И уж точно «не на месте» грязь на нашей одежде. Вот только как удалить ее, не повредив ткань? Ведь вещества, которые загрязняют нашу одежду, порой не так уж отличаются по составу от тех, что лежат в основе самой ее структуры или придают ей цвет.

Отделить одни вещества от других не так-то легко, и в прошлом стирка представляла собой нелегкое испытание для ткани. К счастью, теперь, благодаря достижениям науки, она превратилась в действие с применением современных технологий: здесь совместно работают синтетические моющие средства и удивительные машины, которые в нужное время добавляют их в раствор, поддерживают нужную температуру, выполняют полоскание и отжим белья.

Нанесите на кусок тряпки или просто на руку немного масла и попробуйте смыть его водой. Сделать это не просто: масло не растворяется в воде и не смешивается с ней. Но достаточно добавить немного мыла или стирального порошка – и задача легко решается. Молекулы мыла или моющего средства окружают микроскопические капельки масла и позволяют воде смыть их. Эти молекулы чувствуют себя «как дома» и в воде, и в масле, что и дает нам возможность стирать замасленные вещи.

Главная проблема стирки – как удалить с ткани загрязнения сразу нескольких типов. Некоторые из них представляют собой полярные молекулы, на противоположных концах которых имеется положительный или отрицательный электрический заряд, другие же молекулы электрически нейтральны и не несут заряда. Такие вещества по-разному ведут себя в воде или иных растворителях. Хуже того, есть такие загрязнения, которые не растворяются ни в чем, во всяком случае, ни в чем, что мы могли бы себе представить! Вот и попробуйте удалить все это с ткани, не повредив ее…

К числу веществ с полярными молекулами относятся соли, которые остаются на одежде, когда мы потеем, а также частицы почвы. В воде эти растворимые загрязнения ионизируются, обрастают оболочкой из молекул воды и уносятся с ткани. За свою «любовь» к воде такие вещества называют гидрофильными.

К гидрофилам относится сахар и другие углеводороды – их полярные молекулы также легко растворяются в воде.

Напротив, вещества с неполярными молекулами, к которым относятся различные масла и жиры, в том числе те, которые образуются на нашей коже, растворяются только в растворителях с такими же неполярными молекулами – бензине или керосине. С водой они категорически «не дружат», за что и получили название гидрофобных.

В принципе, можно постирать белье сначала в воде, чтобы растворить и смыть гидрофильные загрязнения, а потом с помощью бензина удалить гидрофобные пятна. Но это потребует времени, и не пойдет на пользу ткани: по окончании такой стирки она изрядно состарится, а некоторые пятна все равно останутся. Так что водой и бензином нам не обойтись: нужны моющие средства, отбеливатели, кондиционеры и прочая современная химия.

Эффективным моющим средством, известным с древнейших времен, является мыло, которое представляет собой смесь растворимых солей высших жирных кислот (стеариновой, пальмитиновой, олеиновой и др.). Обычно это натриевые соли, реже – калиевые или аммониевые.

Как у всех солей, у мыла полярные молекулы, но за счет своей сложной органики они очень длинные. Как все соли, в водном растворе молекула мыла дает положительный ион того же натрия или калия, что для нас, в общем-то, неинтересно. Гораздо интереснее ее отрицательный ион: за счет большой длины молекулы один его конец, где «сидит» заряд, является гидрофильным, а другой конец – нейтральным и, соответственно, гидрофобным. Вот так! Что называется, сразу два в одном флаконе: один конец молекулы действует независимо от другого, один чувствует себя «как дома» в воде, другой – в масле. Такое строение, называемое дифильным, позволяет мылу быть в буквальном смысле связующим звеном между несовместимыми субстанциями – водой и жиром.

Если в воду поместить небольшое количество мыла, оно образует на ее поверхности тонкую пленку толщиной всего в одну молекулу, причем в этой пленке полярные (гидрофильные) концы молекул обращены к воде, а нейтральные (гиброфобные) направлены вверх, в воздух. Такой «нейтралитет» поверхности жидкости существенно сказывается на ее свойствах: снижается так называемый коэффициент поверхностного натяжения. Сила поверхностного натяжения чистой воды заставляет ее собираться в капельки, особенно на жирной, гидрофобной поверхности. Вода же с добавкой мыла растекается по поверхности, смачивает ее. В этом состоит важнейший вклад мыла в процесс стирки.

Капля чистой воды: (a) почти не растекается по большинству поверхностей (b). Капля воды с добавкой мыла (с) хорошо смачивает поверхности (d).

Есть такая пародия на африканские сказки: «Почему вода мокрая» (сказка племени спасаев). «Давным-давно, когда солнце в Африке было небольшим и холодным, вода была сухая, без вкуса, без цвета, без запаха. Ни звери, ни люди не замечали воду и не приходили к ней, чтобы напиться или утонуть... Тогда вода побежала к богу воды Тю-Тю и взмолилась, говоря: «О, мой бог Тю-Тю! …» Ну, и так далее. В общем, на исходе восьмой луны бог не выдержал назойливых приставаний и в сердцах воскликнул: «Тьфу ты!» С тех пор вода влажная».

Шутки шутками, но получается, что вода с добавкой мыла – более мокрая, чем обычная вода: она хорошо смачивает волокна ткани, проникает в них, что способствует удалению загрязнений.

…А мыло, и подобные ему вещества, с тех пор называют сурфактантами, или поверхностно-активными веществами (ПАВ).

В нашем предыдущем мысленном опыте в воду добавлялось совсем немного мыла. А если мыла много? Тогда его ионы образуют сферические структуры (мицеллы), в которых заряженные, гидрофильные концы молекул обращены наружу, а нейтральные – внутрь. Многие, вероятно, замечали, что водные растворы мыла или стиральных порошков приобретают голубоватый оттенок – это следствие преломления света мицеллами.

Данные структуры – второй вклад мыла в процесс стирки. Ведь они обладают обволакивающими свойствами, эффективно захватывая частицы жира, которым уже не вырваться из мицеллы. Достаточно даже небольшого теплового или механического возбуждения мицеллы, чтобы она «схватила» жирное загрязнение с поверхности ткани.

Мицеллы обволакивают так же и нерастворимые частицы, удерживая их в состоянии суспензии, благодаря чему те могут быть легко удалены водой.

Заметим, что поверхность мицеллы имеет отрицательный электрический заряд. Такой же заряд возникает на волокнах ткани под действием ионов водорода. Поэтому мицеллы отталкиваются от волокон, и загрязнения уже не могут снова осесть на них.

Если сухой вода бывает только в пародиях на африканские сказки, то жесткой – увы, частенько. Жесткой считается вода, в литре которой содержится свыше 120 мг положительных ионов кальция или магния. Положительных – в смысле электрического заряда, но никак не в плане влияния на процесс стирки: оно как раз самое убийственное!

Ионы этих металлов (а у них на один заряд больше, чем у натрия или калия, ведь кальций и магний – двухвалентные металлы) связывают отрицательные мыльные ионы, в результате чего образуется пена, оседающая на стенках баков стиральных машин, в трубах, и, самое неприятное – на одежде, которую мы стираем. Эта пена – настоящее бедствие, ведь соли кальция и магния практически нерастворимы в воде.

Как же смягчить воду? В посудомоечных машинах для этого имеются специальные устройства (декальцификаторы), в которых используется ионообменная смола. Но в стиральных машинах, расходующих намного больше воды, таких устройств нет.

Вместо этого современные моющие средства содержат добавки, связывающие ионы кальция и магния, и изолирующие их от ионов мыла. Наиболее эффективной из таких добавок является триполифосфат натрия.

Все бы хорошо, но после стирки моющий раствор сливается в канализацию, а в итоге оказывается в реках и озерах, для которых это вещество – не подарок. Поэтому из экологических соображений в последнее время в качестве смягчающей добавки в моющие средства добавляют другие вещества – лимонную кислоту, карбонат натрия и др.

До сих пор мы все время говорили о мыле, как о самом древнем из известных человеку моющих средств. Есть данные, что мыло изготовлялось ещё в древнем Шумере и Вавилоне около 2800 г. до н. э. Египетский папирус середины второго тысячелетия до нашей эры свидетельствует, что египтяне регулярно мылись с помощью мыла. Широко применялись подобные моющие средства и в Древнем Риме. Легенда гласит, что само слово soap (мыло) произошло от названия горы Сапо в древнем Риме, где совершались жертвоприношения богам. Животный жир, выделяющийся при сжигании жертвы, скапливался и смешивался с древесной золой костра, а полученная масса смывалась дождем в глинистый грунт берега реки Тибр, где жители стирали белье. Естественно, наблюдательность человека не упустила того факта, что благодаря этой смеси одежда отстирывалась гораздо легче.

Но в наши дни уже мало кто стирает мылом, и тем более оно не используется в современных стиральных машинах.

На смену мылу пришли синтетические моющие средства (СМС), чаще всего в виде порошков. Молекулы всех этих веществ, подобно молекулам мыла, помогают «связать одной цепью» воду и жирные загрязнения. Стиральные порошки содержат поверхностно-активные вещества, другие активные компоненты (например, оптические отбеливатели), отдушки, вещества для связывания ионов кальция и магния, биоактивные вещества (энзимы), а также балласт из солей (например, сульфат натрия). В стиральном порошке, предназначенном для автоматической стирки в машине, присутствуют вещества, подавляющие пенообразование.

Отстирывающее действие некоторых синтетических ПАВ было открыто бельгийским химиком А.Рейхлером в 1913 г., а в продажу стиральные порошки поступили в Германии в 1917 г., что было очень кстати в связи с послевоенным дефицитом мыла.

Широкому проникновению СМС в быт способствовала конверсия американских заводов по производству авиационного топлива в конце 1940-х гг. Военная промышленность была перепрофилирована на выпуск тетрапропилена, в то время составлявшего основу бытовых стиральных порошков.В 1960 гг. в составе синтетических моющих средств появились биоактивные компоненты (энзимы), способные растворять протеиновые загрязнения на ткани, такие как следы крови, яичного белка, молока и пр.

Все СМС принято разделять на три группы: анионные; катионные и неионные. Молекулярная структура любого моющего средства всегда одна и та же: длинная гидрофобная (водоотталкивающая) цепочка, на одном конце которой – гидрофильная (водолюбивая) группа.

В водном растворе такая макромолекула может ионизироваться так, что ее гидрофильная группа будет нести отрицательный заряд. В этом случае СМС является анионным, и, подобно знакомым нам мыльным мицеллам, его молекулы отталкиваются от мокрых волокон ткани, что облегчает удаление загрязнений.

С неионными СМС тоже все понятно: они вообще не ионизируются.

Однако ионизация может пройти и так, что гидрофильная группа получает положительный заряд. Таковы катионные СМС, почти бесполезные с точки зрения стирки, но играющие другую, очень важную роль. Во-первых, они обладают хорошими дезинфицирующими способностями.

Во-вторых, катионные СМС являются хорошими умягчителями белья, поскольку их молекулы притягиваются влажными волокнами ткани. Это умягчение не имеет ничего общего с умягчением воды, в данном случае оно означает эффект придания ткани большего объема, большей мягкости, большей облегающей и драпирующей способности. Эффект умягчения более всего заметен на тканях, имеющих ворс или мелкий завиток по поверхности, таких как, банные полотенца, халаты или покрывала из махровой ткани.

Умягчители вводятся в бак стиральной машины в конце цикла стирки, перед фазой отжима белья. На этом этапе белье плотно прижимается центробежными силами к перфорированным стенкам вращающегося барабана, и придание ткани гидрофобных свойств только помогает ей освободиться от влаги, которая уходит через отверстия перфорации.

В кювете дозатора для моющих средств стиральной машины имеется отделение, куда заливается жидкий умягчитель ткани.