У наших ног рассыпаны странные предметы. Вот, оказывается, какие строительные материалы микромира — атомы!
Этот, самый маленький, — атом водорода. Рядом с ним, побольше, — атом кислорода. Если сложить вместе два кислорода и один водород, получится, как известно, мельчайшая капелька воды, ее молекула.
Молекулы многих камней состоят, в основном, из атомов кремния. Но наиболее удивительный строительный материал микромира — атомы углерода. Из них можно сложить самые разные, самые непохожие вещества. Мягкий графит в карандашах и горючий уголь построены из углерода. Самый твердый камень — алмаз — тоже. Разница только в том, что атомы в этих веществах расположены по-разному. А если к углероду добавить немного других атомов, можно сделать почти все, что угодно. Скажем, один атом углерода и четыре атома водорода — это газ метан. Он горит голубым пламенем в горелках газовых плит. Если соединить два атома углерода, а к ним пристроить шесть атомов водорода, получится другой газ — этан (содержится в нефти). Присоединяя друг к другу все больше атомов углерода и навешивая на углеродную цепочку, словно бусинки на нитку, все новые атомы водорода, мы будем получать все новые вещества. Цепочка из трех, четырех, пяти атомов углерода — это еще газы: пропан, бутан, пентан. А вот ожерелье из шести углеродных звеньев и четырнадцати водородных бусинок уже образует молекулу жидкости, содержащейся в нефти и бензине, — гексан. Еще нарастим ожерелье, — выйдет почти твердое вещество — парафин (из него делают свечи). А если свернуть ожерелье двумя кольцами, получится хрупкий, кристаллический нафталин.
Но все это — простейшие изделия микромира. Из углерода и других атомов образуются необычайные молекулы в виде нитей, бус, цепей, сетей, решеток. Они состоят из сотен тысяч атомов и имеют фантастическую величину: некоторые из молекулярных ожерелий, если бы их растянуть, поднялись бы выше облаков микромира, выше здешних гор. Молекул-гигантов множество. Они переплетаются друг с другом, образуют непролазные заросли, настоящие джунгли.
Вверху: формула этилена; внизу — формула полиэтилена.
Вот из таких молекул и состоят полимеры. Молекулы можно сделать разные. Разные получаются и полимеры.
Как же рождаются молекулы-гиганты? Ученые придумали множество интереснейших способов их создания. Но мы с тобой не будем углубляться в бесконечные молекулярные джунгли слишком далеко: ведь немудрено и заблудиться. Для начала выберем себе молекулу-ожерелье попроще, вытащим ее из вороха других и рассмотрим, что же нам попало в руки.
Какое, оказывается, длиннющее ожерелье! Сколько, интересно, в нем атомов углерода? Раз, два, три, четыре… двадцать… пятьдесят один… тысяча триста, две тысячи… три… четыре тысячи! А около каждого атома углерода по две водородных бусинки. И никаких других атомов нет… Так что же это? Не полиэтилен ли? Да, он самый. Тот, из которого делают водопроводные трубы, бутылки, расчески, пленку для пищевых мешочков, теплиц и надувных домов.
Как химики сооружают полиэтиленовые молекулы? Ведь действовать так, как мы до сих пор говорили («возьмем еще несколько атомов углерода и нарастим ожерелье…»), можно лишь находясь в микромире. Но химики-то живут в нашем обычном, большом мире, откуда атом углерода не рассмотришь ни в какой самый мощный микроскоп. А уж «взять атом углерода», чтобы нарастить ожерелье, и думать нечего. Как же химики выходят из положения?
Очень остроумно. При переработке нефти выделяется газ этилен (в его молекуле два атома углерода и четыре водорода). Его накачивают в большие прочные аппараты и нагревают до 200 градусов. От такой жары и высокого давления молекулы газа сталкиваются и прочно сцепляются друг с другом. Вместо двух атомов углерода в молекуле получается четыре, потом шесть, восемь, десять, двенадцать — и так далее, пока цепь не вырастет до 4–5 тысяч атомов углерода. Лишь тогда можно считать, что полимер родился. Получается, что из двух тысяч молекул этилена вышла одна большая молекула полиэтилена.
Часть макромолекулы полиэтилена.
Кстати, теперь мы можем немного разобраться и в названиях. Вещества, подобные этилену, называют мономерами. «Моно» по-гречески означает «один», «мерос» — «часть». Значит, «мономер» — это «одночастный», то есть вещество, молекула которого представляет собой одну довольно простую частичку. Теперь ясно, что скрывается за словом полимер. Ведь «поли» — это «много». Конечно, полимер — вещество, молекула которого сложена из множества простых частичек. Если эти частички являются молекулами этилена, полимер называют полиэтиленом («многоэтилен»). Когда молекула полимера или — что одно и то же — высокомолекулярного соединения складывается из стирола, получается полистирол, из хлорвинила — полихлорвинил…
Но появление полимера на свет — это лишь полдела. Зачастую главные трудности только и начинаются после рождения дитятки-гиганта. Чтобы полимер «вышел в люди», его приходится воспитывать. А надо сказать, большинство полимеров упрямы, капризны, своенравны. И с ними сладить нелегко.
Воспитанием полимеров (между прочим, это выражение я употребляю не для занимательности — таков научный термин) занимаются особые специалисты — физико-химики. Новый полимер снова нагревают, охлаждают, растворяют, воздействуют на него кислотами, щелочами и другими химическими веществами, продавливают через тончайшие отверстия в стальных дисках — фильеры. В результате таких «педагогических мер» у воспитуемого вырабатываются важные качества: гибкость, прочность, сопротивление действию воды и воздуха.
Но посмотрим, как это делается в жизни. Для примера проследим путь красивого, нежного, мягкого волокна — нитрона.
Сначала берут газ метан. Нагревают его в пламени электрической дуги до 1400 градусов. Молекулы метана спаиваются, углерод прикрепляется к углероду, получается новый газ — ацетилен. Его надо быстро охладить, иначе он превратится в сажу. Теперь ацетилен соединяют с синильной кислотой и получают молекулу бесцветной жидкости — акрилонитрил. А из этих молекул (их нужны тысячи) уже можно сложить целое ожерелье: молекулу удивительного полимера — полиакрилонитрила.
Что же дальше? Полимер лежит в колыбели-пробирке — мелкий рыхлый порошок. Он ни на что не способен, ничего не умеет и никому не нужен. Чтобы его оценили люди, он должен многому научиться.
Вот какую школу прошел после своего рождения полиакрилонитрил. Сначала его пытались расплавить, но он оказался к этому неспособным: молекулы его при сильном нагревании распадались на части. В обычных растворителях он не растворялся. После долгих поисков нашли наконец такой растворитель, который был ему по вкусу; попав в него, порошок исчезал без следа. Образовавшуюся густую тягучую массу продавливали через фильеру. Тончайшая струйка раствора полимера попадала в ванну, где из нее вымывался растворитель и она немного затвердевала. Потом загустевшая струйка-паутинка попадала в другую ванну, с кипятком, затем — в третью, тоже с горячей водой. Здесь струйка промывалась снова и снова и вытягивалась в бесконечную, едва заметную нить — волокно нитрон.
Однако дело на этом не кончилось. Волокно надо завить и постричь. Работу парикмахера выполняют машины: одна гофрирует волокно, другая стрижет, режет на кусочки длиной 6-10 сантиметров. Если теперь волокно осторожно высушить, оно получится тонким, нежным, прочным и гибким. Из него можно делать теплые носки и чулки, ткани для костюмов, вязать кофты и джемперы. Мало этого. Инженеры создали машины, которые дают нитроновый мех. Этот мех «растет» в тысячи раз быстрее, чем на овцах, а шубы из него получаются воздушные, теплые и гораздо более красивые.
В этой шубе трудно узнать порошок полимера, родившийся на донышке пробирки…
Полиэтилен более покладист. Но он требует для своего воспитания особых мер: на него надо воздействовать радиоактивными лучами. Воспитанный таким способом, он становится более прочным, лучше изолирует электрические провода, выдерживает жару на 100–150 градусов большую, чем раньше.
Каждый знает, как упаковывают товары: коробки укладывают рядышком, поплотнее друг к другу, заворачивают в бумагу и увязывают шпагатом. Химики тоже, отправляя новый полимер из лаборатории, стараются получше, как они выражаются, упаковать молекулы. Правда, они не пользуются ни оберточной бумагой, ни шпагатом: если удалось уложить молекулы более или менее плотно, они будут держаться друг за друга сами.
Воспитание полимера часто преследует именно эту цель — получше упаковать, уложить молекулярные ожерелья. Зачем это нужно? Оказывается, упаковка молекул полимеров, особенно тех, которые идут на волокно, — вещь чрезвычайно необходимая. У молекул часто бывает много отростков, торчащих во все стороны. Как уложить такие ожерелья аккуратно, друг возле друга, чтобы из молекул получился тугой жгут и, следовательно, прочное волокно? Это очень нелегко. И поэтому волокна, в основном, состоят из беспорядочно собранных вместе молекул.