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口罩
消毒剂
01 进击的守护者：口罩中的化学
面对不断发展的疫情，口罩已经成为了这个春节每个人的必备用品。网络上有关“口罩”的各种说法更是层出不穷，真伪莫辨：
到底什么类型的口罩对防止病毒有效？棉口罩，医用口罩还是N95?
口罩越厚越好？如果戴上口罩的你觉得呼吸困难，就说明很有效果？
与他人间隔保持1米距离就不用戴口罩？口罩要每隔2-4小时更换一次？
使用过的口罩能够用微波炉或者烤箱消毒，循环使用？
面对各种杂乱无章的信息，你可能会感到一头雾水。
别着急，你毕竟是一个已经学习过了很多化学的知识分子，希望下面的这份“口罩中的化学”，能够帮助你更好地理解戴口罩的必要性，也欢迎转发给你所关心的人哦~
1. 一个喷嚏能飞多远？戴口罩有什么用？
你是否想过，一个喷嚏或者咳嗽能够飞多远？
图1 高速视频捕捉到的喷嚏。打喷嚏后，较大的液滴（绿色）从口中喷出，下落速度相对较快。雾状的液滴“云”（红色）的传播距离多达8米。（图片来源文献1）
（抖机灵：猜猜黄色的部分是什么，那是志愿者的脸[微笑]）（小编：）
喷嚏和咳嗽的产生开始于深呼吸，肺部的空气被压缩，在很短的时间里内被肺挤压出来。喷出的东西不止有气体，还伴随着大量的液滴，这些液滴将肺部，支气管，气管黏附的体液一并带出，喷涌出数万个小液滴，如图1所示。在重力的作用下，一些较大的液滴很快就落到地板上，而较小的液体就飞得比较远，随着气流扩散开来。而这时候，大量的病毒和细菌就乘着这些小液滴一起传播了出来。
灵魂拷问来了，为什么较小的这些液滴受到重力的影响较小，能够在空气中存留比较长的时间呢？
（提示：你可以回忆一下氢氧化铁悬浊液和氢氧化铁胶体的性质）
学过胶体和分散系之后我们都知道，物质的物理和化学性质与微粒的尺寸大小有很大的关系。因此氢氧化铁沉淀的浊液会很快分层，但是氢氧化铁胶体能够稳定存在相当长的一段时间，这也是由喷嚏产生的可能携带病毒的气溶胶能够稳定存在的原因。
因此，“与他人保持1米的距离就不用戴口罩”的说法显然是不科学的，气溶胶可以传播的范围远远大于1米。只有正确佩戴了符合标准的口罩，口罩中的熔喷层才能够很好地对上述的气溶胶起到阻隔的效果，从而起到防护的效果。
当然，除了佩戴口罩，尽量少去人流密集的区域，注意室内通风，勤洗手也非常重要。室内通风能够帮助室内具有潜在威胁的气溶胶更快地发生扩散，而勤洗手也是为了减少可能落在桌子，手机等处的气溶胶粘在手上而带来的危害。
2. 哪些口罩有效果？它们的化学成分和结构是怎样的？
图2 @人民日报：预防新型冠状病毒感染的肺炎口罩使用指南
如图2所示，对于普通人来说，医用外科口罩，医用防护口罩，医用护理口罩，以及工业用颗粒物防护口罩（如N95口罩），都可使用。其他口罩，如棉口罩，海绵口罩，活性碳口罩等，针对此次新型关冠状肺炎疫情，不推荐大家使用。
为什么上述医用外科口罩、N95口罩能够对病毒的传播有一定的阻碍作用？因此这些口罩都是由多层的无纺布材料构成的。无纺布是相对纺织布来说，就是非纺织的布，是由定向的或随机的纤维而构成，常见口罩所采用的纤维材料是聚丙烯（Polypropylene，简称PP）。灵魂拷问来了，已经学完有机化学的你，是否能够回忆起聚丙烯的结构简式？是否能写出聚丙烯合成的化学方程式？
我们经常说的“几层口罩”，其标准的意义是指单只口罩中无纺布纤维的层数。医疗用口罩至少是3层结构，一般简称为SMS结构，示意图见图3。
图3 常见口罩的SMS结构示意图
图3中的S层表示纺粘层（Spunbond），其纤维直径比较粗，在20μm左右（头发直径的1/3），因此硬度大，能够支撑整个口罩，同时也能起到隔绝大颗粒物质的作用，M层表示熔喷层（Meltblown），纤维直径比较细，在2μm左右（纺粘层纤维直径的1/10，头发直径的1/30），对防止细菌、血液渗透起至关重要的作用。
图4是网络上几种不同医用口罩的宣传图片，其中能起到防止细菌和病毒作用的都是中间的熔喷层。棉口罩、海绵口罩对于此次冠状病毒不能起到防护作用的原因，也在于这类口罩材质多为棉布、纱布以及帆布等，材质不够细密，空隙较大，不能有效起到防护作用。
图4 网络上几种不同医用口罩的宣传图
结合S层和M层的微观结构可以了解，如果S层较多，则口罩比较坚硬，而M层较多，则呼吸比较困难，阻碍效果也比较好。因此，判断口罩隔绝效果的一种简易方式是通过呼吸比较，呼吸越困难，则阻隔效果更好。口罩也并不是越厚越好，关键因素在于其中熔喷层的厚度和纤维的直径大小。在高隔绝效果和高透气度之间找到一个平衡，是口罩生产的一个技术问题。
当口罩佩戴超过规定的2-4小时之后，被吸附到口罩上的颗粒物一方面会堵塞熔喷层，增加呼吸压力，使人感到呼吸困难，一方面也会降低口罩的隔离效果，所以建议大家在条件允许的情况下，按照口罩的使用说明定时更换。至于“能够使用微波炉和烤箱对使用过的口罩消毒”，聚丙烯的熔点在140-160 oC之间，我看到过的最贴切的评论叫“你这样做，可能是微波炉，烤箱和口罩都不想要了吧[微笑]”。
本身有呼吸道疾病，尤其是呼吸困难、肺功能不好的同学需要额外注意，医用防护口罩或工业颗粒物防护口罩的呼吸阻力很大，长期佩戴后可能会出现头晕、胸闷等现象，所以不建议选择。
最后，送给大家一句今天看到的标语作为今天的科普小文的结语，也希望大家保重身体，同时在家好好学习~
因为爱你，离你一米；
爱你多少？带好口罩！
1. Bourouiba L, Dehandschoewercker E, Bush J W M. Violent expiratory events: on coughing and sneezing[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2014, 745: 537-563.
2. 还不戴口罩？看看喷嚏和咳嗽到底能飞多远，科学大院公众号（ID：kexuedayuan），作者：苏澄宇；
3. 口罩摘下来别乱放！最全口罩指南，看这篇，丁香医生（ID:dingxiangyisheng）
4. N95口罩是什么材料做成的？第八元素塑料版，作者：孙洲渝
02 杀死冠状病毒的消毒剂们
近来疫情较为严峻，谨遵钟南山院士的教导，本秋勤洗手常消毒，为了杀死可恶的冠状病毒，准备了不少消毒剂。前段时间我从老家返京，随身携带了一瓶免洗洗手液，在安检处不幸被拦下。安检员小姐姐语重心长给我讲解，洗手液之所以能够消毒就是因为里面含有酒精，消毒之心可以有，但不要妄想携带消毒剂上飞机。作为一个化学老师的我当场表示不服气，除了酒精之外能用于消毒的化学试剂千千万，那么有哪些消毒剂是可以带上飞机的呢？
我们简单了解一下冠状病毒（Coronavirus）的结构（图1），由蛋白质外套膜包裹核酸（DNA或RNA）。由于蛋白质包膜上存在棘突，整个病毒像日冕一样，故称冠状病毒。
图1.冠状病毒的基本结构（图源：百度百科）
因此，破坏病毒结构的最简易的方式就是通过一系列手段使蛋白质变性，就能使病毒的生长繁殖受到抑制。而我们在有机化学模块刚刚学过：加热、紫外线照射、酸、碱、重金属盐、乙醇等均能使蛋白质发生变性！因此消毒剂的原理基本明了，接下来咱们可以唠唠常用的消毒剂都是何方神圣。
首先，就是本秋在安检处忍痛抛弃的免洗洗手液（图2），其主要成分是55%-65%的乙醇。乙醇作为最常用的消毒剂，能够使蛋白质变性，质量分数为70%时作用最强，高于70%浓度能很快沉淀蛋白质形成一层保护膜，反而阻碍其深层消毒。
图2. 免洗洗手液，主要成分为乙醇
除了乙醇外，苯氧乙醇（图3A）对绿脓杆菌有强大杀灭作用，绿脓杆菌能够造成烧伤感染，所以常用2%苯氧乙醇溶液于烧伤治疗。苯甲醇（图3B）具有弱的防腐作用，常用于药剂防腐。以上三种有机物都包含的主要官能团是羟基（-OH），苯氧乙醇还具备醚基（-O-）。
图3 (A) 苯氧乙醇；(B) 苯甲醇
苯氧乙醇的常用合成路线是在醋酸钠或过氧化钠存在下，苯酚和环氧乙烷进行加成反应（式1），反应产物再经减压蒸馏而制得。另外，还可以使用Williamson醚合成法。典型的Williamson醚合成法是醇钠与卤代烃在无水条件下反应生成醚，这是一个取代反应。如果是酚类则可以在氢氧化钠水溶液中首先得到酚钠，Williamson法制备苯氧乙醇的方法你想到了嘛？
让安检小姐姐猝不及防的是，本秋还随身携带了一瓶便携消毒液（图4），进行简单稀释之后可用于卫生手消毒。我还贴心地告诉了小姐姐，这瓶消毒剂的主要成分是对氯间二甲苯酚（图5B），化学性质稳定不易燃，可以带上飞机。
图4. 便携消毒液，主要成分为对氯间二甲苯酚
酚类能够使蛋白质变性，并杀死一般细菌。我们最熟悉的酚类消毒剂就是苯酚（图5A）了，苯酚虽然可使蛋白质变性，但减小剂量，如1%溶液或含酚软膏则可用做止痒剂。其余酚类消毒剂如煤酚（间甲基酚，图5C），由于它在水中的溶解度比较小，所以通常配制成煤酚皂溶液，同学们不妨猜测一下，煤酚皂溶液的主要成分是什么呢？
图5 (A)苯酚；(B)对氯间二甲苯酚；(C)煤酚
图6 煤酚皂的结构式
说起消毒液不得不提的就是在家庭防疫中担当了极其重要角色的84消毒液（图7），它的主要成分是次氯酸钠。在不久前的“庆元旦方程式大赛”中，我们还考查了大家“84消毒液和洁厕灵（主要成分为HCl）混合使用，产生有毒气体”的反应过程（式3）。有些同学最近也在家族群里看到了咆哮体警示，化学老师表示：救命之恩，不足挂齿（图8）。
图7 84消毒液，主要成分NaClO
图8 在家庭群中流传的消毒液使用秘籍
与84消毒液同根同源的还有漂白粉，是次氯酸钙、氯化钙、氢氧化钙的混合物，通常含有效氯25%~30%。写到这，关于漂白粉的考点一个个地在本秋的脑海中迸发，层出不穷，令人回味无穷。不妨选几个具有挑战性的小问题来跟大家切磋切磋（图9-10）。
图9 漂白粉受潮分解的原理
图10 消毒剂的有效氯含量
除了含氯消毒剂外，碘也具有很强的消毒杀菌能力，能通过与蛋白质结合，使其氧化失活。如我们常用的碘酊，家用2%浓度用于一般的皮肤消毒或皮肤感染。同样以I2为有效成分的消毒剂还有聚维酮碘（PVP-Iodine），这是碘的有机复合物，接触皮肤后能够逐渐分解出碘而起到杀菌作用，因此刺激性小，毒性低，作用持久。说到这，不禁想起了有机读本中提到的缓释阿司匹林，也是通过高分子与阿司匹林分子键合，摄入后在体内缓慢释放阿司匹林，与之有着异曲同工之妙。聚维酮碘（PVP-Iodine）这个名字也很妙，聚维酮（PVP）和碘（Iodine）复合，而聚维酮又称聚乙烯吡咯烷酮，大家一看到单体的结构式就知道哪里可以发生聚合反应了（图11）。
图11 乙烯吡咯烷酮的加聚反应
除了以上消毒剂外，还有醛类、重金属盐类以及酸碱类消毒剂等，比如非典时期的大功臣过氧乙酸。如果喜欢这期节目，点击右下角在看，本秋还将为大家推出第二期《杀死冠状病毒的消毒剂们》，最后的最后，写作文莫忘首尾呼应，请问今天介绍的消毒剂中，有哪些可以被带上飞机呢？
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