Химические свойства
Химические свойства материалов и изделий характеризуются их реакцией на действие различных химических веществ. От этого зависит как режим технологической обработки материалов и готовых изделий, так и сроки службы (годности, реализации).
Химический состав и внутренняя структура определяют химические свойства вещества. Они формируются, в частности, в процессе технологической обработки. Объективно существует логическая цепочка: химический состав — технология — структура — свойства изделия. Эту фактическую взаимосвязь химического состава и структуры со свойствами готовых изделий, с факторами, оказывающими влияние на эти свойства изделий, изучают материаловедение и технология.
Химический состав обусловливается прежде всего конкретными химическими элементами, соединенными в определенных количествах, а также порядком их соединения и распределения в пространстве.
Химический состав важен абсолютно для всех товаров. Он определяет пищевую ценность продуктов питания. Недостаток некоторых химических элементов в организме человека может вызвать, например, расстройство нервной системы, нарушение обмена веществ, заболевания пищеварительного тракта. А наличие даже незначительного количества токсичных элементов (олова, свинца, ртути, селена, мышьяка и др.) в продуктах питания может привести к отравлению и тяжелым заболеваниям.
Количественное содержание компонентов в жидкой, твердой и газообразной смеси характеризуется концентрацией. Концентрация может быть выражена в массовых и молярных долях.
Молярная концентрация равна отношению количества компонента, выраженного в молях, к объему системы (чаще раствора), выражается в моль/л. Кроме того, концентрация может выражаться и в безразмерных величинах: массовая доля, объемная доля, молярная доля.
Массовая доля — безразмерная величина, равная отношению массы компонента смеси к массе смеси. Например, при оценке качества текстильных материалов оценивают массовую долю волокон, составляющих текстильный материал. Массовая доля может выражаться в процентах или долях единицы. Объемная доля характеризует состав смеси. Она равна отношению объема компонента смеси, приведенного к физическим условиям смеси, к объему смеси.
Молярная доля равна отношению количества вещества компонента в молях к общему количеству молей вещества смеси. Комплекс потребительских свойств изделий предопределяется структурами всех уровней. Уровни структуры располагаются иерархически и выглядят следующим образом: макроструктура, микроструктура, мезоструктура, межатомная структура (например, кристаллическая).
Макроструктура определяется строением твердых тел, которое видно невооруженным глазом или при небольших увеличениях под лупой.
Микроструктура видна при увеличении, получаемом при помощи микроскопов. Характер микроструктуры (размеры, форма и взаимное расположение кристаллов) оказывает большое влияние на свойства материалов.
Мезоструктура характеризуется структурой и расположением элементарных частиц. Элементарные частицы — субъядерные частицы, т. е. мельчайшими частицы материи (например, электроны), которые не являются молекулами, атомами, ионами и проч.
Отдельные свойства и их показатели обусловлены преимущественно структурой того или иного уровня. Это обстоятельство вызывает необходимость оценки количественных зависимостей свойств от показателей соответствующих структур.
Как отмечалось выше, наиболее важными из химических свойств являются: отношение к действию воды (растворимость в воде, водостойкость), кислот, щелочей, отношение к действию окислителей, восстановителей и растворителей, а также отношение к действию высокой или низкой температуры.
Отношение к действию воды (растворимость в воде, водостойкость) характеризует отношение материала к действию воды при различной температуре в течение того или иного времени. Для одних товаров растворимость в воде является положительным показателем (моющие вещества), для других — отрицательным (пленочные покрытия).
Растворимость влияет на прочность, сопротивление истиранию, защитную способность, прочность и способность к окраске и др. Так, прочность вискозных нитей и тканей при увлажнении снижается вдвое. Металлические изделия под действием влаги подвергаются коррозии, в результате снижается их прочность и ухудшается внешний вид. Синтетические волокна по сравнению с натуральными поглощают мало воды, что усложняет их крашение и печать.
Нерастворимыми в воде (водостойкими) являются, например, силикатные товары (стеклянные, фарфоровые, фаянсовые), большинство пластических масс.
Для повышения водостойкости некоторые изделия покрывают специальными пленками, пастами, красками и другими составами. Отношение товаров к воде имеет значение для определения условий эксплуатации, условий и сроков их хранения, транспортирования, вида и характера упаковки.
Отношение к действию кислот — это способность материалов и изделий реагировать на действие органических и неорганических кислот. Действуя на материал кислотой, можно определить его химическую природу. Например, шерстяные волокна не растворяются в слабых растворах серной кислоты, а растительные волокна (хлопок, лен) растворяются, что позволяет определить шерсть в смеси с хлопком, льном и другими растительными волокнами.
Некоторые изделия в процессе эксплуатации соприкасаются с кислыми средами. Это учитывается, когда при их изготовлении выбираются материалы, устойчивые к действию таких сред. Кислоты, особенно щавелевая и винная, растворяют ржавчину и чернила, поэтому они входят в состав средств для выведения ржавых и чернильных пятен.
Высокую устойчивость к действию кислот, за исключением плавиковой кислоты, имеют стекло, керамические изделия. А плавиковая кислота применяется для ремонта стеклянных и керамических изделий. Металлические изделия (кроме изделий, изготовленных из благородных металлов) под действием кислот постепенно разрушаются.
Некоторые материалы и изделия обладают стойкостью к одним кислотам и нестойки к другим. Так, соляная кислота меньше разрушает древесину, чем серная.
Отношение к действию оснований — это способность материалов и изделий сохранять или изменять свои свойства под действием оснований. По отношению к действию оснований также распознают природу материалов.
Она имеет значение при оценке качества моющих средств, стирке белья, мойке посуды и т. д. Отношение к действию оснований учитывают и при технологической обработке изделий. Так, концентрированные растворы щелочей гидролитически действуют на полиэфирные волокна, это приводит в конечном счете к их деструкции. Это следует учитывать при отделке тканей из полиэфирных волокон.
Отношение к действию окислителей и восстановителей. При изготовлении, эксплуатации, хранении и уходе изделия подвергаются действию веществ, обладающих окислительными и восстановительными свойствами. Под действием кислорода воздуха (особенно в присутствии влаги), NO2, SO2 происходит окисление некоторых изделий. Они стареют, теряют эластичность, гибкость, становятся хрупкими, некоторые из них ржавеют.
При окислении олифы и масляных лаков образуются нерастворимые продукты (пленка). У многих полимеров под действием окислителей ускоряются процессы старения. Для защиты полимеров от старения применяют антиоксиданты, например замещенные фенолы, ароматические амины, органические соединения серы и проч.
При хранении товаров бытовой химии и ряда материалов на основе высокомолекулярных соединений возможны вредные для товаров последствия, вызванные присутствием восстановителей, например сероводорода воздуха.
Отношение к действию органических растворителей — спирту, бензину, бензолу, ацетону, четыреххлористому углероду, дихлорэтану — необходимо учитывать для установления режима химической чистки изделий, при операциях отделки, а также при изготовлении.
Стойкими ко многим растворителям являются стекло, керамика. Пластические массы, например полистирол, полиметилметакрилат, легко растворяются в ряде растворителей, что учитывают при производстве и ремонте изделий из них. Отношение к действию температуры. Температура существенно влияет на химический состав и структуру материалов и изделий. Материалы могут подвергаться воздействию высоких и низких температур. Так, под действием высоких температур происходит необратимая коагуляция (денатурация) белков в пищевых продуктах. Жиры при нагревании до 250–300 °С разрушаются с выделением летучих веществ.
Процесс высокотемпературного превращения (разложения) органических соединений, который сопровождается их деструкцией и вторичными процессами (полимеризации, изомеризации, конденсации), называется пиролизом. Обратный процесс, проходящий при воздействии на материалы пониженных температур (ниже –50 °С), называется криолизом.
