Піни та хімія

Здавна відомо, що піна являє собою проміжний стан речовини між газом і рідиною або між газом і твердою фазою. Морська піна, піна над пивним кухлем, хліб, пемза, гумова губка — все це приклади піни. Людство використовує різні піни вже більше трьох тисяч років, але лише в 60-х роках ХХ століття Плато з’ясував справжню природу піни та умови, за яких вона виникає і стійко існує.

Утворення піни — надзвичайно важливий технологічний процес у виробництві шоколаду і в збагаченні руд, випічці хліба і в гасінні пожеж, у приготуванні пива та пранні білизни. Нікелевий каталізатор, нанесений на пемзу або на іншу тверду піну, прискорює перетворення арахісового і бавовняного масел в маргарин. А в процесі приготування фотографічного паперу доводиться приймати заходи до того, щоб желатин не пінився, не утворював бульбашок на папері, інакше емульсія бромистого срібла нерівномірно розподілиться на поверхні.

Піни в рідині

Для утворення рідкої піни необхідно три компоненти: газ, рідина і піноутворююча речовина. Однак у деяких випадках можна обійтися і без піноутворюючої речовини: це відноситься до досить в’язких рідин, таких, як важкі масла, розплавлене скло, деякі пластмаси.

Рідка піна складається з маси бульбашок, відокремлених одна від одної тонкою плівкою рідини. Розмір і форма цих бульбашок визначаються безліччю факторів, у тому числі природою рідини, методом приготування піни та її «віком». Розміри бульбашок можуть бути самими різними: від маленьких сфер з діаметром менше однієї десятої міліметра до неправильних багатогранників із середнім діаметром більше 5 сантиметрів. Різні і фізичні властивості піни різних рідин. Наприклад, у піні збитого білка питома вага вдвічі менше, ніж у піні миючого засобу.

Стабілізація піни

Точне знання механізму стабілізації піни піноутворюючою речовиною дуже істотно для розробки засобів гасіння пожеж та для пивоваріння. Тут утворення піни просто необхідне. А при виготовленні варення, джемів, наприклад, технологи зацікавлені у зворотному. Вони хочуть позбутися піни.

Внаслідок особливої структури молекул піноутворюючі речовини — мила, білки, глюкозиди, деякі жирні кислоти, ефіри — володіють однією загальною властивістю: вони не розподіляються рівномірно по об’єму при розчиненні у воді, а концентруються в поверхневому шарі. Товщина цього шару всього 1-2 молекули. При утворенні піни цей шар, в якому зосереджена піноутворююча речовина, обволікає кожну бульбашка газу. Оскільки в’язкість, пружність і механічна міцність цієї речовини набагато більше, ніж у основної рідини, вона діє як пружна оболонка. Тому швидкість злиття пухирців та їх руйнування істотно сповільнюються. У загальних рисах це було ясно і раніше, але деталі механізму піноутворення стали відомі лише нещодавно.

Десять років напружених досліджень вчених Англії і США допомогли англійським вченим Райділу і Девісу висунути нещодавно нову теорію. На їх думку, існує кілька шляхів впливу піноутворюючої речовини на стабільність бульбашок в піні. По-перше, вона знижує силу поверхневого натягу і збільшує поверхневу в’язкість рідини. В результаті знижується швидкість, з якою піноутворююча речовина відсмоктується від поверхонь розділу між бульбашками в область низького тиску, що виникає там, де межують між собою три і більше бульбашок, — її називають областю Плато. По-друге, оскільки молекули багатьох піноутворюючих речовин несуть електричний заряд і концентруються на стінках бульбашок, виникають електростатичні сили відштовхування. Ці сили прагнуть відокремити один від одного стінки суміжних бульбашок.

Обидва ці ефекти в сумі призводять до того, що стінки бульбашок утворюються досить товстими, не менше однієї мільйонної частки сантиметра. По-третє, піноутворююча речовина, що концентрується в стінках бульбашок, перешкоджає витоку газу з бульбашок і підвищує стійкість стінок по відношенню до механічних і термічних впливів.

Перевірка, проведена з допомогою дуже точних вимірювальних приладів, підтвердила теоретичні положення, висунуті Райдилом і Девісом.

Тверді піни

Тверді піни відрізняються від рідких тим, що прикордонні стінки, що розділяють бульбашки, у них у багато разів стабільніше. Правда, в кінці кінців, і вони руйнуються, особливо під дією тепла, ультрафіолетових променів, хімічних реагентів або механічних зусиль.

Для приготування твердих пін зовсім не обов’язково вдаватися до піноутворюючих речовин. Так, наприклад, піноскло можна отримати, просто вдихаючи газ в масу скла, нагрітого до температури, що злегка перевищує точку розм’якшення. Поверхня скла стикається з атмосферою, холодніше основної маси, тому в’язкість поверхневого шару настільки велика, що бульбашки газу не можуть пробитися крізь нього і залишаються в склі. Для отримання пінопластів часто вдаються до піноутворюючих речовин, таких, як казенати, смоли. Поширений метод одержання пінопласту полягає в тому, що пластмасу розмелюють разом з невеликою кількістю, наприклад, азоізобутиронитрила, а потім суміш нагрівають до температури близько 130 С.

Піноутворююче з’єднання при цьому розкладається з виділенням азоту, і пластмаса як би «сходить»; в залежності від виду пластмаси виходить або губка, або тверда піна.

Інший шлях отримання твердих пін — нагрівання речовини до розплавлення з подальшою витримкою під високим тиском. При цьому всі присутні гази розчиняються у розплаві. Коли потім тиск раптово скидається, газ виділяється з розчину у вигляді бульбашок. Якщо при цьому матеріал охолоджувати, то він твердне — утворюється піна. Цей процес відбувається в природі, коли розплавлена лава вивергає області дуже високого тиску всередині вулкана на холодну поверхню землі.

Пінопласти, легкі будівельні матеріали і навіть пінометали нині починають тіснити більш традиційні матеріали. Ця обставина спричинила за собою необхідність підвищення точності вимірювання таких властивостей піни, як стабільність, щільність, в’язкість, еластичність та електропровідність.

Автор: Н. Пилпел.