Chemia piękna - ebook

PRZEDMOWA

Niniejszy podręcznik powstał na podstawie cyklu wykładów z zakresu chemii kosmetycznej dla studentów szkół wyższych o profilu kosmetycznym i kosmetologicznym. Wykłady te mają na celu nie tylko chemiczne wykształcenie wysokiej klasy kosmetyczek, ale również przygotowanie ich do kontynuowania nauki na magisterskich studiach uzupełniających o profilu chemicznym. Dlatego tematyka typowa dla chemii kosmetycznej została wzbogacona o elementy chemii ogólnej z uwzględnieniem chemii fizycznej, niezbędne do uzyskania pełnego wglądu w istotę chemii w ogólności, a chemii kosmetycznej w szczególności. Takie holistyczne podejście umożliwia zrozumienie organizacji materii zarówno na poziomie mikroskopowym (atomowym, cząsteczkowym), jak i makroskopowym (dostępnym naszym zmysłom). Ma również znaczenie dydaktyczne — wszyscy studenci mogą zrozumieć wykładany materiał niezależnie od posiadanej wiedzy wstępnej z zakresu chemii.

Nie wszystko, co służy urodzie, sprzyja zdrowiu. Dermatolodzy oceniają, że 10–20% ludzi cierpi na alergie i inne schorzenia z powodu używania kosmetyków. W ich skład wchodzą substancje, których użycie może być zakazane z powodu działania kancerogennego, toksycznego lub alergizującego. W konsekwencji spektrum substancji o praktycznym znaczeniu kosmetycznym ulega ciągłej zmianie, a każdy podręcznik z zakresu chemii kosmetycznej staje się fragmentarycznie nieaktualny już w trakcie pisania. Z tego względu opis substancji ograniczam przede wszystkim do tych, które były i w najbliższym czasie będą w kosmetyce stosowane, podając jednocześnie informacje o możliwym działaniu szkodliwym.

Finansowanie badań naukowych przez duże koncerny kosmetyczne powoduje znaczną dynamikę odkryć substancji biologicznie czynnych o znaczeniu kosmetycznym — to pozytywny aspekt problemu. Z drugiej strony należy z dużą ostrożnością podchodzić do wyników badań efektywności działania substancji kosmetycznych, przeprowadzanych w laboratoriach koncernów. Czas zwykle weryfikuje skuteczność i spektrum zastosowań nowo odkrytych substancji — tylko nieliczne przechodzą do panteonu kosmetycznego, inne zapadają w kosmetyczny niebyt.

W książce zastosowano dwie komplementarne metody podziału związków chemicznych o znaczeniu kosmetycznym. Pierwsza — opiera się na klasyfikacji chemicznej, w drugiej kryterium podejścia stanowi funkcja substancji w kosmetykach. Podejście to umożliwia opis nawet złożonych związków chemicznych, które zawierają kilka grup funkcyjnych lub mogą pełnić kilka funkcji w kosmetykach.

Załączony „Słownik składników kosmetycznych" sporządzono na podstawie _International Cosmetic Ingredients Dictionary_. Podane nazwy są zgodne z nomenklaturą INCI (_International Nomenclature of Cosmetic Ingredients_), stosowaną do oznaczania składników na opakowaniach produktów kosmetycznych. Słownik umożliwia przejście od nazwy INCI substancji do jej charakterystyki chemicznej przez zastosowanie klucza klasyfikacji chemicznej lub funkcyjnej.

Składam serdeczne podziękowania prof. dr. hab. Jerzemu Konarskiemu, prof. dr. hab. Lucjuszowi Zaprutko, prof. dr. hab. Bogumiłowi Bryckiemu, dr. hab. Henrykowi Szymusiakowi, dr. Krystianowi Eitnerowi i dr. Karolowi Kacprzakowi za wartościowe uwagi i sugestie. Dziękuję również żonie Beacie i synowi Julianowi za wyrozumiałość i cierpliwość w czasie trzech lat powstawania niniejszej książki.

Poznań, marzec 2008

_Autor_1. RYS HISTORYCZNY

Nazwa CHEMIA pochodzi od arabskich słów _cheme_ i _khem_, które oznaczają czary, lub od greckiego słowa _chymea_ — metalurgia. W początkowym etapie rozwijała się w Egipcie (od XXXV w. p.n.e.) i Chinach (od II w. p.n.e.) jako alchemia. Podbijając w VII w. Egipt, Arabowie przejęli rękopisy ocalałe po pożarze Biblioteki Aleksandryjskiej w 47 roku. W ten sposób zgromadzili całą dostępną wiedzę świata starożytnego, która po podboju Hiszpanii w VIII w. rozpowszechniła się w Europie. Za „ojca” alchemii uważany jest Hermes Trismegistos (Trzykroć Wielki), autor pism _Corpus Hermetica_ i _Tabula Smaragdina_. Najstarszymi ze znanych tekstów chemicznych są dwa zwoje papirusowe znajdujące się w Lejdzie i Sztokholmie — oba powstały w III wieku. Stanowią one w sumie 252 receptury dotyczące wytopu metali, sporządzania barwników oraz otrzymywania imitacji kamieni szlachetnych. Zawarte w nich informacje można traktować jako pierwsze znane chemiczne notatki laboratoryjne.

Do Europy alchemię wprowadził w VIII w. arabski uczony i filozof Geber. Najstarszy europejski dokument alchemiczny zachował się w pochodzącej z XI w. księdze _Schedula diversarum partium_, napisanej przez kapłana Theophiliusa. Wielu europejskich uczonych średniowiecznych zajmowało się alchemią, np. Albertus Magnus, Roger Bacon, Arnold de Villanova czy też Raymundus Lullus. Ten ostatni pierwszy otrzymał w XIII w. bezwodny alkohol etylowy (100-procentowy), destylując wino z tlenkiem wapnia CaO. Produkt nazwał _ultima consolatio corporis_ _humani_ (największe pocieszenie ciała ludzkiego). Arnold de Villanova nadał alkoholowi etylowemu nazwę _aqua vitae_ (woda życia), zalecając jego stosowanie do przedłużania życia, wzmacniania ciała i przeciwko dżumie. Znanym polskim alchemikiem był Michał Sędziwój (1566–1636) — autor dzieła _Dwanaście traktatów_ _o kamieniu filozofów wyprowadzonych ze źródła przyrody_, opublikowanego w roku 1604.

Alchemicy zajmowali się poszukiwaniem lub syntezą tzw. kamienia filozoficznego, za pomocą którego usiłowali dokonać transmutacji (przemiany) metali nieszlachetnych w złoto lub srebro. Przy okazji dokonywali wartościowych odkryć i wynalazków, przyczyniając się do rozwoju nauk przyrodniczych: chemii, fizyki i biologii. Niektóre z odkryć dokonanych przez alchemików były przełomowe dla ludzkości (np. odkrycie prochu) i przyczyniły się do rozwoju kultury materialnej i duchowej (np. odkrycie szkła, barwników, porcelany, fajansu, tuszu, atramentu, papieru). Alchemicy wprowadzili metody takie, jak destylacja, cementacja, amalgamowanie, ekstrakcja, kupelacja, rektyfikacja, sublimacja, redukcja, utlenianie. Są one stosowane do dnia dzisiejszego w laboratoriach oraz na skalę przemysłową. W XVII w., wraz z rozwojem nauk przyrodniczych, alchemia metafizyczna upadła, natomiast jej racjonalne elementy zostały włączone do ścisłej nauki — chemii.

Słowo KOSMETYKA pochodzi od greckiego _kosmĕtikós_, które oznacza biegły w zdobieniu. Jednakże najstarsze przekazy dotyczące chemii kosmetycznej pochodzą ze starożytnego Egiptu, gdzie już 3500 lat p.n.e. produkowano na dużą skalę leki, maści, olejki oraz substancje zapachowe. Panujący w Egipcie suchy i gorący klimat przyspieszał proces starzenia skóry, która traciła swoje funkcje ochronne. Dlatego nacieranie jej tłuszczami stałymi i ciekłymi było nie tylko praktyką kosmetyczną, ale również leczniczą, zapobiegało bowiem infekcjom skórnym. Egipcjanie nie znali procesu destylacji, dlatego podstawą w produkcji substancji wonnych były oleje roślinne aromatyzowane cedrem, cyprysem, cynamonem, kasją i mirrą. Analiza chemiczna egipskiej szminki do oczu wyprodukowanej ok. 2000 lat p.n.e. wykazała obecność minerałów: cerusytu (PbCO₃) i bieli ołowianej . Pełniły one funkcję nieorganicznych filtrów UV, których zadaniem była ochrona wrażliwej skóry okolic oczu przed szkodliwym promieniowaniem słonecznym. Ponadto sztucznie bielona cera świadczyła o wysokim statusie społecznym użytkownika. Badania archeologiczne wykazały, że biel ołowiana była stosowana w celach zdobniczych już 4000 lat p.n.e. w Mezopotamii. Jako substancję bielącą stosowano również kasyteryt (SnO₂), który zidentyfikowano w rozjaśniającym podkładzie kosmetycznym znalezionym w rzymskiej świątyni sprzed 2000 lat w Southwark w południowym Londynie. Godnym uwagi jest fakt, że już 3000 lat p.n.e. mieszkańcy Harrapy (kultura doliny Indusu) stosowali nieznaną w Egipcie destylację substancji lotnych, wykorzystywanych w produkcji wód zapachowych. Badania archeologiczne stanowiska Pyrgos-Mavroraki koło Nikozji wykazały, że ok. 2000 lat p.n.e. produkowano na Cyprze pachnidła na bazie anyżku, bergamotki, cynamonu, liści laurowych, mirtu i żywicy sosnowej.

Początek chemii kosmetycznej lekarskiej w Europie wiąże się z powstaniem w XVI w. jatrochemii (w języku greckim _iatrós_ oznacza lekarz), inaczej zwanej alchemią lekarską. Jatrochemicy zajmowali się przygotowaniem i ordynowaniem substancji chemicznych o właściwościach leczniczych. W leczeniu stosowali silnie działające środki, m.in. rtęć, arsen i antymon. Do głównych przedstawicieli jatrochemii zaliczamy Paracelsusa (1493–1541) i Andreasa Libaviusa (1540–1616). Paracelsus — właściwe nazwisko to Phillipus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim — był profesorem uniwersytetu w Bazylei (1526). Uważał, że głównym celem alchemii jest zwalczanie chorób, wzmacnianie ciała i duszy człowieka oraz przedłużanie życia. Wprowadził wiele nowych lekarstw m.in. opium, rtęć (w leczeniu chorób wenerycznych), sole różnych metali. Drugi ze znanych przedstawicieli jatrochemii — Andreas Libavius — jest autorem znanego dzieła _Alchymia_ wydanego w roku 1597.

Najstarszym kosmetykiem dekoracyjnym jest ochra, zawierająca tlenki żelaza FeO i Fe₂O₃. Jest to mineralna substancja barwiąca, o kolorze od żółtego do brunatnoczerwonego, którą odkryto w grobach sprzed 100 tys. lat w izraelskiej jaskini Qafzeh. Egipskie przekazy datowane na 3500 lat p.n.e. mówią o zastosowaniu minerału galeny (PbS) do malowania oczu i farbowania włosów. Wyznawcy Horusa już 3500 lat p.n.e. wyrabiali perły ze szkła wapniowo-sodowego, stosowane jako ozdoby. Za dynastii Thinitów (3315–2895 r. p.n.e.) wytapiano jasnoniebieskie szkło, stosowane do produkcji ozdób. Wysoki poziom osiągnęła sztuka barwienia tkanin, szkła, wyrobów glinianych i emalii. Na Krecie już 1600 lat p.n.e. stosowano do barwienia tkanin tzw. „purpurę antyczną” zawierającą 6,6′-dibromoindygo, pozyskiwaną ze skorupek ślimaków _Purpura_ _baemostona_.

Chemia kosmetyczna pielęgnacyjna i zachowawcza stosowane były w starożytnym Egipcie, gdzie już w 2600 r. p.n.e. otrzymywano blaszki i nici złote o grubości 0,001 mm, stosowane do „odmładzania” ciała. Współczesne badania wykazały, że cienkie złote nici wprowadzone w skórę regenerują ją i stymulują wzrost tkanki łącznej, a efekt „odmłodzenia” utrzymuje się przez okres ok. 10 lat.

Techniki mające na celu podkreślenie i wzmocnienie czynników decydujących o urodzie i elegancji stosowane były przez wszystkie kultury, pod wszystkimi szerokościami geograficznymi, a zadbana skóra, włosy, zęby i paznokcie decydowały i nadal decydują o pięknie ludzkiego ciała.Rozdział 2

Klasyfikację pierwiastków na podstawie podobieństwa właściwości chemicznych zaproponował Dmitrij Mendelejew (1834–1907) w 1869 r.

Zgodnie z zaleceniami Międzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC).

W 1999 r. zespół naukowców z Lawrence Berkeley National Laboratory ogłosił, że udało się zarejestrować istnienie atomów pierwiastka o liczbie atomowej Z = 118. Otrzymanie tego pierwiastka polegało na bombardowaniu izotopu ołowiu ²⁰⁸Pb atomami kryptonu ⁸⁶Kr o energii 449 MeV. Zachodziła wówczas reakcja: ₈₂²⁰⁸Pb + ₃₆⁸⁶Kr →₁₁₈²⁹³Uuo + ₀¹n. Przez 11 dni trwania eksperymentu zarejestrowano tylko trzy atomy nowego pierwiastka. Po kilku nieudanych próbach powtórzenia tego wyniku przez niezależne laboratoria wycofano informację o odkryciu. http://enews.lbl.gov/Science-Articles/Archive/118-retraction.html

Internetowa wersja układu okresowego pierwiastków oraz ich charakterystyka fizykochemiczna prezentowane są na stronie http://chemia.panoramix.net.pl

Zjawisko degeneracji polega na tym, że różnym orbitalom odpowiada jednakowa energia elektronów, które je zajmują. Na przykład w atomie wodoru orbitale 2s, 2px, 2py i 2pz są zdegenerowane. W innych atomach energia elektronu na orbitalu 2s różni się od energii elektronu na orbitalu 2p i dlatego orbitale te nie są zdegenerowane.

Skalę twardości zaproponował w 1812 r. Friedrich Mohs (1773–1839) — profesor mineralogii uniwersytetu w Grazu i Wiedniu. W skali tej talk ma najmniejszą twardość — 1, sól kamienna — 2, kalcyt — 3, fluoryt — 4, apatyt — 5, ortoklaz — 6, kwarc — 7, topaz — 8, korund — 9, diament — 10. Minerały o twardości większej niż 6 rysują szkło.

Powietrze troposferyczne składa się z 75,51% (mas.) azotu, 23,14% (mas.) tlenu oraz innych gazów (Ar, Ne, Kr, He, Xe, CO₂), które nie mają momentu dipolowego. Dlatego powietrze ma właściwości hydrofobowe.

Turgor — stan jędrności komórek roślinnych, wskutek wewnętrznego ciśnienia protoplastu na ściany komórkowe. Więdnięcie roślin związane jest ze zmniejszaniem się turgoru.