ПОЧЕМУ РЕЗИНА РАСТЯГИВАЕТСЯ?

Возьмите железный гвоздь и попробуйте растянуть или согнуть его. Не получается? Повторите те же опыты с резиновой нитью или лентой. Разница налицо! Действительно, для того, чтобы растянуть полоску резины, предположим, на одну сотую ее длины, требуется приложить усилие в 100 000 раз меньшее, чем для такого же растяжения стального гвоздя. Да и не только в силах разница. Полосу резины можно удлинить раз в десять, и она не порвется. Эта способность к растяжению в 1000 раз превосходит растяжимость металлов. Что придает резине такие удивительные свойства? Конечно же, причины нужно искать в строении вещества, в форме молекул. Резиновыми изделиями люди начали пользоваться давно, но вот, как это ни удивительно, теория «растяжимости» резины была создана лишь в 1932 году швейцарцем Мейером. (Впрочем, и до сегодняшнего дня не на все вопросы в этой области ученые имеют ответы.)

Основу резины составляет каучук. Каучук состоит из длиннющих полимерных молекул— цепочек атомов углерода, соединенных с атомами водорода. Некоторые атомы углерода соединены не простыми, а двойными связями. Каждая молекула каучука состоит из нескольких тысяч таких звеньев, и молекулярная масса такого вещества доходит до сотен тысяч. То есть молекула каучука, грубо говоря, в сто тысяч раз тяжелее атома водорода. Каучук — полимер. В природе очень широко распространены полимерные вещества: это, например, белки, крахмал, целлюлоза. Но все такие полимеры можно разделить на две группы по следующему признаку. Вот, предположим, какой-то белок — гемоглобин или рибояуклеа-за. Любая молекула гемоглобина состоит из 574 звеньев-аминокислот, любая молекула рибонуклеазы содержит 124 аминокислоты. Не то в случае крахмала или каучука. Молекулы того и другого могут иметь различную длину, разную молекулярную массу, содержать разное число звеньев. Поэтому мы говорим лишь о средней молекулярной массе, о средней длине, характерной для большинства молекул.

А кстати — какова длина «средней» молекулы каучука? Если вытянуть ее в нить, то длина ее будет порядка микрона. Вы можете изготовить «модель» такой молекулы. Возьмите тонкую шелковую нить длиной примерно полметра — она будет передавать соотношение толщины молекулы каучука к ее длине. Вот мы сказали: «Если вытянуть молекулы»… На деле в твердом состоянии или в растворе молекулы многих полимеров имеют вид зигзагообразных кривых. Представление об этом вы получите, если бросите модель-нитку на поверхность воды в тазу: она примет форму причудливой кривой.

Форму молекулы — точнее, некоторые характерные особенности ее формы— можно «предсказать» теоретически. Проделайте такой опыт, напоминающий игру в жмурки. Завяжите вашему товарищу глаза, раскрутите его и попросите сделать шаг. Нанесите на бумагу направление его движения. Снова раскрутите товарища и попросите его шагнуть снова и снова. Так вы получите ломаную линию — геометрическую модель полимерной молекулы. (Отметим, что в действительности молекулы располагаются в трехмерном пространстве, мы же «работаем» в плоскости, но и плоская модель отражает ту принципиальную сторону дела, о которой идет речь.) Попробуйте измерять, насколько будет удаляться ваш товарищ от исходной точки по мере того как число шагов растет. Величина удаления тоже будет расти, но в среднем этот рост будет пропорционален не числу шагов, как можно было бы предположить, а корню квадратному из числа шагов. Та же характерная закономерность соблюдается и у молекул резины: в среднем расстояние между концами молекулы пропорционально квадратному корню из числа ее звеньев.

Эта характерная деталь служит своеобразным признаком «свернутости» молекулы: в самом деле, ведь если бы она была прямой, расстояние между ее концами было бы равно ее длине и пропорционально числу звеньев, а не корню из этого числа! Отдельную молекулу мы моделировали ниткой, но, чтобы изготовить модель вещества, в котором множество молекул, нитки должны быть связаны друг с другом. Роль узлов, скрепляющих отдельные молекулы каучука в резине, выполняют мостики из двух атомов серы. Вводятся эти мостики при вулканизации каучука — обработке его серой при повышенной температуре.