ყოველდღიური ქიმიური ნაერთების კვალდაკვალ

ზაფხულის განუყოფელი ნაწილია ნაყინი. ერთი შეხედვით ნაყინი მარტივი დესერტია, თუმცა მის უკან კომპლექსური ქიმია დგას. ეს ინფოგრაფიკა ნაყინის ინგრედიენტებს მიმოიხილავს და ხაზს უსვამს თითოეული კომპონენტის მნიშვნელობასა და გავლენას საბოლოო პროდუქტზე. აღსანიშნავია, რომ საკმაოდ ბევრი რამის თქმა შეიძლება ნაყინთან დაკავშირებით, ეს ინფოგრაფიკა მხოლოდ მიმოხილვაა.

როგორც აღვნიშნე, ერთი შეხედვით რთული დასაჯერებელია, რომ ნაყინი რთული რამაა, იგი ხომ ჩვენთვის ცნობილი ინგრედიენტების: რძის, ნაღებისა და შაქრის ნაზავია. რამდენად რთული შეიძლება იყოს ამ სამი კომპონენტის შერევა? როგორც აღმოჩნდა: საკმაოდ რთული! ამ სამი ინგრედიენტის უბრალოდ შერევითა და გაყინვით კარგი ნაყინი არ მიიღება. იმისათვის, რომ გავარკვიოთ რატომ, აუცილებელია ვისაუბროთ თითოეულ კომპონენტზე და მათ როლზე ნაყინის მიღებაში.

ნაყინი ემულსისას წარმოადგენს, ცხიმისა და წყლის კომბინაციას, რომლებიც ერთმანეთში არ ერევა, მაგრამ ემულსიაში ცხიმის მცირე ნაწილაკები წვეთების სახით დისპერსირებულია (გადანაწილებულია) წყალში, რაც განცალკევებას უვლის გვერდს. ეს არ მოხდებოდა, რომ არა ემულსიაში შემავალი მოლეკულების ქიმიური თვისებები.

ცხიმის წვეთები (გლობულები) აღებულია ნაღებიდან. ცხიმების კლასს მიეკუთვნება მოლეკულები, რომლებსაც ტრიგლიცერიდები ეწოდებათ (მცირე ნაწილი, 2%, ფოსფოლიპიდები და დიგლიცერიდები). ტრიგლიცერიდები შედგებიან გლიცერინისა და სამი ცხიმოვანი მჟავას მოლეკულებისაგან, როგორც ეს ინფოგრაფიკაზეა ნაჩვენები ცხიმების დნობის ტემპერატურის გათვალისწინება ნაყინის დამზადებისას ძალიან მნიშვნელოვანია, რადგან ის ცხიმები, რომელთაც დნობის ძალიან მაღალი ტემპერატურა ახასიათებთ, ნაყინს ცვილისებრ ტექსტურას აძლევენ, ხოლო ნაყინის მყარი მდგომარეობის შენარჩუნება რთული ხდება, როდესაც გამოყენებულია ცხიმები დაბალი დნობის ტემპერატურით. საინტერესოა, რომ ნაყინის დამზადება შესაძლებელია, აგრეთვე, პალმისა და ქოქოსის ზეთითაც...

როგორც უკვე აღვნიშნე, ნაყინში შემავალი ცხიმი არ შეერევა წყალს. იმის მიზეზი, თუ რატომ არ ერევა, მაგრამ მაინცაა დისპერსირებული, რძეში შემავალი ცილებია. ნაყინის წარმოების პროცესში ცხიმი მცირე მილში გადის მაღალ წნევაზე, რათა მოხდეს ცხიმის მცირე ნაწილებად (წვეთებად) დანაწევრება. რძის ცილები ეკრობიან ცხიმის წვეთების ზედაპირს, რის შედეგადაც წარმოქმნიან თხელ მემბრანას. ეს ცილის მოლეკულების მემბრანა ხელს უშლის ცხიმის მცირე წვეთებს შეერთდნენ და დიდი წვეთები წარმოქმნან, რადგან ცილები, რომელთაც ცხიმები ალყაში ჰყავთ მოქცეული, განიზიდავენ ერთმანეთს, როდესაც მეორე წვეთთან შეეცდებიან კონტაქტს.

აღსანიშნავია ემულგატორების როლი ნაყინში. როგორც წესი, მათი როლია ემულსიების მიღების გამარტივება - მოლეკულის ერთი ბოლო წყალში ხსნადია, ხოლო მეორე - ცხიმში. ემულგატორები გარშემორტყმულნი არიან ცხიმის ან ზეთის წვეთებს და აძლევენ საშუალებას შეერიონ წყალს.

ნაყინში ემულგატორების თავის სახელს არ ამართლებენ - პირიქით ისინი ცხიმის დეემულსიფიცირებას (დეემულგაციას) უწყობენ ხელს. ემულგატორები ამას ახერხებენ რძის ცილის ზოგიერთი მოლეკულის ჩანაცვლებით ცხიმის წვეთების ზედაპირზე. ამით მიიღება უფრო თხელი მემბრანა ცხიმის წვეთის გარშემო, რაც ზრდის იმის შანსს, რომ წვეთები ერთმანეთს იპოვიან და უფრო დიდ გლობულებს წარმოქმნიან. ნაყინში საჭიროა, რომ ზოგიერთი ცხიმის წვეთი დეემულგირებული იყოს, რადგან ეს მნიშვნელოვან როლს თამაშობს ჰაერის დაჭერაში.

როდესაც მიიღება ნაყინი, მაშინათვე ხდება მისი აერაცია და გაყინვა. უმეტესი ნაყინს საკმაო მოცულობის ჰაერი ექნება და სწორედ ამისთვისაა საჭირო ცხიმების, ცილების და ემულგატორების ზუსტი კომბინაცია. საკმაოდ რთულია რაიმე პროდუქტში ჰაერის ინკორპორაცია, სადაც ცხიმები ან ცილები არაა, ამის მაგალითია სორბეტი. კარგი ხარისხის ნაყინს ჰაერის ნაკლები შემცველობა (ანუ მაღალი სიმკვრივე) აქვს ხოლმე. ჰაერის დიდი რაოდენობა, აგრეთვე, ნაყინის სწრაფ დნობას განაპირობებს.

გაყინვა კიდევ ერთ მნიშვნელოვან ელემენტს მატებს ნაყინს: თვით ყინულს. თანამედროვე ქარხნები უმეტესწილად თხევად ამიაკს იყენებენ ხოლმე, რათა დაბალი ტემპერატურა მიიღონ, მაგრამ სანამ ეს ტექნოლოგია გახდებოდა ხელმისაწვდომი, წყლისა და მარილის ნარევსაც იყენებდნენ. წყალში მარილის დამატება ხსნარის გაყინვის ტემპერატურას წევს -21.1˚C-მდე, ხოლო თხევადი ამიაკი -30 ˚C-მდე ტემპერატურას წარმოქმნის. რაც უფრო ცივია გამაგრილებელია გამოყენებული, მით უფრო სწრაფად შეიძლება ნაყინის დამზადება.

ნაყინი კეთდება კასრში, რომელშიც ტრიალებს საფხეკი პირები. როდესაც ნაყინი ეხება კასრის გვერდებს, იგი იყინება, რის შემდეგაც საფხეკი მაშინათვე აიღებს მას. მიღებული ძალიან მცირე ზომის ყინულის კრისტალები ნარევში დისპერსირდება. რაც უფრო წვრილია კრისტალები, მით უფრო გლუვი ტექსტურის ნაყინი მიიღება.

როგორც ზემოთ აღვნიშნე, შაქარი ერთ-ერთი ძირითადი კომპონენტია ნაყინის დასამზადებლად. შაქარს ნაყინისთვის ტკბილი გემოს მიცემის გარდა, აქვს სხვა ფუნქციაც: წყლის გაყინვის ტემპერატურის შემცირებაში ეხმარება, რაც ნაკლები ყინულის კრისტალების წარმოქმნას უწყობს ხელს გაყინვის პროცესში. შაქრის ტიპისა და რაოდენობის ცვლილებით, შესაძლებელია ნაყინის სიმყარის ცვლა. რაც უფრო რბილია ნაყინი, მით უფრო ნაკლებ ყინულს შეიცავს იგი. შაქარი აგრეთვე გავლენას ახდენს თხევადი სიროფის სიბლანტეზე, რომელშიც ‘გაჭედილია’ ჰაერის ბუშტები და ცხიმის წვეთები.

სტაბილიზატორებიც ახდენენ სითხის სიბლანტეზე გავლენას. ისინი წყალში ხსნადი მოლეკულები არიან, რომლებიც მიღებულია მცენარეებიდან და თამაშობენ მნიშვნელოვან როლს. უფრო ხშირად გამოიყენება ხოლმე ნატრიუმის ალგინატი, რომლის მიღებაც ზღვის მცენარეებიდან შესაძლებელი. კიდევ ერთი ასეთი სტაბილიზატორია კარაგენანი (ნაკლებად გამოიყენება ფასიდან გამომდინარე). სტაბილიზატორები ნაყინის დნობის სიჩქარეს ამცირებენ და გლუვ ტექსტურას აძლევენ ნაყინს.

სხვა ინგრედიენტები კიდევ უფრო უცნაურად მოგეჩვენებათ. სკატოლი არის მოლეკულა, რომელიც ექსკრემენტებში გვხვდება, მაგრამ მისი მცირე რაოდენობა ნაყინშიცაა. საინტერესოა, სკატოლს მაღალი კონცენტრაციით აქვს ისეთი სუნი, როგორიც ექსკრემენტებს აქვს, მაგრამ დაბალი კონცენტრაციით მას აქვს ყვავილოვანი სურნელი. ზოგიერთ ნაყინში მას უმატებენ გემოს გამაძლიერებლად.

საბოლოოდ, ხაზი უნდა გავუსვა ნაყინთან დაკავშირებულ დეზინფორმაციას. კერძოდ, შეიძლება გაგონილი გქონდეთ, რომ ნაყინი შეიცავს „თახვის მუშკას“. უფრო ზუსტად, არასენსაციური ტერმინით რომ ვთქვა, ლაპარაკია კასტორეუმზე, ნივთიერებაზე, რომელიც გამომუშავდება თახვის სათესლე ჯირკვლების მიერ (და არა ანალურ ჯირკვლებში, როგორც ზოგიერთი ამბობს, თუმცა ახლოს არის ერთმანეთთან). FDA-ს მიერ დადგენილია, რომ კასტორეუმი არის უსაფრთხო ნივთიერება და, როგორც ჩანს, დაბალ კონცენტრაციებზე ვანილის გემო აქვს...

თუმცაღა კასტორეუმი საკმაოდ ძვირია. გათვილია, რომ კასტორეუმის ის რაოდენობა, რომელიც საკმარისა, რომ ჩაანაცვლს ვანილი ნახევარ გალონ ნაყინში ეღირება $120. შესაბამისად, მისი გამოყენება არ იქნება ეფექტური. გარდა ამისა, მწარმოებლებმა, რომლებიც, რასაკვირველია, არ აცხადებენ ნაყინის ზუსტ რეცეპტს, აღნიშნეს, რომ კასოტრეუმს წარმოებისთვის არ იყენებენ. სინამდვილეში ეს ნაერთი უფრო მეტად პარფიუმერიაში გამოიყენება.

საინტერესოა ACS-ის ვიდეო ნაყინზე.

ბიბლიოგრაფია და დამატებითი საკითხავი:

• Ice cream & chemistry – ACS ChemMatters Online;
• Skatole – University of Bristol Molecule of the Month;
• Colloidal aspects of ice cream – a review – H Douglas Goff;
• The Science of Ice Cream (£) – C Clarke;
• https://deagogishvili.wordpress.com/2016/08/20/ნაყინის-ქიმია-•-ice-cream-chemistry/.

სრულად

ნაყინი, მეცნიერება, ზაფხული

რა განსხვავებაა სულფატებსა და სულფიტებს შრის, ქლორატებსადა პერქლორატებს? მოცემული ინფოგრაფიკა ასახავს იმ ძირითად პოლიატომურ იონებს, რომლებიც ხშირად შეგხვდებათ ქიმიის სწავლისას.

ამ იონთა სტრუქტურებში შეხვდებით წყვეტილი ხაზებით გამოსახულ ბმას, რომელიც უჩვენებს, თუ სად ხდება მუხტის დელოკალიზაცია. იონის მუხტი გარედანაა ნაჩვენები. ჩემთვის ცნობილია, რომ ბმების ამ მეთოდით გამოსახვა სკოლის მოსწავლეებისთვის უჩვეულოა, თუმცა გადავწყვიტე, რომ ასე დავტოვო.

რა თქმა უნდა, პოლიატომური იონების რაოდენობა ამ ინფოგრაფიკით არ შემოისაზღვრება. არი იონებიც, რომლებიც სკოლის მოსწავლეები არ შეხვედრილან.

სრულად

ქიმია, ნაერთები, ფორმულა, პოლიატომური იონები

2015 წელს სოციალური ქსელში „ფოლკსვაგენის“ შესახებ არც ისე სახარბიელო ინფორმაცია გავრცელდა. კომპანიამ აღიარა, რომ მილიონობით მანქანაში დამონტაჟებული იყო ე. წ. „დამმარცხებელი მოწყობილობა“, რომელიც გამონაბოლქვის ტესტირების დროს გაცილებით ნაკლებ დამაბინძურებლების დონეს აჩვენებდა, ვიდრე ჩვეულ რეჟიმში მუშაობდა. უამრავი სტატია გამოქვეყნდა ამ სკანდალის შესახებ. დღეს ვისაუბროთ, თუ როგორ შეიძლება ქიმია მოვიშველიოთ, რათა ატმოსფერული დამაბინძურებლების კონცენტრაცია მინიმუმამდე იყოს დაყვანილი ჰაერში.

ავტომობილთა გამონაბოლქვი

ჩვენი მიზანია, რაც შეიძლება მცირე რაოდენობა დამაბინძურებელი აირებისა იყოს გამონაბოლქვში. ამ აირებში შედიან ნახშირწყალბადები, რომლებიც უბრალოდ დაუწველი საწვავია, მყარი ნაწილაკები (მაგ.: ჭვარტლი). გარდა ამისა, ნახშირბადის მონოოქსიდი, მომწამვლელი, უფერო აირია, რომლის მოცილებაც აუცილებელია. დამბინძურებლები, რომლებიც VW-ის ამბავში იყო გარეული, აზოტის ოქსიდებია. ეს ნაერთები წარმოიქმნება წვის რეაქციის შედეგად, რომელიც მიმდინარეობს ძრავში, თანაურ პროდუქტებად და რომლებსაც არაერთი ეკოლოგიური პრობლემის გამოწვევა ძალუძთ.

მიუხედავად იმისა, რომ აზოტის მონოოქსიდი (NO) უფრო მეტად წარმოიქმნება გვერდით პროდუქტად წვის რეაქციებში ვიდრე აზოტის დიოქსიდი (NO₂), ეს უკანასკნელი უფრო მეტ რისკებთანაა დაკავშირებული. აზოტ(I)-ის ოქსიდი საკმაოდ ადვილად შედის ატმოსფერულ ჟანგბადთან რეაქციაში და წარმოქმნის აზოტის დიოქსიდს, რომელსაც ეკოლოგიური და ჯანმრთელობის პრობლემების გაჩენა შეუძლია. NO₂-ის შესუნთქვამ შეიძლება გამოიწვიოს გაღიზიანება, ხველა, დაცემინება და პოტენციურად ასთმის ინიცირებაც.

აზოტის დიოქსიდს, აგრეთვე, შეუძლია შევიდეს ატმოსფეროს ჟანგბადთან რეაქციაში და წარმოქმნას ოზონი ზედაპირზე. სტრატოსფერული ოზონისაგან განსხვავებით, რომელიც მზის რადიაციისგან დამცავი ფარივით მოქმედებს დედამიწისთვის, ზედაპირულ ოზონს აზოტის დიოქსიდის მსგავსი ეფექტები შეიძლება გამოიწვიოს: დააზიანოს მოსავალი და სათბურის აირადაც იმოქმედოს. ამ ყველაფრის გამო აზოტის ოქსიდები ის ძირითადი დამაბინძურებლებია, რომელთა შემცირება გამონაბოლქვში აუცილებელია. დიახ, სწორედ აქ შემოდის ქიმიის როლი...

კატალიზური გარდამქმნელი - კატალიზატორი

თუ თქვენ ბენზინზე მომუშავე მანქანით მოძრაობთ, იგი აუცილებლად უნდა შედგებოდეს სამმხრივი კატალიზურ გარდამქმნელს. აღნიშნულ კატალიზატორს სამმხრივი იმიტომ ეწოდება, რომ სამ ძირითად დამაბინძურებელს აშორებს გამონაბოლქვიდან: დაუწველ ნახშირწყალბადებს, ნახშირბადის მონოოქსიდსა და აზოტის ოქსიდებს. ამას კატალიზური გარდამქმნელი მცირე რაოდენობის ძვირფასი მეტალებით: პლატინით, პალადიუმითა და როდიუმით აღწევს, რომლებსაც კატალიზატორის როლი აქვთ დამაბინძურებელი აირების ნაკლებად ტოქსიკურ ნივთიერებებად: ნახშირბადის დიოქსიდად, წყლად და აზოტად, გარდაქმნაში.

ხშირად ერთზე მეტი ძვირფასი მეტალია საჭირო სამმხრივი კატალიზატორებისთვის, რადგანაც სხვადასხვა რეაქციებს აკატალიზებენ. როდიუმი აღმდგენითი კატალიზატორია, რომელიც აზოტის ოქსიდებს აზოტად და ჟანგბადად გარდაქმნაში ეხმარება. პალადიუმი ჟანგვის კატალიზატორია, მას ნახშირბადის მონოოქსიდი გადაჰყავს ნახშირბადის დიოქსიდში, ხოლო დაუწველი ნახშირწყალბადები - ნახშირორჟანგსა და წყლაში. პლატინას კი ორივე რეაქციის ინიცირება შეუძლია, მაგრამ მისი სიძვირისა და გვერდითი რეაქციების გამო ყოველთვის არ გამოიყენება.

ერთი მინუსი, რაც სამმხრივ კატალიზატორებს აქვთ არის ის, რომ დიზელის ძრავაზე ვერ მუშაობენ. ეს იმიტომ, რომ ჟანგბადით მდიდარ გამონაბოლქვს აზოტის ოქსიდების გარდაქმნას არაეფექტურს ხდის, რის გამოც დიზელის ძრავები დღემდე იყენებენ ორმხრივ კატალიზატორებს, რომლებიც მხოლოდ ნახშირბადის მონოოქსიდა და დაუწველ ნახშირწყალბადებს გარდაქმნიან. სხვა მეთოდების საჭირო აზოტის დიოქსიდის მოსაცილებლად. ერთ-ერთი ასეთი მეთოდია გამონაბოლქვი გაზის რეცირკულირება (EGR), რომელიც ძრავას მიმღებში ჰაერს ანაცვლებს, რის შედეგადაც გამონაბოლქვ გაზებში აზოტის წილს და, შესაბამისად, აზოტის ოქსიდების წილს, ამცირებს.

სელექციური კატალიზური აღდგენა

მეორე მეთოდი, რომლის საშუალებითაც დიზელის ძრავებიდან აზოტის ოქსიდების ემისიის შემცირება შეიძლება არის სელექციური კატალიზური აღდგენა (SCR), რომელიც მოიცავს სითხის შეშვებას გამონაბოლქვს აირებში. შარდოვანა არის ის ნაერთი, რომელიც ამ მიზნით ხშირად შეფრქვევით შეიყვანება გამონაბოლქვის ნაკადში, სადაც იგი წარმოქმნის ამიაკს. ამიაკი კატალიზატორის მიერ ადსორბირდება და რეაქციაში შედის აზოტის ოქსიდებთან, რის შედეგადაც მიიღება აზოტი და წყალი.

SCR-ს შეუძლია აზოტის ოქსიდების დონე 90%-მდე შეამციროს და დღესდღეობით ის ყველაზე საუკეთესო მეთოდად ითვლება აზოტს ოქსიდები ემისიის შესამცირებლად. აღსანიშნავია, რომ საჭიროა ისევე, როგორც წყლის შევსება ბაკში, ასევე ‘გამონაბოლქვის’ სითხის შევსება. გარდა ამისა, დაბალ ტემპერატურაზე SCR მეთოდი არაა ეფექტური აზოტის ოქსიდების მოსაცილებლად. მისი ოპტიმალური ტემპერატურაა 250˚C-427˚C, ამიტომ გახურებამდე ან საცობში დგომისას ეს სისტემა კარგად ვერ იმუშავებს.

აზოტის ოქსიდის მშთანთქმელი

ეს კიდევ ერთი მეთოდია, რომლის დიზელის ძრავებში გამოყენება უზრუნველყოფს აზოტის ოქსიდების გამონაბოლქვიდან მოცილებას. ხშირად მათ მწირ აზოტის ოქსიდის დამჭერსაც (LNT) ეძახიან. წვის შედეგად წარმოქმნილი აზოტ(I)-ის ოქსიდი პლატინის კატალიზატორის საშუალებით გარდაიქმნება აზოტის დიქსიდად, რომელიც შემნახველ მასალაში აკუმულირდება ნიტრატების სახით. აზოტ(I)-ის ოქსიდის გარდაქმნა აუცილებელია, რადგან აზოტის დიოქსიდი უფრო ეფექტურად შთაინთქმება შემნახველი მასალის მიერ.

შემნახველი მასალის ქიმიურ იდენტობა არის ტუტე ან ტუტემიწათა მეტალის ოქსიდი. ბარიუმის ოქსიდი ყველაზე ხშირად გამოიყენება. ამასობაში შემნახველი მასალა შეივსება, რის შედეგადაც ძრავას დროებით გადაერთვება ნაკლები ჟანგბადის მოხმარებაზე. ეს ხშირად დიზელის ჩამატებით მიდის.

დიზელის დამატება იწვევს აზოტის დიოქსიდის შემნახველი მასალიდან დესორბციას, რაც როდიუმის კატალიზატორით ჩვეულებისამებრ გარდაიქმნება აზოტად. აღსანიშნავია, რომ აღნიშნული სისტემა იმაზე უფრო რთულია, ვიდრე აქაა წარმოდგენილი ზოგადი სახით, თუმცა მიმოხილვით. მსუბუქი ავტომობილებისთვის LNT მეთოდით აზოტის დიოქსიდის მოშორება შეიძლება, თუმცა დიდი მანქანებისთვის SCR უფრო ეფექტურია.

ფოლკსვაგენის „დამმარცხებელი მოწყობილობა“

ფოლკსვაგენის მანქანებში არსებული „დამმარცხებელი მოწყობილობა“ არ წარმოადგენს ფიზიკურ სისტემას, იგი არის კომპიუტერული პროგრამა, რომელიც ხვდება, თუ როდის იტესტება მანქანა. როდესაც მანქანა ტესტის რეჟიმშია, პროგრამა ძრავას მუშაობის რეჟიმს ცვლის, რის შედეგადაც მცირდება აზოტის ოქსიდების წილი გამონაბოლქვში. მათი რაოდენობა მაღალია ჩვეული მუშაობისას. სპეკულაციურად, სატესტო პირობებში დეტექტირებული აირები საჭის ბრუნვის მონიტორინგით ან წევის საკონტროლო სისტემის გათიშვით მანიპულირდებოდა.

დღესდღეობით გამონაბოლქვის ტესტირების დამცველი სისტემა უფრო მაღალ დონეზეა, რაც საშუალებას გვაძლევს, უსაფრთხო გარემოში ვიცხოვროთ...

ბიბლიოგრაფია და დამატებითი საკითხავი:

• What is selective catalytic reduction? – Diesel Technology Forum;
• Diesel catalysts – DieselNet Technology;
• The science behind the Volkswagen emissions scandal – Q Schiermeier, Nature;
• Critical topics in exhaust gas aftertreatment – M V Twigg.

სრულად

ჰაერის დაბინძურება მანქანა, კატალიზატორი, შარდოვანა