"Мойте руки перед едой!"-велит известная каждому формула, и мы
послушно следуем этому совету. Но можем ли мы ответить на простой
вопрос: "Почему мыло моет?" Давайте же постараемся разобраться в
сложном процессе мытья рук.
Однако, прежде чем отмывать руки, для начала придется их запачкать и
посмотреть, что при этом происходит.
Что нужно сделать, чтобы хорошо запачкать руки? Если вы думаете, что
для этого достаточно помять в ладонях кусок глины или вытереть
руками пыль со шкафа, то вы ошибаетесь. Подставьте выпачканные таким
образом руки под струю воды - даже если вода совсем холодная - и
через минуту-другую ваши руки станут совершенно чистыми, как будто
вы их никогда и не пачкали. Почему это так, будет объяснено немного
ниже, а сейчас давайте выберем "грязь" понадежнее.
Мы не будем обсуждать здесь достоинства и недостатки всех видов
грязи, а возьмем сразу же проверенное средство. Это - сажа,
растертая в масле. Вообще-то годится любое минеральное масло, в том
числе и машинное, но лучше всего взять вазелиновое масло, которое
продается в аптеках. Итак, если вы решили заняться исследованием, о
котором идет речь, собирайте сажу, доливайте к ней масло и как
следует растирайте. У вас получится густая кашица, именуемая
суспензией (взвесь твердых частиц в жидкости). Вот ею то и рискните
испачкать руки.
Поскольку исследователь ничего не должен принимать на вору (по
крайней мере, ничего недоказанного), будем все рассуждения проверять
опытом. Поэтому опускайте руки в таз с самой обыкновенной водой и
начинайте их тереть. Вскоре вы убедитесь, что так руки не отмыть.
Попробуйте второй способ - с помощью сильной струи воды. Убедившись,
что и это не помогло, налейте в таз горячей воды и снова трите руки.
Результат будет таким же. Наконец, можно испытать сочетание двух
способов - механического действия струи и высокой температуры.
Подставьте испачканные руки под сильную струю горячей воды. Руки
будут ничуть не чище, чем до мытья.
Значит, ни горячая, ни холодная вода, ни сама но себе, ни в
сочетании с механическим воздействием не удаляет с нашей кожи
частицы сажи, смешанной с маслом.
Проделаем еще один привычный опыт - вымоем руки водой с мылом. Через
несколько минут ваши руки будут выглядеть так, словно вы никогда в
жизни и пальцем не прикасались ни к какой саже.
Почему сажа пачкает так хорошо? Вообще-то глина тоже неплохо
пачкает, но легко отмывается; значит, тут есть какое-то серьезное
различие. Оно заключается в том, что частицы глины гидрофильны, т.
е. хорошо смачиваются водой - они и молекулы воды сильно
притягиваются друг к другу, причем сильнее, чем частицы глины
притягиваются к поверхности кожи, всегда слегка смазанной жировыми
выделениями. Именно поэтому частицы глины так легко отрываются от
поверхности рук. А когда мы трем руки под струей воды, мы облегчаем
доступ воды к этим частицам, и они без труда смываются.
Частицы углерода, из которых почти нацело и состоит сажа -
гидрофобны, т. е. они не смачиваются водой, потому что молекулы воды
притягиваются к ним очень слабо. Но зато они хорошо смачиваются
маслом. Говорят, что они олеофильны (oleum - по латыни масло).
Именно поэтому они так хорошо прилипают к коже рук. В этом нетрудно
убедиться, испачкав руки сухой сажей и снова попробовав отмыть их
водой. С рук удалится только избыток сажи, а тот ее слой, что прилип
к коже, вода с собой не унесет.
Почему сажа, размешанная в масле, пачкает еще лучше? Потому что
тончайшая пленочка из молекул минерального масла легко обволакивает
частицы сажи (так же, как частички глины, сразу попадают в окружение
молекул воды). Образуется устойчивая суспензия: мельчайшие сажевые
частицы не могут собраться в комки, так как масло не подпускает их
вплотную друг к другу. Маслянистые частицы еще с большей силой
прилипают к коже. Можно проделать еще один опыт - перемазать руки
любым минеральным маслом без всякой сажи и в который раз убедиться,
что масло прекрасно прилипает к рукам и без мыла не отмывается.
Честно говоря, все опыты можно было бы проделать с одним маслом, но
вся беда в том, что оно на руках не так заметно. Сажа нам была нужна
для того, чтобы опыты были эффектнее.
Силы, которые заставляют молекулы удерживаться на поверхности, не
являются химическими - валентными силами; это силы сорбции, которые
играют решающую роль в адсорбции (так называется сорбция на твердой
поверхности). Чем мельче частицы, тем большей становится роль
адсорбционных сил по сравнению с силой тяжести, под действием
которой частица может попросту "упасть" с поверхности.
Теперь мы подходим к самой сути проблемы мытья рук и должны попутно
остановиться еще на одном важном процессе, относительно которого
существуют заблуждения даже у химиков.
Почему мыло моет? Долгое время химики считали, что мыло при
взаимодействии с водой гидролизуется (распадается), образуя
свободную щелочь, которая разрушает и отмывает загрязнения. В том,
что это мнение ошибочно, убедиться чрезвычайно просто.
Мыло - это соль сильного
основания (например, едкого натра) и слабой жирной кислоты
(например, олеиновой). Возьмем другую аналогичную соль, например,
обычную соду для стирки белья (натриевую соль слабой угольной
кислоты), также гидролизующуюся в воде. Если мыло просто увеличивает
щелочность воды, значит, раствором соды можно отмыть руки лучше
всякого мыла. Однако если попробовать мыть руки, вымазанные все той
же смесью сажи с маслом, в содовом растворе, то не трудно убедиться,
что руки останутся по-прежнему грязными. Пусть читатель поверит на
слово: даже если бы мы стали мыть руки концентрированным раствором
едкого натра, то нам все же не удалось бы смыть сажу с маслом, но
химический ожог при этом мы получили бы.
Молекула мыла имеет вид длинного "многочленистого" червя, на одном
конце его (голова) расположена полярная группа - COONa, а на другом
(хвост) неполярная - конечная группа длинной углеводородной цепи
-СН3. Два "конца" этой молекулы (голова и хвост) обладают совершенно
разными свойствами: первая гидрофильна, т. е. охотно
взаимодействующая с водой, вторая - гидрофобна, или олеофильна,
стремящаяся "выскочить" из воды, но хорошо смачивающаяся маслом.
Если степень влияния этих двух частей на растворимость молекулы в
воде примерно одинакова, молекулы будут располагаться на границе
раздела вода - воздух таким образом, что гидрофильные части молекулы
будут находиться в воде, а гидрофобные концы - торчать в воздухе,
словно частокол. На поверхности воды образуется мономолекулярный
поверхностный адсорбционный слой. Вещества, образующие такой слой,
мы называем поверхностно-активными веществами (ПАВ).
Какую же роль выполняют поверхностно-активные вещества? Оказывается
они делают поверхностный слой воды более "активным". Мы знаем из
опыта, что чистая вода плохо смачивает металлическую или смазанную
жиром поверхность. На такой поверхности капли воды не растекаются, а
собираются в выпуклые капли, их легко можно стряхнуть с такой
поверхности. Это явление физики объясняют тем, что силы сцепления
молекул воды между собой сильнее, чем силы притяжения воды с
молекулами какого-либо гидрофобного (т. е. не смачивающегося водой)
вещества. Мы часто пользуемся этим явлением: смазываем вазелином или
маслом поверхность, на которой не должна оставаться вода,
предохраняя тем самым предмет от гниения, ржавления и т. п.;
покрываем ткани гидрофобизирующим (водоотталкивающим) покрытием,
чтобы ткань, например, не намокала под дождем и т. д. И наоборот,
если мы хотим, чтобы поверхность лучше смачивалась водой, мы удаляем
с нее жир, используя для этого мыло или другое Поверхностно-активное
вещество. Своими олеофильными концами молекулы ПАВ притягиваются к
молекулам жира, а гидрофильными концами они притягиваются к
молекулам воды. При этом молекулы жира отрываются от поверхности и
уносятся водой. Точно также удаляются с помощью ПАВ и частицы любого
другого олеофильного (гидрофобного вещества).
Надо заметить, что мыло -
универсальное поверхностно-активное вещество. Его молекулы
способны адсорбироваться на поверхности практически любого другого
вещества. Это относится и к интересующим нас поверхностям раздела
вода - масло, вода - кожа, вода - сажа... А результат - смачивание
водой (точнее, мыльным раствором) частиц грязи, в том числе
гидрофобных частиц сажи и масла. Теперь достаточно потереть руки,
чтобы обеспечить доставку мыльного раствора и чтобы затем быстрее
помочь частичкам грязи в водной шубке уйти с поверхности руки. При
этом частицы грязи образуют суспензию (если грязь - твердые частицы,
например, сажи) или эмульсию (если грязь - жидкость, например,
масло).
Конечно, чтобы проникнуть всюду, прикоснуться к любой частице,
понадобиться довольно много мыльного раствора. Не нужно забывать к
тому же, что немало мыла уносится с грязью. Поэтому правы были наши
мамы, когда твердили нам: "Мыль руки, как следует!"
Снять грязь с рук, лица и какой-либо другой поверхности, например
оконного стекла, можно и с помощью какого-нибудь неводного
растворителя. Так иногда и поступают. Например, если необходимо
снять грязь с участков кожи, которые по тем или иным причинам нельзя
смачивать водой, или очистить стеклянную, деревянную, металлическую
поверхность, которую тоже нельзя увлажнять, то пользуются спиртом,
бензином, растительным маслом, лосьонами, одеколоном и др. В этих
случаях обычно поверхность протирают тампоном, смоченным специально
подобранным растворителем, причем тампон часто сменяют. Иногда
детали ненадолго опускают в растворитель и часто его меняют,
например при чистке часовых механизмов. Но так можно чистить лишь
небольшие предметы или ограниченные участки поверхности. Трудно себе
представить, что вы станете мыть пол тампонами, смоченными спиртом,
или стирать белье в бензине. Во-первых, это весьма огнеопасно,
во-вторых, запах растворителя неприятен, да и действие его паров не
безвредно, в-третьих, растворители - дорогостоящие продукты. Но есть
и еще одна причина. Суспензия твердых частиц грязи в растворителе,
получившаяся при обработке этим растворителем загрязненных
предметов, очень неустойчива. Такие частицы укрупняются и вновь
оседают на поверхность; понадобится упорная чистка с многократной
сменой растворителя. В то же время суспензия, образованная частицами
смытой грязи в мыльной воде (или в водном растворе какого-нибудь
другого ПАВ), очень
устойчива. Устойчивость таких эмульсий и суспензий объясняется тем,
что на поверхности каждой твердой частички или масляной капельки
образуется водный адсорбционный слой - тоненькая оболочка прочно
связанной воды, несущая заряд. Такой слой действует наподобие
барьера, и эмульсия (или суспензия) остается устойчивой. Частицы
масла и сажи совершенно теряют способность соединяться друг с
другом, вообще "цепляться" к чему бы то ни было. Поэтому они не
могут снова осесть на кожу рук или другую поверхность.
Кстати, мыло удаляет не только видимую грязь. Оно точно так же
действует и на совершенно невидимые глазом загрязнения, в том числе
и весьма опасные, например радиоактивные. Вирусы, которые и
увидеть-то можно только в электронный микроскоп, тоже смываются
мылом.
Кое в чем из только что рассказанного можно убедиться на опытах, для
которых пачкать руки не нужно.
Первый опыт проведем с сажей. Налейте в обычный стакан воды и
бросьте туда щепотку сажи. Попробуйте теперь размешать сажу в воде.
Плотность сажи примерно 1,4 г/см3; этого более чем достаточно, чтобы
все ее частицы потонули. Но сажа и не думает опускаться на дно.
Частицы ее не могут погрузиться в воду, потому что она
просто-напросто не смачивает частицы сажи. Так, тонкая стальная
иголка приобретает способность держаться на воде, если ее как
следует смазать жиром. Теперь добавьте в стакан немного мыльного
раствора - и картина разительно изменится. Сажа немедленно исчезнет
с поверхности, и жидкость в стакане приобретет ровный серый или
черный цвет. Образовалась суспензия сажи в воде.
Второй опыт - с маслом. Возьмите вазелиновое масло из того самого
пузырька, которым вы пользовались, основательно пачкая себе руки.
Если масло налить в стакан с водой, оно, естественно, преспокойно
останется плавать сверху - масло легче воды. Но если вы хорошо
взболтаете воду с маслом (скажем, перелив смесь в бутылку), то
увидите, как масло разобьется на капельки. Получилась эмульсия масла
в воде. Однако едва вы перестанете взбалтывать ее, как все
возвратится на свои места - шарики масла всплывут наверх и вновь
сольются, образуя слой, не смешивающийся с водой. Эмульсия, которую
мы приготовили, оказалась неустойчивой.
Рецептуры моющих средств.
Теперь в такой же стакан (или бутылку) с водой прибавьте всего пять
кубических сантиметров однопроцентного раствора мыла и после этого
приливайте туда понемногу масла, каждый раз тщательно встряхивая
раствор. Так, при некотором навыке можно "загнать" в один объем воды
до ста объемов масла. Эмульсия получится густой, почти как сметана
или сливочное масло. Адсорбционные барьеры - пленки мыла и связанные
с ними тонкие водные оболочки не дадут каплям масла слиться.
Но мыло, конечно, не безукоризненное моющее средство. Главный
недостаток мыла известен каждому, кто хоть раз пытался стирать
обычным хозяйственным мылом в морской или хотя бы просто в жесткой
воде. Это - бесполезное занятие: мыло в жесткой воде не моет. В
такой воде обычные мыла - хорошо растворимые соли щелочных металлов
- сразу же переходят в кальциевые и магниевые мыла, нерастворимые в
воде.
Можно, конечно, смягчать воду заранее, но вряд ли такое решение
удовлетворит всех. Другое, более совершенное решение - применять
синтетические моющие
средства (CMC), действующие так же, как и мыло, но не
чувствительные к солям жесткости.
Синтетических моющих средств
сейчас выпускается очень много. Вы, наверное, замечали на
коробках с некоторыми стиральными порошками надпись: "моет в жесткой
и морской воде". Об этих средствах речь пойдет позже.
Может показаться странным, почему так мало сказано о пене - ведь
мытье рук всегда ассоциируется с обильной пеной, и чем больше пены,
тем, как известно, руки моются легче. А в разговоре о процессе мытья
рук о пене не было сказано ни слова.
Объяснение простое и несколько неожиданное, пена вовсе не
обязательна для мытья. Иногда приходится слышать утверждения, будто
пена уносит с собой частицы грязи. Но эти частицы с тем же успехом
может унести и вода, если, скажем, попробовать воспользоваться
мылом, которое' не пенится, например приготовленным на основе жирных
кислот касторового масла. Не вдаваясь в подробности образования
пены, скажем, однако, что она действительно непременный спутник
всякого хорошего обычного мыла, как бы индикатор его присутствия,
причем в достаточном количестве. И поэтому утверждение, что руки
отмываются тем лучше, чем больше во время мытья пены, оказывается в
общем-то правильным.
Несколько слов в заключение. Вы, конечно, понимаете, что нами здесь
не сказано и десятой доли того, что известно сегодня о мыле и
процессах мытья. Это удивительно сложная и интересная область
физической химии, и теме "Вы моете руки..." можно было бы посвятить
не только небольшую популярную брошюру, но и обширную научную
монографию. Внешне простая и обыденная процедура мытья рук
превращается при детальном рассмотрении в сложный и кое в чем еще до
конца не раскрытый процесс. Так бывает, что простое оборачивается
сложным.
