: Высш. шк., 1973.
5. Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас. – М.: Высш. шк., 1992.
6. Наука и жизнь: Науч.-поп. журнал.
7. Нифантьев Э.Е., Парамонова Н.Г. Основы прикладной химии: Учеб. пособие
для студ. пед. вузов.– М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2002.
8. Пацак Й. Органическая химия: Курс для ср. шк. и техникумов: Пер. с чешск.
– М.: Мир, 1986.
9. Пичугина Г.В. Повторяем химию на примерах из повседневной жизни. Сбо рник заданий для старшеклассников и абитуриентов с ответами и решениями.
– М.: АРКТИ, 1999.
10. Плетнев М.Ю. Косметико-гигиенические моющие средства. – М.: Химия,
1990.
11. Скурихин И.М., Нечаев А.П. Все о пище с точки зрения химика: Справ. издание. – М.: Высш. шк., 1991.
12. Теддер Дж., Нехватал А., Джубб А. Промышленная органическая химия: Пер.
с англ. – М.: Мир, 1977.
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13. Химия и жизнь: Науч.-поп. журнал.
14. Шпаковская Т.Л., Петров А.П. Маленькие секреты большой стирки. – М.:
Химия, 1988.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ
1. Для заполнения кислотных аккумуляторов применяют 28,58%-ный раствор
серной кислоты ( = 1,21 г/мл). Сколько надо взять 95,6%-ной кислоты ( =
1,84 г/мл) для приготовления 3 л нужного раствора?
2. В смесителе перемешивают серную кислоту с массовой долей кислоты 95 и
65% в массовом соотношении 2:1. Определите массовую долю и массу кислоты в 1т полученного раствора.
3.
При щелочении паровых котлов наряду с растворами едких щелочей применяют раствор фосфата натрия. Определите массовую долю фосфата натрия в
таком растворе, если на 1 м3 воды расходуется 2,5 кг соли.
4. 12,5 г медного купороса CuSO4.5H2O растворили в 87,5 г воды. Какова концентрация сульфата меди в полученном растворе?
5. Определите массу фтора в крови, содержащейся в организме человека массой 80 кг, если кровь объемом 10 мл содержит 0,03-0,07 мг фтора, а массовая
доля крови в теле человека составляет 8% (крови = 1,05 г/мл).
6. К 80 г 15%-ного раствора прибавлено 20 г воды. Какова концентрация полученного раствора?
7. Определить концентрацию смеси, полученной сливанием 10 мл 40%-ной ( =
1,25 г/мл) и 800 мл 4%-ной ( = 1,02 г/мл) азотной кислоты.
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8. Какую массу воды следует добавить к серной кислоте с массовой долей 75%,
чтобы получить 2 т кислоты с массовой долей 68%?
9. Какой концентрации получится раствор карбоната натрия, если в 100 мл во-
ды растворить 57,2 г кристаллической соды Na2CO3.10H2O?
10. На электровакуумном заводе для травления вольфрамовых проволок применяют кипящую смесь, состоящую из 500 мл 80%-ной азотной кислоты ( =
1,51 г/мл), 300 мл 96%-ной серной кислоты ( = 1,84 г/мл) и 200 мл воды.
Определите массовые доли кислот в растворе.
11. Для протравливания семян готовят раствор из 1 кг 40%-ного формалина
(раствора формальдегида в воде) и 100 л воды. Какова концентрация полученного раствора?
12. Определить концентрацию смеси, полученной сливанием 50 г 40%-ного и 300
г 2%-ного растворов.
13. При некоторых заболеваниях в кровь вводят 0,85%-ный раствор поваренной
соли, называемый физиологическим раствором. Вычислите: а) сколько воды
и соли нужно взять для получения 5 кг такого раствора; б) сколько соли вводится в организм при вливании 400 г физиологического раствора.
14. На ветеринарных пунктах в качестве глазных капель используют раствор
жженых квасцов с массовой долей KAl(SO4)2 0,5%. Определите массу кристаллогидрата KAl(SO4)2.12H2O, необходимого для приготовления 750 г такого раствора.
15. Для дезинфекции ран применяется йодная настойка, представляющая собой
5%-ный раствор йода в спирте. Вычислите: а) сколько йода находится в 15 г
настойки; б) сколько мл спирта ( = 0,8 г/мл) и граммов йода необходимо для
получения 500 г настойки.
16. В 100 г воды растворили 31,6 г вещества. Какова его массовая доля в полу119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ченном растворе?
17. Необходимо разбавить 400 г 95%-ной серной кислоты до получения 19%ного раствора. Сколько для этого понадобится воды и сколько получ ится
разбавленной кислоты?
18. Водный раствор аммиака ( = 0,904 г/мл) содержит 26% аммиака. Сколько
граммов аммиака в 1 л такого раствора?
19. Смешаны 100 г 20%-ного и 50 г 32%-ного растворов. Какова концентрация
полученного раствора?
20. Необходимо приготовить из безводной фосфорной кислоты 85%-ный раствор. В каких количественных соотношениях следует смешать кислоту с водой?
21. Сколько надо взять кристаллической соды Na2CO3.10H2O для приготовления
500 г 10%-ного раствора карбоната натрия?
22. Найти концентрацию раствора, полученного прибавлением 5 л воды к 1 л
24%-ной соляной кислоты ( = 1,12 г/мл).
23. Смешали растворы уксусной кислоты массой 200, 300 и 400 г с массовой долей кислоты соответственно 80, 40 и 15%. Определите массовую долю кислоты в полученном растворе.
24. 18 г железного купороса FeSO4.7H2O растворили в 100 мл воды. Определите
массовую долю сульфата железа в полученном растворе.
25. Определите массовую долю азотной кислоты в растворе, полученном при
сливании 30 мл 96%-ного (= 1,5 г/мл) и 40 мл 48%-ного (= 1,3 г/мл) растворов азотной кислоты.
26. Сколько воды потребуется для приготовления 20%-ного раствора серной
кислоты из 5 л 26%-ного раствора ( = 1,19 г/мл)?
27. Стакан с 98%-ной серной кислотой оставили открытым. Через некоторое
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
время за счет поглощения воды из воздуха масса раствора увеличилась с 920
г до 1002 г. Какова теперь массовая доля кислоты в растворе?
28. Сколько нужно прибавить 10%-ного раствора к 500 г 40%-ного раствора,
чтобы получить 20%-ный раствор?
29. Сколько воды нужно прибавить к 300 г 30%-ного раствора, чтобы получить
5%-ный раствор?
30. В каком отношении надо смешать 35%-ный раствор с 10%-ным, чтобы получить 20%-ный раствор?
31. В смесителе перемешивают серную кислоту с массовой долей кислоты 90 и
48% в массовом соотношении 3:1. Определите массовую долю и массу кислоты в 1т полученного раствора.
32. 25 г медного купороса CuSO4.5H2O растворили в 100 мл воды. Определите
массовую долю сульфата меди в полученном растворе.
33. Определить концентрацию смеси, полученной сливанием 150 г 30%-ного и 30
г 5%-ного растворов.
34. Определите массовую долю вещества в растворе, полученном при сливании
350 мл 96%-ного ( = 1,5 г/мл) и 400 мл 48%-ного (= 1,3 г/мл) растворов этого вещества.
35. Сколько 6%-ного раствора вещества надо прибавить к 800 г 30%-ного раствора, чтобы получить 10%-ный раствор?
36. Какой объем 4%-ного раствора соляной кислоты ( = 1,02 г/мл) нужно прибавить к 1 л 20%-ного раствора ( = 1,1 г/мл), чтобы получить 8%-ный раствор?
37. Сколько воды нужно прибавить к 1 л 36%-ного раствора гидроксида калия
( = 1,36 г/мл), чтобы получить 10%-ный раствор?
38. Смешали растворы некого вещества массой 150, 250 и 500 г с массовой долей
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вещества соответственно 75, 42 и 11%. Определите массовую долю вещества
в полученном растворе.
39. В 250 г воды растворили 27,8 г нитрата натрия. Какова его массовая доля в
полученном растворе?
40. Стакан с 96%-ной серной кислотой оставили открытым. Через некоторое
время за счет поглощения воды из воздуха масса раствора увеличилась с 780
г до 902 г. Какова теперь массовая доля кислоты в растворе?
41. В некоторые отбеливатели входит перборат натрия NaBO2.H2O2.3H2O. Как
приготовить из него 100 г 3%-ного раствора пероксида водорода?
42. Рассчитайте, сколько надо взять воды и таблеток гидроперита (NH2)2CO.
H2O2, чтобы получить 100 г 12%-ного раствора пероксида водорода. Масса
одной таблетки гидроперита 1,5 г.
43. В некоторых руководствах для парикмахеров сказано, что при растворении
одной таблетки гидроперита (NH2)2CO.H2O2 в 1 мл воды получается 1 мл
30%-ного раствора пероксида водорода. Проверьте это утверждение расч етом. Масса одной таблетки 1,5 г.
44. Какое количество монофторфосфата натрия Na2PO3F содержится в тюбике
зубной пасты массой 75 г, если на упаковке сказано: «Содержание активного
фтора 0,15%»?
Стоматологи рекомендуют ежегодно потреблять примерно
1,5 г активного фтора. Сколько тюбиков зубной пасты надо израсходовать в
течение года, чтобы обеспечить эту норму?
45. Зубная паста “Crest” производства США содержит 0,454 % дифторида олова
SnF2, а зубная паста “FM extraDENT” производства Болгарии содержит 0,8%
монофторфосфата натрия Na2PO3F. Какая из этих паст лучше для профилактики кариеса, если в обоих случаях действующим началом является ион фто-
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ра?
46. Приготовить 2 л 3,7%-ного раствора азотной кислоты из 50,7%-ного раствора ( = 1,32
г/мл).
47. Закопченную поверхность стен или потолка перед ремонтом промывают 2%ным раствором соляной кислоты. Сколько граммов 37%-ной кислоты потребуется для приготовления одного ведра (10 кг) такого раствора?
48. Получите 1 кг 10%-ного раствора из 30%-ного и 5%-ного растворов.
49. Сделайте расчеты, необходимые для приготовления из железного купороса
FeSO4.7H2O 10 л 2%-ного раствора сульфата железа.
50. Имеется 78%-ная серная кислота ( = 1,704 г/мл). Как приготовить 5 л 20%ного раствора ( = 1,139 г/мл)?
51. Смешали 700 г 26%-ной серной кислоты, 250 г 70%-ной азотной кислоты и
350 г воды. Рассчитайте массовые доли веществ в полученном растворе.
52. Ржавые пятна на стенах и потолке удаляют перед побелкой или окраской
водным раствором медного купороса, который готовят растворением
CuSO4.5H2O в горячей воде из расчета 70 г купороса на 1 л воды. Определите
массовую долю сульфата меди в таком растворе.
53. В щелочных аккумуляторах в качестве электролита используют 20%-ный раствор гидроксида натрия ( = 1,021 г/мл). Как приготовить 5 л такого раствора
из твердой щелочи?
54. В электровакуумном производстве для травления платиновых выводов
сверхминиатюрных ламп применяют раствор хлорида аммония в смеси с соляной кислотой. Какова массовая доля веществ в растворе, полученном смешением 300 г хлорида аммония, 20 мл 37,23%-ной соляной кислоты ( = 1,190
г/мл) и 800 мл воды?
55. Имеется раствор хлорида бария с массовой долей вещества 0,5%. Сколько г
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кристаллогидрата BaCl2.2H2O нужно добавить к 1 л раствора, чтобы получить
3%-ный раствор?
56. Имеется 10%-ный раствор сульфата меди. Сколько граммов медного купороса нужно добавить к 100 г этого раствора, чтобы повысить концентрацию до
14%?
57. Хозяйка рассчитала все данные для приготовления 1 л 6%-ного уксуса, исходя из 80%-ной уксусной кислоты ( = 1,070 г/мл). Какой концентрации получился уксус на самом деле, если она взяла 70%-ную уксусную кислоту ( =
1,068 г/мл)?
58. Какой объем 4%-ной соляной кислоты ( = 1,02 г/мл) нужно прибавить к 1 л
20%-ной кислоты ( = 1,1 г/мл) для получения 8%-ного раствора?
59. Имеется 4%-ный раствор карбоната натрия ( = 1,039 г/мл). Сколько кристаллической соды (Na2СO3.10H2O) надо добавить к 100 мл этого раствора, чтобы
получить 10%-ный раствор?
60. Имеются 4%-ный ( = 1,043 г/мл) и 38%-ный ( = 1,410 г/мл) растворы гидроксида натрия. Как приготовить 600 мл 24%-ного раствора щелочи ( =
1,263 г/мл)?
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
Задание 1. Три хозяйки готовились к стирке. Первая подогрела воду до 60 оС
и замочила в ней белье, вторая нагрела воду до кипения, прокипятила белье 5 минут, охладила до 60оС и только после этого начала стирку, третья прокипятила воду
без белья, охладила до 60оС и только тогда замочила в ней белье. У кого белье
лучше отстирается? Какими простыми опытами это можно доказать и как объяснить?
Задание 2. В вашем доме есть бутыль с жидким отбеливателем, но этикетка с
инструкцией потеряна. Препарат имеет сильный запах хлора. Вы решили обработать им белье без нагревания. Какую посуду вы выберете, если у вас есть новое
ведро из оцинкованной жести, старый эмалированный бак с поврежденной эмалью
и пластмассовый тазик? Ответ обосновать, написать необходимые уравнения реакций.
Задание 3. Вы прокипятили белое белье со стиральным порошком и содой в
старом баке из оцинкованной жести и обнаружили, что на белье, которое находи125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лось на дне бака, появились желтые пятна, а на стенках бака – белый рыхлый налет.
Почему это произошло? Напишите уравнения реакций.
Как можно удалить пятна с белья и налет со стенок бака? Что надо было сделать,
чтобы не испортить белье, если другого бака у вас нет?
Задание 4. Почему пятна от растительного масла, особенно горячего, через
несколько дней уже невозможно вывести с одежды с помощью растворителя, в то
время как пятно от растопленного сала или сливочного масла можно без труда
удалить с помощью того же растворителя даже спустя довольно длительный пер иод времени?
Задание 5. Вам надо удалить со скатерти пятно от мясного соуса. Соседка
посоветовала вам прокипятить скатерть в растворе биопорошка, но пятно не исчезло. Почему? Можно ли все-таки удалить это пятно с помощью биопорошка?
Задание 6. В 50-е годы, когда еще не было порошков на основе СМС, многие
женщины кипятили белое белье в растворе силикатного клея. Как можно объяснить
моющие свойства силикатного клея?
Задание 7.
Почему трикотажные изделия из натуральной шерсти очень
сильно вытягиваются и теряют форму после стирки, если сушить их в подвешенном состоянии, а хлопчатобумажный трикотаж в этих условиях формы не теряет?
Подсказка: Повторите свойства и структуру белков и целлюлозы, а также свойства водородных связей.
Задание 8. Как правильно отбеливать белье с помощью кислородсодержащего отбеливателя: в закрытом крышкой или открытом баке? Ответ обосновать.
Задание 9. Почему стиральные порошки с биодобавками особенно сильно
разъедают руки?
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Задание 10. Реклама утверждает, что только добавка средства «Calgon»
предохранит стиральную машину от образования накипи. Выясните состав этого
средства, найдите хотя бы один стиральный порошок, содержащий ту же добавку.
Задание 11. Почему сухой волос можно растянуть на 20 – 30%, смоченный
холодной водой – на 100%, а смоченный горячей водой – еще больше?
Подсказка: Повторите свойства и структуру белков, а также свойства водородных связей.
Задание 12. Почему для укладки волос с помощью бигуди волосы следует
предварительно смочить и почему такая прическа совершенно не выдерживает
действия влаги?
Подсказка: Повторите свойства и структуру белков, а также свойства водородных связей.
Задание 13. Почему при заквашивании капусты с большим количеством соли она иногда значительно хуже сохраняется, чем при добавлении очень малых количеств соли – ведь соль является консервантом?
Подсказка: Вспомните, какие процессы вы наблюдаете в первые дни заквашивания
капусты.
Задание 14. Известно, что капусту на зиму заквашивают. Можно ли применить этот способ заготовки к арбузам и к огурцам? Для обоснования ответа используйте информацию о массовой доле углеводов (в %), приведенную в таблице:
Углеводы
Глюкоза, фруктоза, сахароза
Клетчатка, крахмал,
пектин
Капуста
4,6
2,2
Арбуз
8,7
1,2
127
Огурец
2,5
1,3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Задание 15. Выпишите состав какого-либо пищевого продукта (конечно, если он указан достаточно подробно). Найдите пищевые добавки, охарактеризуйте их
назначение в данном продукте. Если не указано название добавки, а даны только
номер по европейской классификации и название класса добавок, постарайтесь
найти название добавки в другом источнике.
Задание 16. Выпишите состав какого-либо косметического средства (конечно, если он указан достаточно подробно). Найдите ПАВ; ориентируясь на названия,
определите, к какому классу относится каждое.
Задание 17. Выпишите состав какого-либо стирального порошка (конечно,
если он указан достаточно подробно). Постарайтесь объяснить роль каждого из
компонентов.
Задание 18. Найдите на упаковке растительного масла двух-трех марок информацию о содержании высших жирных кислот. Выпишите эти сведения и о тветьте (с обоснованием) на вопросы:
 Какое масло может дольше храниться?
 Пятно от какого масла труднее будет свести со скатерти или одежды через 2
– 3 дня?
Задание 19. Соберите образцы маркировки пластиковой тары. Какие знаки
указывают на состав пластмассы? Расшифруйте их. Перечислите главные особенности каждого полимера, укажите ограничения в применении, налагаемые этими
особенностями.
Задание 20. Выпишите состав майонеза с жирностью 67% и с жирностью 30
– 40%. Почему классический майонез всегда имеет высокую жирность? За счет каких добавок удается снизить жирность в «легких» майонезах?
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ…………………………………………………………………………..
3
ЧАСТЬ
I……………………………………………………………………………………5
Глава 1. ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВ И ИХ ФИЗИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА……………………………………………………………………………….
5
1.1.
Агрегатное состояние вещества……………………………………………5
1.2.
Растворимость веществ в полярных и неполярных растворителях…….10
Глава 2. ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА И МОЮЩИЕ
СРЕДСТВА НА ИХ ОСНОВЕ………………………………………………………….13
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.1. Поверхностно-активные вещества (ПАВ)………………………………….13
2.2. Получение мыла и его свойства…………………………………………….16
2.3. Синтетические анионные ПАВ……………………………………………..21
2.4. Синтетические катионные ПАВ (К-ПАВ)………………………………….22
2.5. Неионогенные ПАВ (Н-ПАВ)……………………………………………….25
2.6.
Состав
стиральных
порош-
ков……………………………………………….25
Глава
3.
КРАСИТЕЛИ
И
ОТБЕЛИВАТЕЛИ
ДЛЯ
ВОЛОКОН……………………….28
3.1.
Красители
и
крас-
ки…………………………………………………………..28
3.2. Химические и оптические отбеливатели…………………………………...30
Глава 4. ПОЛИМЕРЫ, ПЛАСТМАССЫ,
ВОЛОКНА………………………………...34
4.1.
Полимеры
и
способы
их
синте-
за……………………………………………34
4.2. Полимерные материалы……………………………………………………..36
4.3. Классификация полимеров и полимерных материалов…………………...36
4.4.
Состав
пласт-
масс…………………………………………………………….37
4.5.
Основные характеристики наиболее распространенных полимеров
и полимерных материалов………………………………………………………39
Глава 5. ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА И КЛЕИ………………………………………….45
5.1.
Минеральные вяжущие вещества…………………………………….45
5.1.1. Химизм затвердевания гипса…………………………………..46
5.1.2. Химизм затвердевания воздушной извести…………………..47
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.2. Клеи……………………………………………………………………….50
Глава 6. ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ……………………………..53
6.1. Защита от биопоражения…………………………………………………..53
6.2. Окрашивание и осветление древесины……………………………………55
Глава 7. ХИМИЯ И ПИЩА……………………………………………………………58
7.1. Сравнение материалов, используемых для производства посуды………59
7.1.1. Металлическая посуда……………………………………………..59
7.1.2.Столовые приборы из цветных металлов………………………….65
7.1.3. Посуда из фарфора и фаянса……………………………………….67
7.2. Сахар, сахарозаменители и подсластители………………………………..69
7.2.1. Сахар…………………………………………………………………69
7.2.2. Сахарозаменители и подсластители……………………………….69
7.3. Пищевые добавки……………………………………………………………75
7.3.1. Правовые основы использования пищевых добавок…………….76
7.3.2. Классификация пищевых добавок…………………………………77
7.3.3. Некоторые классы пищевых добавок и их отдельные
представители……………………………………………………….78
7.4. Химические аспекты производства чая……………………………………85
7.4.1. Химический состав чайного листа………………………………..86
7.4.2. Классическая технология производства чая……………………..89
7.4.3. «Новая» технология производства черного чая………………….90
7.4.4. Зеленый, желтый и красный чай………………………………….91
ЧАСТЬ II ………………………………………………………………………………..94
Практическое занятие. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ НА ПРИГОТОВЛЕНИЕ
РАСТВОРОВ……………………………………………………………………………94
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. Растворение чистого вещества в чистом растворителе……………………….95
2. Растворение молекулярных соединений в чистом растворителе…………….97
3. Разбавление
раство-
ров………………………………………………………….100
4. Смешение растворов различной концентрации………………………………101
5. Вывод расчетной формулы для смешения растворов………………………..103
6. Правило креста (конверт Пирсона)……………………………………………104
Лабораторная работа №1. СРАВНЕНИЕ СВОЙСТВ МОЮЩИХ СРЕДСТВ…….107
Лабораторная
работа
№2.
КРАСИТЕЛИ
И
КРАШЕНИЕ…………………………..108
Лабораторная работа №3. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПЛАСТМАСС
И
ВОЛОКОН…………………………………………………………………..………111
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА ……………………………………………..…114
Приложение 1. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ………………………………………….115
Приложение 2. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ………………………………………..122
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Левандовская Тамара Владимировна
ПРАКТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Учебное пособие
Редактор
Подписано в печать
Формат 60 х 84 1/16. Бумага писчая. Объем ….печ. л.
Тираж 200 экз. Заказ №
Издательский центр
Поморского университета
163002, Архангельск, пр. Ломоносова, 6
E-mail: publish@pomorsu.ru
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Документ
Категория
Техника молодежи
Просмотров
385
Размер файла
829 Кб
Теги
практическая, 1280, химия
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа