Liście jesienne

Złota jesień w pełni, wypadałoby więc napisać, skąd to przebarwianie się liści bierze się.

Podstawowym barwnikiem nadającym liściom roślin kolor, jest oczywiście chlorofil, którego zadaniem jest transformacja energii świetlnej w chemiczną, prowadząca do fotosyntezy. Jest to ciekawy związek oparty na pierścieniu pochodnej porfiryny, z przyłączonym długim łańcuchem węglowodoru i z jonem magnezu wewnątrz pierścienia, uchwyconym przez cztery azoty w mocny kompleks.

 Ponadto w roślinach występuje w dwóch odmianach, jako chlorofil a i chlorofil b różniących się bocznymi grupami i odcieniem.
Ten długi ogon dzięki lipofilowości pozwala zakotwiczyć się cząsteczce w błonie tylakoidu, właściwego reaktywnego ciałka chloroplastu. W centrum reaktywnym odpowiedzialnym za pochłanianie i przetwarzanie energii, dwie cząsteczki chlorofilu oplecione są cząsteczką specyficznego białka. Kompleksy złożone z tych białek, chlorofilu i karotenoidów, tak zwane układy antenowe, połączone z błoną i centrum reaktywnym, tworzą fotoukład, będący molekularną maszyną rozkładającą wodę na tlen i wydzielającej chemiczne nośniki energii.

Chlorofil pochłania część światła w zakresie czerwonym i fioletowo-niebieskim, stąd wypadkowy kolor zielony, dosyć chłodny. Pochłonięcie kwantu światła powoduje wzbudzenie elektronowe cząsteczki. Zwykle w chloroplastach cząsteczki pigmentu tworzą agregaty, dzięki czemu szansa że w stosie jakaś cząsteczka pochłonie kwant jest większa. Energia tego wzbudzenia przekazywana jest skokami poprzez kilka cząsteczek aż do centrum reakcyjnego, gdzie od cząsteczki chlorofilu związanej z białkiem, odrywany jest elektron. Dzięki niemu wytwarzane są protony, jedne cząsteczki są utleniane a inne redukowane, aż wreszcie po rozłożeniu wody i wydzieleniu tlenu powstaje ATP będąca chemicznym nośnikiem tej właśnie pochodzącej od światła energii, wykorzystywane przez roślinę do przerobu dwutlenku węgla na więcej rośliny.
Oczywiście upraszczam, ale tak wygląda początkowy etap fotosyntezy, i do tego roślinom potrzebne są pigmenty.

Ale chlorofil to nie jedyny pigment w liściach. Całkiem spory udział mają też karoteny i karotenoidy, a więc cząsteczki z długim łańcuchem węglowodorowym z układem sprzężonych wiązań podwójnych. Mają kolory od żółtozielonego, przez żółty do pomarańczowego jak marchew, w której korzeniu wszakże występują. To one powodują, że kolor liści jest soczystszy i jaśniejszy - oba chlorofile same w sobie mają raczej chłodny odcień.
Dla rośliny karoteny w pewnym stopniu uzupełniają wady chlorofilu, który pochłania trochę światła czerwonego i trochę niebieskiego, zaś pomiędzy tymi zakresami zieje szeroka dziura mieszcząca w sobie światło zielone, którego w widmie słonecznym jest najwięcej.

Różne roślinne karotenoidy pochłaniają też światło z tego szerokiego zakresu:

Każdy taki barwnik po pochłonięciu kwantu światła przechodzi na krótko w stan wzbudzony. Jeśli będzie zawieszony w roztworze to albo wytraci energię poprzez ciepło, albo wypromieniuje jako światło, a wiele karotenów może też zmienić konfigurację cząsteczki.
Inaczej jest jednak, gdy karotenoid znajdzie się tuż przy cząsteczce chlorofilu w centrum reakcyjnym fotosyntezy - może wtedy nastąpić bezpromieniste przekazanie energii i jej wykorzystanie. Dzięki temu z jednej strony rośliny rośliny mogą lepiej wykorzystać energię światła, a z drugiej mogą przy pomocy wolnych karotenów chronić się przed nadmiernym naświetleniem.

Co takiego dzieje się jesienią? Drzewa i rośliny wieloletnie wycofują z liścia cenne składniki, głównie cukry i aminokwasy. Chlorofil zimą jest niepotrzebny, dlatego nie ma potrzeby dalej go produkować. Przez cały rok w liściach działają zarówno enzymy wytwarzające chlorofil jak i enzymy degradujące, zahamowanie produkcji powoduje, że te drugie z czasem, powoli, rozłożą chlorofil na cząsteczki bezbarwne. Reakcja zaczyna się od uszkodzenia białkowego kompleksu. Potem chlorofil jest odłączany od swego "ogona" przez hydrolizujący enzym chlorofilazę. Powstający chlorofilid ma nieco słabszą, ale wciąż zieloną barwę. Potem z kompleksu usuwany jest magnez, tworząc feoforbid o szarozielonkawej barwie. Na koniec ostatni enzym utlenia cząsteczkę, rozrywając pierścień, tworząc bezbarwny produkt końcowy.

Co to powoduje?
Z liści znika zieleń, i ujawniają się dotychczas niewidoczne karoteny i karotenoidy, a liście stają się żółte i pomarańczowe. To one odpowiadają za złoty kolor. W tym miejscu rodzi się więc pytanie - a skąd czerwień?

Za czerwony kolor liści odpowiadają antocyjany, barwniki, które muszą zostać specjalnie wytworzone. Jest to grupa barwników roślinnych odpowiadających za kolor wielu owoców, w tym truskawek, czarnych jagód, a także czerwonej kapusty. Zastanawiające jest natomiast, po co roślinom wytwarzać czerwony barwnik w liściach, z których właśnie wycofywane są składniki odżywcze, i których przeznaczeniem jest odpaść od rośliny.

W pewnym stopniu antocyjany są obroną rośliny przed nadmiernym nasłonecznieniem. Powstają w młodych listkach, dopiero co wychylających się z pąków, ale potem zanikają. Następnie pod koniec lata zaczynają być wytwarzane ponownie, głownie w szczytowych liściach. To dlatego u wielu drzew i krzewów liście na samym szczycie, na które pada najwięcej słońca, zaczerwieniają się na brzegach. W podobny sposób zaczerwieniają się rośliny zielne w szczycie okresu letniego.
Niemniej nie dotyczy to jesieni, gdy słońca jest już mało.
Być może w jakimś stopniu ułatwiają roślinie wycofanie pewnych składników w okresie chłodów, ale jak się wydaje głównym powodem czerwienienia jesiennych liści jest ochrona przed owadami. Jak wykazały badania na krzewach różnych odmian, te o liściach zielonych są częściej atakowane przez mszyce i inne szkodniki niż te o liściach czerwonych cały rok. Warto przy tym pamiętać, że jesienią, wiele szkodników stara się przygotować na zimę, toteż bądź składają jajeczka, bądź hibernują w warstwie liści, i robią to w pobliżu zaatakowanego drzewa. Oznacza to, że drzewa które swym kolorem odstraszyły szkodniki jesienią, będą mniej atakowane wiosną. Dlatego opłaca im się specjalnie wytworzyć czerwony barwnik, który pozostanie w liściach nawet gdy opadną.

A teraz przypomnę chromatografię, aby pokazać jak wyglądają wszystkie barwniki zawarte w liściach, gdy są jeszcze zielone:

Żółta plamka na samej górze, to karoteny. Szare pasmo poniżej to feofityny, produkt rozpadu chlorofilu, niżej są żółtawe ksantofile, następnie ciemnozielony chlorofil b i jaśniejszy chlorofil a. na samym dole ślady innych produktów rozpadu chlorofilu.

------
Źródła:
* http://en.wikipedia.org/wiki/Chlorophyll
* http://en.wikipedia.org/wiki/Photosystem
* http://en.wikipedia.org/wiki/Anthocyanin
* http://en.wikipedia.org/wiki/Autumn_leaf_color
*http://en.wikipedia.org/wiki/Chlorophyllase

Dlaczego grzyby sinieją?

Kiedyś wspomniałem o tym we wpisie na temat herbaty, widząc jednak rosnącą ilość wyszukiwań przez które czytelnicy znajdują bloga, wychodzę naprzeciw oczekiwaniom.

Przebarwianie się grzybów pod wpływem uszkodzenia czy rozkrojenia, jest zjawiskiem częstym. Zazwyczaj spotykamy się z nim u Podgrzybków i Borowików oraz innych gatunków rodzaju Boletus, obserwuje się też przebarwianie się białego soku Mleczajów. Dlatego może nas zastanowić skąd się to bierze i czy można w ten sposób odróżnić grzyb jadalny od trującego?
No, niestety zarówno pierwsza jak i druga sprawa, nie są takie proste...

To co pospolicie nazywamy grzybem, stanowi jedynie naziemną, wypuszczaną co pewien czas część grzybicznego osobnika, kryjącego się w ziemi lub drewnie w postaci pleśniowatych strzępków. Owocnik ten, spleciony z twardej tkanki, ma za zadanie rozsiewać zarodniki tworzące się zwykle pod "okapem" kapelusza i uwalniane do powietrza, aby wraz z wiatrem dotrzeć na znaczne odległości. Inne grzyby pomagają sobie wstrzykując zawiesinę zarodników do powietrza, jak choćby pospolite purchawki. Jeszcze inne wykorzystują owady, przyciągane nie miłą wonią padliny i odchodów.
Owocniki te jednakowoż nie po to są produkowane przez grzybnię, aby je jakieś dwunożne zwierzę wycięło kozikiem i zeżarło, toteż grzyby utrudniają mykożercom zadanie bądź maskując się powierzchnią kapelusza podobną do zbrązowiałych liści, bądź wytwarzając rozmaite substancje zniechęcające czy trujące.

Jednym ze sposobów zniechęcenia zwierzęcia jest brunatnienie w miejscach uszkodzonych - pociemniały owocnik wygląda mniej atrakcyjnie - stąd też wiele gatunków grzybów wykazuje tego typu zmiany barwy. Interesujące jest przy tym co właściwie zmienia barwę i w jaki sposób.

Uszkodzenie tkanki grzyba powoduje uwolnienie z wnętrza komórek enzymów degradacyjnych, wśród nich także oksydazę fenolową. Zgodnie z nazwą wywołuje ona utlenienie związków fenolowych. Powstające chinony mają zwykle ciemniejszy kolor. Ponadto połączenie chinonów z pierwotnymi polifenolami tworzy kompleksy z przeniesieniem ładunku, mające bardzo żywe kolory. Wszystkie te efekty wywołują zmianę barwy na niebieską, granatową czy wręcz czarną, ale czasem też czerwoną lub fioletową. Wszystko zależy od tego jakie polifenole są zawarte w danym grzybie.
Podobną przyczynę ma przy okazji brązowienie ziemniaków.
Rekcja zachodzi dosyć szybko:

 

Borowikowe
Rodzina borowikowatych jest bardzo obszerna i obfituje w grzyby smaczne i jadalne. Należą tu borowiki jak i podgrzybki (w nowszej klasyfikacji uznaje się że podgrzybki należą do tego samego rodzaju co borowik i nie stanowią osobnej grupy), ale też koźlarze, maślaczki, złotaki i bardzo nie lubiane goryczaki. Są to grzyby o rurkowatym spodzie kapelusza, podobnym do powierzchni gąbki.

Głównym czynnikiem barwiącym jest w nich brunatna atromentyna i , kwas wariegatowy (variegatic acid) będący pomarańczowym pigmentem, czy powstające z utlenienia atromentyny kwas pulwinowy i kwas wulpinowy (pulvinic acid i vulpinic acid - nazwy są przy okazji anagramami), oraz ich pochodne jak lakton pulwinon, odpowiedzialny za kolor kapelusza maślaka żółtego.
Po uszkodzeniu tkanek, ulegają one dalszemu utlenieniu, przykładowo z podobnych kwasu wariegatowego i kserokomowego (a może borowikowego?) przez utlenianie enzymatyczne powstają niebieskie chinony, a bez enzymu z tego pierwszego powstaje czerwona wariegatorubina[1] :

Wariegatorubina powstaje na przykład w zewnętrznych tkankach grzybów, przyczyniając się do ciepłego odcienia brązowego kapelusza, czy rudego podbarwienia trzonu niektórych podgrzybków. Nie znalazłem natomiast informacji co odpowiada za ciemnoczerwone przebarwienie miąższu trującego borowika szatańskiego.

Do borowików bardzo podobny jest też Piaskowiec, przy czym dla mnie interesujący jest jadalny piaskowiec modrzak, po przekrojeniu zabarwiający się na dość wyraźny niebieski kolor

 Za kolor odpowiada w tym przypadku inny polifenol gyrocyjanina (gyrocyanin) o budowie podobnej do bifenyli, utleniana do jonu chinonu[2]:

Wymienione polifenole oprócz wpływu na kolor grzyba, miewają też ciekawy wpływ biologiczny - wspomniany pulwinon i jego pochodne mają działanie cytostatyczne, mogą stanowić nowe antybiotyki, ale też leki przeciwgólowe i przeciwzapalne, kwas wariegatowy to silny przeciwutleniacz.

Mleczaje
Mleczaje to rodzaj grzybów należących do rodziny gołąbkowatych. Ich charakterystyczną cechą jest mleczko wypływające z uszkodzonych miejsc, czasem zabarwione i dodatkowo zmieniające kolor podobnie jak miąższ. Przykładowo ceniony mleczaj rydz ma pomarańczowe mleczko nie zmieniające koloru i zieleniejący miąższ, lekko trujący mleczaj złocisty ma biały miąższ i mleczko, które po kilku sekundach robi się żółte.

Ich głównymi związkami barwnymi są seskwiterpenoidy zawierające cząsteczkę azulenu, ciekawego węglowodoru aromatycznego, będącego połączeniem pierścienia pentenu i heptatrienu. Cząsteczka ta nadaje im żywe barwy. Przykładowo w mleczaju czerwieniejącym, sączącym po przekrojeniu krwiste mleczko, głównym barwnikiem jest czerwona laktarowiolina (lactaroviolin) będąca aldehydem

Mleczaj świerkowy ma mleczko początkowo pomarańczowe, jednak w ciągu pół godziny staje się ciemnoczerwone by na koniec przy wysychaniu stać się zielonkawe.
Co ciekawe mleczko tego grzyba zawiera zielonkawy laktarofulwen i niebieski laktarazulenen, tych jednak początkowo nie widać. Zmiany koloru są związane z enzymatyczną przemianą nietrwałych estrów pomarańczowego dihydroazulen-1-olu, o dużej intensywności barwy, z których uwalniany jest wolny azulenol o słabszym, żółtym kolorze. Ten ulega dalszemu utlenieniu, enzymatycznemu lub nie, do pochodnych jak fioletowa laktarowiolina, żółtawy delicial czy niebieski deterrol. Mieszanka tych pochodnych, z przewagą laktarowioliny tworzy bordowy kolor. Z czasem nie żółty delicial i azulenol polimeryzują do utworzenia zielonych produktów, które wraz z cały czas obecnym niebieskim laktarazulenem dają w efekcie brudnozielony kolor wysychającego mleczka.[3]

W zasadzie tymi reakcjami można tłumaczyć wszystkie zmiany barwy. Jeśli mleczaje nie zawierają estrów azulenolu, to ich mleczko jest białe i nie zmienia koloru, jak to ma miejsce u mleczaja modrzewiowego. Jeśli je zawierają bez innych azulenów i zawierają enzym je rozbijający, to białe mleczko żółcieje, jak u mleczaja złotawego. Jeśli zawierają inne azuleny, to mleczko jest pomarańczowe i z czasem może zielenieć, jak u mleczaja rydza. Jeśli zawierają estry azulenolu i enzym je rozbijający oraz drugi enzym utleniający, to pomarańczowy sok z czasem czerwienieje, jak u mleczaja jodłowego. A jeśli zawierają estry, enzym hydrolizujący i enzym utleniający o małej aktywności, to mleczko żółcieje, czerwienieje i zielenieje.
Mam wrażenie że przydałoby się zrobić z tego tabelkę kolorów.

Omówione seskwiterpenoidy oprócz koloru, nadają też grzybom smak, często palący. Są dla grzyba obroną przed nadgryzającymi owadami, zalewanymi lepkim mleczkiem, choć często nie przeszkadza to ich larwom. Ponieważ mają budowę podobną do hormonów roślinnych, mogą być użyte do przyspieszenia kiełkowania lub do ukorzeniania roślin. Niektóre mogą przydać się jako antybiotyki, inne są testowane jako potencjalne środki przeciwnowotworowe

Próby barwne
 Fakt występowania w grzybach różnych substancji barwnych, stał się podstawą dla prób chemicznych, opierających się na traktowaniu kawałków grzybów różnymi odczynnikami. Ma to znaczenie właściwie raczej dla specjalistów, pozwalając odróżniać podobne gatunki, nie ma natomiast zbyt wielkiego dla przeciętnych grzybiarzy.
Najczęściej stosowanym odczynnikiem jest roztwór wodorotlenku potasu. Ma on za zadanie wywołać zmianę barwy polifenoli o właściwościach wskaźników kwasowości i jest używany głównie do podgrzybków, w mniejszym stopniu do pieczarek. W podobnym celu stosuje się wodny roztwór amoniaku. często stosowany jest też roztwór siarczanu żelaza II tworzący z polifenolami mocno zabarwione kompleksy.
Testy te pozwalają na odróżnienie zbliżonych do siebie gatunków, ale nie mają znaczenia dla zwykłego grzybiarza. Mleczaj chrząstka czy mleczaj piekący to tak czy siak niejadalny grzyb, nawet jeden inaczej reaguje z odczynnikiem.

Pewną wartość w wątpliwych przypadkach może mieć natomiast test Meixnera wykrywający toksyny muchomora, na przykład sromotnikowego. Wykonuje się go stosunkowo prosto, jeśli oczywiście ma się pod ręką odczynnik. Kawałek grzyba kładzie się na papierze gazetowym, tak aby papier nasączył się sokiem z miąższu. Potem na ten kawałek daje się kroplę mocnego kwasu solnego i lekko ogrzewa, na przykład suszarką do włosów. W razie obecności trucizny po kilku minutach papier zabarwia się na zielonkawo-niebiesko.

Zasada działania jest ciekawa - papier na którym drukuje się gazety (ten nielakierowany) jest robiony z pulpy z której nie oddzielono ligniny. Taki papier lepiej przyjmuje tusz, ale też szybciej żółknie i kruszy się. Lignina składa się z mieszaniny cząsteczek aromatycznych i fenolowych. Pod wpływem mocnego kwasu solnego, reaguje z toksyną tworząc konglomeraty o kolorze niebieskawym. Testu nie można robić na słońcu. Wykrywa podobne do siebie amatoksyny, związki łączące pierścień peptydu z aminą z grupą indolową:

Występują w grzybach z rodzajów muchomor, czy hełmówka, oraz niektórych czubajeczkach, wywołując po spożyciu ciężkie uszkodzenie wątroby. Grupa indolowa ulega podczas testu podstawieniu przez polifenole ligniny, tworząc związki o silniejszym kolorze.[4]
Test mógłby przydać się chociażby smakoszom, chcącym spróbować jadalnych gatunków muchomora, na przykład bardzo cenionego muchomora cesarskiego czy smacznego muchomora żółtego.

Test ten może dawać fałszywe wyniki w przypadku kilku grzybów niejadalnych, a także w przypadku grzybów zawierających psylocybinę, z ugrupowaniem indolowym w cząsteczce. Powoduje to, że miłośnicy podobnych używek próbują stosować ten test do rozpoznawania grzybów halucynogennych. Ponieważ jednak większość grzybów dających tą reakcję, to grzyby trujące, zwłaszcza hełmówki wyglądające identycznie jak niektóre łysiczki, w Ameryce notuje się rocznie po kilka zgonów z powodu pomyłki tą drogą.
W ogóle niebieszczenie grzybów jest przez wielu uważane za oznakę halucynogenności. Może to wynikać stąd że jeden z najpopularniejszych takich grzybów ma niebieski kolor. Mit ten jest tak powszechny i silny w wielu krajach, że szukając czegoś na temat "bluing mushrooms" nie mogłem znaleźć nic innego jak tylko setki stron o grzybkach rekreacyjnych. Nawet gdy dopisywałem nazwę konkretnego, jadalnego grzyba to i tak wyskakiwały mi fora używkowe, na których nastolatki rozprawiały o tym, czy jeśli podgrzybek sinieje to czy wywołuje halucynacje "jak wszystkie niebieskie grzyby".

Farbowanie grzybem?
W poszukiwaniu informacji natknąłem się na ciekawy wątek. Jednym z rodzajów hobbystycznego rękodzieła jest samodzielne farbowanie tkanin. Znani są zapaleńcy stosowania urzetu, są zapaleńcy testowania na bawełnie wywaru z kory olchy, liści brzozy czy marzanki, natomiast mało znani są eksperymentatorzy próbujący farbować tkaniny grzybami i porostami.[5] A wygląda na to że potrafią osiągać na prawdę ciekawe efekty kolorystyczne:

Test na trującego grzyba?
Niestety w naszym kraju jest tak, że więcej osób grzyby zbiera niż się na nich zna. I gdy potem w domu pojawią się wątpliwości, ludzie próbują rozpoznać grzyba na podstawie zasłyszanych mitów, co czasem kończy się tragicznie. Mity tego rodzaju mają jedną wspólną cechę - opierają się na przekonaniu że wszystkie grzyby trujące mają jakąś wspólną cechę, którą można poznać wizualnie lub w inny sposób przed zjedzeniem. Tak powstają zasady w rodzaju "wszystkie trujące grzyby mają X". Tylko że grzyb od grzyba się różni.
Do najpopularniejszych należy przekonanie, że grzyba trującego nie zjadają ślimaki. Akurat to nie jest prawda, niektóre trujące grzyby zjadają nawet chętniej niż jadalne. Ślimak ma inny metabolizm i na niego pewne trucizny mogą nie działać.
Inny mit to przekonanie, że od wszystkich trujących grzybów czernieje srebro. Bierze się zapewne z podobnego mitu na temat trucizn roślinnych, mogącego mieć pewne uzasadnienie w przypadku trucizn zawierających w składzie siarkę. Grzyby niestety są w siarkę raczej ubogie a ich substancje toksyczne ze srebrem nie reagują.
Nie lepiej jest z próbowaniem na smak - na pewno można tak rozpoznać goryczaka żółciowego, który zresztą nie jest trujący tylko okropnie smakuje, ale wiele grzybów trujących nie ma niemiłego, czy palącego smaku. Sromotnik jest podobno nawet słodkawy i ma przyjemny aromat. Czubajeczka czerwonobrązowawa ma owocowy aromat i niewyczuwalny smak.

Zasadniczo najlepiej jest zbierać grzyby które się zna i nie eksperymentować.

-------
* http://www.grzyby.pl/slownik-odczynniki.htm
* http://www.mushroomexpert.com/macrochemicals.html
* Jan VELÍŠEK, Karel CEJPEK, Pigments of Higher Fungi: A Review, Czech J. Food Sci.
Vol. 29, 2011, No. 2: 87–102
* http://mycopigments.com/

[1]  Bluing Components and Other Pigments Boletes, Stephen F. Nelson

[2]  Helmut Besl, Andreas Bresinsky, Wolfgang Steglich, Klaus Zipfel, Pilzpigmente, XVII. Über Gyrocyanin, das blauende Prinzip des Kornblumenröhrlings (Gyroporus cyanescens), und eine oxidative Ringverengung des Atromentins, Chemische Berichte Volume 106, Issue 10, pages 3223–3229, Oktober 1973
[3]  http://de.wikipedia.org/wiki/Fichten-Reizker
[4] http://www.mykoweb.com/TFWNA/P-17.html
[5] http://mushroom-collecting.com/mushroomdyeing.html

Kwas co ma gaz

W letnie, upalne dni, najchętniej nic byśmy nie robili, tylko leżeli w cieniu i popijali coś chłodnego. Na przykład wodę. Taką gazowaną, z bąbelkami i szczypiącym, kwaśnym posmaku. I być może czasem zastanowi nas, jaki to gaz i jaki kwas...

Dwutlenek węgla jest bezbarwnym i w zasadzie bezwonnym gazem cięższym od powietrza, stanowiącym stale niewielki procent składu atmosfery. Został odkryty dosyć wcześnie - już w XVII wieku van Helmont zauważył, że jeśli masa popiołu po spaleniu węgla jest znacząco mniejsza od pierwotnej masy, to reszta musi ulegać zamianie w formę gazową. Ówcześni identyfikowali go z flogistonem - pierwiastkiem palności - i dalej się tą sprawą nie zajmowano. Dopiero w 1750 roku szkocki lekarz Joseph Black, znany też z badań nad ciepłem utajonym, poddał badaniom gaz powstający z potraktowania wapienia kwasem, stwierdzając, że jest różny od powietrza, ciężki i duszący, oraz że wytrąca osad z roztworu wapna gaszonego. Korzystając z tej ostatniej reakcji, stwierdził że występuje normalnie w powietrzu i w większych ilościach w tchnieniu zwierząt i ludzi. Późniejsi badacze doszli do tego, że gaz jest połączeniem tlenu i węgla i że reakcję czasem można odwrócić (przy spalaniu magnezu w dwutlenku węgla powstaje sadza), jednak dla nas istotniejsze jest odkrycie Josepha Priestly'a, trochę teologa a trochę przyrodnika-hobbysty, który badając przebieg fermentacji w miejscowym browarze, zainteresował się "zastałym powietrzem" - warstwą gazową nad fermentującą kadzią, uważaną za pracowników za niezdrową i od której zdychały myszy jeśli dostały się pod jej wpływ.

Wytwarzanie wody sodowej - rysunek Priestley'a z 1772 roku

Eksperymentując, umieścił nad kadzią miskę z wodą, chcąc sprawdzić rozpuszczalność tego gazu. Po zlaniu musującego roztworu stwierdził, że woda nabrała przyjemnego, lekko kwaśnego posmaku, a nawet dał go spróbować znajomym, twierdząc że to orzeźwiający napój bez alkoholu. Kilka lat później opisał go w artykule, dodając przepis na sztuczne otrzymanie - po zwilżeniu kredy kwasem siarkowym, powstający gaz przeprowadzał rurką do wody i po przepuszczeniu większej ilości otrzymywał napój, który uważał za bardzo podobny do naturalnych wód mineralnych i polecał na szkorbut. W zasadzie jednak nie traktował odkrycia inaczej jak ciekawostki i nie sądził, że znajdzie zastosowanie. Tymczasem producenci wód mineralnych powinni mu postawić pomnik - odkrycie, że zwykła woda staje się smacznym napojem po rozpuszczeniu w niej pospolitego gazu, do dziś przynosi im ogromne zyski.
Pierwszym, który wpadł na to, że jest to znakomity pomysł na interes, był niejako Jacob Schweppe, który w roku 1783 założył firmę Schweppes, istniejącą zresztą do dziś, produkując wody gazowane mające naśladować wody mineralne z naturalnych źródeł. Nieco później dla polepszenia smaku, do nagazowanej wody zaczęto dodawać nieco sody oczyszczonej, tworząc napój nazywany odtąd wodą sodową. I tak zaczął się przemysł napojów gazowanych.

Szybko jednak chemicy zaczęli się zastanawiać, dlaczego po rozpuszczeniu gazu, woda staje się kwaśna. Musi powstawać jakiś kwas - uznali - i nazwali go kwasem węglowym. W polskiej nomenklaturze dwutlenek węgla zaczął być z tego powodu nazywany niedokwasem węglowym. Taki też stan rzeczy trwał przez długi czas, aż zaczęły się problemy z wyizolowaniem czy choćby wykryciem tego kwasu w wodzie. Badania absorpcji w podczerwieni nie wykryły aby występował w choćby najbardziej nasyconych roztworach. W zamian za to wykrywano jony węglanowe i wodorowęglanowe, stąd też powstała koncepcja wedle której kwas węglowy nie istnieje. Jeszcze ja w technikum byłem upominany aby nie zapisywać jego cząsteczki w równaniu rozpuszczania dwutlenku węgla.

Jest to w pewnym stopniu podobna sytuacja jak z "wodorotlenkiem amonu". Rozpuszczenie amoniaku w wodzie da nam roztwór o zasadowym odczynie, toteż postulowano powstawanie w wodzie wodorotlenku amonu i przez długi czas zapisywano go w ten sposób. Dopiero potem dokładne badania wykazały, że cząsteczka taka nie powstaje - woda wymienia się protonem z amoniakiem, i tworzy się osobny jon wodorotlenkowy i osobny amonowy pozostające w równowadze. Wydawało się zatem, że tu jest podobnie - dwutlenek łączy się z wodą biorąc tlen i wodór do utworzenia jonu wodorowęglanowego, a pozostawiając wolny kation wodorowy; wodorowęglan dysocjuje dalej do anionu węglanowego, zaś kwas węglowy się nie tworzy. I wszystko było w porządku aż nie odkryto, że pogłoski o jego śmierci są mocno przesadzone.

Aby otrzymać czysty i stabilny kwas węglowy, należało zastosować dość specyficzne warunki - mieszaninę wody i dwutlenku węgla zamrożono i umieszczono pod niskim ciśnieniem, po czym napromieniowano - promieniowanie pozwoliło na połączenie dwóch różnych cząsteczek bez ogrzewania. Następnie zastosowano sublimację wody pod niskim ciśnieniem, otrzymując czysty, suchy związek.
Jak się okazało, bezwodny kwas węglowy jest dosyć trwały - obliczenia teoretyczne pokazały że czas połowicznego rozkładu to ponad sto tysięcy lat, ale śladowe ilości wody przyśpieszają ten rozkład gwałtownie, nawet milion razy[1].
Udało się także otrzymać gazowy kwas węglowy, trwały do temperatury -30 stopni, który w takiej fazie chętnie tworzy trwalszy dimer[2]

Skoro kwas ten istnieje, to jak jest z jego obecnością w wodzie mineralnej?
Gdy tylko zaczynamy nasycać wodę dwutlenkiem węgla, zaczyna on być hydratowany. W takiej formie każda cząsteczka tlenku zostaje otoczona cząsteczkami wody, lecz nie następuje pomiędzy nimi reakcja. Ilość rozpuszczającego się w ten sposób gazu zależy od ciśnienia - im wyższe, tym lepsza rozpuszczalność. W takiej formie występuje około 99% rozpuszczonego w wodzie związku.

Część jednak reaguje z wodą dając jako produkt przejściowy kwas węglowy:

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

Jak wykazały badania, związek ten bardzo szybko i łatwo odszczepia jeden proton, przechodząc w jon wodorowęglanowy. Stała równowagi pokazuje, że kwas ten jest nawet mocniejszy od cytrynowego. Silne przesunięcie równowagi w stronę wodorowęglanów powoduje jednak, że niemal natychmiast prawie cały powstający kwas węglowy zamienia się w tą formę:

H₂CO₃ HCO₃⁻ + H⁺

Jon wodorowęglanowy może ulegać dalszej dysocjacji, rozpadając się na jon węglanowy:

 HCO₃⁻ CO₃²⁻ + H⁺

Jednak reakcja ta następuje powoli, i zaczyna nabierać znaczenia w warunkach silnie zasadowych.

Wszystkie te procesy są procesami równowagowymi, toteż zachodzą równocześnie w obie strony, choć z różną szybkością, a obserwowany stan jest wypadkową różnie szybkich równoczesnych reakcji. Można to porównać do szeregu naczyń do których woda może wpływać i wypływać, aż zależnie od szybkości wypływu i dopływu stabilizuje się na pewnym poziomie.
Gdy zaczniemy wprowadzać dwutlenek węgla do wody, będzie to czynił niechętnie, jednak gdy się rozpuści większość będzie występować w formie zhydratowanej. Z tej ilości pewna część będzie zamieniać się w kwas węglowy. Ten ma dwie możliwe drogi rozpadu - albo zamieni się z powrotem w dwutlenek węgla, co czyni chętnie, albo w wodorowęglan, co czyni równie szybko. To że w ogóle występuje w roztworze jest wynikiem tego, że wszystkie procesy są pewnymi równowagami odwracalnych reakcji - większe ciśnienie gazu naprodukuje więcej kwasu węglowego który natychmiast rozpada się w wodorowęglan; obniżenie ciśnienia powoduje rozpad obecnego kwasu węglowego ale jest on odtwarzany z wodorowęglanów.
Pod ciśnieniem atmosferycznym w wodzie pozostającej w kontakcie z dwutlenkiem węgla, może się rozpuścić ok. 0,1 mmol, z czego 1% przechodzi w wodorowęglan a 0,01% w kwas węglowy. Jonów węglanowych powstają niewykrywalne ilości. Roztwór taki ma pH=5,6 zatem jest lekko kwaskowaty. Pod ciśnieniem ok. 1-2 atmosfer, jakie to ciśnienia są stosowane w butelkowanej wodzie mineralnej, rozpuszcza się 8,5 mmol gazu, z czego 1% ma postać wodorowęglanu i niemal tyle samo formę kwasu węglowego. Roztwór taki ma pH =3,5 a więc podobne do soku pomarańczowego.

Co więc z tego wynika ostatecznie? Większość rozpuszczonego dwutlenku węgla występuje w wodzie w formie zhydratowanej obojętnej cząsteczki, a z pozostałej części większość w formie wodorowęglanów. A kwas? Występuje ale jako dynamiczna faza przejściowa - nieustannie tworzy się i rozpada istniejąc w ilościach tak niewielkich, że nieistotnych dla określenia kwasowości i trudnych do wykrycia. Ale jest.
------
* http://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_acid
* http://de.wikipedia.org/wiki/Kohlens%C3%A4ure
* http://en.wikipedia.org/wiki/Carbonated_water
* http://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_Priestley

[1] Thomas Loerting, Christofer Tautermann, Romano T. Kroemer, Ingrid Kohl , Andreas Hallbrucker , Erwin Mayer. and Klaus R. Liedl,  On the Surprising Kinetic Stability of Carbonic Acid (H₂CO₃), Angewandte Chemie International Edition Volume 39, Issue 5, pages 891–894, March 3, 2000

[2] Hinrich Grothe et al.,  Spectroscopic Observation of Matrix-Isolated Carbonic Acid Trapped from the Gas Phase, Angewandte Chemie International Edition Volume 50, Issue 8, pages 1939–1943, February 18, 2011

Poison Story (6.) - Co za dużo, to nie zdrowo

Gdy w 2007 roku stacja radiowa KDND ogłosiła konkurs, w którym do wygrania była najnowsza konsola wideo, zgłosiło się wielu chętnych. Konsola Wii była bardzo popularna, ale najnowszego modelu, kosztującego 250 dolarów, praktycznie nie dało się kupić w amerykańskich sklepach, dlatego możliwość wygrania jej w śmiesznym konkursie była bardzo kusząca. Zgłosiło się kilkanaście osób, w tym 28-letnia Jennifer Strange, matka trójki dzieci, która jak mówiła przed konkursem, chce zdobyć tą konsolę dla nich.

Konkurs "Hold Your Wee of a Wii" był bardzo prosty - wygrywał ten, kto wypije jak najwięcej wody i się nie posika. W innych podobnych konkursach dawano zadania w rodzaju zjedzenia jak największej ilości pączków czy hamburgerów, więc to wydawało się prostym zadaniem. Przygotowano każdemu uczestnikowi małe, ćwierćlitrowe buteleczki wody. Mieli pić po jednej w odstępie dziesięciu minut oraz w każdej chwili mogli zrezygnować, jeśli uznali, że to dla nich zbyt dużo, ale nie mogli wychodzić do łazienki.

Konkurs rozpoczęto nad ranem, nadając relację na antenie. Było wesoło, a kolejne butelki znikały w szybkim tempie. Ktoś się wykruszył po pięciu, ktoś po ośmiu.
W trakcie trwania konkursu, do radia zadzwoniła pielęgniarka, stwierdzając że jego idea jest oburzająca i niebezpieczna, bo ktoś może umrzeć. Prezenter odpowiedział że wiedzą ale wszystko jest pod kontrolą, zresztą uczestnicy podpisali dokument że zgadzają się na ryzyko, więc nie ma się co czepiać. Gdy kolejny słuchacz zaniepokojony konkursem zadzwonił z ostrzeżeniem, rozbawiony prezenter wyjrzał na salę i zawołał "Czy ktoś tam może umiera?". Prezenter wyjaśnił też że ciało składa się w 90% z wody, więc można jej pić ile się chce.
Gdy minęła pierwsza godzina, uczestnikom dano większe, półlitrowe butelki. To wtedy zrezygnowało najwięcej osób. Niektórzy źle się czuli, ktoś zwymiotował do wiadra, ktoś inny stwierdził że jest mu zimno i zaczął drżeć. Jednak dwie zawodniczki okazały się bardzo wytrwałe. Jennifer wypiła już osiem małych butelek i dziesięć większych, łącznie mieszcząc w sobie ponad sześć litrów wody, gdy stwierdziła że brzuch już ją boli, i głowa. Zrezygnowała zajmując drugie miejsce i otrzymując w nagrodę bilety na koncert. Przebiła ją kobieta, która wypiła o pół butelki więcej.
Gdy konkurs się już skończył, DJ zażartował, że brzuch Jennifer wygląda jakby była w ciąży. Przed wręczeniem nagród zawodniczki poszły do łazienki gdzie wysikały się i zwymiotowały. Następnie gorąco je pożegnano i odesłano do domu. Po drodze Jennifer zadzwoniła do współpracownika aby opowiedzieć o konkursie. Skarżyła się wtedy na silny ból głowy. W domu ból głowy się nasilił. Do objawów doszły zapewne też nudności i osłabienie. Po południu zaniepokojona matka odnajduje ją martwą.
Wynik autopsji zaskoczył wszystkich - Jennifer Strange zmarła z powodu zatrucia wodą.

Setki lat temu, pewien przemądrzały lekarz nazywany Paracelsusem, stwierdził paradoksalnie, że wszystko jest trucizną i nie jest nią. Działanie zależy od dawki a w pewnym stopniu też sposobu podania. Wynika stąd wiosek, że o żadnej substancji nie można powiedzieć, że nie jest trująca, można je tylko dzielić na trujące silnie, słabo i bardzo niewiele, co odpowiada wielkości dawki wywołującej negatywne objawy. Niejednokrotnie substancja wywołująca szkodliwe skutki w dużych dawkach, w małych może wykazać własności lecznicze.
Toksyczność substancji określa się zwykle przy pomocy miary LD 50 - jest to dawka w gramach na kilogram masy ciała wywołująca 50% prawdopodobieństwo śmierci, co zwykle wyznacza się badając śmiertelność szczurów lub innych zwierząt.  Pewne znaczenie ma też droga podania, substancje mogą wykazywać niską toksyczność podane doustnie a wysoką podane inhalacyjnie, przykładem metaliczna rtęć, która połknięta bardzo trudno się wchłania, natomiast bardzo szkodliwa jest wdychana w postaci par.

W niektórych przypadkach dawka śmiertelna może być skrajnie niska - dla jadu kiełbasianego podaje się dawki rzędu nanogramów, dla cyjanku potasu to ok. 5 mg/kg, a dla siarczanu miedzi to ok. 5 g/kg przez co jego przedawkowanie jest na prawdę trudne.
A woda? Prawdopodobnie jest jedną z najmniej toksycznych substancji, jakich właściwości przebadano, jej dawka śmiertelna to około 90g/kg. Nawet glukoza jest bardziej toksyczna.
Oznacza to że dla dorosłego ważącego 70 kg niebezpieczna jest dawka ok. 6 litrów, ale oczywiście wszystko zależy od sposobu i szybkości podawania.

Ale właściwie dlaczego woda może być niebezpieczna?
Jednym z warunków utrzymania przez nasz organizm homeostazy, jest równowaga między zawartością wody w komórkach i w przestrzeniach między nimi. Stężenie soli mineralnych w osoczu i w płynie wewnątrzkomórkowym musi mieścić się w określonych granicach, przy czym najważniejszą z tych soli jest chlorek sodu, a więc sól kuchenna.
Ogólne prawa fizyki mówią, że przy różnicy stężeń po dwóch stronach półprzepuszczalnej błony, rozpuszczalnik ma skłonność do migracji w miejsce o większym stężeniu. Po prostu po stronie z roztworem bardziej rozcieńczonym cząstki rozpuszczalnika częściej uderzają w błonę i mogą przez nią przeniknąć, niż od strony roztworu bardziej stężonego. To przenikanie trwa tak długo aż nie zahamuje go wytworzone ciśnienie, nazywane osmotycznym, mogące osiągać gigantyczne wartości.   To dlatego wiśnie i miękkie owoce zamoczone w wodzie nabrzmiewają i pękają - zwykła woda ma mniejsze stężenie rozpuszczonych substancji niż sok w komórkach owoców, i wnika do wiśni zwiększając ciśnienie.

Wewnątrz organizmu stężenie soli w osoczu i w komórkach jest na różne sposoby regulowane. Najważniejszym mechanizmem jest wydalanie wody i soli mineralnych przez nerki, które z kolei jest regulowane wydzielaniem hormonów, znaczenie ma też transport jonów do i z wnętrza komórek. W normalnej sytuacji gdy wypijemy większą ilość wody, nerki zaczynają wydzielać większą ilość moczu, tak aby zachować równowagę, a sole mineralne w organizmie nieco się rozcieńczają.
Problem może pojawić się gdy ilość wypitej wody przekroczy zdolność wydalniczą nerek, a więc będzie większa niż ok. 1 litr na godzinę, lub też gdy nerki zmniejszą wydzielanie moczu. Osocze krwi się wówczas rozcieńcza a poziom sodu zaczyna opadać poniżej normalnego stężenia, co prowadzi do hiponatremii.

Spadek stężenia soli w osoczu powoduje wzmożone wchłanianie wody do tkanek, człowiek staje się więc obrzęknięty i ociężały. W przypadku większości tkanek mają one pewną swobodę miejsca, mogąc nabrzmiewać bez uszkodzeń. Mózg zamknięty wewnątrz sztywnej czaszki nie ma tak łatwo.
Przy silnej i szybkiej hiponatremii, następuje obrzęk mózgu, a wzrost ciśnienia wewnątrz czaszkowego wywołuje objawy neurologiczne - dreszcze, silne bóle głowy, wymioty, osłabienie, drgawki, zaburzenia oddychania i śpiączkę. Ostatecznie opuchnięcie pnia mózgu wywołuje porażenie ośrodka oddechowego i zatrzymanie oddechu.
Najszybszym sposobem leczenia jest podanie soli mineralnych, tak aby zwiększyć ich stężenie we krwi, oraz podawanie diuretyków zwiększających wydalanie wody.

Zatrucie wodne jest przypadkiem bardzo rzadkim, i najczęściej jest związane z przymusem lub zaburzeniami psychicznymi. W chorobach takich jak schizofrenia nadmierne pragnienie jest dosyć częste - hiponatremia z przewodnienia występuje nawet u 5% leczonych w szpitalach psychiatrycznych, stanowiąc przyczynę do 20% zgonów[1]. Innym przypadkiem są zaburzenia elektrolitowe podczas intensywnego wysiłku - ciało wydala sole mineralne wraz z potem, wypijanie w trakcie płynów nieizotonicznych, czyli mających zbyt mało soli, może doprowadzić do hiponatremii. W dodatku w warunkach dużego zmęczenia, organizm hamuje wydzielanie moczu przez nerki. Stan taki obserwuje się u około 10-15% maratończyków po zakończeniu biegu, i niekiedy może on przybrać niebezpieczne natężenie.
Kilka lat temu z tego powodu zmarł uczestnik maratonu w Londynie.[2] Wiadomość o tym wywołała duże zaskoczenie u biegaczy, którzy dotychczas bardziej obawiali się odwodnienia.
Innym znanym przypadkiem była śmierć rekruta podczas ćwiczeń wytrzymałościowych Sił Powietrznych w 1999 roku, gdzie przyczyną było połączenie udaru cieplnego i przewodnienia.

Niebezpieczne rozcieńczenie płynów może też nastąpić w wyniku tortur lub napojenia wymuszonego. Zanotowano już kilka przypadku śmierci dzieci, które opiekunowie w ramach kary zmusili do wypicia 1-2 litrów wody. W USA głośną sprawą była śmierć Matthewa Carringtona, który w ramach swoistych otrzęsin będących testem wstępnym do studenckiego bractwa Tau Chi był zmuszony do wypicia dużych ilości wody. Jeszcze inną okazją do przewodnienia może być nieprzemyślana dieta lub źle zaplanowane "oczyszczanie organizmu".

Od dawna po świecie krąży mit, iż każdego dnia należy pić 2 litry wody. Tak na prawdę rzecz wywodzi się z badań nad gospodarką wodną organizmu, z których wynikało, że przy przeciętnej aktywności fizycznej i temperaturach, człowiek wydala ok 2 litry wody dziennie, to wobec tego tyle samo powinien przyjmować. Tyle tylko że wlicza się tutaj także woda zawarta w jedzeniu. Jabłko zawiera ponad 80% wody, mięso 50-60%, chleb 10%. Łącznie z jedzeniem przyjmujemy około litra - półtora, co stanowi połowę zalecanego spożycia. Nikt nigdzie nie mówił że musi być to koniecznie taka właśnie ilość wody pitnej.
Niestety, źle zrozumiane wyniki badań poszły w świat w formie "musisz pić 8 szklanek wody dziennie" i to czystej wody a nie napojów, przez co poniektórzy wierząc kolorowym pismom wręcz wmuszali w siebie następne szklanki, bo tak przecież napisali.
Niektórzy "dietetycy" dla uzasadnienia tego mitu posuwają się nawet do twierdzenia, że woda spożyta w innej formie jak czysta, nie będzie się wchłaniała, toteż po zjedzeniu talerza wodnistej zupy i tak musisz wypić te dwa litry. Niestety ludzie dalej w to wierzą, a zwolennicy magicznego "oczyszczania z toksyn" wręcz zwiększają ten limit, pisząc o trzech czy czterech litrach. Przykładem może być pewien rodzaj diety oczyszczająco-odchudzającej, w której  mało się je i wypija duże ilości wody. Pozwala bardzo szybko schudnąć, ale zanotowano już kilka zgonów z tego powodu.

 Brytyjka Jaqueline Henson wypijała na diecie trzy litry czystej wody na dzień. Pewnego dnia zaczęła od wypicia jednego litra wody źródlanej, a potem siedząc przed telewizorem wypiła dwie półtoralitrowe butelki w ciągu trzech godzin. Nie przejmowała się bólem głowy, bo czytała że to może być objaw oczyszczania organizmu. Po południu zemdlała, dostała drgawek i zatrzymania krążenia.[3]
Inna Brytyjka za namową swej dietetyczki wypijała cztery litry wody dziennie aby "wypłukać toksyny". Gdy zaczęła się źle czuć, dietetyczka powiedziała że to objaw oczyszczania i powinna zwiększyć ilość do sześciu litrów. Po dwóch dniach kobieta straciła przytomność. Wprawdzie ją odratowano ale w wyniku obrzęku doszło do uszkodzenia mózgu[4]

W przypadku Jennifer Strange, na jej stan nałożyło się kilka czynników - była drobna, miała małą wagę, dlatego proporcja ilości wypitej wody była u niej większa niż u innych. Zwyciężczyni konkursu doznała tylko bólu głowy ale nie była hospitalizowana. W dodatku prawdopodobnie Jennifer po przyjściu do domu niczego nie jadła - gdyby zjadła coś bardzo słonego, jak czipsy lub solone frytki, to stężenie elektrolitów mogłoby się wyrównać a przynajmniej nie dojść do tak niebezpiecznie niskiego poziomu.  Mąż zmarłej podał stację radiową do sądu. Sprawa ciągnęła się długo, bowiem z jednej strony uczestnicy podpisali dokument iż wiedzą o ryzyku, lecz z drugiej strony nikt im nie powiedział jakie jest to właściwie ryzyko. Ostatecznie w 2009 roku w ramach ugody stacja zapłaciła rodzinie zmarłej 16 mln dolarów.

Historia ta miała jednak chyba zbyt małe rozpowszechnienie, skoro w zeszłym roku brazylijska stacja radiowa ogłosiła podobny konkurs, gdzie nagrodę zdobywał zespół, który wypije najwięcej rozwodnionej yerba mate. W zwycięskim zespole składającym się z 10 osób, który wypił 56 litrów napoju, trzy osoby się rozchorowały a jedna zmarła.[5]
------
*  http://en.wikipedia.org/wiki/Water_intoxication
* http://www.pnmedycznych.pl/spnm.php?ktory=138
* http://www.rbs2.com/KDND.pdf
* http://www.protectconsumerjustice.org/a-measure-of-justice-for-a-mother-who-met-a-tragic-end.html

[1]  http://fpn.ipin.edu.pl/archiwum/2005/2/t21z2_7.pdf
[2]  http://www.maratonypolskie.pl/mp_index.php?dzial=1&action=7&code=4888
[3]  http://news.bbc.co.uk/2/hi/uk_news/england/bradford/7779079.stm
[4]  http://www.dailymail.co.uk/femail/article-1038829/Water-detox-robbed-wife.html
[5]  http://www.campograndenews.com.br/cidades/capital/mulher-de-21-anos-morre-depois-de-passar-mal-em-competicao-de-terere

Barwniki do jaj - chemicznie ujmując

Dwa lata temu opisałem w wielkanocnym wpisie jakie są naturalne metody barwienia pisanek i jakie związki za to odpowiadają. W tym roku zatem opiszę te sztuczne barwniki.

Wprawdzie różni producenci produkują tego typu barwniki, ale jak zauważyłem, praktycznie wszyscy używają tych samych, więc opis na podstawie składu barwników które mam w domu, powinien być reprezentatywny.

Czerwony
W moim zestawie za czerwień odpowiada E 124 czyli czerwień koszenilowa. To dość skomplikowany związek:

Dwie cząsteczki pochodnych naftalenu połączone grupą azową -N=N-. Grupa ta jest silnym chromoforem, a więc ugrupowaniem nadającym barwę, a jej kolor wzmacniają duże cząsteczki aromatyczne.
Wszystkie barwniki azowe mogą wywoływać uczulenia, u osób nadwrażliwych na salicylany zwiększają objawy a u astmatyków zwiększają wydzielanie histaminy. Z tego powodu ich użycie w żywności jest coraz bardziej ograniczane a normy zawartości systematycznie obniżane.

Różowy
W niektórych zestawach kolor różowy jest otrzymywany przez dodatek amarantu czyli E-123, kolejnego barwnika azowego. Ze względu na częste doniesienia o reakcjach nadwrażliwości jest coraz rzadziej używany w przemyśle spożywczym, podbarwia kawior, galaretki w proszku i napoje alkoholowe. Jest podejrzewany o rakotwórczość ale nie potwierdzono tego u ludzi.


Żółty
W moim zestawie znajdują się dwa żółte barwniki. Pierwszy to żółcień pomarańczowa czyli E 110 o kolorze bliższym pomarańczy, także będąca barwnikiem azowym:

Podobnie jak inne tego typu związki może wywoływać uczulenia i pokrzywki, u nadwrażliwych na salicylany daje reakcję. Jest podejrzewana o rakotwórczość ale nie wykazano tego u ludzi, mimo tego wiele krajów jej nie stosuje. Używa się jej do podbarwiania słodyczy i żywności która musi być podgrzewana, jednak coraz rzadkiej. Kiedyś była często stosowana do dożółcania margaryny.
Znalazłem informację, że stężone roztwory wodne przybierają w pewnych temperaturach formę ciekłego kryształu.

Drugi barwnik to tartrazyna, czyli E 102, mająca dość ciekawą budowę:

Jest to także barwnik azowy z grupami aromatycznymi, ale także pierścieniem diazolowym. Charakteryzuje się dużą siłą barwiącą. Pojawia się w szerokiej gamie produktów, zwłaszcza napojach i słodyczach, choć w ostatnich latach jest wycofywania. Używa się jej też w kosmetykach i jako barwnika do wełny.
Może wywoływać te same problemy zdrowotne jak i pozostałe barwniki azowe - pokrzywki, uczulenia, nadwrażliwość itp ale też migreny. Wydaje się, że u pewnych ludzi występuje specyficzna nadwrażliwość konkretnie na tą substancję, także u tych którzy nie wykazują objawów na inne barwniki azowe.
Z tego co czytałem, niektóre zestawy zawierają jeszcze żółć chinolinową czyli E 104, także barwnik azowy, inne też kurkuminę.

Niebieski
Niebieskim barwnikiem jest tu błękit brylantowy, czyli E 133, nie jest to tym razem barwnik azowy:

Jednak grupy sulfonowe przy pierścieniach aromatycznych powodują, że także może wywoływać nadwrażliwość. Uważany jednak za bezpieczny z powodu bardzo nikłego wchłaniania. Jest często stosowany w napojach i słodyczach.

Możliwy do stosowania jest też indygokarmin E 132, pochodna pigmentu indygo (tego od dżinsów), kiedyś o nim pisałem. Nie jest barwnikiem azowym, nie wywołuje uczuleń i należy do najmniej szkodliwych substancji barwiących, jest bowiem bardzo szybko wydalany - na tyle szybko, że może zabarwić mocz na niebiesko.
Nie wiem natomiast czy w zestawach używa się czerni brylantowej - barwnika o intensywnym, niebiesko-fioletowym kolorze

Zielony
Mój zestaw nie zawierał żadnego specyficznego barwnika zielonego. Zielony był zapewne otrzymany ze zmieszania błękitu brylantowego i tartrazyny. W zasadzie możliwe jest użycie w niektórych zestawach E140 czyli chlorofilu lub lepiej rozpuszczalnej E 141 czyli chlorofiliny miedziowej, barwników pochodzenia naturalnego które spotykałem w zestawach barwników spożywczych do deserów.

Jak zatem widzicie, barwniki do jaj to kawał chemii. Czy wobec tego są groźne? Raczej nie - nie wnikają do wnętrza jajka, lecz pozostają związane w skorupce - a tą zdejmujemy i wyrzucamy. Jeśli zaś ktoś ma obawy to powinien od teraz pamiętać, by niezużytych barwników do jaj nie używać do innych rzeczy - a już parę razy czytałem o barwieniu nimi domowych ciast i lukrów, które się przecież spożywa w całości.

Post scriptum:
Znalazłem wynik ciekawego badania - analitycy ze Zgierza przebadali w 2009 roku komercyjne zestawy do barwienia przy pomocy chromatografii cienkowarstwowej. Wykazali, że na 9 przebadanych zestawów, trzy nie zawierały deklarowanych barwników, bądź zawierały w śladowych ilościach, a głównymi składnikami barwiącymi były barwniki do wełny, niedopuszczone do barwienia żywości. Opis badań jest dosyć przystępny:
http://zgierz.impib.pl/images/pdf/181.pdf

Chemik robi galaretki, czyli historia pewnego pomysłu

Pewnego razu wracając z zajęć do akademika zauważyłem w holu kolorowy plakat. Konkurs - brzmiał duży napis. Napój Nowej Generacji - dopisano poniżej. Oczywiście się zainteresowałem.

Konkurs organizowany przez uniwersytet i firmę spożywczą z Siedlec był skierowany do studentów, i kusił całkiem niezłą nagrodą pieniężną, zaś przedmiotem było wymyślenie i zaprezentowanie dodatku do napoju. To mogło by być coś w sam raz dla chemika - uznałem. I zapomniałem o sprawie. Dopiero gdy zostało kilka dni do końca terminu zgłaszania ruszyło mnie, że coś trzeba by spróbować, bo głupio by było nie wystartować.
Regulamin nie określał szczegółowo co ma być tematem konkursu - musiał być to dodatek do napojów, w formie pływających stałych cząstek lub dodatku smakowego. Tylko co też takiego wymyślić, aby było to zarazem oryginalne i łatwe do zrobienia? Pomysłów miałem od groma, jednak jednym z etapów konkursu była prezentacja wykonanego dodatku, więc takie pomysły jak błonnikowe kwiaty rozchylające płatki po położeniu na powierzchni napoju czy musujące kulki nadmuchiwane pianą po zamoknięciu, musiały pójść w odstawkę - w kuchni bym tego nie zrobił.

Plakat konkursowy nasuwał na myśl jakieś kulki, może żelowe. Faktycznie, kuchnia molekularna opierająca się na kulinarnych zastosowaniach zdobyczy nauki potrafi łatwo produkować żelowe kulki nazywane sztucznym kawiorem, z płynnym nadzieniem i twardą powłoczką. Tyle, że jeśli jest to tak znana sprawa, to wielu może wpaść na coś takiego, a przecież pomysły nie powinny się powtarzać - myślałem. Jak nie kulki to co? Po odrzuceniu kostek i trójkątów zdecydowałem się na gwiazdki.
Ale jakie? Powinny mieć ciekawy smak i coś charakterystycznego. Z ćwiczeń z rozpoznawaniem tworzyw sztucznych przez różną pływalność pamiętałem, że gdy gęstość stałego materiału jest podobna do gęstości cieczy, to unosi się on swobodnie wewnątrz cieczy. Zarazem jednak płaskie płatki materiału mają skłonność do układania się poziomo, jak opadający liść. Gdyby zatem - pomyślałem - ustawić je pionowo i równocześnie zawiesić swobodnie, to patrzący z boku na szklankę napoju widziałby dobrze kształt gwiazdki. A to już by było coś.

Jako materiał wybrałem sobie agar, głownie dlatego, że galaretka żelatynowa miewa niekiedy pewien posmak który nie każdemu pasuje, a także dlatego, że agar bardzo szybko zastyga i ma dobrą wydajność (łyżeczka na litr wody). Potem na pierwszym etapie tłumaczyłem też komisji, że taka galaretka byłaby wegetariańska na co coraz więcej osób zwraca uwagę. Tak więc gwiazdki z agaru, ale o jakim smaku? Postanowiłem spróbować czegoś nietypowego - smaku ostrego, konkretnie zaś imbiru. Smak kojarzył się z kolorem czerwonym, stąd projekt czerwonych-ostrych gwiazdek.  Na podobnej zasadzie powstały inne typy: zielony-kwaśny i żółty-ananasowy. A jak z tym ustawieniem w zawieszeniu? Najprościej byłoby sprawić, że kształt będzie miał nie równo rozłożony ciężar. Postanowiłem zalewać żel tak, by z jednej strony płat był cieńszy, dzięki temu powinny się ustawiać cięższą połową w dół.

Ale miałem wrażenie, że to może być za mało. Trzeba było dodać do tego coś jeszcze, takiego fajnego, molekularnego a najlepiej chemicznego, żeby się coś działo w tej szklance. Może barwnik który nabiera koloru podczas wytrząsania w shakerze? Albo coś z zapachem? Albo może jeszcze... Pomysł który przyszedł mi do głowy na sam koniec był na tyle ciekawy, że postanowiłem zgłosić go osobno. Były to płatki galaretki, które po wrzuceniu do napoju zmieniają kolor na całkiem inny.
Wiele jest łatwo dostępnych i jadalnych substancji o właściwościach wskaźnika kwasowo-zasadowego. Większość napojów i soków owocowych ma odczyn kwaśny. Postanowiłem zatem przygotować twardą galaretkę zabarwioną takim wskaźnikiem z niewielkim dodatkiem alkalizującej sody oczyszczonej. Po wrzuceniu do napoju żel zakwaszałby się, zmieniając kolor.
Jest kilka takich kuchennych wskaźników. Najlepszym jest wywar z czerwonej kapusty, który zależnie od kwasowości przybiera kolor zielony w mocniejszych, niebieski w słabszych zasadach, w roztworach obojętnych lub lekko kwaśnych fioletowy a w kwaśnych różowy i czerwony. Płat galaretki barwionej kapustą przybierałby więc różne kolory zależnie od rodzaju napoju, stąd też jeden typ dodatku zachowując się różnie dawałby szeroki wachlarz efektów. Sami zresztą zobaczcie:

 

Płatki niebieskie to kolor surowego żelu o alkalicznym odczynie, różowe wyciągnąłem z soku pomarańczowego parę minut po dodaniu. Różnica koloru jest bardzo wyraźna.
Inny typ byłby zabarwiany wywarem z czarnych jagód, tutaj próbka:

Zielone płatki przed wrzuceniem, różowe po wyciągnięciu z napoju. Jeszcze inny typ byłby zabarwiany hibiskusem, który zmienia kolor w taki sam sposób.

Tak więc pomysł miałem a pierwsze próby pokazały, że się sprawdza. Teraz należało wysłać zgłoszenie. Zrobiłem to w ostatnim dniu terminu, tuż przed zamknięciem poczty i z zaaferowania wpisałem błędny adres. Tak to niestety ze mną jest że wiele robię na ostatnią chwilę, nie mogąc przedtem się zmobilizować. List jakoś jednak doszedł na miejsce i na tydzień przed pierwszym etapem, w połowie stycznia, dostałem zawiadomienie gdzie to i o której mam się prezentować. Przygotowałem prezentacje multimedialne, po czym zakasałem rękawy i zabrałem się do wyrobu. Najpierw sporządziłem wywar ze świeżego imbiru, a gdy był dostatecznie szczypiący, dodałem torebkę herbaty hibiskusowej. Gdy się naciągnęła dosypałem agaru.
Agar kupiłem w sklepie ze zdrową żywnością. Miał postać kremowego proszku bez smaku, nie rozpuszczalnego w zimnej wodzie i powoli w gorącej.
Następnie wylałem roztwór na plastikowy talerzyk, lekko go przechylając. Żel zastygł w krótkim czasie, praktycznie zaraz po ochłodzeniu, dzięki czemu w jeden wieczór wykonałem kilka prób z różnym składem.

W zasadzie największy problem sprawiło mi wycięcie gwiazdki, nie mam bowiem zbyt dużych zdolności manualnych, jakoś sobie jednak poradziłem.
W podobny sposób zrobiłem żel zabarwiany kapustą, tylko bez imbiru. Ciekawe zresztą jak czuły okazał się wskaźnik - barwa zmieniała się po dodaniu cukru, zawierającego alkaliczne domieszki, jak i po dodaniu agaru, będącego substancją lekko kwaśną (agar zawiera 0,3% grup sulfonowych i stanowi naturalny kationit). Małe próbki zapakowałem w pojemniki aby pokazać na pierwszym etapie.
Jak to wyglądało? Całkiem spokojnie, wręcz kameralnie. Uczestnicy, których było około dziesięciu, po kolei prezentowali się przed komisją w pustej sali. Następnie powiedziano nam że w razie czego dostaniemy informację i tyle. W sumie podszedłem do tego na luzie. Więc czekałem.

Informacja o drugim, finałowym etapie, pojawiła pod koniec lutego. Termin wyznaczono na 11 marca, do finału zakwalifikowało się pięć osób, w tym ja. Fajnie. Przygotowywałem się przez ten czas, a w przeddzień, oczywiście bardzo późną nocą więc na ostatnią chwilę, przygotowałem jeszcze raz gwiazdki i zmiennobarwne płatki.

Z gwiazdkami był zresztą problem. Gdy w kuchni dobierałem dla nich gęstość, miałem na podorędziu jeden sok, nieco mętny, przez co efekt był słabo widoczny:

Więc idąc na konkurs kupiłem drugi sok, przezroczysty. Był też jednak gęstszy i gwiazdki w nim pływały po wierzchu. Musiałem rozcieńczyć. Od przygotowania stanowiska do właściwej prezentacji pomysłu minęła prawie godzina, przez ten czas gwiazdki straciły część barwnika, zarazem wchłaniając z napoju więcej cukru i teraz dla odmiany opadły na dno. Musiałem więc odlewać i dolewać żeby złapać gęstość dzięki której unosiły się swobodnie pośrodku szklanki

Jak wyglądały prezentacje innych? Pozostali uczestnicy właściwie skupili się na wymyśleniu nowego napoju a nie dodatku. Martyna Chromińska studiująca dietetykę zaproponowała ciekawy sok warzywny, zawierający głownie buraka ćwikłowego i słodzony wyciągiem ze Stewii, który jest znacznie bardziej słodszy od cukru, nie dorzucając jednak kalorii. Takie połączenie było więc zarówno smacznie dzięki słodyczy zabijającej ziemiste posmaki warzyw, ale zarazem bez cukru, stanowiąc bardzo dobry pomysł.
Bardzo dobra była też propozycja Joanny Szczepańskiej z pedagogiki, aby stworzyć koktajl warzywno-owocowy, zawierający brokuły, ale też jabłko, marchewkę, szpinak i sok pomarańczowy, dając tym samym nietypowe połączenie. Na tym etapie konkursu należało zareklamować produkt przed publicznością, nijako sprzedać swój pomysł, kiedy więc na swej prezentacji opisała jak to podczas praktyk w przedszkolu wpadła na pomysł aby dzieci zjadały więcej warzyw, gdy opisała jak to mali wychowankowie po kilku łyczkach zielonego napoju prosili o więcej i gdy wreszcie próbowała włączyć filmik pokazujący z jaką radością i ochotą dzieci wypijają unikalną mieszankę ze zmiksowanymi brokułami - szczerze mówiąc aż skręcało mnie w środku bo prezentowało się to bardzo dobrze i obawiałem się, czy aby ta propozycja nie będzie tą najlepszą.
Kolejny był pomysł matematyczki Barbry Rozwadowskiej, polegający na nalewaniu syropu miętowego na dno szklanki ze Sprite i dodawaniu kolorowej posypki. Cząstki posypki opadały aż do granicy faz, pojawiały się na nich pęcherzyki gazu, które podnosiły je do góry. W ten sposób w szklance następowała ciągła cyrkulacja kolorowych cząstek. Piąta uczestniczka z trzema propozycjami nie przyszła, nie wiem nawet jakie były jej pomysły.

Po prezentacji obejrzeliśmy krótki dokument na temat sponsorującej konkurs firmy spożywczej, potem wysłuchaliśmy krótkiego wykładu pani profesor Chruściel o nanocząstkach w żywności, az przyszło do ogłoszenia wyników.

Piąte miejsce zajął pomysł napoju ze stewią, dla pocieszenia uczestniczka dostała nagrodę publiczności. Czwarte miejsce dostał napój z kolorowa posypką. Trzecie miejsce... Nie chcę wyjść na samochwała, ale trzecie miejsce otrzymałem ja, za pomysł zmiennobarwnych płatków.
Drugie miejsce zdobył tak zachwalany pomysł napoju brokułowego, tymczasem jeśli chodzi o pierwsze, to tu się zdziwiłem - pięć miejsc i tylko czterech uczestników? Czyżby zatem... I choć wydawało się to niemożliwe, pierwsze miejsce zająłem ja. Czego jak czego ale dwóch nagród się nie spodziewałem.
W sumie trochę zaskakujące że najbardziej spodobały się gwiazdki a mniej zmiennobarwne kwadraciki, gdy tymczasem to z tymi drugimi wiązałem większe nadzieje.

I co dalej? Cóż, ja odbiorę nagrodę zaś prawa do produkcji przejmie firma i być może wdroży, kto wie zatem czy za jakiś czas nie zobaczycie w sklepach czegoś co zaprojektowałem.Dwa lata temu w konkursie wygrała propozycja jogurtu z suszonymi pomidorami i podobno niedługo ma być wypuszczony na rynek.

Superglue + wata = ?

O superkleju już tu kiedyś pisałem w artykule na temat ujawniania odbitek linii papilarnych, teraz na krótko powrócę do tej substancji aby opowiedzieć o nietypowej reakcji.

Z pewnością wielu bądź widziało bądź choćby słyszało o tym filmie:

Wata polana superklejem zapala się? Czy to możliwe?

Superkleje opierają swe działanie na samorzutnej polimeryzacji cyjanoakrylanu metylu bądź etylu.
Jest to ester o specyficznej budowie - przy węglu alfa (pierwszy przy grupie karboksylowej) znajduje się grupa nitrylowa i jest on połączony z następnym węglem wiązaniem podwójnym. Zarówno grupa karboksylowa jak i nitrylowa mają skłonność do wyciągania elektronów, toteż wiązanie podwójne zostaje bardzo w nie zubożone. Przekłada się to na zwiększenie kwasowości protonów przy końcowym węglu. W tym przypadku skłonność do oddawania tych protonów jest na tyle duża, iż wystarcza bardzo słaba zasada by je oderwać. Gdy to następuje, zapoczątkowana zostaje reakcja łańcuchowa:

Nukleofilowa zasada odrywa protony na końcu, wiązanie podwójne pęka a na zwornikowym węglu w cząsteczce pojawia się silny ładunek ujemny. Taka cząsteczka sama staje się zasadą i atakuje drugą cząsteczkę. Po utworzeniu wiązania w drugiej cząsteczce pęka wiązanie podwójne, powstaje ładunek ujemny i następuje atak na trzecią cząsteczkę... I tak dalej aż utworzy się nam stała masa splątanych długich łańcuchów.

Zasadą zapoczątkowującą reakcję jest zwykle woda ze śladów wilgoci, bądź substancje klejonych powierzchni. Co jednak zachodzi po nasączeniu klejem bawełny?
Bawełna to celuloza, będąca długimi łańcuchami połączonych cząsteczek glukozy, te zaś posiadają grupy hydroksylowe, w łańcuchu cztery wolne. Własności nukleofilowe tych grup w celulozie są wprawdzie słabe, ale wystarczą do inicjowania reakcji. Duża powierzchnia włókien w kłębku w połączeniu z dużą ilością kleju powoduje zapoczątkowanie polimeryzacji o razu dużej masy akrylanów. W miarę powstawania kolejnych łańcuchów reakcja przyspiesza. Ponieważ jest samorzutna, w jej przebiegu wydziela się energia toteż zaklejony kłębek rozgrzewa się.
Czy jednak aż tak bardzo by zapłonąć? Karty charakterystyki klejów zwykle ostrzegają przed egzotermiczną reakcją z bawełną, czasem wspominając o możliwości zapłonu. Nie tak dawno SciFun wykonał własne pomiary, i maksymalna temperatura w dobrze odizolowanym kłębku wyniosła 115 stopni C, w otwartym ponad 80 stopni. To jednak za mało aby doszło do samozapłonu celulozy, bo na to potrzeba 400 stopni, zatem jego zdaniem kłębek został przez autora podpalony.
Moim zdaniem mogło jednak zajść coś trochę innego - kłębek był przecież cały oblany klejem. Wprawdzie temperatura samozapłonu cyjanoakrylanu to prawie 480 stopni[1], ale już temperatura zapłonu opar kleju to 85 stopni. Jest to temperatura w której opary zmieszane z powietrzem zapalają się po zainicjowaniu. A ponieważ opary te w postaci białego dymu pojawiły się nieco wcześniej, przebieg był zapewne taki - kłębek rozgrzał się do takiej temperatury, że wydzielił intensywne opary, było to temperatura w której opary zapalały się w zetknięciu z ogniem. Wystarczyło zapalić zapałkę w pobliżu kłębka a zapalał się nawet bez przykładania ognia, po prostu od zapłonu unoszących się par. Zastanawia mnie czy w takich warunkach wystarczająca mogłaby być iska elektryczności statycznej.

Podobna egzotermiczna reakcja następuje też z wełną i materiałami skórzanymi. Szansę na samozapłon miałaby w sprzyjających warunkach nitroceluloza dla której graniczna temperatura to 160-170 C, a także tłusta surowa bawełna dla której podaje się wartość 120 stopni. Znalazłem też informacje, że silnie rozgrzać może się spoina gdy próbuje się skleić tym plexiglas, co nie jest chyba tak zaskakujące zażywszy że pleksi to polimer akrylowy i powinien zawierać jeszcze ślady polimeryzatorów. Nie wywołuje to zapalenia ale materiał może się nadtopić. Już większe niebezpieczeństwo sprawia schnący pokost - nie raz zdarzało się że szmaty zabrudzone pokostem lub farbami olejnymi zapalały się od szybkiej reakcji utlenienia.

Myślę że warto tu dodać jeszcze jeden ciekawy przykład. Majsterkowicze czasem używają superkleju do uzupełnienia ubytków w przedmiotach, Mieszają wówczas klej z proszkiem do pieczenia czyli wodorowęglanem sodu. Mieszanka rozgrzewa się i puchnie, szybko jednak twardniejąc w lekką ale mocną masę. Jak łatwo się domyśleć, soda jest dobrą zasadą odrywającą protony i wywołującą szybką reakcję polimeryzacji. Równocześnie następuje częściowy jej rozkład, głównie chyba z powodu połączenia z oderwanymi protonami, może też od ciepła. Ponieważ masa szybko twardnieje zamiast pianki tworzy się lekka masa zwierająca mieszankę kleju, stałej, nieprzereagowanej sody i drobnych bąbelków dwutlenku węgla, która dobrze wypełnia ubytek przylegając do porowatych powierzchni.

Zatem prawdopodobnie klej wylany na bawełniany materiał nie wywoła zapłonu, mimo wszystko jednak rozgrzeje się wystarczająco mocno aby poparzyć. Powstające wówczas białe opary są szkodliwe dla płuc.
------
* Opis chemii i nietypowych zastosowań kleju

[1] http://apps.echa.europa.eu/registered/data/dossiers/DISS-9e9bc392-29b8-523e-e044-00144f67d031/AGGR-5815fa25-4c2c-4942-a8ff-6477f4252fb0_DISS-9e9bc392-29b8-523e-e044-00144f67d031.html

Środki osuszające

Zimą, zamknięci w uszczelnionych przed chłodem mieszkaniach, susząc pranie na rozgrzanych kaloryferach doświadczamy niekiedy warunków iście tropikalnych, gdy nasycona wilgocią atmosfera nie pozwala schładzać się ciału. Wtedy też widzimy wilgoć spływającą z chłodnych okien i marszczące się papierowe gazety. I być może przypominamy sobie wówczas reklamy osuszaczy powietrza, które w jakiś magiczny sposób mają wyssać z powietrza wilgoć.
W jaki sposób? W sposób fizyko-chemiczny...

Skłonność substancji do wchłaniania wody obecnej w powietrzu nazywamy higroskopijnością. Aby proces taki mógł zachodzić, między wodą a materiałem wchłaniającym powinny zachodzić odpowiednio silne oddziaływania. Bardzo hydrofobowy polietylen w zasadzie nie wchłania wilgoci, zaś hydrofilowa celuloza czyni to chętnie. Sam proces chłonięcia wody odbywa się na dwa sposoby - przez osadzanie wody na powierzchni, czyli adsorpcję, albo poprzez wchłanianie do wewnątrz struktury materiału.

Głównym oddziaływaniem mającym wpływ na zdolność osuszająca materiału, są wiązania wodorowe, rozpięte między atomem posiadającego wolne pary elektronowe niemetalu w jednej cząsteczce a wodorem w drugiej. Są to dosyć luźne połączenia, raczej przyciąganie elektrostatyczne niż prawdziwe wiązania, jednak występują często i licznie, wpływając na kształt dużych cząsteczek i właściwości fizyczne substancji. Przykładem może być woda w której każda cząsteczka może tworzyć takie wiązania z trzema innymi. Co prawda ruchy termiczne już w temperaturze pokojowej na tyle silnie miotają cząstkami, że wiązania co chwila rozrywają się i tworzą na nowo, ale sumą ich efemerycznego istnienia jest istotne zwiększenie temperatury wrzenia i krzepnięcia - bez nich tlenek wodoru byłby gazem o temperaturze skraplania poniżej -50 stopni.

Jeśli stały materiał zawiera na swej powierzchni grupy z silnie elektroujemnym niemetalem o wolnych parach elektronowych, to cząsteczka wody z powietrza może zostać z nim związana. Takimi materiałami będzie na przykład celuloza lub cukier, mające w strukturze wiele grup hydroksylowych. Między tlenem takiej grupy a wodorem cząsteczki wody powstaje wiązanie. Możliwe jest też wiązanie między wodorem grupy hydroksylowej a tlenem cząsteczki wody. W podobny sposób wodę chłoną białka, gdzie mamy pod dostatkiem atomów elektroujemnych (azot, tlen).
W przypadku naturalnych włókien, ilość pochłoniętej wilgoci wpływa na ich długość - włókno nawodnione rozciąga się a wysuszone kurczy. Praktycznie wykorzystano tą własność w "domkach pogodowych" gdzie włos lub nić bawełniana owinięty wokół osi, rozciągając się lub skracając przy różnej wilgotności powietrza powoduje, że raz z domku wysuwa się figurka kobiety a raz mężczyzny z parasolem.

Nieco inny jest mechanizm wchłaniania wody przez sole nieorganiczne i materiały ceramiczne. Sól taka składa się z anionów reszty kwasowej i kationów metalu. Każdy jon wytwarza wokół siebie niewielkie pole elektryczne, do którego przyciągane są cząsteczki wody o właściwościach dipola. Zależnie od wielkości i tego na ile jest osłonięty przez inne atomy, jon przyciągnie w ten sposób od jednej do sześciu cząsteczek wody. W taki sposób zwykle rozpoczyna się rozpuszczanie soli w wodzie, tu jednak powstaje jedynie jednocząsteczkowa warstwa na samej powierzchni

Ten powierzchniowy sposób nie ma zwykle wpływu na strukturę materiału, chyba że cząsteczki wody utworzą z jonami dużo trwalszą strukturę - hydrat.
W hydracie cząsteczki wody stają się części sieci krystalicznej. Kationy metali chętnie bowiem tworzą z wodą akwakompleksy, a więc związki z przeniesieniem elektronów tlenu na puste powłoki metalu. Powstający wówczas jon kompleksowy może być bardzo trwały. Aniony z kolei mogą wiązać wodę bądź elektrostatycznie, bądź przez wiązania wodorowe jeśli są resztami kwasów tlenowych.
Hydratacja soli często zmienia jej właściwości - bezwodny siarczan miedzi jest sypkim, białym proszkiem; po nawodnieniu staje się intensywnie niebieski za sprawą powstającego jonu kompleksowego Cu[(H2O)4]2+ , piątą cząsteczkę wody wiąże reszta siarczanowa poprzez wiązanie wodorowe, stąd pełny wzór hydratu CuSO4 X 5 H2O.

Wyjątkowo dużo wody może związać krystalicznie siarczan sodu, nazywany solą glauberską. Uwodnione kryształy zwierają 10 cząsteczek wody na jeden ekwiwalent związku, co stanowi więcej niż 50% masy. Sześć cząsteczek wiąże w mało trwałym kompleksie kation sodowy, dwie wiąże reszta siarczanowa zaś dwie kolejne zawierają się w pustych przestrzeniach sieci. Podobny związek w formie przezroczystych kryształów daje węglan sodu. Bezwodny chlorek kobaltu jest intensywnie niebieski (zabarwia się nim emalię), uwodniony staje się różowy.
Małe i silnie naładowane jony na powierzchni kryształu nie tylko przyciągają kilka cząsteczek wody, ale też często ich oddziaływanie jest nadal wystarczające aby do tej warstewki dołączać kolejne, przez co materiał pokrywa się warstwą wody w której może zachodzić rozpuszczanie. Takim jonem jest jon wodorotlenkowy, w efekcie rozpuszczalne wodorotlenki jak sodu czy potasu, pozostawione na powietrzu rozpływają się w gęsty roztwór.

Wreszcie w przypadku materiałów porowatych pewną rolę pełni też kondensacja kapilarna

Osuszacze
Jak wobec powyższego działają komercyjne osuszacze powietrza?
Część urządzeń opiera się na wykraplaniu wilgoci na elemencie chłodzącym, są to urządzenia potrzebujące prądu, ja jednak zajmę się tymi bezprądowymi, opartymi na higroskopii. 
Typ jaki najczęściej spotykam to prosty pojemnik z podziurkowanym wieczkiem, do którego wsypuje się granulki, te po pewnym czasie rozpływają się zaś ilość roztworu zwiększa się do pewnego poziomu. Takie osuszacze bazują na pochłanianiu wody przez sole nieorganiczne, najczęściej przez suchy chlorek wapnia.
Związek ten chłonie wodę zamieniając się w hydrat, wiążąc w formie krystalicznej do sześciu cząsteczek wody na jeden równoważnik związku. Hydrat ten jest jednak nadal higroskopijny, chłonąc wodę na powierzchni ziaren tak silnie, że zaczyna rozpływać się "we własnym sosie" tworząc roztwór.

Gdy grudki się rozpłyną, w pojemniku tworzy się syropowata ciecz, zaś w pochłanianiu wilgoci przeważać zaczyna inne  niż wyżej opisane zjawisko fizyczne - mianowicie równowaga między parą nasyconą a roztworem. Gdy umieścimy w pojemniku lotną ciecz, zacznie ona parować aż do momentu gdy gazowa część zbiornika osiągnie stan nasycenia.  W takim stanie para pozostaje w równowadze z cieczą, co oznacza, że tyle samo cieczy paruje co pozostaje wchłonięte przez roztwór. Jeśli nasz pojemnik nie będzie szczelny, para będzie uciekała i nie osiągnie nasycenia, zaś lotna ciecz powolutku wyschnie.
Zamknięte mieszkanie może być potraktowane jak taki pojemnik, w którym znajdują się źródła pary wodnej. Jej stężenie w powietrzu zmienia się, czasem wzrastając tak bardzo że skrapla się na chłodnych przedmiotach, zazwyczaj jednak jedynie powodując wilgotnienie materiałów za sprawą ich higroskopijności.
W zasadzie dopóki w mieszkaniu nie zapanują tropikalne warunki pełnego nasycenia parą wodną, równowaga między cieczą a parą nie jest zachowana i woda pozostawiona w szklance powoli paruje.
Inaczej będzie gdy w takim wilgotnym mieszkaniu postawimy roztwór zawierający dużo soli.
Sól niejako "rozcieńcza" wodę.
Gdy rozpatrzymy to sobie mikroskopowo, parowanie następuje gdy w granicę faz uderzy cząsteczka o wystarczającej energii. Jeśli teraz rozprowadzimy w wodzie sól, jej cząsteczki zajmą miejsce niektórych cząsteczek wody. Zatem, znów mikroskopowo patrząc, w granicą faz od dołu uderza mniejsza ilość cząsteczek, przez co roztwór jest mniej lotny (ma niższą prężność par).
Skoro tak, to do osiągnięcia stanu równowagi wystarczy zdecydowanie mniejsze nasycenie par nad roztworem. Jeśli do zamkniętego naczynia wstawimy szklankę z wodą i szklankę z roztworem soli, woda będzie parować aż osiągnie stan równowagi z czystą wodą - co będzie jednak stanem nadmiernie wilgotnym dla roztworu soli. Roztwór soli zacznie więc pochłaniać wodę a my obserwujemy, że w jednej szklance poziom opada a w drugiej rośnie.

Gdy w naszym wilgotnym mieszkaniu granulki chlorku wapnia w pochłaniaczu rozpłyną się, powstający roztwór nadal będzie pochłaniał wilgoć, coraz słabiej wraz z rozcieńczaniem. Tak powstały roztwór jest nieszkodliwy, choć może działać drażniąco. Można go odparować do sucha odzyskując środek wiążacy, po schłodzeniu gęstego roztworu wydzielają się kryształy hydratu. Roztworu bądź kryształów można użyć do odladzania przy silnych mrozach.

Inne osuszacze, mające postać saszetek i woreczków, zawierają różnego typu chłonne materiały ceramiczne i naturalne glinki, na przykład bentonit. Wchłaniają mniej wilgoci ale nie rozpływają się, dlatego można używać ich na przyklad w samochodzie.

Bardzo pospolitych środkiem chłonnym jest koloidalna krzemionka. W postaci mlecznych granulek w woreczkach jest wrzucana do butów lub umieszczana w opakowaniach leków - na przykład wewnątrz koreczków tubek z wapnem musującym.

Jest to wytrącony z roztworów krzemianów kwas krzemowy, silnie skondensowany, tak że w większości składa się w usieciowanego tlenku krzemu, na powierzchni mając wolne grupy hydroksylowe, które podobnie jak te w celulozie i w cukrze, łączą się chętnie z cząsteczkami wody. Jest to materiał wyjątkowo porowaty ze szczelinami wewnątrz ziarna, przez co faktyczna powierzchnia ziarna krzemionki jest ogromna.
Czasem dostępny jest typ zmieniający barwę zależnie od nasycenia, zwykle za sprawą dodatku chlorku kobaltu - suchy żel jest wtedy błękitny a gdy jest nasycony i przestaje pochłaniać wilgoć, staje się różowy

Z pochłaniaczy wilgoci korzystają także chemicy - niejednokrotnie ślady wilgoci przeszkadzają w reakcjach, a także utrudniają dokładne odważenie związku. Dlatego sypkie związki przechowuje się zwykle w szklanych naczyniach z grubego szkła - eksykatorach - zawierających w dolnej części sypkie osuszacze różnej mocy. Czasem jest to żel krzemionkowy, zwykle jednak używa się chlorku wapnia lub siarczan magnezu, często też nadchloran magnezu (ale ten ostrożnie bo zanieczyszczony związkami organicznymi może się zapalić) a także tlenku fosforu. Ten ostatni jest silnym pochłaniaczem wilgoci, wiąże ją przez reakcję chemiczną, tworząc kwas fosforowy.
W podobny sposób wiąże wodę tlenek wapnia, tworzący z nią stały wodorotlenek; zwykle suszy się nim niższe alkohole. Osuszacze te mogą być dodawane do płynnych cieczy organicznych aby usunąć z nich ślady wody, jeśli z nimi nie reagują. Skrajnym osuszaczem używanym do rozpuszczalników organicznych, jest metaliczny sód, reagujący z wodą z wydzieleniem wodoru - procedurę opisałem kiedyś w innym wpisie.
Szczególnym przypadkiem są sita molekularne - granulki masy ceramicznej zawierające niewielkie pory, w głąb których wcisnąć mogą się cząsteczki wody ale nie cząsteczki większych substancji. Dlatego dosyć selektywnie odciągają wodę z substancji, pozwalając osiągnąć bardzo dobre rezultaty.