Чому жовтіє папір?

Старі книги, газети та журнали легко відрізнити від нових: у старих сторінки темніші. Невже раніше робили папір жовто-коричневих відтінків? Ні, коли книжки виходили з друкарні, їхні сторінки були білими. Просто з папером згодом щось відбувається. Що? Можливо, папір жовтіє від підвищеної вологості? Або від пилу? Чи на неї діють якісь мікроорганізми? І вологість, і пил, і мікроби відіграють свою роль, але головне, від чого жовтіє папір, це кисень. У повітрі його багато, понад 20%.

Згадаймо, що основа паперу — целюлоза, яку одержують із деревини або з макулатури. Целюлоза - полімер, побудований з багатьох молекул глюкози. З ниток целюлози складаються стінки рослинних клітин, але ці нитки одна з одною безпосередньо не з'єднуються - їх тримає разом речовина лігнін, ще один полімер, досить складний за складом. Лігнін прошаровує волокна целюлози по всіх напрямках, і саме завдяки йому клітинні стінки рослин міцні та жорсткі.

Модель структури деревини. Простір між нитками, що не гілкуються, целюлози заповнено розгалуженим лігніном і геміцелюлозами - це полімери, які складаються з простих вуглеводів і, як і лігнін, додають клітинній стінці міцність.

Коли роблять папір, насамперед подрібнюють деревину і обробляють хімічними реагентами, щоб целюлозні волокна відокремилися один від одного. При виробництві високоякісного паперу лігніну та інших домішок намагаються позбутися, щоб залишилася тільки целюлоза, безбарвна і добре відображає світло.Потім очищену целюлозу додають спеціальний клей, крохмаль, різні смоли і речовини, які скріплюють целюлозні волокна, посилюють білизну і забезпечують міцність, гладкість, м'якість та інші якості, що пред'являються до паперу. Але все ж таки якась кількість лігніну в папері залишається. Поступово він починає окислюватися під впливом кисню повітря.

У структурі молекули лігніну дуже багато шестивуглецевих кілець, до того ж не простих, а ароматичних. У цих кільцях атоми вуглецю не тільки з'єднані один з одним простими хімічними зв'язками, які ми позначаємо паличками, але вони ще домовилися організувати щось на кшталт братства кільця. Для цього кожен із атомів віддав у загальне користування всім братам по одному електрону (хімічні зв'язки між атомами утворюються, коли вони об'єднують свої електрони). В результаті зв'язку між атомами вуглецю в кільці стали міцнішими, і, наприклад, розірвати таке хімічне братство стало не просто. Зате зовні до кільця можна приєднати інші атоми або фрагменти молекул. Саме кільце від цього ніяк не постраждає, але з появою "довеска" у нього трохи змінюються властивості. Наприклад, те, як молекула з ароматичними кільцями взаємодіятиме зі світлом. Але як від цього залежить колір речовини?

Коли ми дивимося на веселку, бачимо сім основних кольорів — саме з них складається біле сонячне світло. Тепер подивимося яскравого сонячного дня на білий аркуш паперу — логічно, що він буде білий. Це означає, що аркуш паперу однаково відбив всі сім кольорових компонентів сонячного світла.А що буде, якщо піддослідний лист вирішить «викрасти» у сонячних променів, що падають на нього, один з квітів або, по-науковому, поглинути частину спектра? Тоді ми побачимо, що папір став уже не чисто білого кольору, а з якимось відтінком. Якщо спектральні «апетити» листа виростуть і він поглинатиме вже не один колір, а, наприклад, цілих шість, гидуючи, скажімо, червоним, тоді до нашого ока дійде тільки цей червоний колір і колір паперу ми бачитимемо теж як червоний. Ну і зовсім крайній випадок: якщо аркуш паперу «проковтне» весь спектр — усі сім кольорів, то до нашого ока не дійде жоден промінчик і аркуш паперу ми побачимо як чорний.

Тепер повернемося до молекул та ароматичних кілець. Молекули не-окисленого лігніну не виявляють ніякого інтересу до поглинання видимого світла, тому свіжий паперовий лист радує нас своєю білизною, відбиваючи все сонячне світло, що падає на нього. А ось у молекул лігніну, яких трохи «покусав» кисень, вже з'являється «апетит», і вони не проти «закусити» деякими квітами з сонячних променів, що на них падають. В результаті ми замість білого листа бачимо щось жовтувато-буре.

Для окиснення лігніну достатньо кисню повітря, тому що кисень сам по собі хімічно дуже активний. Але реакція піде швидше, якщо папір лежатиме на світлі. Лігнін - цілком стійка речовина, тобто хімічні зв'язки в ньому стабільні. Це означає, що коли хімічні зв'язки утворювалися, вивільнилося чимало енергії. Зв'язки з киснем виходять ще стабільнішими, але кисню, щоб утворити свій зв'язок, потрібно розірвати стару. А для цього старий зв'язок потрібно «розкачати», зробити його менш стабільним.Енергію для «розгойдування» зв'язку дає світло, з яким кисню повітря простіше вбудуватися в лігнін. Тому, до речі, у книг швидше жовтіють бічний, верхній та нижній обрізи блоку, які навіть у закритої книги майже завжди на світлі. А ось сторінки жовтіють повільніше - все-таки більшу частину часу вони прикриті від світла сусідніми сторінками та обкладинкою.

Щоб уповільнити пожовтіння паперу, потрібно зберігати його у темряві, а щоб взагалі запобігти цьому процесу, потрібно зберігати книги, журнали чи документи без доступу кисню; наприклад, помістити їх у герметичну ємність, заповнену азотом або будь-яким інертним газом. Втім, якщо від світла велику бібліотеку можна захистити, то від кисню навряд чи.

Ми вже говорили про те, що навіть у високоякісному папері хоч трохи лігніну, але залишається. Щоб його було якнайменше, потрібні додаткові технологічні операції, реактиви, час та трудові витрати. Тому й коштує високоякісний папір дорожчий. На ній друкують гарні книги для дітей та дорослих, різноманітні журнали, художні альбоми та інше. Щоденні або щотижневі газети, неілюстровані книги в м'якій обкладинці, бланки, квитанції та інше друкують на дешевшому папері, в якому залишилося порівняно багато лігніну, тому вони недорогі, але жовтіють швидше.

Навіть якщо ми зуміємо створити папір, повністю очищений від лігніну, він згодом все одно трохи змінить колір. Чиста целюлоза теж окислюється, хоч і набагато слабше, ніж лігнін, і через це згодом білий папір набуває легкого кремового відтінку.Крім того, папір складається все-таки не тільки з целюлози, в ній є й інші речовини, які скріплюють целюлозні волокна, надають їй потрібних механічних якостей і так далі. Якщо папір погано зберігати, то ці речовини під дією води, пилу та кисню змінюватимуться, роблячи його темнішим.

За аналогією з папером схожим чином темніє яблуко, що розрізає, яке знаходиться на повітрі. Кисень окислює в яблуку так звані поліфеноли, в молекулах яких також багато ароматичних кілець. Тільки окислюватися їм допомагає фермент поліфенолоксидаза, який теж міститься в яблуку. Окислені поліфеноли потім з'єднуються або один з одним, або з амінокислотами та білками, і в результаті виходять молекули, що дають коричневий колір.

Що ж є поліфеноли? Це речовини, у яких у хімічній структурі багато фенолів, а фенол — це ароматичне кільце із шести атомів вуглецю плюс хімічна спиртова група -ОН, приєднана до цього кільця. Поліфеноли можна отримати в лабораторії, але зараз нас цікавлять ті, що знаходяться у природі. Майже всі природні поліфеноли мають рослинне походження, хоча деякі з них є у комах та ракоподібних. У рослинах поліфеноли регулюють дію гормонів, служать захистом від ультрафіолетового випромінювання та бактерій, відлякують травоїдних тварин та виконують ще ряд функцій. Є рослини, у яких поліфенолів мало, і ті, у яких багато поліфенолів.

Рослини з великим вмістом поліфенолів мають характерний в'яжучий присмак, як, наприклад, чайне листя. Хоча не всі такий смак люблять, їстівними рослинами з поліфенолами нехтувати не варто: дослідження останніх років говорять про те, що вони можуть бути для нас дуже корисні.

Одним словом, процес старіння паперу (її потемніння та пожовтіння) зупинити зовсім неможливо. Уповільнити — так, можна, і це залежить від якості паперу, що забезпечується технологією виробництва.