Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул

Синтетические молекулы (иногда их называют пластмассами) состоят из цепочки маленьких повторяющихся рисунков; просто представьте себе цепочку из скрепок. Каждая скрепка является уникальной и обособленной, однако все они соединены друг с другом кончиками. Молекулы удерживаются вместе благодаря ковалентным связями как внутри каждой молекулы, так и между повторяющими участками молекул.

Цепочки из молекул образуют большие (и тонкие) волокна, которые укладываются друг на друга. В месте наложения молекулы они образуют между собой дисперсионные силы, и когда цепочки накладываются друг на друга слишком часто, создается набор полимеров. Если правильные молекулы собираются в правильном порядке, как, например, в нейлоне, то полученный полимер будет прочным и эластичным. Но если на ваших колготках (между прочим, сделанных из нейлона) когда-нибудь появлялась дырка, то вы знаете, что полимеры могут быть очень слабыми. Прочность волокна зависит от связей между молекулами и межмолекулярных взаимодействий, поддерживающих эти связи.

Полиамид – это полимер, используемый для синтезирования нейлона, он состоит из повторяющихся молекул, связанных друг с другом интересным способом. Этот способ называется амидным соединением. Подобные соединения очень специфичны: они возникают в том случае, если атом углерода на одной стороне молекулы А образует ковалентную связь с атомом азота на противоположной стороне молекулы В. Дело в том, что молекулы А и В являются одинаковыми, поэтому такое соединение повторяется еще несколько раз; создается ряд молекул, соединенных сверхсильными ковалентными углеродно-азотными связями.

Полиамиды под другим названием

Вы когда-нибудь слышали об американском химике Сетфани Кволек? Она проработала более сорока лет химиком-органиком в DuPont и умерла в 2014 году. Еще в 1964 году она занялась поиском новой молекулы, которой можно было бы заменить сталь в гоночных шинах, и случайно получила странный раствор.

Кволек настолько заинтересовалась наполовину жидким, наполовину твердым веществом, что попросила коллегу продавить вещество через фильеру – это часть оборудования, с помощью которого раствор можно превратить в волокно (если эксперимент пройдет успешно, то получится игольчатое волокно, напоминающее стекловату). К счастью, эксперимент Кволек прошел успешно. Она была так довольна полученным результатом, что решила проверит полученную молекулу на прочность – и обнаружила, что полученная молекула прочнее стали в пять раз!

Проведя еще несколько экспериментов, Кволек и ее коллеги узнали, что после нагревания прочность вещества повышается. Для людей, которые никогда не работали в лаборатории, этот результат был подобен ситуации, когда Супермен входит в огонь, а затем каким-то непонятным образом превращается в Халка. Тепло от огня, как по волшебству, заставляло молекулы перестраиваться, благодаря чему у вещества появлялась суперсила.

Так Кволек обнаружила кевлар. Мы используем этот материал во многих вещах: от пуленепробиваемых жилетов и оптико-волоконных кабелей до скафандров, в которых астронавты будут ходить на Марсе. Эта гигантская молекула называется полипарафенилен-терефталамид и представляет собой синтетическое волокно.

Кевлар – один из самых прочных материалов, известных на сегодняшний день. Его атомы располагаются вплотную и прочно связаны друг с другом; благодаря этому ничто – даже пуля – не может разорвать связи между ними. Во время стрельбы в ночном клубе Орландо одного полицейского спас шлем из кевлара, защитивший того от пули. А во время стрельбы в Паркленде группа старшеклассников спряталась за листом из кевлара, который они обнаружили в кабинете по военно-патриотической подготовке.

Это волокно спасает жизни. А все из-за (чрезвычайно сильного) притяжения между молекулами.

Эластичные волокна полимера были изобретены в 1930-х годах, и ученые сразу поняли, что их можно использовать при создании одежды (но не средств для макияжа). Например, в 1939 году были выпущены первые нейлоновые чулки – и знаете, это был огромный шаг вперед, если сравнивать их с чулками из хлопка или шерсти. Женщины по несколько часов стояли в длинных очередях, чтобы купить одну пару чулок – прямо точь-вточь как сейчас, когда люди выстраиваются в очереди на Черную пятницу.

Как и с другими тканями, нейлон вытягивается в длинные тонкие волокна, которые затем переплетаются между собой. Эти волока принимают замысловатую форму, образуя нейлоновую ткань. И хоть такая ткань очень эластичная, она дышит не так хорошо, как ткань из полиэстера, которую мы уже обсуждали в прошлой главе. Все из-за того, что молекулы в нейлоновой ткани тесно связаны друг с другом.