В этом отношении имеется определённое сходство между поведением высокоэластичной резины и идеального газа. При быстром сжатии газа вся затраченная работа пойдёт на увеличение его внутренней энергии, т. е. температуры. Когда сжатый газ остынет, внутренняя энергия вернётся к прежнему уровню. Если же позволить сжатому газу расширяться, он совершит работу, а его температура на некоторое время понизится.

    На  эффекте Гуха — Джоуля основан интересный опыт. У колеса наподобие велосипедного вместо металлических спиц натягивают резиновые жгуты и подвешивают колесо в вертикальном положении так, чтобы оно могло вращаться с малым трением. При одинаковом натяжении жгутов втулка расположится точно в центре колеса. Если теперь обдувать горячим воздухом какой-то участок колеса, резиновые жгуты в этом месте сократятся и подтянут к себе втулку. Центр тяжести колеса сместится, и оно повернётся: нагретая часть пойдёт вверх, и действию струи горячего воздуха подвергнутся следующие жгуты. В результате колесо будет непрерывно вращаться.

«Дурацкая замазка»

    На  Международной химической выставке в Москве (1965 г.) в павильоне американской фирмы «Дженерал Электрик» демонстрировалось необычное вещество. С виду оно напоминало оконную замазку или жёсткий пластилин:

    его можно было мять в руках (правда, довольно медленно), лепить из него разные фигурки. В общем, на первый взгляд вроде  бы ничего особенного. Однако если из этой замазки слепить шар и бросить его на каменный пол, то он не прилипнет к нему, как пластилиновый, а высоко подскочит! Если шарик смять, медленно растянуть в длинную ленту, а потом резко дёрнуть за концы, она с треском порвётся. Если же по шарику стукнуть молотком, он, как стеклянный, разобьётся на мелкие осколки, которые снова легко слепить в комок.

    Когда американские химики впервые синтезировали это вещество, они рассчитывали получить новый полимер с ценными свойствами, а вышло невесть что — какая-то дурацкая замазка. Так её и назвали, решив, что единственное достойное для неё место — магазин детских игрушек.

    Как же вещество может одновременно проявлять столь различные свойства? Казалось бы, текучесть и упругость полностью исключают друг друга,

так что  всегда можно сказать, является ли данное тело твёрдым веществом или жидкостью. Оказывается, не всегда. Конкретный тому пример — «дурацкая замазка» (другое название — «прыгающая замазка»). И он далеко не единственный. Впервые предположение о том, что могут существовать тела, которые являются текучими и упругими одновременно, и что чёткой границы между жидкостью и твёрдым телом не бывает, высказал в XIX в. английский физик Джеймс Кларк Максвелл (1831—1879). Тогда это вызвало огромное удивление.

    На  самом деле ничего странного здесь  нет. Ведь и обычная вода, если по ней ударить с большой скоростью, не успеет отреагировать на воздействие  и будет сопротивляться ему, как  твёрдое тело (в этом может убедиться каждый, если неудачно плюхнется с берега в воду животом или же просто стукнет ладонью по поверхности воды). Это свойство жидкости можно проверить и более безопасным способом: если по вытекающей из трубки струе вязкой жидкости сильно ударить молотком, струя поведёт себя как хрупкое тело и разобьётся на осколки с острыми краями (это можно зафиксировать с помощью скоростной кинокамеры или фотоаппарата с малым временем выдержки).

    С другой стороны, твёрдая смола или  битум под нагрузкой медленно текут, как очень вязкая жидкость. Значит, всё дело в соотношении между временем воздействия на вещество и временем, которое требуется молекулам, чтобы отреагировать на внешнее воздействие. Среднее время, необходимое молекуле жидкости для перемещения под внешней нагрузкой, называется временем релаксации. Когда время воздействия значительно меньше времени релаксации и частицы не успевают должным образом перестроиться, «поддаваясь» внешней силе, происходит разрыв химических связей между молекулами (или даже внутри них). Время релаксации может изменяться в очень широких пределах — от тысячных долей секунды до многих веков и даже тысячелетий.

    Особый  интерес представляет случай, когда время релаксации не слишком мало (как у воды) и не слишком велико (как у твёрдой смолы), т. е. измеряется секундами или десятыми долями секунды. Именно это наблюдается у «дурацкой замазки». Кроме того, будучи полимерным веществом, она обладает ещё и эластичными свойствами. Они проявляются особенно заметно, когда длительность воздействия примерно равна времени релаксации. Последнее сильно зависит от температуры (в этом нетрудно удостовериться, понаблюдав за асфальтом на дороге зимой и жарким летом). Только при комнатной температуре «дурацкая замазка» проявляет все три свойства: при медленном воздействии она ведёт себя как очень вязкая жидкость, при более быстром — как резина, а при очень резком — как хрупкое твёрдое тело.

    С химической точки зрения необычное вещество представляет собой кремнийорганический полимер, содержащий от 0,5 до 7,5 % бора, и называется полидиметилборасилоксаном. Подобно силиконовым каучукам, полимер построен из диметилсилоксановых цепочек (—(СН_з)₂Si—О—)_n. Кроме них в полимере имеются борсодержащие группы —О—В—О—, которые связывают между собой силоксановые цепи. Молекулярная масса полимера может изменяться от нескольких сотен до десятков тысяч, а консистенция — от почти жидкой до почти твёрдой. Если цепи не очень длинные, полимер уже при комнатной температуре медленно растекается по твёрдой поверхности. С увеличением длины цепей вещество постепенно твердеет, улучшается и его «прыгучесть»: некоторые сорта «прыгающей замазки» подскакивают после свободного падения на твёрдую поверхность почти до исходной высоты. Это свойство позволяет, например, изготовлять из «дурацкой замазки» мячи для игры в гольф.

    Заметная  упругость многих полимерных жидкостей проявляется еще в

одном необычном опыте. Если наклонить стакан с такой вязкой жидкостью, она начнёт медленно переливаться через край, постепенно заполняя подставленный снизу сосуд. Если теперь, сохраняя непрерывность струи, вернуть стакан в исходное положение, жидкость будет продолжать перетекать в нижний сосуд, пока её в стакане практически не останется! Очевидно, что с водой такой фокус не пройдёт: её струя немедленно прервётся.

    Для того чтобы провести подобные опыты  в домашних условиях, не обязательно синтезировать кремнийорганический полимер. «Интересное» время релаксации имеют сгущённое молоко, некоторые сорта мёда и шампуней, резиновый клей средней густоты. Его можно переливать из стакана в стакан, как обычную жидкость. И в то же время струю этой жидкости можно в буквальном смысле слова разрезать ножницами (только их надо предварительно смазать жиром, иначе клей к ним прилипнет). После разрезания нижняя часть струи быстро упадёт в сосуд, в который клей переливают, а верхняя, проявляя упругие свойства, подскочит и вернётся в стакан, из которого она только что вылилась.

    Любопытный  опыт можно провести с шампунем подходящей густоты. Если выливать его тонкой струйкой в маленькое блюдечко, то струя через некоторое время начнёт укладываться поверх горки шампуня петлями, как будто это не жидкость, а верёвка. И хотя «верёвка» постепенно расплывается, легко заметить, как её петли время от времени забавно прыгают во все стороны (а иногда даже вверх). Значит, и у шампуня есть свойства резины!

    Опыт  же с «прыгающей замазкой» можно  проделать с помощью обычного силикатного клея (это водный раствор  силиката натрия) и этилового спирта. В небольшую чашечку наливают примерно 10 мл клея и медленно, непрерывно помешивая, добавляют равный объём спирта. Вскоре жидкость застывает в студнеобразную массу; из неё надо слепить шарик и промыть его водой (руки и особенно посуду потом нужно тщательно очистить от клея).

    Полученная  эластичная разновидность силикагеля (он имеет состав Sio₂ • _nН₂О) обладает всеми свойствами «прыгающей замазки». При медленном приложении силы вещество ведёт себя как очень вязкая жидкость, похожая на холодный пластилин: шарик можно разминать руками, а если его положить на твёрдую поверхность, он постепенно растечётся. От твёрдой поверхности он отскакивает не хуже резинового, а при сильном ударе рассыпается. К сожалению, со временем шарик высыхает, становится хрупким и теряет эти свойства.

Фенолформальдегидные  смолы

    В обычной жизни смолой называют густую тягучую жидкость, выступающую из надреза в коре сосны, ели и некоторых других деревьев. Раньше,

    когда не было синтетических смол, люди использовали только природные. Многие из них, например канифоль (от названия древнегреческого города Колофона в Малой Азии), копал (ископаемая смола), янтарь, натуральный каучук, имеют растительное происхождение, однако есть и такие смолы, которые производятся животными — в частности, шеллак.

    Раньше  природный шеллак был практически незаменимым материалом: из него делали граммофонные пластинки и другие предметы быта, а его спиртовой раствор использовали в качестве лака для дерева. Шеллак стоил очень дорого: европейцам приходилось завозить его из далёких

    южных стран — Индии и Индокитая. Процесс получения шеллака из природного сырья был очень долгим и трудоёмким. Все эти причины заставили химиков в конце XIX в. заняться поисками материала, который смог бы заменить шеллак. И такой материал удалось найти. Им стала фенолформальдегидная смола — синтетическая смола, получаемая нагреванием смеси фенола с формальдегидом.

    Реакция образования фенолформальдегидной смолы впервые была описана немецким учёным Адольфом Байером в 1872 г. В результате этой реакции молекулы формальдегида связывают между собой молекулы фенола, при этом выделяется молекула воды.

    Формальдегид  способен взаимодействовать с молекулами фенола по орто-и пара-положениям с образованием сетчатого полимера.

    Главным недостатком первой синтетической смолы была хрупкость. Кроме того, её синтез проводили при довольно высокой температуре (140—180 °С), и образующаяся вода выделялась в виде пара. Это приводило к возникновению вздутий и пустот.

Может ли стекло быть органическим

    С древнейших времён человеку было известно стекло — твёрдый прозрачный термостойкий материал. К сожалению, оно очень хрупкое — все хорошо знают, как легко бьётся стеклянная посуда. И только в XX в. развитие химии полимеров позволило получить пластмассу, по свойствам похожую на неорганическое стекло, — полиметилметакрилат (ПММА). Это высокомолекулярное соединение образуется в результате радикальной полимеризации мономера — метилового эфира метакриловой кислоты.

    В макромолекулах ПММА к атому углерода присоединено два заместителя — полярная сложноэфирная и метильная группы. Силы притяжения между молекулами полимера чрезвычайно велики, и потому ПММА — один из самых жёстких пластиков: его можно пилить и обрабатывать на токарном станке.

    Этот  бесцветный прозрачный полимер при  температуре более 110 °С размягчается и переходит в вязко-текучее состояние. Поэтому ПММА легко перерабатывается в различные изделия формованием и литьём под давлением. Полиметилметакрилат — один из наиболее термостойких полимеров: он начинает разлагаться только при температуре свыше 300 °С.

    Лёгкие  прозрачные листы, изготовленные из ПММА, а также ряда других полимеров (полистирола, поликарбоната и т. п.) химики-технологи назвали органическим стеклом (сокращённо — оргстекло или плексиглас). Главное достоинство этого материала — его высокая прочность. Она превосходит прочность обычного (силикатного) стекла в десятки раз: предметам из органического стекла не страшны удары. В отличие от обычного стекла, оргстекло хорошо пропускает ультрафиолетовые лучи, необходимые растениям, и именно его предпочтительнее использовать для остекления теплиц. Однако такое стекло уступает обычному в твёрдости (острые предметы оставляют на нём царапины) и химической стойкости.

    Благодаря уникальным свойствам оргстекло  прочно обосновалось в промышленности и в быту, потеснив в некоторых областях силикатное стекло. Оно широко применяется в военной технике, авиации, различных измерительных приборах, часовых механизмах. Этот материал оказался удобным и для изготовления светильников, реклам, дорожных знаков и безосколочного стекла «триплекс». А поскольку оргстекло практически безвредно для человеческого организма, оно нашло применение в качестве материала для зубных протезов и контактных линз. Так вот и сбылась многовековая мечта ремесленников-стекольшиков и химиков-технологов:

    получено  лёгкое, прочное, небьющееся стекло — стекло из органических соединений. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы

1. Энциклопедия  для детей. Том 17. Химия/Глав. ред. В. А. Володин. – М.: Аванта+, 2001. – 640 с.: ил.
2. И.Г. Хомченко ‘Общая химия’, М. ‘Химия’ 1987
3. Г.П. Хомченко ‘Химия для поступающих в Вузы’, М.’Высшая школа’ 1994