Napsat a vygumovat - i za tohle může … chemie

Napadlo vás někdy, proč se dá psát a proč se může stopa na papíře zase vygumovat? Může za to … jak jinak … chemie. (délka blogu 5 min.) 

Dnešní tužky

… nejsou moc podobné předmětům, které jim daly jméno. Ty totiž využívaly minerál jménem tuha, který se v přírodě nalézá v čisté formě jen zřídka. Vzácné byly proto i první tužky. 

Původní tužky nahradily jiný “psavý” předmět. Na něj se zachovala památka pro změnu například v němčině - tužka se řekne německy “Bleistift” - olověná tužka. Olovem se psalo už ve starověku, jeho vlastnosti ale nebyly zdaleka tak příjemné jako je tomu u dnešních tužek. Olovo je jedovaté (což se tehdy všeobecně netušilo a proto to také “nevadilo”). Navíc se téměř nedá vygumovat. 

Když se tedy objevila příjemná alternativa, u které se dalo napsané nebo nakreslené dílo opravovat, vyvolala samozřejmě značné nadšení. Dnes jsme samozřejmě navíc ještě rádi, že tato alternativa není toxická a neškodí zdraví. 

Smůla a štěstí leží často velice blízko

Přírodní zdroje čisté tuhy byly velice vzácné. Ložiska se tedy bohužel velice brzy vyčerpala. Došlo to až tak daleko, že se z tuhy stala strategická surovina. 

Co bylo tehdy pro lidi smůlou, je dnes pro nás šťastnou náhodou. Nedostatek tuhy a psacího náčiní, kterého se mezitím už nikdo nechtěl vzdát - přivedl k vynálezu tužky dnešního typu. 

Vynálezci (na věci pracovalo hned několik lidí v různých zemích, například ve Francii, Německu a Rakousko-Uhersku) využili nepříliš kvalitní formu minerálu. K jeho kvalitní variantě totiž neměli přístup - ten se nacházel prakticky jen v tehdejší Anglii. Grafit se nově smíchal s kaolinem, vytvaroval do formy psacího náčiní a tepelně zpevnil. 

Jak se mělo ukázat, je novodobá průmyslová tuha dokonce lepší než její přírodní varianta. Práce s ní je čistší. Pomocí regulace množství kaolinu se dá navíc regulovat tvrdost tužek, tedy tloušťka stopy, kterou zanechávají na papíře. Tuha se navíc mohla udělat velice tenká a obalit vrstvou dřeva. Tím odpadlo neustálé špinění a mytí rukou. 

A kde je při psaní tužkou schovaná chemie?

Van der Waalsova síla...

je jedním druhem interakce, do které může vstupovat běžná hmota. Je slabší než klasická chemická vazba mezi jednotlivými atomy molekul. Může za ni vlastně elektromagnetická síla. Vzniká v nepolárních molekulách tedy v molekulách, kde je náboj rozložen rovnoměrně a netvoří oblast se stabilně kladným a stabilně záporným elektrickým nábojem. Díky pohybu elektronů tu dochází přesto ke vzniku slabých, rychle oscilujících (kmitajících) dipólů (v průměru je ale elektronová hustota v nepolární molekule rozložena rovnoměrně). Pokud se k sobě přiblíží dvě nepolární molekuly, mohou se pak jejich dočasné dipóly přitahovat.

Když přejedete tužkou po papíře, stane se zajímavá věc. Z tuhy se uvolní mikroskopicky malé kousky grafitu. Přilnou k povrchu papíru a většina jich zůstane na svém místě, i když přes papír přejedete prstem. 

Právě tady totiž vstupuje na scénu … chemie. Je to ona, kdo drží pohromadě grafitové částečky a povrch papíru. Na vině je - van der Waalsova síla. 

A to je právě případ celulózy a grafitu. Grafit je nepolární sloučeninou a také celulóza má ve své komplexní molekula části, které nejsou polární. Jedná se například o oblasti, které jsou spojené do kruhových struktur (viz následující obrázek). 

Když gumuje chemie...

A jak je to s chemií, která způsobuje vygumování grafitové stopy na papíře? Tušíte nejspíše správně.  I tady jde o van der Waalsovy síly. 

Guma na gumování musí být z materiálu, který by mohl navázat částečky grafitu do své struktury ještě ochotněji, než to dělá (nepolární součást) molekuly celulózy v papíru.

Ve středověku...

 se gumovalo čerstvou střídkou chleba. Kolem roku 1770 se objevily první skutečné “gumy” v našem slova smyslu. Nejprve byly ještě hodně mazlavé a lepivé. Zlepšila to technologie, které dnes říkáme vulkanizace. Dnešní gumy na gumování se vyrábějí z polymerů a umělého kaučuku nebo změkčeného PVC. Dnes jsou rozporuplné pro změnu příměsi (změkčovadla a stabilizátory), které se do gumy dodávají, aby se zlepšily její vlastnosti. 

Van der Waalsovy síly, které působí mezi částečkami grafitu a gumou jsou silnější než ty, které drží grafit na papíře. Protože ale tyto síly  ztrácejí na účinnosti se šestou mocninou vzdálenosti, je nutné, aby měla gumovací guma opravdu dobrý kontakt s popsaným papírem. 

Není to tedy ani tak mechanická námaha, díky které se vygumuje grafitová stopa na papíře - je to chemie a těsný kontakt gumy a papíru, kdo způsobuje gumování. Mechanická námaha aktu samozřejmě ještě napomáhá.