Часть II. Антифризы органические, но не натуральные и совсем даже синтетические. Наиболее известным антифризом такого типа является вещество, имя которому – этиленгликоль. Оно очень близко знакомо каждому, кто не ставит свою машину на зиму в гараж, а активно пользуется ею и в холодное время года. Этиленгликоль является основным компонентом антифризов, а спирты – этиловый, изопропиловый – компонентами незамерзающих жидкостей.
Распыление раствора этилового или изопропилового спирта на поверхность льда может способствовать его плавлению, и удачливый водитель освобождает лобовое стекло от слоя замерзшей воды, получая возможность отправиться к месту назначения. А образованию кристалликов льда во внутренних системах автомобиля будет мешать жидкость антифриз, в состав которой входит этиленгликоль.
Как же работает антифриз-этиленгликоль? Систематическое название этиленгликоля – этандиол-1,2. Антифризные свойства этого замечательного вещества отчасти объясняются его некоторым сходством с водой – в составе молекулы этиленгликоля имеется две – ОН группы, способные к образованию водородных связей, к образованию таких связей способна и вода. Из-за этого вода и этиленгликоль могут смешиваться в любых соотношениях.
Известно, что температура замерзания воды – 0 °C. Чистый этиленгликоль замерзает при –12 °C, однако смешение этиленгликоля с водой приводит к тому, что обе эти жидкости мешают друг другу образовать правильную упорядоченную кристаллическую структуру, и температура замерзания смеси становится гораздо меньше температуры замерзания каждого из отдельно взятых веществ. Вообще это довольно распространенное явление – понижение температуры замерзания раствора по сравнению с температурой замерзания растворителя. На этом же явлении основана борьба с гололедом за счет посыпания улиц поваренной солью или другими твердыми хлоридами.
Может возникнуть вопрос – а почему мы не можем удалять намерзший лед с машин с помощью соли или солевого раствора? Даже если отбросить мысли о том, что солевой раствор и соль сама по себе будут способствовать коррозии металлических деталей автомобиля, до определенного момента мы можем это сделать, понизив температуру замерзания воды до –10 °C, может для областей с мягкой зимой это было бы и достаточно, но не для нас… Тем временем 70 %-ный водный раствор этиленгликоля не замерзнет до температуры –50°, да и этиленгликоль гораздо менее опасен для узлов и агрегатов автомобиля по сравнению с солевыми растворами с точки зрения коррозии.
Однако у популярности этиленгликоля в качестве антифриза есть и темная сторона силы – его токсичность. Чистый этиленгликоль обладает сладковатым вкусом и запахом, что может привести к тому, что домашние животные, и некоторые человеки, интеллект которых не сильно превосходит интеллект котов и собак, могут попытаться попробовать атифриз на вкус, получив при этом серьезные проблемы для здоровья. По этой причине в большинстве коммерческих продуктов-антифризов специально вводятся очень горькие добавки, которые имеют шанс остановить неразумных тварей от желания испить антифриз-коктейль.
Сладкий вкус этиленгликоля также стал основой распространенного заблуждения о том, что некоторые беспринципные виноделы добавляют антифриз в вино в качестве подстастителя. На самом деле такие безответственные виноделы добавляют в вино не этиленгликоль (HO – CH2—CH2—OH), а диэтиленгликоль (HO – CH2—CH2—O–CH2—CH2—OH), который, как и большинство других органических соединений, содержащих сразу несколько – ОН групп, обладает сладким вкусом, но не так токсичен, как входящий в состав антифризов этиленгликоль.
Такие добавки к винам производители временами имели привычку практиковать в неблагоприятные годы, когда виноград не успевал как следует вызреть, и вино получалось низкоалкогольным, слаботельным и кислым. Диэтиленгликоль маскирует присутствие в вине дополнительного количества сахара, поэтому сахар можно добавлять в вино без опасения, что он будет обнаружен во время анализов. Кроме того, диэтиленгликоль сам по себе делает вина более сладкими и тельными и, таким образом, они становятся похожими на вина позднего сбора. Однако в настоящее время такое «облагораживание» вина строго запрещено, по крайней мере для европейских виноделов, а, например, объемы экспорта австрийского вина смогли восстановиться только через 15 лет после скандала 1985 года, связанного с обнаружением в австрийских винах диэтиленгликоля (в 1986 году экспорт упал в 10 раз по сравнению с «доскандальным» 1985 годом).
Если вы или ваши домашние животные по какой-то причине глотнули антифриза, необходимо как можно скорее обратиться за медицинской помощью. Физиология отравления такова – схожесть строения этиленгликоля и этанола – первоначально приводит к быстрому опьянению, однако побочные эффекты начинают развиваться быстрее, чем при этаноловом отравлении. По мере того как организм будет пытаться переработать токсин, гидроксильные группы будут окисляться сначала до альдегидных функций, а потом – до карбоновых кислот. Продукты метаболизма этиленгликоля угнетают деятельность нервной системы, вызывают учащенное сердцебиение, повышение давление, в ряде случае возможен риск сердечного приступа. Если не принять меры, то через 24 часа после отравления могут отказать почки.
К счастью, антидот от отравления этиленгликолем достаточно прост и распространен. В принципе этот антидот общий для лечения отравления большинством спиртов – этанол. Фермент, который отвечает за окисление этиленгликоля и его трансформацию в токсичные метаболиты – алкогольдегидрогеназа, тот же самый фермент, который отвечает за переработку этанола. К счастью, сродство алкогольдегидрогеназы к этанолу в 100 раз выше, чем к этиленгликолю, поэтому большая доза этанола (который обычно вводится внутривенно) может насытить фермент и «отвлечь» его от производства токсинов – продуктов окисления этиленгликоля. Правда, такое лечение тоже имеет свои побочные эффекты: похмелье, вызванное продуктом ферментативного окисления этанола – уксусным альдегидом, в данном случае будет неизбежно.
Для производства антифриза используется лишь малая доля от примерно 20 миллионов тонн этиленгликоля, производящегося ежегодно. Большая часть этого диола (двухатомного спирта, молекулы с двумя группами – ОН) используется для производства сложных полиэфиров, в особенности полиэтилентерефталата (ПЭТ) – прозрачного, блестящего и легко поддающегося обработке полимера, из которого изготавливают и пластиковые бутылки, и волокна для тканей.
3. Полимеры синтетические и натуральные
Очень часто наше время называют «веком полимеров», а некоторые материаловеды даже склонны считать, что мы живем во времена смены железного века веком полимеров – столь большое значение имеют синтетические и искусственные полимеры, ворвавшиеся в нашу жизнь во второй трети ХХ века, для современной техники и технологии.
Не стоит, правда, забывать, что природные полимеры – целлюлоза (основной компонент древесины) и кератин (белок, из которого состоит шерсть, рога и копыта) применялись нашими далёкими предками еще во времена каменного века, и поскольку заострить деревянную палку было делом более простым, чем придать нужную форму камню, полимерными орудиями труда, обороны и нападения наши предки начали пользоваться даже раньше, чем каменными. Природные полимеры и их аналоги и сейчас интересны ученым – и как химическое сырье, альтернативное нефти и продуктам нефтепереработки (та же целлюлоза или ее ближайший родственник – хитин), и как конструкционные материалы, изделия из которых не будут разлагаться в лесу три сотни лет, как полиэтиленовый пакет, а мирно утилизуются за сезон (биоразлагаемый пакет из полимолочной кислоты). Этот раздел посвящен полимерам – макромолекулам, без которых мы не можем представить нашу жизнь.
3.1. Кератин
Вряд ли производители косметики уделяют столь пристальное внимание какому-либо другому замечательному веществу, как кератину. Он интересен для них как вещество, образующее ткани, за которыми требуется постоянный уход и, соответственно для ухода за этими тканями выпускаются все новые и новые препараты.
Кератин представляет собой прочный структурный белок, придающий форму и жесткость коже, волосам и ногтям человека. К нашему счастью, у нас нет копыт, клювов, чешуи и рогов, иначе бы нам приходилось приобретать косметические средства для поддержания функций кератина и в этих органах.
Строго говоря, кератин не представляет собой индивидуальное химическое вещество – кератинами мы называем семейство фибриллярных белков, обладающих механической прочностью, которая среди материалов биологического происхождения уступает лишь структурному углеводу хитину. К фибриллярным относятся белки, имеющие вытянутую нитевидную структуру, в которой отношение поперечной оси к продольной больше 1:10. Другими представителями фибриллярных белков являются белок шелкового волокна фиброин или белок соединительной ткани коллаген. Обычно длинные нити фибриллярных белков организуются, формируя защиту и поддержку других молекул в живой ткани. Точно так же как отдельные волокна шерсти или целлюлозы свиваются в нити, мономеры кератинов, сплетаясь друг с другом, образуют нити, которые и образуют столь знакомые нам волосы и другие биологические структуры.
Термин «кератин» происходит от греческого слова «кера» – рог. Рождение этого названия датируется серединой XIX века. Первое упоминание о кератине появилось в литературе в научной работе 1849 года, в которой говорится, что белок «кератине» Саймона (именно так – «Simon’s keratine») входит в состав рогов, волос и копыт. К сожалению, это единственное упоминание о вероятном первооткрывателе кератина – Саймоне, и история не донесла до нас более подробную информацию о нем. Столь ранее описание кератина как белка, возможно, связано с тем, что кератин (как и большинство других фибриллярных белков) не похож на другие природные полимеры, с которыми работали химики XIX века: в отличие от большинства белков, открытых на заре становления биохимии, он не растворяется не только в воде, но и во множестве других растворителей, способных растворять белки. Не растворяется, однако к нашему счастью – представьте, что бы было, если бы он растворялся, – решили вы, скажем, помыть голову, а волосы смылись (хотя не исключаю, что некоторых т