Почему желтеет бумага?

Почему желтеет бумага

Старые книги, газеты и журналы легко отличить от новых: у старых страницы более тёмные. Неужели раньше делали бумагу жёлто-коричневых оттенков? Нет, когда те книги выходили из типографии, их страницы были белыми. Просто с бумагой со временем что-то происходит. Что? Может быть, бумага желтеет от повышенной влажности? Или от пыли? Или на неё действуют какие-то микроорганизмы? И влажность, и пыль, и микробы играют свою роль, но главное, от чего желтеет бумага, это кислород. В воздухе его много, больше 20%.
 
Вспомним, что основа бумаги — целлюлоза, которую получают из древесины или из макулатуры. Целлюлоза — полимер, построенный из множества молекул глюкозы. Из нитей целлюлозы состоят стенки растительных клеток, но эти нити друг с другом непосредственно не соединяются — их держит вместе вещество лигнин, ещё один полимер, довольно сложный по составу. Лигнин прослаивает волокна целлюлозы по всем направлениям, и именно благодаря ему клеточные стенки растений прочные и жёсткие.

Модель структуры древесины

Модель структуры древесины. Пространство между неветвящимися нитями целлюлозы заполнено разветвлённым лигнином и гемицеллюлозами — это полимеры, которые состоят из простых углеводов и, как и лигнин, добавляют клеточной стенке прочность.

Когда делают бумагу, первым делом древесину измельчают и обрабатывают химическими реагентами, чтобы целлюлозные волокна отделились друг от друга. При производстве высококачественной бумаги от лигнина и других примесей стараются избавиться, чтобы осталась только целлюлоза, бесцветная и хорошо отражающая свет. Затем в очищенную целлюлозу добавляют специальный клей, крахмал, разные смолы и вещества, которые скрепляют целлюлозные волокна, усиливают белизну и обеспечивают прочность, гладкость, мягкость и другие качества, предъявляемые к бумаге. Но всё же какое-то количество лигнина в бумаге остаётся. Постепенно он начинает окисляться под действием кислорода воздуха.
 
В структуре молекулы лигнина очень много шестиуглеродных колец, притом не простых, а ароматических. В этих кольцах атомы углерода не только соединены друг с другом простыми химическими связями, которые мы обозначаем «палочками», но они ещё «договорились» организовать что-то вроде «братства кольца». Для этого каждый из атомов отдал в общее пользование всем братьям по одному электрону (химические связи между атомами образуются, когда они объединяют свои электроны). В результате связи между атомами углерода в кольце стали прочнее, и, к примеру, разорвать такое химическое братство стало ой как не просто. Зато снаружи к кольцу можно присоединить какие-нибудь другие атомы или фрагменты молекул. Само кольцо от этого никак не пострадает, но с появлением «довеска» у него немного меняются свойства. Например, то, как молекула с ароматическими кольцами будет взаимодействовать со светом. Но как от этого зависит цвет вещества?
 
Когда мы смотрим на радугу, мы видим семь основных цветов — именно из них состоит белый солнечный свет. Теперь посмотрим в яркий солнечный день на белый лист бумаги — логично, что он будет белый. Это значит, что лист бумаги одинаково отразил все семь цветных компонент солнечного света. А что будет, если подопытный лист решит «похитить» у падающих на него солнечных лучей один из цветов или, по-научному, поглотить часть спектра? Тогда мы увидим, что бумага стала уже не чисто белого цвета, а с каким-нибудь оттенком. Если спектральные «аппетиты» листа вырастут и он станет поглощать уже не один цвет, а, например, целых шесть, брезгуя, скажем, красным, тогда до нашего глаза дойдёт только этот красный цвет и цвет бумаги мы будем видеть тоже как красный. Ну и совсем крайний случай: если лист бумаги «проглотит» весь спектр — все семь цветов, то до нашего глаза не дойдёт ни один лучик и лист бумаги мы увидим как абсолютно чёрный.
 
Теперь вернёмся к молекулам и ароматическим кольцам. Молекулы не-окисленного лигнина не проявляют никакого интереса к поглощению видимого света, поэтому свежий бумажный лист радует нас своей белизной, отражая весь падающий на него солнечный свет. А вот у молекул лигнина, которых немного «покусал» кислород, уже появляется «аппетит», и они не прочь «закусить» некоторыми цветами из падающих на них солнечных лучиков. В результате мы вместо белого листа видим нечто желтоватобурое.
 
Для окисления лигнина достаточно кислорода воздуха, потому что кислород сам по себе химически очень активен. Но реакция пойдёт быстрее, если бумага будет лежать на свету. Лигнин — вполне устойчивое вещество, то есть химические связи в нём стабильны. Это значит, что, когда химические связи образовывались, высвободилось довольно много энергии. Связи с кислородом получаются ещё более стабильными, но кислороду, чтобы образовать свою связь, нужно разорвать старую. А для этого старую связь нужно «раскачать», сделать её менее стабильной. Энергию для «раскачки» связи как раз даёт свет, с которым кислороду воздуха проще встроиться в лигнин. Поэтому, кстати, у книг быстрее желтеют боковой, верхний и нижний обрезы блока, которые даже у закрытой книги почти всегда на свету. А вот страницы желтеют медленнее — всё-таки большую часть времени они прикрыты от света соседними страницами и обложкой. 
 
Чтобы замедлить пожелтение бумаги, нужно хранить её в темноте, а чтобы вообще предотвратить этот процесс, нужно хранить книги, журналы или документы без доступа кислорода; например, поместить их в герметичную ёмкость, заполненную азотом или каким-либо инертным газом. Впрочем, если от света большую библиотеку ещё можно защитить, то от кислорода вряд ли.
 
Мы уже говорили о том, что даже в высококачественной бумаге хоть немного лигнина, да остаётся. Чтобы его было как можно меньше, нужны дополнительные технологические операции, реактивы, время и трудовые затраты. Поэтому и стоит высококачественная бумага дороже. На ней печатают хорошие книги для детей и взрослых, разнообразные журналы, художественные альбомы и прочее. Ежедневные или еженедельные газеты, неиллюстрированные книги в мягкой обложке, бланки, квитанции и прочее печатают на более дешёвой бумаге, в которой осталось сравнительно много лигнина, поэтому они недороги, но желтеют быстрее.
 
Важно отметить, что, даже если мы сумеем создать бумагу, полностью очищенную от лигнина, она со временем всё равно немного изменит цвет. Чистая целлюлоза тоже окисляется, хотя и намного слабее, чем лигнин, и из-за этого со временем белая бумага приобретает лёгкий кремовый оттенок. Кроме того, бумага состоит всё-таки не только из целлюлозы, в ней есть и другие вещества, которые скрепляют целлюлозные волокна, придают ей нужные механические качества и так далее. Если бумагу плохо хранить, то эти вещества под действием воды, пыли и кислорода будут меняться, делая её темнее.
 
По аналогии с бумагой похожим образом темнеет разрезанное яблоко, которое находится на воздухе. Кислород окисляет в яблоке так называемые полифенолы, в молекулах которых тоже много ароматических колец. Только окисляться им помогает фермент полифенолоксидаза, который тоже содержится в яблоке. Окисленные полифенолы потом соединяются или друг с другом, или с аминокислотами и белками, и в результате получаются молекулы, дающие коричневатый цвет.
 
Что же представляют собой полифенолы? Это вещества, у которых в химической структуре много фенолов, а фенол — это ароматическое кольцо из шести атомов углерода плюс химическая спиртовая группа -ОН, присоединённая к этому кольцу. Полифенолы можно получить в лаборатории, но сейчас нас интересуют те, что находятся в природе. Почти все природные полифенолы имеют растительное происхождение, хотя некоторые из них есть у насекомых и ракообразных. В растениях полифенолы регулируют действие гормонов, служат защитой от ультрафиолетового излучения и бактерий, отпугивают травоядных животных и выполняют ещё ряд функций. Есть растения, у которых полифенолов мало, и те, у которых полифенолов много. 

Растения с большим содержанием полифенолов имеют характерный вяжущий привкус, как, например, чайные листья. Хотя не все такой привкус любят, съедобными растениями с полифенолами пренебрегать не стоит: исследования последних лет говорят о том, что они могут быть для нас очень полезны.
 
Одним словом, процесс старения бумаги (её потемнение и пожелтение) остановить совсем невозможно. Замедлить — да, можно, и это зависит от качества бумаги, которое обеспечивается технологией её производства.
 
Кирилл Стасевич
Источник: Наука и жизнь, №03, 2020 г.

«Основой теологии является отсутствие разума и священный ужас наших предков перед картиной вселенной»

Франс Анатоль

Файлы

Люди и атомы

Расширенный фенотип - длинная рука гена

Бог как иллюзия

Эволюция физики (А. Эйнштейн Л. Инфельд)