Химия на кухне, в ванной
Загляните под кухонную мойку. Скорее всего, там вы увидите огромное количество продуктов химической промышленности (включая всевозможные пластиковые банки и бутылки, используемые в качестве упаковочного материала).
Наведем блеск: универсальные чистящие средства
В состав многих универсальных чистящих средств входит два основных компонента — поверхностно-активное вещество и дезинфицирующее средство. Обычно в качестве такого средства используется аммиак, так как он может вступать в реакцию с жиром и не оставляет следов на обрабатываемой поверхности. Скипидар, или терпентинное масло, используется благодаря прекрасному запаху, способности растворять жир и антибактериальным свойствам.
Химия на кухне
Будьте осторожны, смешивая чистящие средства, используемые в доме, особенно отбеливатель и аммиак или соляную кислоту (HC1). При смешивании этих химикатов образуются ядовитые газы, которые могут быть довольно опасными.
Вымоем кастрюли: средства для мытья посуды
Средства для мытья посуды имеют более простой состав по сравнению со стиральными моющими средствами. Они содержат поверхностно-активное вещество (как правило, неионное), небольшое количество красителя плюс вещество, придающее коже рук мягкость и шелковистость.
Средство для мытья посуды имеет менее выраженные щелочные свойства, нежели стиральное моющее средство. Впрочем, средства, используемые в посудомоечных машинах, содержат лишь незначительное количество поверхностно-активных веществ и имеют достаточно высокие значения pH, необходимые для омыления жиров (как в процессе производства мыла). Эффективность подобных средств обусловлена тем, что в посудомоечных машинах
они используются при довольно высокой температуре и непрерывном взбалтывании воды. В состав средств для мытья посуды в посудомоечных машинах обычно входит метасиликат натрия (Na2SiO3), используемый благодаря его щелочным свойствам, триполифосфат натрия (Na5P3O10), выполняющий роль моющего средства, а также небольшое количество хлорного отбеливателя.
Довольно много химических веществ можно найти и в ванной комнате. Это средства для ухода за кожей и волосами, а также различные средства, благодаря которым вы становитесь лучше на вид, на запах и даже на вкус.
Моющее средство для рта: зубная паста
Пройдитесь по любому отделу, где продается зубная паста, и вы увидите, сколь разнообразны средства, используемые для гигиены полости рта: они учитывают разные возрастные группы, имеют разный цвет, аромат и т.д. И хотя эти пасты выглядят по-разному, в их состав входят одни и те же основные компоненты. Двумя главными из них являются поверхностно-активное вещество (моющее средство) и абразивный порошок. Последний предназначен для удаления налета на зубах без повреждения самих зубов. Самыми распространенными абразивными порошками являются мел (CaCO3), диоксид титана (TiO2) и гидрофосфат кальция (CaHPO4). Другие компоненты, входящие в состав зубной пасты, служат для придания ей » товарного» вида, т.е. определенного цвета, аромата и пр. Компоненты, входящие в состав обычной зубной пасты, приведены в табл. 17.1. Процентные значения и входящие в состав соединения у разных паст могут отличаться.
Таблица 17.1. Типичный состав зубной пасты
Назначение
Возможные компоненты
Количество, %
Растворитель и наполнитель
Вода
30-40
Прообразующее средство
Натрий лоурилсульфат, мыло
4
Абразивный порошок
Карбонат кальция, гидрофосфат кальция, диоксид титана, метафосфат натрия, соединения кремния, соединения алюминия
30-50
Подсластитель
Глицерин, сахарин, сорбит
15-20
Загуститель
Резиновая целлюлоза, каррагинан
1
Фторсодержащее вещество
Фторид олова (II) или натрия
1
Ароматизатор
Масло гаултерии, мяты, земляники, лайма и т.д.
1
Добавление фторида олова (II) или натрия — эффективное средство для профилактики кариеса, так как ион фтора входит в состав зубной эмали, делая ее более прочной и устойчивой к воздействию кислот.
Ну и ну! Дезодоранты и антиперспиранты
С помощью потоотделения организм человека регулирует свою температуру. Пот, кроме хлорида натрия и других неорганических компонентов, содержит амины, жирные кислоты с низкими значениями молекулярной массы, а также различные белки. Некоторые из этих органических соединений имеют неприятный запах. Под действием бактерий этот запах, конеч-
но, может стать еще хуже. Чтобы предотвратить возникновение неприятного запаха пота, используются дезодоранты и антиперспиранты.
В состав дезодорантов входят различные ароматические вещества, способные заглушать нежелательный запах, а также антибактериальное вещество, которое уничтожает бактерии, вызывающие этот запах. Также дезодоранты могут содержать такие вещества, как, например, перекись цинка, которые окисляют амины и жирные кислоты, превращая их в соединения с менее сильными запахами.
Антиперспиранты снижают или вообще предотвращают потоотделение. Они оказывают сжимающее действие на протоки потовых желез. Самыми распространенными антиперспи-рантами являются соединения алюминия: хлориды гидроксоалюминия (A12(OH)5C1, A12(OH)2C12 и т.п.), гидрированный хлорид алюминия (A1C136H2O) и др.
Химические вещества для ухода за кожей: кожа мягкая и эластичная
Пчелиный воск. Китовый воск. Бура. Возможно, вас удивят некоторые из тех веществ, которыми вы смазываете свою кожу.
Кремы и лосьоны
Кожа — это сложный орган, в основном состоящий из белка и макромолекул (т.е. полимеров, см. главу 16, «Полимеры: образование больших молекул из малых»). Здоровая кожа содержит примерно 10% влаги. Кремы и лосьоны предназначены для того, чтобы смягчать и увлажнять кожу.
Смягчающие средства — это смягчители кожи. Прекрасными смягчителями кожи является вазелин (смесь выделенных из сырой нефти алканов, молекулы которых имеют не менее 20 атомов углерода), ланолин (смесь сложных эфиров, выделенная из овечьего жира) и такая смесь сложных эфиров, как масло какао-бобов.
Кремы для кожи обычно представляют собой эмульсии двух типов. Эмульсия — это дисперсная система (коллоидный раствор), в которой одна жидкость находится в раздробленном состоянии в другой, не растворяющей ее жидкости (более подробно об этом речь идет в главе 11, «Размешивание вещества: растворы»). Кремы предназначены для того, чтобы одновременно смягчать и увлажнять кожу. Те из них, которые называются кольдкремами (co1d creams означает «холодные кремы»), используются для снятия макияжа и как увлажнители, а кремы под пудру (vanishing cream, т.е. «исчезающий крем»), заполняя морщины, улучшают внешний вид кожи. Ниже приведен обычный состав кольдкрема и крема под пудру.
Состав кольдкрема Состав крема под пудру
20-50% воды 70% воды
30-60% минерального масла 10% глицерина
12-15% пчелиного воска 20% стеариновой кислоты/стеарата натрия
5-15% ланолина или китового воска 1% буры
незначительное количество душистых веществ
Пудра для тела и лица
Такая пудра используется для того, чтобы высушивать и сглаживать кожу. Основным компонентом обоих типов пудры является тальк (Mg3(Si2O5)2(OH)2) — вещество, которое поглощает как жир, так и воду. В пудру добавляются вяжущие средства, уменьшающие выделение пота, а также связывающие вещества, закрепляющие пудру на коже. В пудрах для лица часто содержатся красящие вещества, чтобы придать коже тот или иной тон. Обычный состав пудры для тела и для лица приведен в табл. 17.2 и 17.3 соответственно.
I
Таблица 17.2. Состав пудры для тела
Компонент
Назначение
Количество, %
Тальк
Поглотитель, наполнитель
50-60
Мел (CaCO3)
Поглотитель
10-15
Оксид цинка (ZnO)
Вяжущее средство
15-25
Стеарат цинка
Связывающее вещество
5-10
Душистое и красящее вещества
Запах, цвет
Незначительное количество
Таблица 17.3. Состав пудры для лица
Компонент
Назначение
Количество, %
Тальк
Поглотитель, наполнитель
60-70
Оксид цинка
Вяжущее средство
10-15
Каолин (Al2SiO5)
Поглотитель
10-15
Стеараты магния и цинка
Текстура
5-15
Цетиловый спирт
Связывающее вещество
1
Минеральное масло
Смягчающее средство
2
Ланолин, душистое вещество, красящие вещества
Смягчение, запах, цвет
2
Декоративная косметика для глаз
Тени для глаз, а также тушь для ресниц и бровей состоят в основном из смягчающих средств, ланолина, пчелиного воска и красящих веществ. Тушь для ресниц используется для увеличения длины и объема ресниц. Ниже представлен обычный состав теней для глаз, а также туши для ресниц и бровей.
Тени для глаз Тушь для ресниц и бровей
55-60% вазелина 45-50% мыла
5-15% жира и воска 35-40% воска и парафина
5-10% ланолина 5-10% ланолина
15-25% оксида цинка 1-5% красящих веществ 1-5% красящих веществ
Губы для поцелуя: губная помада
Губная помада сохраняет губы мягкими и, придавая им нужный цвет, предохраняет от чрезмерного высыхания. В основном она состоит из воска и жира. Эти компоненты должны быть подобраны таким образом, чтобы губная помада легко наносилась, хорошо держалась и при необходимости без труда удалялась с губ. Разнообразие цветов и оттенков губной помады достигается за счет добавления к органическим красителям ионов металла. Эта композиция называется пигментом. Обычный состав губной помады приведен в табл. 17.4.
Таблица 17.4. Состав губной помады
Компонент
Назначение
Количество, %
Касторовое масло, минеральное масло, жиры Ланолин
Карнаубский или пчелиный воск
Растворитель для красителя Смягчающее средство Загуститель
40-50 20-30 15-25
Окончание табл. 17.4
Компонент
Назначение
Количество, %
Краситель
Цвет
5-10
Душистое вещество и вещество для при-
Запах и вкус
Незначительное количество
дания вкуса
Прекрасный маникюр: лак для ногтей
Лак для ногтей — это синтетический лак, который обязан своей гибкостью полимеру и пластификатору (жидкости, смешиваемой с пластмассами для их смягчения). Этим полимером обычно является нитроцеллюлоза. А растворителями, используемыми в лаке для ногтей, являются ацетон и этилацетат (этиловый эфир уксусной кислоты); эти же вещества входят в состав средств для снятия лака.
Отлично пахнет! Духи, одеколоны и лосьоны после бритья
Основное различие между духами, одеколоном и лосьоном после бритья состоит в количестве используемого ароматизатора (fragrance). В духах количество ароматизатора обычно составляет 10-25%, в одеколонах — 1-3%, а в лосьонах после бритья — менее 1%. В качестве ароматизаторов обычно используются сложные органические эфиры, спирты, кетоны и альдегиды. Кроме того, в духах содержатся фиксативы — соединения, которые замедляют процесс испарения ароматизаторов.
Интересно, что некоторые фиксативы имеют достаточно неприятные запахи или довольно необычный способ получения: циветин выделяют из желез циветты — хищного животного, похожего на скунса; серая амба — это вещество, вырабатываемое в пищевом тракте кашалота, а индол выделяется из экскрементов. Это, я думаю, в комментариях не нуждается.
Духи представляют собой смеси нот, т.е. ароматизаторов с идентичными ароматами, но разной летучестью (способностью вещества превращаться в газ). Самый легколетучий ароматизатор называется начальной нотой. Это тот запах, который вы чувствуете в самом начале. Средняя нота — это самый заметный запах, в то время как ароматизаторы конечной ноты отвечают за самый стойкий запах духов. На рис. 17.5 показана химическая структура нескольких ароматизаторов, обычно используемых в духах.
Не правда ли пикантно — иметь возможность видеть запах?
Лосьон для загара и солнцезащитное средство: бронзовая кожа — это красиво
Загар — это естественный способ защиты нашего организма от вредных ультрафиолетовых солнечных лучей. Ультрафиолетовый спектр состоит из двух областей: A и B. Области A соответствуют максимальные длины волн; волны этой области спектра обычно приводят к загару, а не к ожогу. А за быстро возникающие солнечные ожоги, с которыми многие из нас знакомы, отвечает область B. Наблюдаемое в последнее время увеличение количества случаев заболеваний раком кожи, таких, например, как меланома, связано прежде всего с тем, что многие получают » передозировку» ультрафиолетовых лучей обеих разновидностей, особенно из области B.
Лосьоны и солнцезащитные средства защищают кожу, частично или полностью перекрывая солнечную радиацию в ультрафиолетовом диапазоне, и позволяют находиться на солнце продолжительное время и не обгореть. Одни лосьоны и солнцезащитные средства являются своеобразным барьером для лучей из области A ультрафиолетового спектра, а также из области B. Другие же перекрывают лучи только из области B, пропуская при этом лучи из области A. В последнем случае в коже вырабатывается меланин — темный пигмент, действующий как естественный щит против солнечных ультрафиолетовых лучей; благодаря ему кожа приобретает такой желанный бронзовый оттенок.
CHa CHa O
I I II
CHaC= CHCH2CH2C = CHC-H
Цитрал (лимон)
O
II
CH2 CH
CH2CH=CHCH2CHa
CHa
Жасмон (жасмин)
Фенилацетальдегид (гиацинт, сирень)
CHa OH
CHa CHa
/\^CH = CH-C = O
I
CHa^
CH2 CH2OH
CH2
CH
C
CHa CHa
Линалоль (лаванда)
CHa
CHa
Ирон (фиалка)
2-фенилэтанол (роза)
HC
II
HC
CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
CO
CH2 CH2 CH2 CH2 2 CH2 2 CH2 2 CH2
Циветин (мускус)
Рис. 17.5. Ароматизаторы, входящие в состав духов
Существует шкала коэффициентов защиты от солнца (КЗ). Значение КЗ представляет собой отношение промежутка времени, в течение которого можно загореть (или получить ожог) с использованием солнцезащитного средства, к аналогичному промежутку времени без использования защитного средства. Например, коэффициент защиты, равный 10, означает, что, используя данное средство, вы можете находиться на солнце в 10 раз дольше, чем без использования солнцезащитного средства, и при этом не обгореть.
До сих пор ведутся дискуссии о том, насколько эффективнее будут средства защиты от ультрафиолетовых лучей с КЗ, большим 15 (т.е. будут ли они полностью блокировать ультрафиолетовые лучи), поскольку средства с КЗ, равным 15, лишь частично защищают от ультрафиолетовых лучей из области A. В настоящее время средства для загара контролируются такой организацией, как FDA1.
Однако все же существуют химические вещества, которые полностью перекрывают поглощение ультрафиолетовых лучей. Наиболее эффективным солнцезащитным средством является светонепроницаемый крем, в состав которого входит оксид цинка и диоксид титана. Кроме того, защитными свойствами от ультрафиолетового излучения обладают такие вещества, как парааминобензойная кислота (ПАБК), бензофенон и циннаматы. Впрочем, с недав-
них пор стали отказываться от использования ПАБК. Дело в том, что это вещество является в некоторой степени токсичным и к тому же вызывает у многих аллергическую реакцию.
На рис. 17.6 приведены структуры некоторых соединений, используемых в средствах для загара и защиты от солнца. Показанный на рисунке дигидроксиацетон позволяет «загореть» без помощи солнечных лучей. Попадая на кожу, он образует коричневый пигмент.
Рис. 17.6. Средства для загара и защиты от солнца
Помыть, покрасить и завить: средства для ухода за волосами
Волосы состоят из белка, который называется кератином. Белковые цепи в волосе соединены друг с другом при помощи так называемой дисульфидной связи, т.е. связи «сера-сера», имеющейся между цистином (аминокислотным компонентом волоса) одной белковой цепи и цистином другой такой цепи.
На рис. 17.7 приведена часть волоса, на которой показаны две дисульфидные поперечные связи, соединяющие две белковые цепи. Эти поперечные связи придают волосу прочность. (Подробнее об этом вы узнаете далее в главе.)
Шампуни: моющие средства для волос
Современные шампуни представляют собой комплекс поверхностно-активных веществ, например натрия лоурилсульфат и натрия додецилсульфат. Впрочем, в состав шампуня входят и другие компоненты, которые вступают в реакцию с ионами металлов из жесткой воды. Эти реакции нужны для того, чтобы в ваших волосах не образовались нерастворимые осадки: твердые вещества, отложения, » кайма» в ванной.
Другие компоненты дают чудесный запах, заменяют в волосах некоторые естественные смазки (это так называемые ополаскиватели (conditioners)), а также служат для поддержания определенного значения pH. (Волосы и шампунь имеют кислую среду. Если шампуни будут иметь слишком щелочную среду, то они могут повредить волосы. Поэтому pH шампуней обычно находится в диапазоне от 5 до 8. Более высокое значение pH также приводит к тому, что кутикулы волос разветвляются и плохо отражают свет, в результате чего волосы выглядят тускло и неестественно.) Иногда в шампунь добавляется протеин, чтобы склеивать поврежденные концы волос, а также всевозможные красители.
NH
NH
C = O
CO
CHCH2S — SCH2CH
NH
NH
C = O
CO
CHCH2S — SCH2CH
NH
NH
C = O
CO
RCH
RCH
- Дисульфидная поперечная связь
Рис. 17.7. Дисульфидная связь в волосе
Измените цвет волос!
В волосах содержится два пигмента — меланин и феомеланин. Цвет меланина — темно-коричневый, а феомеланина — красновато-коричневый. Естественный цвет волос определяется относительными количествами этих пигментов. В рыжих волосах меланина очень мало, а в черных — очень много. В волосах блондинов того и другого пигмента содержится крайне мало.
Волосы можно обесцвечивать с помощью перекиси водорода, при этом цветные пигменты превращаются в бесцветные оксиды. Структура осветленных волос изменяется, волосы становятся более хрупкими и ломкими, так как белок волос распадается на соединения с меньшими значениями молекулярной массы. Иногда для обесцвечивания волос используются соединения пербората, которые обычно дороже перекиси водорода, а также осветлители на основе хлора.
Вы можете лишь на некоторое время изменить цвет волос с помощью краски (чаще всего это оттеночная пена или оттеночный шампунь), которая не изменяет структуру волос, а просто покрывает их своеобразной пленкой. Эти соединения состоят из сложных органических молекул. Они слишком большие, чтобы проникнуть внутрь волос, поэтому просто накапливаются на их поверхности. Если же необходимо сохранить цвет окрашенных волос более продолжительное время, то используют нестойкую крем-краску, которая состоит из несколько меньших молекул, способных проникать внутрь волос. Эти молекулы часто содержат комплексы хрома или кобальта. Конечно, волосы, окрашенные такими красками, могут выдерживать регулярное мытье, но поскольку молекулы этих красок проникли внутрь волос именно из-за своего небольшого размера, по той же причине они со временем вымываются водой.
Что касается стойких красок, то они фактически образуются внутри волос. В начале окрашивания небольшие молекулы проникают внутрь волос, а затем эти молекулы, обычно с помощью перекиси водорода, окисляются до цветных комплексов большого размера, благодаря которому красящие вещества не вымываются и остаются внутри волос. Полученный цвет становится постоянным для той части волос, которая подвергалась окрашиванию. Чтобы по мере роста новых волос сохранялся полученный цвет, процедуру окрашивания необходимо повторять. Вот почему у парикмахеров всегда есть работа.
I
Еще один способ окрашивания волос состоит в постепенном, в течение нескольких недель, изменении их цвета, поэтому такое изменение проходит довольно незаметно. Волосы обрабатываются раствором ацетата свинца. Ионы свинца вступают в реакцию с атомами серы, входящими в состав белка волос, в результате чего образуется сульфид свинца (II) (PbS), который имеет черный цвет и очень плохо растворяется. Таким образом, волосы, обработанные указанным способом, на солнце будут темнеть, а не выцветать, как после использования других красок.
Ликвидируем их все! Депиляторы
Депиляторы предназначены для удаления нежелательных волос с помощью химической реакции. В этих средствах содержится вещество (обычно сульфид натрия, сульфид кальция или тиогликоль кальция), которое разрушает дисульфидные соединения, имеющиеся в волосах, а затем «растворяет» сами волосы. В состав депиляторов обычно входит основание, например гидроксид кальция, для увеличения значения pH и усиления действия самого депиля-тора. Кроме того, в состав депиляторов, как правило, входят дезинфицирующее (очищающее) средство и кондиционер для кожи, например минеральное масло.
Перманент — хотя и не постоянный
Дисульфидные связи отвечают за форму волос: за то, будут они прямыми или волнистыми. Чтобы повлиять на форму волос, эти связи разрывают и снова образуют, но с другой » ориентацией». Например, если вы хотите, чтобы ваши прямые волосы стали волнистыми, то идете в салон красоты, где вам делают химическую завивку (перманент). Вначале парикмахер обрабатывает ваши волосы восстановителем, в результате чего разрываются дисульфидные связи. Обычно в качестве такого вещества используют кислоту HS-CH2-COOH. Далее с помощью бигуди он изменяет ориентацию белковых цепей волос. Затем обрабатывает волосы окислителем, например перекисью водорода, чтобы снова образовать дисульфидные связи. В качестве загустителя раствора перекиси водорода используют полимеры, растворимые в воде, а чтобы получить высокое значение pH раствора (для повышения основности), применяется аммиак. Перечень используемых компонентов завершает ополаскиватель. Процесс химической завивки волос показан на рис. 17.8.
Восстановление
с помощью кислоты
I I I I HS-CH2-COOH 1 1 1 1
S S S S (»завивка») SH SH SH SH 1 1 1 1 -*»
S S S S SH SH SH SH
1 1 1 1 1 1 1 1
Первоначальные Поперечные дисульфидные
волосы связи разорваны
Окисление
~1—–^ с помощью —\ | ~7~»^т^
с. S S
\ \ 1
с, S S
\ \ 1
S s H2O2 Хс^ SH SH SH Sfy «—1 (»закрепление»)
Образованы новые Для изменения белковых
дисульфидные связи цепей используются бигуди
Рис. 17.8. Процесс химической завивки
Распрямление волос осуществляется точно так же, за исключением того, что их распрямляют, а не накручивают на бигуди. Очевидно, что по мере роста волос процедуру следует повторять.
Как следует из самого слова перманент, визиты в салон красоты становятся перманентной (т.е. постоянной) частью нашей жизни.