Пены и химия

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Издавна известно, что пена представляет собой промежуточное состояние вещества между газом и жидкостью или между газом и твердой фазой. Морская пена, пена, клубящаяся над пивной кружкой, хлеб, пемза, резиновая губка — все это примеры пены. Человечество использует различные пены уже более трех тысяч лет, но лишь в 60-х годах ХХ века Плато выяснил истинную природу пены и условия, при которых она возникает и устойчиво существует.

Образование пены — чрезвычайно важный технологический процесс в производстве шоколада и в обогащении руд, в выпечке хлеба и в тушении пожаров, в приготовлении пива и в стирке белья. Никелевый катализатор, нанесенный на пемзу или на другую твердую пену, ускоряет превращение арахисового и хлопкового масел в маргарин. А в процессе приготовления фотографической бумаги приходится принимать меры к тому, чтобы желатин не пенился, не образовывал пузырьков на бумаге, иначе эмульсия бромистого серебра неравномерно распределится на поверхности. И даже при изготовлении хорошей халвы, (такую, можно приобрести, в том числе, на сайте http://www.mdngroup.com.ua/c000015953-halva-kozinaki/) используется специальный пенообразователь: корень алтея, солодковый или мыльный корень (колючелистник).

Пены в жидкости

Для образования жидкой пены необходимо три компонента: газ, жидкость и пенообразующее вещество. Однако в некоторых случаях можно обойтись и без пенообразующего вещества: это относится к достаточно вязким жидкостям, таким, как тяжелые масла, расплавленное стекло, некоторые пластмассы.

Жидкая пена состоит из массы пузырьков, отделенных друг от друга тонкой пленкой жидкости. Размер и форма этих пузырьков определяются множеством факторов, в том числе природой жидкости, методом приготовления пены и ее «возрастом». Размеры пузырьков могут быть самыми разными: от маленьких сфер с диаметром менее одной десятой миллиметра до неправильных многогранников со средним диаметром более 5 сантиметров. Различны и физические свойства пены различных жидкостей. Например, у пены взбитого белка удельный вес вдвое меньше, чем у пены моющего средства.

Стабилизация пены

Точное знание механизма стабилизации пены пенообразующим веществом очень существенно для разработки средств тушения пожаров и для пивоварения. Здесь образование пены просто необходимо. А при изготовлении варений и джемов, например, технологи заинтересованы в обратном. Они хотят избавиться от пены.

Вследствие особой структуры молекул пенообразующие вещества — мыла, белки, глюкозиды, некоторые жирные кислоты и эфиры — обладают одним общим свойством: они не распределяются равномерно по объему при растворении в воде, а концентрируются в поверхностном слое. Толщина этого слоя всего 1—2 молекулы. При образовании пены этот слой, в котором сосредоточено пенообразующее вещество, обволакивает каждый пузырек газа. Поскольку вязкость, упругость и механическая прочность этого вещества намного больше, чем у основной жидкости, оно действует как упругая оболочка. Поэтому скорость слияния пузырьков и их разрушение существенно замедляются. В общих чертах это было ясно и раньше, но детали механизма пенообразования стали известны лишь недавно.

Десять лет напряженных исследований ученых Англии и США помогли английским ученым Райдилу и Дэвису выдвинуть недавно новую теорию. По их мнению, существует несколько путей влияния пенообразующего вещества на стабильность пузырьков в пене. Во-первых, оно понижает силу поверхностного натяжения и увеличивает поверхностную вязкость жидкости. В результате снижается скорость, с которой пенообразующее вещество отсасывается от поверхностей раздела между пузырьками в область низкого давления, возникающую там, где граничат между собой три и более пузырьков, — ее называют областью Плато. Во-вторых, поскольку молекулы многих пенообразующих веществ несут электрический заряд и концентрируются на стенках пузырьков, возникают электростатические силы отталкивания. Эти силы стремятся отделить друг от друга стенки смежных пузырьков.

Оба эти эффекта в сумме приводят к тому, что стенки пузырьков получаются достаточно толстыми, не менее одной миллионной доли сантиметра. В-третьих, пенообразующее вещество, концентрирующееся в стенках пузырьков, препятствует утечке газа из пузырьков и повышает стойкость стенок по отношению к механическим и термическим воздействиям.

Проверка, проведенная с помощью очень точных измерительных приборов, подтвердила теоретические положения, выдвинутые Райдилом и Дэвисом.

Твердые пены

Твердые пены отличаются от жидких тем, что пограничные стенки, разделяющие пузырьки, у них во много раз стабильнее. Правда, в конце концов, и они разрушаются, особенно под действием тепла, ультрафиолетовых лучей, химических реагентов или механических усилий.

Для приготовления твердых пен вовсе не обязательно прибегать к пенообразующим веществам. Так, например, пеностекло можно получить, просто вдувая газ в массу стекла, нагретого до температуры, слегка превышающей точку размягчения. Поверхность стекла, соприкасающаяся с атмосферой, холоднее основной массы, поэтому вязкость поверхностного слоя настолько велика, что пузырьки газа не могут пробиться сквозь него и остаются в стекле. Для получения пенопластов часто прибегают к пенообразующим веществам, таким, как казеинаты, смолы. Распространенный метод получения пенопласта состоит в том, что пластмассу размалывают вместе с небольшим количеством, например, азоизобутиронитрила, а затем нагревают смесь до температуры около 130 С.

Пенообразующее соединение при этом разлагается с выделением азота, и пластмасса как бы «всходит»; в зависимости от вида пластмассы получается либо губка, либо твердая пена.

Другой путь получения твердых пен — нагрев вещества до расплавления с последующей выдержкой под высоким давлением. При этом все присутствующие газы растворяются в расплаве. Когда затем давление внезапно сбрасывается, газ выделяется из раствора в виде пузырьков. Если при этом материал охлаждать, то он затвердевает — образуется пена. Этот процесс происходит в природе, когда расплавленная лава извергается из области очень высокого давления внутри вулкана на холодную поверхность земли.

Пенопласты, легкие строительные материалы и даже пенометаллы начинают ныне теснить более традиционные материалы. Это обстоятельство повлекло за собой необходимость повышения точности измерения таких свойств пены, как стабильность, плотность, вязкость, эластичность и электропроводность.

Автор: Н. Пилпел.