Сейчас мы живем в Остине, и наша дорога до океана занимает около четырех часов. Все, что нам нужно сделать, это посадить собак на заднее сиденье, завести машину, открыть люк и наслаждаться яркой поездкой в Галвестон или Корпус-Кристи. Лето 2019 года вышло очень жарким, так что на какое-то время вода стала залогом выживания. В августе температура держалась в районе 37,8°C почти двадцать дней. Это было ужасно.

Тем летом мы буквально жили на пляже, и именно тогда я обратила внимание на химию, которая окружает нас там, начиная с авобензона в солнцезащитном креме и заканчивая полимерами в моих купальниках. Я видела примеры моей любимой науки буквально везде. Например, в холодильнике.

Единственная вещь, на которую мы тогда постоянно полагались, – качественный переносной холодильник, в котором мы хранили и еду и напитки. Наша любимая модель сделана из полиэтилена, хотя для их создания можно использовать и полистирол.

Не думаю, что вы часто думаете о холодильниках, но это просто удивительная вещь! Как правило, они используют особую молекулярную структуру, с помощью которой могут удерживать холодный воздух внутри. В основном у больших и крепких холодильников есть две разные формы полиэтилена, так что давайте сначала рассмотрим этот полимер. Как вы поняли из названия, полиэтиленовые полимеры состоят из молекул этилена. В настоящее время полиэтилен – это самый популярный и распространенный вид пластика. Этилен представляет собой углеводород с формулой Н₂С=СH₂, является газом и чрезвычайно легко воспламеняется. Такое неполярное соединение (электроны равномерно располагаются в молекуле) означает, что газ может образовывать дисперсионные взаимодействия только с соседними молекулами.

Но под чрезвычайно высоким давлением этилен способен вступать в химическую реакцию с самим собой; в ходе реакции получается длинная этиленовая цепь. Когда это случается, двойная связь разрушается и остается только одинарная, удерживающая всю молекулу. После этого атомы углерода могут образовать новые ковалентные связи с другими атомами углерода, что приводит к созданию длинной углеводородной цепи.

Позвольте объяснить это на примере Райана Рейнольдса из первой части книги. Мы уже обсуждали, как я могу образовать с ним двойную связь: нам нужно просто соединить по две наших руки. Но если я хочу пройти реакцию полимеризации, то мне нужно отпустить одну руку Райана и взяться за другую прекрасную знаменитость, Джо Манганьелло. Конечно же, Райан сделает то же самое – образует новую связь с Блейк Лайвли.

Эффект домино будет продолжаться до тех пор, пока все атомы углерода не окружат себя четырьмя ковалентными связями (все из-за положения углерода в периодической таблице). Полиэтилен является неполярным, между полимерными волокнами образуются дисперсионные взаимодействия. Такое взаимодействие очень похоже на межмолекулярное, образующееся между отдельными молекулами этилена.

Это гигантские молекулы с молекулярной массой от 10 000 до 100 000 г/моль. Так как полиэтилен представляет собой большую неполярную молекулу, он не растворяется в воде. Данное качество делает его идеальной молекулой для создания холодильников. Неспособность полиэтилена раствориться в воде позволяет наполнить холодильник льдом и принести его к океану.

Внешнее пластиковое покрытие большинства холодильников изготавливается из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), в то время как пакеты для сэндвичей из полиэтилена низкой плотности (ПЭНП). Давайте поговорим о ПЭНП, чтобы лучше понять разницу. ПЭНП впервые был использован еще в 1930-х годах, он имеет более низкую плотность, чем ПЭВП (да-да, я капитан очевидность). Но несмотря на то, что два этих вида пластика имеют одинаковые атомы и ковалентные связи внутри полимеров, способ образования связей у них очень различается.

ПЭНП представляет собой полимер, в котором ковалентные связи образованы между соседними молекулами этилена. Как мы уже обсуждали ранее, когда молекулы этилена вступают в реакцию друг с другом, двойная связь разрывается, а между молекулами образуется новая одинарная связь. В ходе этого процесса создается разветвленная углеводородная цепь. Следовательно, вместо того, чтобы формировать одну прямую цепочку атомов углерода (в ряд), связи образуются между случайными атомами. В результате образуется цепочка, по внешнему виду напоминающая букву Т. Форму «в ряд» можно сравнить со строем школьников, идущих в столовую, в то время как разветвленная форма напоминает хаос, который эти же школьники устраивают на перемене.

Из-за разветвленной формы ПЭНП намного слабее ПЭВП (и намного эластичнее). Такая форма не позволяет молекулам располагаться вплотную к другим ПЭНП, а значит, они не могут образовывать сильные дисперсионные взаимодействия. Следовательно, если мы возьмем определенное пространство, то там будет небольшая плотность полимером (диапазон плотности колеблется от 0,917 до 0,930 г/см³).

Что на самом деле важно, так это то, почему мы так часто используем эти типы полимеров в повседневной жизни. Они легко растягиваются, эластичные и износостойкие, поэтому данные полимеры отлично подходят для использования в качестве пакетов для сэндвичей (и пластиковых пляжных сумок – но лишь до тех пор, пока все не поняли, что одноразовые сумки загрязняют окружающую среду; так что довольно быстро они превратились в многоразовые). ПЭНП идеально подходят для хранения больших сэндвичей, так как им можно обернуть хрупкие ломтики хлеба и защитить их от влаги. Тут полимеры определенно выигрывают конкуренцию с бумагой, которая неэластична и промокает при контакте с водой.

По сути, полиэтилен не считается твердым полимером, а это значит, что у нас есть возможность формировать молекулы в разных конфигурациях – изменять форму пластиков благодаря тому, как молекулы выстраиваются в линию в полимере. К примеру, если мы возьмемся за две стороны пакета для сэндвичей и потянем его в разные стороны, то увидим, что его форма изменится. Он ответит на прилагаемое давление, увеличиваясь в длину и уменьшаясь в ширине. Если мы потянем слишком сильно, то пакет порвется.

Этот процесс, называемый уменьшением поперечного сечения, происходит каждый раз, когда молекулы внутри полимера пытаются адаптироваться к изменениям. До того, как мы начали растягивать пакет, молекулы были в полном беспорядке, прямо как мокрые спагетти на сковородке. Но как только мы растянули пакет, молекулы выпрямились в ряд. Это можно сравнить с тем, что мы поставили сковородку на огонь и высушили спагетти. В стрессовой ситуации молекулы выпрямляются и выстраиваются в идеальный ряд. Благодаря длинной форме молекул мы можем растянуть пакет, придав ему форму гантели, о которой я уже говорила выше.

Но если вы отпустите пакет, то он со временем примет изначальную форму. Конечно, в некоторых местах могут появиться повреждения, особенно в тех, где пальцы соприкасались с поверхностью. Однако остальные полимеры должны вернуться к своему изначальному положению.

В отличие от ПЭНП, ПЭВП имеет линейную конфигурацию с прочными ковалентными связями между множеством атомов углерода. Чуть ниже я объясню, что это значит (выглядит очень странно). Сейчас вам необходимо знать, что именно эта форма делает ПЭВП особо прочными; ведь так ПЭВП могут располагаться вплотную друг к другу. При такой конфигурации полимеры образуют прочные дисперсионные взаимодействия между каждой молекулой полиэтилена, а это приводит к тому, что мы получаем ПЭВП. Он используется в создании холодильников, а их плотность колеблется от 0,930 до 0,970 г/см³.

И хотя ученые смогли предсказать, что ПЭВП будет прочнее ПЭНП, сначала они пытались найти хороший способ синтеза полимера. Спустя двадцать лет после открытия ПЭНП немецкий химик Карл Циглер начал проводить эксперименты с этиленом. После каждой реакции он находил один и тот же продукт – бутен, молекулу, у которой все связи были одинарными и только одна – двойная.

Циглера заинтересовала эта неожиданная химическая реакция, так что он сразу же начал проводить более сложные эксперименты. Ученый выяснил, что внутри газообразного этилена находятся небольшие скопления никеля, благодаря котором образуется бутен.

Циглер начал добавлять этилен во все металлы. И хотя он не придерживался какой-либо системы, его эксперименты дали результат. Химик заметил, что цирконий и хром тоже способны образовывать смесь полимеров, но для производства полиэтилена с линейной формой лучше всего подходит титан.

Это стало революционным открытием, поскольку ранее металлы не использовались для образования ковалентных связей между двумя молекулами. Прежде ученые просто соединяли молекулы и меняли их количество, давление и температуру, пытаясь вызвать нужные им реакции. Но, сам того не зная, Циглер запустил новый вид катализа – это важная и огромная тема в моей области – неорганической химии.

В 1952 году немецкий ученый предоставил свою работу на конференции, и тогда итальянский химик Джулио Натта решил, что он сможет вывести «катализаторы Циглера» на новый уровень. Он решил добавить сокатализаторы. И это именно то, о чем вы думаете: он решил добавить второй металл, чтобы тот помог первому спровоцировать химическую реакцию.

Догадки Натта оказались верны, и они с Циглером быстро разработали катализатор Циглера – Натта; это название стало общим для двух любых сокатализаторов, превращающих двойные связи в одинарные путем образования длинной полимерной цепи. Данный метод был настолько инновационным, что вызвал огромный ажиотаж вокруг исследований новых полимеров. Поскольку это исследование провело революцию в произведение полимеров, Циглер и Натта в 1963 году получили Нобелевскую премию по химии.

Имея простой и быстрый способ получения ПЭВП, инженеры хотели начать использовать их в изготовлении предметов быта. В настоящее время ПЭВП используется не только в холодильниках или переносных холодильниках, но и в лодках, шезлонгах, кувшинах для воды и баночках для солнцезащитного крема. Вы можете найти ПЭВП в любом предмете для пляжа, точно так же, как и ПЭНП, который содержится в горках на игровых площадках, крышках контейнеров для еды и коробках сока.

Со временем ПЭВП стал самым популярным материалом для производства пластиковых холодильников. Причина в его изоляционных свойствах. Полимер удерживает тепло внутри контейнера, а твердая пена снаружи не позволяет солнечному свету проникнуть внутрь переносного холодильника. Горячий воздух остается на пляже, в то время как прохладный воздух, окруженный полиэтиленом, охлаждает ваше пиво.

Знаете ли вы, что в 1960-х годах компании начали использовать полимеры для производства упаковок с пластиковыми колечками вместо бумажных и металлических? Думаю, изначально эти изменения были восприняты хорошо, поскольку бумажные колечки сразу же размокали из-за конденсата на банках. Но в конце 1970-х – начале 1980-х годов активисты забили тревогу, и началась масштабная кампания по запрету жестких пластиковых колец. Дело в том, что небольшие дикие животные застревали в кольцах, из которых потом не могли выбраться, и в результате умирали. Тогда производители начали использовать более гибкий пластик, чтобы избежать смертей животных. Это означало, что новые держатели в упаковках будут достаточно прочными, чтобы не давать банке болтаться, но достаточно слабыми, чтобы животные могли их порвать. ПЭНП идеально подходил для этих целей.

В 1993 году Агентство по охране окружающей среды (АООС) потребовало, чтобы все полиэтиленовые колечки были биоразлагаемыми; пластик должен разрушаться естественным образом без участия человека. Производители решили использовать фотодеградацию: процесс, в ходе которого УФ-излучение разрушает связи в полимере (мы поговорим об УФ-излучении чуть позже). В зависимости от размера пластика этот процесс может протекать как несколько месяцев, так и несколько лет. Однако если выбросить предмет на свалку или закопать под землю, то солнечные лучи не смогут активировать механизм разрушения, и пластик никогда не разложится. Труднее всего разлагаются ПЭВП из-за своего большого размера.

Это касается всех полимеров на основе этилена, включая полистирол. Полистирол представляет собой крупную молекулу, используемую для создания пенопластовых охладителей. Полистирол состоит из молекулы стирола, которая во многом похожа на этилен. Единственное различие в том, что концевой атом этилена (H₂C=CHH) – водород – заменяется на бензольное кольцо (С₆H₅), и формула стирола выглядит так: (H₂C=CHC₆H₅). У полистирола есть шестичленное бензольное кольцо (С₆H₅), начинающееся с каждого второго атома углерода. Это довольно большая молекула.

Впервые полистирол был синтезирован в 1839 году немецким фармацевтом Эдуардом Симоном. Он извлек смолу из ликвидамбара восточного, а затем варил ее до состояния маслянистого вещества. В процессе очистки ученому удалось выделить молекулу под названием стирол. В конце концов эта молекула превратилась в вязкое густое вещество, похожее на желе. В 1866 году французский химик Марселен Бертло определил эту молекулу как длинную цепь углеводородов с чередующимися бензольными кольцами. Но тогда ученым только предстояло открыть полимеры. Поэтому потребовалось еще восемьдесят лет, чтобы это вещество получило официальное название полистирол.

Есть три общие конфигурации, которые может образовать полистирол: изотактическая, синдиотактическая и атактическая. Данный термин указывает на тактичность полимера – это странный способ указать на положение бензольных колец в молекуле. Если все бензольные кольца расположены с одной стороны полимера, то такой полимер является изотактическим. По правде говоря, не важно, где расположены кольца: справа или слева. Нам просто нужно, чтобы все они находились на одной стороне – это как если бы у сороконожки ноги располагались только на одной стороне тела. Эти полимеры самые прочные из трех, так как могут стоять вплотную к соседним полимерам.

Именно поэтому изотактическая конфигурация отлично подходит для производства пены для охлаждения. Как и в случае с холодильниками, горячий воздух не может пройти через пену, благодаря чему охлажденные напитки и еда продолжают оставаться охлажденными. Но есть две другие конфигурации, которые можно обнаружить в дешевых пенах для охлаждения.

Если бензольные группы полимера чередуются, располагаясь попеременно то с одной стороны, то с другой, то такой полимер является синдиотактическим. Эти полимеры по внешнему виду напоминают стебель розы, листья которой растут по всей длине. Из-за такой формы полимеры не могут стоять вплотную друг к другу. Стоящие невпопад кольца мешают.

Если бензольные группы распределены вокруг полимера случайным образом, то с одной стороны, то с другой, то полимер является атактическим. Такие полимеры считаются самыми слабыми из трех, так что у них самая низкая температура плавления. Именно поэтому атактические полимеры обладают наибольшей гибкостью и эластичностью, и это придает им текстуру резины.

Поскольку бензольные кольца очень большие, обычно полимеры полистирола являются атактическими. Это означает, что бензольные кольца в них расположены случайным образом. Какие-то слева, а какие-то – справа. Одни друг за другом, а другие – равномерно. Универсального образца такого полимера нет.

Именно поэтому мы работаем только с двумя основными формами полистирола. Первая называется кристаллической; такой полистирол используется в одноразовых пластиковых изделиях, например в пластиковых вилках и ножах, которыми вы едите во время пикника на пляже. Если вы используете пищевую пленку вместо пакетов для сэндвичей, то ваш холодильник будет заполнен полистиролом.

Я никогда не пожалею о том, что когда-то купила пищевую пленку. Это самый лучший продукт, поскольку ею можно закрыть контейнер, не используя при этом скотч или другие средства. Межмолекулярные взаимодействия в полистироле настолько сильны, что атомы притягиваются друг к другу, удерживая пластик вместе. Если пленка когда-нибудь скатается, распутайте ее и снова закройте контейнер. Просто дайте атомам немного времени для формирования дисперсионных взаимодействий между полимерными цепями.

Вторая форма полистирола – это вспенивающийся полистирол. Вы можете обнаружить ее на пляже во всем, что сделано из Styrofoam, например в стаканчиках или пенопластовых переносных холодильниках. (Styrofoam – это торговая марка пенопласта, и прямо как Kleenex, она используется для обозначения ткани.) Некоторые госучреждения прокладывают полистирол под дорогами, чтобы защитить асфальт от замерзания и деформации.

Вспененный полистирол является попкорн-полимером. Во время производства происходит весьма увлекательный процесс. Во-первых, молекулы полистирола искусственно делятся на небольшие гранулы, внешне напоминающие икру. Затем их накачивают воздухом и ссыпают в большую форму. Там гранулы плавятся: их нагревают до высокой температуры, а затем спрессовывают.

Пенопласт на 3–5 % состоит из полистирола, остальная часть – просто воздух. Вот поэтому большинство продуктов из пенопласта, например охлаждающая пена, такие легкие. Пенопласт тоже является хорошим изолирующим веществом, так что мы можем использовать его для хранения еды и напитков в охлажденном виде.

Однако ни кристаллический, ни вспенивающийся полистирол не обладают достаточной прочностью, так что они не могут выдержать давление газированного напитка. Для этого мы можем использовать другой полимер, полиэтилентерефталат (ПЭТ), который уже обсуждали в прошлой главе.

Интересный факт: этот же полимер используется в производстве бутылок для воды и газированных напитков. Пластик получается полупрозрачным, что очень хорошо: мы можем рассмотреть жидкость в бутылке. Сама емкость достаточно прочная, чтобы выдержать давление в газированном напитке. Если вы, как и я, предпочитаете приносить на пляж фрукты, то вас могут окружать молекулы ПЭТ – они находятся в пластиковых контейнерах для фруктов и ягод.

Как только все закуски и напитки уложены в холодильник, мы надеваем купальники и садимся в машину. Большинство тканей для купальников изготовлены из полиэфирных (или нейлоновых) полимеров с содержанием спандекса от 10 до 20 %, благодаря чему купальник будет эластичным и очень удобным. По правде говоря, эта информация не должна стать для вас чем-то новым, ведь мы уже обсуждали полиэстер и нейлон. Но в синтетическом волокне – спандексе (известном как лайкра) – есть нечто интересное. Впервые этот полимер был получен в 1952 году из полиэфира и полимочевины и поначалу рассматривался как замена каучуку в поясах для женщин. И поскольку этот полимер подходил для использования в нижнем белье, его назвали «спандекс», от слова «эластичность».

Все три синтетических волокна идеально подходят для использования в купальниках из-за их неполярных свойств. Когда вы заходим в океан, молекулы воды сразу же начнут проходить через свободное пространство между волокнами купальника; именно поэтому натуральная ткань, например хлопок или шерсть, сразу пропитается влагой. Но так как наши купальники сделаны из неполярных материалов, то полярные молекулы воды от них отталкиваются. Конечно, вода продолжает проходить через купальники, поскольку они не являются водонепроницаемыми, однако количество поглощаемой влаги сведено к минимуму.

Чтобы доказать это, давайте представим купальник из хлопка, который состоит из другого полимера – целлюлозы. Целлюлоза, в свою очередь, состоит из длинной цепочки молекул глюкозы, покрытых спиртовыми функциональными группами (OH). Благодаря этому молекулы целлюлозы становятся чрезвычайно полярными; это приводит к тому, что молекулы будут образовывать водородные связи с водой. Подобные межмолекулярные взаимодействия хороши тогда, когда козы пытаются растворить целлюлозу в желудке, но уж точно не в купальниках. Хлопок впитывает большое количество воды, из-за чего ткань становится тяжелой, а купальник начинает сползать.

Чтобы избежать этой неловкой ситуации, я покупаю купальники с содержанием нейлона и лайкры. И если у меня есть возможность приобрести купальник из переработанного нейлона, то я выберу его. В процессе переработки одежды старые полимеры разрушаются под действием высоких температур и высокого давления. Тем не менее, когда дело касается покупки купальника, для меня важнее его посадка и то, как хорошо он будет держаться на моем теле.

Моего мужа совершенно не заботит то, как сидят на нем пляжные шорты. Он просто хочет носить что-то легкое и водоотталкивающее, поэтому покупает шорты из полиэстера и спандекса. Вода буквально скатывается с его шорт; однако ему нужно использовать шнурки, чтобы шорты не упали, поскольку ткани в них обладают разной эластичностью.

Когда мы приезжаем к океану, я везде вижу одежду из спандекса. Купальники, гидрокостюмы, велосипедные джерси, одежда для пляжного волейбола, пляжные накидки… Если приглядеться, то эти волокна можно обнаружить даже в шляпках.

Но почему мы носим шляпки и накидки на пляже? От чего мы пытаемся защититься? Дело в очень вредном солнечном свете, провоцирующем рак. Но что такое свет? Это тоже химия? Да! По правде говоря, все, что вы видите, взаимодействует со светом. Красная книга в углу комнаты излучает видимый свет в красной области светового спектра, а ваша фиолетовая рубашка излучает свет в фиолетовой области. Свет от лампы или экрана мобильного телефона представляет собой инфракрасное излучение (ИКИ) или тепловое излучение (именно поэтому они нагреваются). А если ваши шторы открыты, то вы подвергаетесь ультрафиолетовому излучению. Итак, если вы не сидите в полной темноте, вы так или иначе взаимодействуете со светом.

Ученые исследуют свет уже достаточно давно. В те времена, когда считалось, что мир состоит из четырех элементов: огня, воды, воздуха и земли, греческий философ Эмпедокл сделал предположение, что из наших глазных яблок вырывается огонь, освещающий окружающие нас предметы и позволяющий нам видеть.

У этой теории имелось множество недостатков, и самым главным было то, что если наши глаза стреляли огнем, то мы должны были видеть в темноте. Между прочим, именно Эмпедокл стал автором идеи того, что мир состоит из четырех элементов. Он ошибался в обоих случаях; как мы знаем, у людей нет стреляющих огнем глаз, как у Циклопа из «Людей Икс».

И только в 1600-х годах французский философ Рене Декарт предположил, что свет похож на волну. В то время Леонардо да Винчи уже выяснил, что звук распространяется волнами; поэтому Декарт логично предположил, что свет может распространяться подобным образом. Одна эта идея полностью изменила наше представление о всех атомных элементах, включая протоны, электроны и нейтроны, а также их способности одновременно существовать и в форме частиц, и в форме волн.

Когда я говорю о волнах, пожалуйста, представляйте океанскую волну. Волна всегда исходит от какого-то источника энергии (например, гидроцикла или лодки), а затем распространяется по воде, пока не достигнет земли или не обойдет остров. Если мы говорим о звуковых волнах, это значит, что они могут огибать препятствия (к примеру, стены), так как мы можем слышать таймер духовки на кухне, находясь в другой комнате. Человеку не нужно видеть таймер или находиться рядом с ним, чтобы услышать его сигнал.

Теория того, что свет распространяется как волна, имела какой-то вес, потому что объясняла, почему свет проходит через разные жидкости с разной скоростью. Но если бы свет вел себя как звук, то он точно так же должен был бы огибать препятствия на своем пути. Главная проблема этой теории заключалась в том, что мы не сможем увидеть луч фонарика через кирпичную стену. Несмотря на то, что свет частично вел себя как волна, ученые понимали, что волновая теория не совсем подходит для объяснения света.

Всего несколько лет спустя английский физик Исаак Ньютон посмертно опубликовал работу малоизвестного французского философа, в которой рассматривались недостатки волновой теории света. Этот философ, Пьер Гассенди, утверждал, что свет больше похож на частицу, чем на волну, ведь он ведет себя как предмет с массой. В некотором смысле его догадки оказались правдивы – и это стало основной того, что сейчас мы называем фотоном, – однако данная теория также имела и ряд недостатков.

Если свет представлял собой частицу, то логично было бы предположить, что стена не будет пропускать все формы света. Ведь стена останавливает все, что имеет массу, например бейсбольный мяч. Мы не можем подкинуть мяч и ждать, когда он пройдет сквозь стену; то же самое касается и света, поскольку он не может проходить сквозь препятствия или огибать их. Да, с какой-то стороны эти суждения кажутся правдой; но это совершенно не объясняет преломления света, из-за которого получается радуга, или то, как свет, к примеру, огибает края двери. Если бы свет состоял из тысяч крошечных частиц, движущихся по прямой, такие явления были бы невозможны.

Чтобы не растягивать и так длинную и запутанную историю, давайте перенесемся в 1920-е годы, когда французский физик Луи де Бройль предположил, что вся материя обладает свойствами волн и частиц. Именно так люди узнали о корпускулярно-волновом дуализме.

Корпускулярно-волновой дуализм – это один из фундаментальных принципов химии, так как с его помощью можно объяснить, почему в определенных условиях частицы (например, протоны, нейтроны и электроны) действуют как волны. Мы можем использовать «волновую механику» для предсказания расположения электронов в атоме или молекуле и из полученной информации узнать все, что необходимо знать о солнечном свете.

Помните, в первой части книги мы рассматривали атомные орбитали? Все s, p, d и f-орбитали выводятся из одного уравнения (уравнения Шрёдингера), полученного из корпускулярно-волнового дуализма. По правде говоря, при решении данного уравнения у вас получится число (строка в периодической таблице) и буква (орбиталь) для определенного электрона. Это был первый раз, когда ученые практически точно смогли определить энергию электрона и его положение относительно ядра. А все благодаря нашему дорогому другу, австрийско-ирландскому физику Эрену Шрёдингеру.

Теория корпускулярно-волнового дуализма применялась не только к материи, она казалась вполне подходящей для объяснения упомянутых выше свойств солнечного света.

Ученые выяснили, что свет на Земле (в том числе и на пляже) исходит от солнца в виде электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение – это общий термин, обозначающий любую форму энергии, перемещающуюся (или излучающуюся) в электромагнитном поле. Энергия в пространстве движется в виде двух перпендикулярных волн (электрической и магнитной); отсюда и произошло название «электромагнитное» излучение.

Поскольку электромагнитное излучение – один из основных принципов химии, я хочу рассмотреть эту тему чуть подробнее. Если определенный тип света распространяется слева направо, то электрическая и магнитная волны тоже должны распространяться слева направо. Давайте предположим, что электрическое поле движется по канату слева направо. Следовательно, магнитное поле тоже будет двигаться слева направо, но только в другом направлении. Если электрическое поле будет двигаться по канату горизонтально, то магнитное поле будет двигаться вертикально (в виде вертикальной волны), так что положение магнитного поля относительно каната будет постоянно меняться: сначала оно будет выше каната, затем ниже, а затем снова выше. Когда два поля движутся одновременно, свет может проходить через нашу атмосферу. Если молекула взаимодействует с электрическими или магнитными волнами, атомы либо не пропускают свет, либо искажают его.

Квантовая механика – наука о субатомных частицах – может привести в огромное замешательство и запутать, именно поэтому я прошу вас сосредоточиться на одном: существует огромное количество электромагнитный энергий, известных как свет! Ученые объединили весь свет в спектр (электромагнитный спектр), где он распределен по длине волн. На одном конце спектра располагаются радиоволны со сверхдлинными волнами, достигающими размера целого здания. Несмотря на такую длину волн, у нее очень маленькая энергия. Радиоволны не в состоянии навредить нашему здоровью, так что мы можем спокойно использовать их как для Wi-Fi, так и для Bluetooth.

На другом конце спектра располагается гамма-излучение со сверхкороткими волнами и высокой энергией. Размер этих волн можно сравнить с размером атомного ядра – они очень маленькие. Но это излучение очень опасно для человека, и оно может нанести серьезный вред нашему телу и внутренним органам. Именно поэтому высококонцентрированные пучки гамма-излучения используются (с большой осторожностью) для уничтожения раковых клеток.

Однако, как и в сказке «Три медведя», есть идеальная золотая середина, где волны имеют средний размер и среднюю энергию. Электромагнитные волны располагаются в середине спектра – именно они обладают средней длиной волны и средней энергией (относительно радиоволн и гамма-излучения).

Эти волны соответствуют трем типам энергии, получаемой поверхностью земли от солнца: ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное. Мы уже сталкивались с видимым светом, когда обсуждали красители и ткани, а также мы знаем об инфракрасной энергии, излучаемой кухонной плитой. Именно поэтому сейчас я хочу остановиться на самой опасной энергии – энергии ультрафиолетового излучения (УФ-излучение) – и объяснить, почему, отдыхая на пляже, необходимо пользоваться солнцезащитным кремом.

Ультрафиолетовое излучение – это самая высокая энергия, которую Земля получает от Солнца. Впервые УФ-излучение было обнаружено в 1801 году после того, как немецко-британский астроном Уильям Гершель открыл инфракрасные волны (волны ИК). Гершель доказал, что энергия может излучаться от волн, размер которых превышает длину волны видимого света; именно поэтому немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер задумался над тем, существует ли «невидимая» энергия, длина волн которой будет меньше длины волны видимого света.

Риттер решил поэкспериментировать с фиолетовым светом (свет с самой большой энергией, который может видеть наш глаз) и, как позже стало известно, с ультрафиолетовым светом. Он заметил, что пропитанная раствором хлорида серебра бумага становится темнее, когда на нее направлен «невидимыый» ультрафиолетовый свет. Все из-за того, что ультрафиолетовый свет вступал в реакцию с раствором и практически сразу менял его цвет.

Поскольку в то время именно фиолетовый свет был светом с самой высокой энергией, Риттер понял, что столкнулся с чем-то интересным.

Волны УФ-излучения, в то время называвшиеся химическими лучами, примерно с молекулу. Несмотря на их крошечный размер, они обладают огромной энергией. Например, еще в 1878 году ученые догадались, что УФ-излучение можно использовать для уничтожения бактерий. Тогда это излучение начали использовать для стерилизации вещей, в том числе и медицинского оборудования. Данный способ стерилизации используется и в наше время. По правде говоря, в 2020 году научное сообщество выдохнуло с облегчением, когда узнало, что с помощью УФ-излучения можно бороться с COVID-19.

Существует несколько подгрупп УФ-излучения (ультрафиолет А, ультрафиолет В и ультрафиолет С). Главное различие УФ заключается в длине волны. УФ-А – самое слабое излучение и с длиной волны от 315 до 400 нанометров (нм). Так как УФ-А обладает самой большой длиной волны, его иногда называют длинноволновым излучением. Чаще всего данное излучение используется в лампах черного света. Несмотря на то, что этот свет не очень яркий, его волны обладают очень высокой энергией. Именно поэтому вы никогда не должны смотреть прямо на источник света (или на солнце). И именно поэтому не следует лежать голышом под источником УФ-А, например, в солярии (но мы поговорим об этом чуть позже).

Когда длина волны уменьшается до 280–315 нм, мы переходим к другой подгруппе, называемой ультрафиолетом В. Энергия УФ-В выше, чем у УФ-А; данное излучение можно использовать для лечения кожных заболеваний, например, псориаза и витилиго. В ходе лечения не получится избавиться от всех симптомов, однако их можно будет облегчить.

Люди, держащие в качестве домашних питомцев ящериц или черепах, очень часто в террариумы ставят УФ-лампы, называющиеся лампами для баскинга. УФ-лампы гарантируют, что эти милые питомцы будут жить в уютных и комфортных условиях. Хладнокровные животные, такие как рептилии и амфибии, получают много пользы от УФ-излучения в террариуме, так как их тела могут поглощать энергию из окружающей среды. Очень интересно наблюдать за тем, как эти очаровательные существа часами греются под лампами.

Оказывается, людям тоже нужно греться под солнцем. У всех людей в коже есть холестерин – это молекула, состоящая из четырех соединенных между собой колец (три шестичленных кольца и одно пятичленное). Холестерин реагирует с высокой энергией УФ-излучения и образует витамин D₃ – холекальциферол.

Когда люди не получают достаточное количество солнечного света (и витамина D), у них может развиться дефицит; организм такого человека не может усваивать кальций, из-за чего страдают кости (они становятся хрупкими и слабыми). В конце концов дефицит витамина D приводит к переломам. Именно поэтому важно выходить на улицу хотя бы на несколько минут в день. Нужно совсем немного времени на то, чтобы ультрафиолетовое излучение расщепило холестерин в вашей коже и превратило его в витамин D.

Последняя подгруппа УФ-излучения – ультрафиолет С (УФ-С) с длиной волн от 100 до 280 нм. Он обладает короткими волнами с чрезвычайно высокой энергией; в 1878 году ученые обнаружили у такого излучения обеззараживающие свойства.

УФ-излучение может не только убивать микробы и бактерии, но также и нанести огромный вред человеческому организму. По правде говоря, более 90 % случаев возникновения рака кожи вызваны УФ-излучением. «Химические лучи» настолько сильны, что проникают в кожу и разрывают связи внутри молекул. Мы называем это диссоциацией связей (процесс соответствует своему названию: связи разрываются и вызывают диссоциацию атомов).

Когда молекулы в вашем теле разрушаются, то освобожденные атомы начинают искать новые пары; к сожалению, чаще всего эти приводит к образованию нежелательных связей. Если связь образуется в неправильной части молекулы или в неправильной части тела, то могут возникнуть раковые клетки.

Хорошая новость: мы можем предотвратить появление рака кожи, просто используя густой крем, называемый солнцезащитным. Этот крем поглощает как УФ-А, так и УФ-В излучение. А что насчет самого опасного излучения – УФ-С?

Чтобы ответить на этот вопрос, позвольте мне рассказать о том, как работает наша атмосфера, а также о ее важных элементах. Кислород, которым мы дышим, находится в слое воздуха, называемом тропосферой. Тропосфера – это первый слой атмосферы Земли. В основном она состоит из азота, кислорода, аргона, углекислого газа и воды – о всех этих веществах я уже рассказывала в первой части.

Следующий слой атмосферы – стратосфера, это область, под которой парят облака. Когда мы летим на самолете, мы летим именно в стратосфере: так мы избегаем турбулентности, которая вызывается молекулами в нижнем слое тропосферы. В стратосфере намного меньше молекул, поэтому пилотам не нужно сильно беспокоиться о перепадах давления воздуха, вызывающих турбулентность.

В стратосфере располагается очень важный слой нашей атмосферы – озоновый. Это нижняя часть стратосферы. Возможно, вы знаете, что озоновый слой представляет собой тонкий покров, действующий как солнцезащитные очки Земли. А все благодаря двум молекулам: кислороду (O₂) и озону (O₃). Мы не можем этого видеть, но газы, фотоны и энергии в стратосфере постоянно взаимодействуют друг с другом!

Когда УФ-лучи попадают в озоновый слой, может случиться несколько разных вещей; все зависит от энергии излучения. Например, если в озоновый слой попадает УФ-излучение с высокой энергией и длиной волны короче 242 нм, то оно может разорвать двойную связь в молекулах кислорода (O=O). Если длина волны превышает 242 нм, то излучение этой двойной связи не навредит. Если же длина волны УФ-излучения короче 320 нм, то оно сможет разорвать ковалентную связь внутри молекул озона, но не внутри молекул кислорода.

Но что это значит для людей, загорающих на пляже? Толстые слои кислорода и озона работают вместе, защищая поверхность Земли от вредных лучей УФ-В и УФ-С. И если высокоэнергетический свет разрушает молекулярные связи в озоновом слое, но не достигает поверхности Земли, то УФ-А излучение, обладающее низкой энергией, вполне способно пройти сквозь нижнюю часть стратосферы.

Но как это происходит? Ведь УФ-А намного слабее других излучений. Разве озон и кислород не должны защищать нас от этой опасной энергии? К сожалению, нет.

Существует единственный способ, при котором озон и кислород могут нас защитить. Позволить УФ-излучению разрушить их ковалентные связи. Но проблема в том, что только волны короче 242 нм могут разрушить связи в кислороде и волны короче 320 нм могут разрушить связи в озоне. Излучение с волнами больше 320 нм слишком слабо для того, чтобы разорвать связи в молекулах. Именно поэтому УФ-А-излучение, длина волн которого составляет 315–400 нм, спокойно проходит сквозь озоновый слой и устремляется прямо к нам, любителям отдохнуть на пляже.

Несмотря на то, что УФ-А-излучение самое слабое из трех подгрупп (с самой большой длиной волны), именно оно наносит самый большой вред человеку. Если бы мы подвергались воздействию УФ-В- и УФ-С-излучений, то для нас это не обернулось бы ничем хорошим: излучение проникало бы в наше тело, разрывая связи между молекулами и создавая хаос. И у есть только две молекулы-супергероя, способные защитить наше тело.

Если вам нужно защититься от УФ-А-излучения, то все, что нужно делать, это каждый день наносить солнцезащитный крем. Звучит просто, да?

Я настоятельно рекомендую вам покупать продукты для макияжа, в которых уже содержится солнцезащитный крем. Следовательно, ваша кожа будет защищена даже в том случае, если вы выходите на улицу всего на пару минут или солнце «атакует» вас, когда вы болтаете с соседом. Но если вы собираетесь провести весь день на пляже, под открытым солнцем, то вам необходимо с ног до головы намазаться солнцезащитным кремом широкого спектра действия (это значит, что он защищает от разных групп УФ-излучения).

В США распространены две формы солнцезащитного крема. Первая представляет собой физический блокатор – это солнцезащитный крем, который мы наносим непосредственно на кожу. Чаще всего это оксид цинка – густой белый крем, из-за которого в 1980-х годах нос спасателей был белым. И знаете, мой папа был единственным человеком в моем родном городе, кто заставлял своих детей наносить этот крем, – в те времена я хотела сквозь землю провалиться от стыда.

Вторая форма солнцезащитного время гораздо популярнее, и этот крем работает на основе химического процесса, происходящего, когда крем (точно как кислород и озон) поглощает УФ-излучение. Молекулы этого крема, например авобензон, имеют ограниченный диапазон поглощения лучей, и именно поэтому в солнцезащитных кремах содержится несколько активных веществ. Авобензон лучше всего поглощает УФ-А-излучение, но плохо справляется с УФ-В. С другой стороны, октилметоксициннамат поглощает любое УФ-В-излучение, прорвавшееся через озоновый слой.

Я живу в очень теплом месте: летом температура здесь превышает 37°C, поэтому у меня всегда есть солнцезащитный крем с солнцезащитным коэффициентом (SPF) 30. Значение SPF означает, что крем защищает от всего вредного УФ-излучения, взаимодействующего с моей кожей, кроме его 1/30 части. SPF 10 не блокирует 1/10 часть всего излучения, а SPF 50 – 1/50.

SPF ничего не значит, если вы не обновляете крем каждые два часа. Если вы этого не делаете, то через три или четыре часа ваша кожа будет «голой» из-за ряда факторов. К тому же если вы отдыхаете на пляже, то солнцезащитный крем может смыть вода; в итоге ваша кожа останется беззащитной, а УФ-излучение начнет разрушать молекулы в ней.

Существует мнение, что солнцезащитный крем или крем для загара не может иметь SPF больше 50. Многие химики считают, что из-за огромного количества переменных нельзя создать крем, полностью защищающий от УФ-излучения. Все зависит от того, сколько крема наносит человек и как часто он его обновляет. Лично я не видела доказательств того, что солнцезащитные кремы могут защитить нас от практически всего излучения, так что я пользуюсь кремом с SPF 30.

Использование некоторых солнцезащитных средств может иметь негативные последствия. Например, октилметоксициннамат является удивительной молекулой, способной защитить нашу кожу от вредного УФ-излучения, однако он наносит колоссальный вред коралловым рифам. К сожалению, большинство людей наносят солнцезащитный крем непосредственно перед тем, как зайти в воду. Именно поэтому в некоторых регионах (к примеру, на Гавайях) введен запрет на использование солнцезащитных кремов с октилметоксициннаматом (запрет вступил в силу в 2021 году).

Однако не так важно, живете вы в Техасе или на Аляске, большинству из нас необходимо ежедневно использовать солнцезащитный крем или проверять УФ-индекс перед каждым выходом на улицу.

УФ-индекс – довольно интересная штука. Наша одержимость предсказаниями настолько огромна, что ученые даже отправили в атмосферу аппараты, определяющие длину волн солнечного света. На основе собранных данных ученые вычисляют опасность от УФ-излучения в тот или иной день. Значение шкалы колеблется от нуля до одиннадцати (иногда выше), где ноль – самый низкий уровень излучения, а десять и выше – чрезвычайно высокий. Каждый раз, когда вы видите УФ-индекс, равный или больше трех, я рекомендую вам использовать солнцезащитный крем с SPF30+.

И еще одно предостережением. Если вы находитесь у отражающих поверхностей, например воды, снега или песка, то УФ-индекс может увеличиться в два раза. Именно поэтому люди предпочитают загорать на пляже, а не на заднем дворе своего дома. Именно поэтому люди намного быстрее загорают у воды. То же самое касается эпизодов, когда вы уезжаете в горы покататься на лыжах: если даже небольшая часть вашего лица открыта, она обязательно загорит.

И кто знал, что хорошая поездка на пляж включает в себя не только десятки искусственных полимеров, например спандекс, полиэтилен и полистирол, но и химические вещества, которые мы наносим на свое тело, чтобы защитить кожу и молекулы в ней от вредного излучения. Возрадуйтесь же, любители позагорать!