Сажа - сама чорна з усіх чорних речовин. Можна стверджувати (не боячись помилитися), що практично всі предмети чорного кольору своїм забарвленням зобов'язані в кінцевому рахунку сажі.
Що таке сажа
Здатність цієї речовини залишати незмивні сліди наші допитливі предки помітили приблизно 50 000 років тому. Доказом служать наскальні малюнки епохи палеоліту, вперше виявлені в іспанському гроті Альтаміра. Малюнки ці виконані сажовою фарбою, закріпленою якимось невідомим складом.
Прогресуючи, наші предки перейшли від наскальних забав до листа - спочатку на глині, а потім на папірусі, пергаменті та папері.
І тут у пригоді сажа. З неї в Давньому Єгипті робили фарбу для письма, а в Китаї - знамениту туш, рецепт виготовлення якої в античні часи перекочував до Європи. На Русі з сажі здавна отримували чорні, так звані копчені чорнила. Навіть в наш час, не дивлячись на значну конкуренцію кулькової ручки, на виробництво чорнила за рік витрачаються тисячі тонн сажі.
Не обійшлося без сажі і в книгодрукуванні. З часів Гутенберга і до наших днів поліграфія використовує цю речовину: в чорних друкарських фарбах міститься до 20% сажі.
З усього цього можна зробити висновок: протягом всієї історії розвитку цивілізації людство намагалося максимально використовувати чудові властивості сажі бруднити.
Сажа - вуглець, що вилітає у трубу
Мабуть, розповідь про сажу був би неповним без згадки про сажотруса - цих веселих замурзаних людей в чорних циліндрах з драбиною на плечі. Такими вони приходять до нас з казок... Однак робота сажотрусів була брудною і далеко не безпечною. Більше двохсот років тому (1775 р.) англійський лікар Персіваль Потт виявив рак шкіри у молодих сажотрусів, і сажу зарахували до розряду канцерогенних речовин. Але, як ми тепер знаємо, канцерогенна не сажа. Просто її обширна поверхня сорбує канцерогенні речовини - продукти неповного згоряння палива...
Сажа має дивовижну властивість осідати на будь-якій поверхні, за що, власне, і отримала свою назву. «Сажа» - від того ж кореня, що й «сідати».
Сажа вельми примхлива, її поведінка не визначається постійністю. При великому скупченні вона може текти подібно рідині, то застигати, утворюючи дуже в'язку, як би спечену масу, що перешкоджає виходу газів через трубу. Більш того, з газами вона часто утворює вибухонебезпечні суміші. Підступна властивість сажі - її надзвичайна пожежонебезпека. І в той же час підпалити сажу майже неможливо!
Існує повір'я, що сажотруси приносять щастя. Мабуть, це не випадково, бо вони своєю роботою по суті оберігають житла від вогню і чаду. Але ж бувало й таке, коли через нечищеність димоходів згорали цілі міста.
Зрозуміло, не вся сажа осідає в димоходах. Поряд з золою вона справедливо вважається одним з найсильніших забруднювачів атмосфери. І тут вже сажотруси нічого вдіяти не можуть.
Дарма думати, що сажотрус - професія минулого. У Лондоні, наприклад, і понині щосили коптять багато тисяч димарів, і англійці нерідко розплачуються задушливим смогом - сумішшю частинок золи, сажі і туману - через свою традиційну пристрасть до камінів.
Але що ж таке сажа? Це продукт неповного згоряння або термічного розкладання вуглецевих речовин, а з точки зору хімії - майже чистий вуглець. Ось як виглядає елементарний склад звичайної пічної сажі:
вуглецю - від 88,8 до 99,6%,
водню - від 0,1 до 1,0%,
кисню - від 0,1 до 4,5%.
Крім того, є незначні мінеральні домішки, водяна пара і різні гази, адсорбовані поверхнею сажі.
Сажа і каучук
Мода є мода. До неї схильні і автомото-щоголі. На початку минулого століття в моді були червоні і білі шини. (Звичний для нас чорний колір автопокришок утвердився дещо пізніше, коли в гуму як пігмент стали додавати сажу.)
Автомобільні шини того часу були хоча й гарні, але не міцні. Щоб зробити їх довговічніше, в гуму пробували додавати окис цинку і інші речовини. Але особливих результатів це не давало. Тим часом автомобілебудування розвивалося і вимагало більш досконалого взуття для автомобіля.
Допоміг випадок. Незадовго до першої світової війни в одній майстерні по виготовленню автомобільних шин складали чорну гумову суміш. Майстер, який готував суміш, мабуть, випадково переборщив і замість належних 3,0% ввів 30% сажі. Помилку виявили набагато пізніше, коли почали з'ясовувати, чому шини, зроблені саме в цій майстерні, стали з деяких пір більш пружними і зносостійкими, ніж у конкурентів. Так була знайдена можливість посилення гуми, поліпшення її властивостей, і сажа в шинній промисловості стала виконувати роль не тільки пігменту, але і активного наповнювача. І якщо вулканізація (за допомогою сірки) відкрила можливості для широкого практичного використання каучуку взагалі, то застосування сажі поклало початок використанню каучуку синтетичного.
Судіть самі: межа міцності при розтягуванні гумових виробів з натурального каучуку становить 200 кг/см2, а з синтетичного - в середньому лише 14. Добавка 50 вагових частин сажі на 100 вагових частин натурального каучуку збільшує межа міцності до 300 кг/см2, а синтетичного - до 240 кг/см2, тобто більш ніж в 15 разів!
У гумові суміші для шин сучасних автомобілів зазвичай вводять до 30% сажі. У порівнянні з шинами без сажі термін їх служби збільшився в десять разів. Як жартують фахівці, сучасні автомобілі їдуть не на гумі, а на сажі, утримуваної гумою.
Вся сила міцності гуми – в структурі
Механізм посилення гуми сажею вивчений поки недостатньо. Однак виявлений зв'язок між підсилюючою здатність сажі і величиною її частинок: чим вони менші, тим більше підсилюючий ефект. Іншими словами, властивості гуми залежать від будови сажі. А воно залежить від механізму її утворення, який в свою чергу залежить від способів отримання сажі. Ланки цієї своєрідної ланцюга ось уже багато десятиліть вивчають в загальному, з перемінним успіхом...
Сажа - не тільки самий чорний пігмент і найкращий наповнювач каучуку. Крім того, вона ще й саме мілкодисперсна речовина. Якби ми постаралися будь-яким відомим способом роздрібнити будь-яку речовину, то все одно не змогли б отримати частинок менших, ніж сажові, розмір яких складає від 90 до 6000 ангстрем. Такі дрібні частинки можна побачити тільки в електронний мікроскоп. А от вага сажі дуже мала: літр її важить всього 100 грам, оскільки в ньому міститься лише 50 см3 часток саж, а інше -повітря. Сумарна поверхня частинок, що містяться в тому ж літрі сажі, - від двох до 30 тисяч квадратних метрів - залежно від розмірів частинок.
Сажеві частки складаються з вуглецю в особливій формі, що не зустрічається в природних з'єднаннях.
Якщо не брати до уваги зверхекзотичний карбін, в природі існують дві модифікації вуглецю: алмаз і графіт. Сажу можна назвати зіпсованим графітом, так як її частки складаються з уламків кристалів графіту, складених в «пачки» - кристалітів по п'ять або по три штуки. Таку структуру іноді називають псевдокристалічною. Щільність часток сажі така ж, як у графіту, - приблизно в два рази більше щільності води.
Частинки сажі мають форму кульок і утворюють більш-менш розгалужені ланцюжки-намиста, звані сажовими структурами. Ось від цих щось намист і залежать найважливіші властивості сажі і як пігменту, і як наповнювача. Ланцюжкові структури являють собою як би матрицю, на яку вкладаються орієнтовані молекули каучуку: мабуть, в цьому і полягає одна з головних причин ефекту посилення каучуку сажею. Чорний колір цієї речовини теж обумовлений будовою її частинок: чим вони менші, тим менше сажа відбиває світло, тим вона чорніше.
Сажі з різними розмірами частинок відрізнити за кольором можна неозброєним оком, близькі ж по дисперсності сажі за кольором розрізнити дуже важко. Для цієї мети застосовують спеціальні прилади - нітрометри (чорноміри), в яких колір досліджуваної сажі порівнюється з еталоном. Такі прилади потрібні при створенні різних фарб і лаків. Є, правда, фахівці, які «на око» розрізняють до 60 відтінків чорного кольору, проте прилад все-таки надійніше...
Від гуталіну до вибухівки
В наші дні сажу застосовують дуже широко. Її використовують при виготовленні косметичних засобів і вибухових речовин, гуталіну, копіювального паперу і хімічних джерел струму, в цементній і електронній промисловості. Іноді сажа знаходить застосування в самих несподіваних випадках, наприклад в дорожньому будівництві - щоб усунути блиск автодоріг або злітно-посадкових смуг...
Зрозуміло, різні галузі пред'являють до сажі різні вимоги. Звідси - безліч марок сажі.
Ще в 24 році до н. е. римлянин Вітрувій описав піч для отримання сажі з смоли і смолистих дров. У наш час для виробництва сажі використовують різні вуглець речовини - газоподібні, рідкі, тверді. І отримують різну сажу по-різному: в печах, реакторах, спеціальних пристроях, з рідких вуглеводнів.
Отримати сажу з потрібними властивостями не так-то просто, тим більше що механізм її утворення до сих пір не зовсім ясний. Щоб надати сажі певні властивості, її частково окислюють, обробляють ультразвуком, напихають всілякими «ліками» у вигляді спеціальних присадок, зокрема брому і йоду. Щоб сажа менше курила і була більш зручною для транспортування, її пресують або гранулюють. Словом, сажа далеко не так проста, як може здатися на перший погляд.
Як сажа біла...
Парадоксальність цього твердження очевидна. Тим часом, біла сажа існує. Правда, спільного між чорною та білою сажею не більш, ніж між Білосніжкою і Попелюшкою. Білу сажу отримують при взаємодії чотирьоххлорного кремнію з парами води. Продукт реакції - дисперсний білий порошок аморфного двоокису кремнію. Розміри частинок білої сажі хоча і малі, але все ж раз в сто більші, ніж у чорній.
Як бачимо, з точки зору хімії, біла сажа нічого спільного з чорною сажею не має. А свою назву вона отримала за те, що застосовується в тих же цілях, що і її чорна тезка. Білу сажу використовують як наповнювач для спеціальних сортів гуми, яким необхідно надати білий колір, а також в якості білого пігменту при виготовленні лаків і фарб.
Виходить, все-таки є щось спільне у Попелюшки сімейства вуглецю і кремнієкисневої Білосніжки.
