Химия в быту

Существуют химические и физические способы обесцвечивания стекла. В химическом способе стремятся все содержащееся железо перевести в Fe³⁺. Для этого в шихту вводят окислители — нитраты щелочных металлов, шиоксид церия СеО₂, а также оксид мышьяка (III) AS₂O₃ и  оксид сурьмы(III) Sb₂O₃. Химически обесцвеченное стекло лишь слегка окрашено (за счет ионов Fe³⁺) в желтовато-зеленоватый цвет, но обладает хорошим светопропусканием. При физическом обесцвечивании в состав стекла вводят «красители», т. е. ионы, которые окрашивают его в дополнительные тона к окраске, создаваемой ионами железа, — это оксиды никеля, кобальта, редкоземельных элементов, а также селен. Диоксид марганца MnO₂ обладает свойствами как химического, так и физического обесцвечивания. В результате двойного поглощения света стекло становится бесцветным, но его светопропускание понижается. Таким образом, следует различать светопрозрачные и обесцвеченные стекла, поскольку эти понятия различны.

В некоторых дворцах, парадных зданиях и культовых сооружениях  в Европе в мелкие ячейки в оконных проемах вставляли пластинки слюды, которые ценились очень дорого. В домах простых людей для этой цели использовались бычий пузырь и промасленная бумага или ткань. В середине XVI в. даже во дворцах французских королей окна закрывались промасленным полотном или бумагой. Лишь в середине XVII в. при Людовике XIV в окнах его дворца появилось стекло в виде маленьких квадратиков, вставленных в свинцовый переплет. Листовое стекло большой площади долго не умели получать. Поэтому даже в XVIII в. застекленные окна имели мелкий переплет. Обратите внимание на реставрированные здания петровской эпохи, например на Меньшиковский дворец в Санкт-Петербурге. Однако вернемся к истокам производства оконного стекла.

В конце средневекового периода в Европе начали широко применять «лунный» способ изготовления листового стекла. В его основу также был положен метод выдувания. При этом способе вначале выдувался шар, затем он сплющивался, к его дну припаивалась ось, а около выдувательной трубки заготовка обрезалась. В результате получалось подобие вазы с припаянной ножкой-осью. Раскаленная «ваза» вращалась с большой скоростью вокруг оси и под действием центробежной силы превращалась в плоский диск. Толщина такого диска была 2—3 мм, а диаметр доходил до 1,5 м. Далее диск отделялся от оси и отжигался. Такое стекло было гладким и прозрачным. Характерная его особенность — наличие в центре диска утолщения, которое специалисты называют «пупком». Лунный способ производства сделал листовое стекло доступным для населения. Однако на смену ему уже в начале XVIII в. пришел другой более совершенный «халявный» способ, который использовался во всем мире почти в течение двух столетий. По существу, это было усовершенствование средневекового способа выдувания, в результате которого получался цилиндр. «Халявой» называли формируемую массу стекла на конце выдувной трубки. Она доходила до 15—20 кг и из нее в итоге получались листы стекла площадью до 2—2,5 м².

Мелкие стеклянные изделия делают матовыми обработкой фтороводородной (плавиковой) кислотой. Последняя взаимодействует с диоксидом кремния, находящимся на поверхности, с образованием летучего тетрафторида кремния SiF₄ в соответствии с уравнением

SiO₂ + 4HF = SiF₄ + 2H₂O

Фотохромные стекла изменяют окраску под действием излучения. В настоящее время получили распространение очки со стеклами, которые при освещении темнеют, а в отсутствие интенсивного освещения вновь становятся бесцветными. Такие стекла применяют для защиты от солнца сильно остекленных зданий и для поддержания постоянной освещенности помещений, а также на транспорте. Фотохромные стекла содержат оксид бора В₂О₃, а светочувствительным компонентом является хлорид серебра AgCl в присутствии оксида меди(I) Cu₂O. При освещении происходит процесс

Выделение атомарного серебра приводит к потемнению стекла. В темноте реакция протекает в обратном направлении. Оксид меди(I) играет роль своеобразного катализатора.

Хрусталь, хрустальное стекло — это силикатное стекло, содержащее различное количество оксида свинца. Часто на маркировке изделия указывается содержание свинца. Чем больше его количество, тем выше качество хрусталя. Хрусталь характеризуется высокой прозрачностью, хорошим блеском и большой плотностью. Изделия из хрусталя в руке чувствуются по массе.

Строго хрусталем называют свинцово-калиевое стекло. Хрустальное стекло, в котором часть КгО заменена на Na₂O, а часть РbО заменена на CaO, MgO, BaO или ZnO, называют полухрусталем.

Считают, что хрусталь был  открыт в Англии в XVII столетии.

Кварцевое стекло. Его получают плавлением чистого кварцевого песка или горного хрусталя, имеющих состав SiO₂. Для изготовления кварцевого стекла требуется очень высокая температура (выше 1700 °С).

Расплавленный кварц обладает высокой вязкостью и из него трудно удаляются пузырьки воздуха. Поэтому кварцевое стекло часто легко узнается по заключенным в нем пузырькам. Важнейшим свойством кварцевого стекла является способность выдерживать любые температурные скачки. Например, кварцевые трубы диаметром 10—30 мм выдерживают многократное нагревание до 800—900 °С и охлаждение в воде. Брусья из кварцевого стекла, охлаждаемые с одной стороны, сохраняют на противоположной стороне температуру 1500 °С и потому используются в качестве огнеупоров. Тонкостенные изделия из кварцевого стекла выдерживают резкое охлаждение на воздухе от температуры выше 1300 °С и потому с успехом используются для высокоинтенсивных источников света. Кварцевое стекло из всех стекол наиболее прозрачно для ультрафиолетовых лучей. На этой прозрачности отрицательно сказываются примеси оксидов металлов и особенно железа. Поэтому для производства кварцевого стекла, идущего на изделия для работы с ультрафиолетовым излучением, предъявляются особо жесткие требования к чистоте сырья. В особо ответственных случаях кремнезем очищается переводом в тетрафторид кремния SiF₄ (действием плавиковой кислоты) с последующим разложением водой на диоксид кремния SiO₂ и фтороводород HF.

Кварцевое стекло прозрачно  и в инфракрасной области.

Ситаллы — стеклокристаллические материалы, получаемые регулируемой кристаллизацией стекла. Стекло, как известно, — это твердый аморфный материал. Его самопроизвольная кристаллизация в прошлом приносила убытки на производстве. Обычно стекломасса довольно стабильна и не кристаллизуется. Однако при повторном нагревании изделия из стекла до определенной температуры стабильность стекломассы снижается и она переходит в тонкозернистый кристаллический материал. Технологи научились проводить процесс кристаллизации стекла, исключая что растрескивание.

Ситаллы обладают высокой  механической прочностью и термостойкостью, водоустойчивы и газонепроницаемы, характеризуются низким коэффициентом расширения, высокой диэлектрической проницаемостью и низкими диэлектрическими потерями. Они применяются для изготовления трубопроводов, химических реакторов, деталей насосов, фильер для формования синтетических волокон, в качестве футеровки электролизных ванн и материала для инфракрасной оптики, в электротехнической и электронной промышленности.

Прочность, легкость и огнестойкость  обусловили применение ситаллов в жилищном и промышленном строительстве. Из них изготавливают навесные самонесущие панели наружных стен зданий, перегородки, плиты и блоки для внутренней облицовки стен, мощения дорог и тротуаров, оконные коробки, ограждения балконов, лестничные марши, волнистую кровлю, санитарно-техническое оборудование. В быту с ситаллами чаще встречаются в виде белой непрозрачной жаростойкой кухонной посуды. Установлено, что ситаллы выдерживают около 600 резких тепловых смен. Изделия из ситаллов не царапаются и не прогорают. Их можно снять с плиты в раскаленном до красна состоянии и опустить в ледяную воду, извлечь из холодильника и поставить на открытое пламя, не опасаясь растрескивания или разрушения.

Ситаллы — один из видов  стеклокристаллических материалов, которые ведут свою историю всего лишь с 50-х годов текущего столетия, когда был выдан на них первый патент.

Пеностекло — пористый материал, представляющий собой стеклянную массу, пронизанную многочисленными

пустотами. Оно обладает тепло- и  звукоизоляционными свойствами, небольшой плотностью (примерно в 10 раз легче кирпича) и высокой прочностью, сравнимой с бетоном. Пеностекло не тонет в воде и потому используется для изготовления понтонных мостов и спасательных принадлежностей. Однако его главная область применения — строительство. Пеностекло является исключительно эффективным материалом для заполнения внутренних и наружных стен зданий. Оно легко поддается механической обработке: пилением, резанием, сверлением и обтачиванию на токарном станке.

Стеклянная вата и  волокно. При нагревании стекло размягчается и легко вытягивается в тонкие и длинные нити. Тонкие стеклянные нити не имеют и признаков хрупкости. Их характерным свойством является чрезвычайно высокое удельное сопротивление разрыву. Нить диаметром 3—5 мкм имеет сопротивление на разрыв 200—400 кг/мм², т. е. приближается по этой характеристике к мягкой стали. Из нитей изготавливают стекловату, стекловолокно и стеклоткани. Не трудно догадаться об областях использования этих материалов. Стекловата обладает прекрасными тепло- и звукоизоляционными свойствами. Ткани, изготовленные из стеклянного волокна, обладают чрезвычайно высокой химической стойкостью. Поэтому их применяют в химической промышленности в качестве фильтров кислот, щелочей и химически активных газов. Вследствие хорошей огнестойкости стеклоткани применяют для пошива одежды пожарных и электросварщиков, театральных занавесей, драпировок, ковров и т. п. Стеклоткани кроме огнестойкости и химической стойкости обладают также высокими электроизоляционными

Посуда из стекла. Качество посуды зависит от состава стекла, способа ее выработки и характера декоративной обработки. Самым дешевым стеклом является

кальциево-натриевое. Для посуды улучшенного качества используют кальциево-натриево-калиевое стекло, а для посуды высших сортов — кальциево-калиевое. Самые лучшие сорта посуды изготавливают из хрусталя.

Посудные изделия вырабатывают выдуванием или прессованием. Выдувание, в свою очередь, бывает машинным и ручным. Способ выработки, естественно, отражается на качестве посуды. Сложные по форме и художественные изделия изготавливают только ручным способом. Прессованные изделия легко отличаются от выдутых характерными мелкими неровностями на поверхности, в том числе и на внутренней. На выдутых изделиях они отсутствуют.

Мыла и моющие средства

Мыло было известно человеку до новой  эры летоисчисления. Ученые не располагают информацией о начале приготовления мыла в арабских странах и Китае. Самое раннее письменное упоминание о мыле в европейских странах встречается у римского писателя и ученого Плиния Старшего (23—79 гг.). В трактате «Естественная история» (в 37 томах), который, по существу, был энциклопедией естественно-научных знаний античности, Плиний писал о способах приготовления мыла омылением жиров. Мало того, он писал о твердом и мягком мыле, получаемом с использованием соды и поташа соответственно. Раньше для стирки одежды использовали щелок, получающийся от обработки золы водой. Скорее всего это было до того, как стало известно, что зола от сжигания топлива растительного происхождения содержит поташ.

Несмотря на то что в конце  эпохи средневековья в разных странах существовала довольно развитая мыловаренная промышленность, химическая сущность процессов, конечно, была не ясна. Лишь на рубеже XVIII и XIX вв. была выяснена химическая природа жиров и внесена ясность в реакцию их омыления. В 1779 г. шведский химик Шееле показал, что при взаимодействии оливкового масла с оксидом свинца и водой образуется сладкое и растворимое в воде вещество. Решающий шаг на пути изучения химической природы жиров был сделан французским химиком Шеврелем. Он открыл стеариновую, пальмитиновую и олеиновую кислоты, как продукты разложения жиров при их омылении водой и щелочами. Сладкое вещество, полученное Шееле, было Шеврелем названо глицерином. Сорок лет спустя Бертло установил природу глицерина и объяснил химическое строение жиров. Глицерин — трехатомный спирт. Жиры — сложные эфиры глицерина (глицериды) тяжелых одноосновных карбоновых кислот, преимущественно пальмитиновой СНз(СН₂)₁₄СООН, стеариновой СН₃(СН₂)₁₆COOH и олеиновой СН₃(СН₂)₇СН=СН(СН₂)₇СООН. Их формулу и реакцию гидролиза можно описать следующим образом:

CH₂OOCR¹  R¹COONa     CH₂OH

|       |

CHOOCR² + 3NaOH→R²COONa + СНОН

|         |

CH₂OOCR³    R³COONa      CH₂OH

жир соли        глице-

                                            кислот         рин

В состав различных жиров  входят в различных соотношениях пальмитиновая, стеариновая, олеиновая и другие кислоты. В растительных (жидких) жирах преобладают непредельные кислоты (содержащие этиленовые связи), а в животных (твердых) —- предельные кислоты, т. е. не содержащие двойных связей. Потребности в твердых животных жирах большие, чем в растительных. Поэтому жидкие растительные жиры переводят в твердые каталитической гидрогенизацией. В этом процессе остатки непредельных кислот в глицеридах превращаются (присоединением водорода) в остатки предельных кислот. Например,

Именно так получают кулинарные жиры, масло для обжаривания, салатное масло, а также жиры, идущие на производство маргарина. Гидрированные жиры называют саломаслами (сало из масла).

Если попытаться дать определение, то мытьем можно назвать очистку  загрязненной поверхности жидкостью, содержащей моющее вещество или систему моющих веществ. В качестве жидкости в быту используют главным образом воду. Хорошая моющая система должна выполнять двойную функцию: удалять загрязнение с очищаемой поверхности и переводить его в водный раствор. Значит, моющее средство также должно обладать двойной функцией: способностью взаимодействовать с загрязняющим веществом и переводить его в воду или водный раствор. Следовательно, молекула моющего вещества должна иметь гидрофобную и гидрофильную части. Фобос по-гречески означает страх, боязнь. Значит, гидрофобность означает боящийся, избегающий воду. Филео — по-гречески — люблю, а гидрофильность — любящий, удерживающий воду. Гидрофобная часть молекулы моющего вещества обладает способностью взаимодействовать с поверхностью гидрофобного загрязняющего вещества. Гидрофильная часть моющего вещества взаимодействует с водой, проникает в воду и увлекает с собой частицу загрязняющего вещества, присоединенную к гидрофобному концу.