Водородные связи и вязкость крови 1 страница

"...Зная типы связей в молекулах любого вещества, мож­ но объяснить его структуру и важнейшие свойства." Лайнус Полинг, дважды лауреат Нобелевской премии

Свойства молекул в основном определяются типом связей между атомами в молекуле и молекулярной 'архитектурой'. Под архитекту­рой следует понимать структуру молекулы — ее форму.

Молекула воды образуется в результате присоединения двух ато­мов водорода к одному атому кислорода и тогда у атомов кислорода и водорода появляются общие электроны и таким путем электронные оболочки этих атомов заполняются полностью. Получается наиболее устойчивая электронная структура.

Такие связи, образованные электронами, находящимися в общем владении объединившихся атомов, называются ковалентными. При­ставка 'ко в слове 'ковалентная обозначает совместное участие и соответствует приставке 'со в русских сливах 'сотрудник', 'соавтор.

Ковалентные связи очень устойчивы и прочны. Эти связи, скреп­ляющие молекулы воды, не рвутся даже при высоких температурах. Для их разрыва приходится применять специальные методы, как, на­пример, электролиз.

А теперь об 'архитектуре' молекулы воды. Если атом кислорода поместить в центр молекулы воды, то атомы водорода 'по здравому смыслу должны бы располагаться на диаметрально противоположных сторонах от центра. Но в действительности молекула воды имеет как-бы изогнутый вид и угол между атомами водорода равен не 180 , а 104,5°. В итоге электроны молекулы воды неравномерно распределены между атомами кислорода и водорода: вблизи атома кислорода на­блюдается избыток электронов и поэтому этот атом несет на себе не­большой отрицательный заряд, а вблизи атомов водорода недостает электронов и они несут на себе небольшие положительные заряды. В результате наличия таких зарядов молекула воды всегда полярно.

                      193

Как же взаимодействуют между собой молекулы воды, имея на себе разноименные заряды? Как того и следует ожидать, разноименно заряженные части различных молекул воды могут притягиваться друг к другу. Возникают так называемые водородные связи. И если ковалентные связи мы изображаем прямыми линиями, то водородные — точеч­ными линиями, подчеркивая этим, что они гораздо слабее первых.

Так изображается водородная связь между двумя молекулами воды:

                                                    H

 Н - О - Н •••••• О <

                  H

Водородные связи, так же как и ионные, в сущности образуются за счет электростатического взаимодействия, благодаря которому по­ложительные и отрицательные заряды притягиваются друг к другу.

Кому-то эта глава может показаться совсем уж неинтересной, в таком случае ее можно будет просто пропустить. Но во многих главах будут ссылки на эту главу, поэтому придется принимать эти ссылки без доказательств, или же при необходимости снова вернуться к этой главе.

Водородные связи образуются лишь с немногими атомами эле­ментов периодической таблицы — с кислородом, фтором, азотом и изредка с хлором.

Водородные связи почти в 20 раз слабее ковалентных, но во много раз сильнее ван-дер-ваальсовых. Впрочем, об этих связях можно говорить и как в меру сильных, и как в меру слабых. Например, на одних только водородных связях построена кристаллическая решетка льда. Все мы знаем насколько прочен лед. Но стоит немного нагреть лед, как он начнет таять, т. к. при этом начнут разрушаться водород­ные связи.

Образование льда — это самое наглядное проявление водо­родных связей. Но эти связи играют чрезвычайно важную роль и в су­ществовании всего живого, они имеются в крови, в белках, в нуклеи­новых кислотах и во многих других биополимерах. Например, упоря­доченность строения белков не может быть достигнута без участия во­дородных связей. Белки бывают скручены в спирали и такую спирале­видную форму обеспечивают водородные связи. В результате нагре­вания белков (при варке) водородные связи разрываются и скрученная цепь необратимо теряет свою форму.

И в быту водородные связи очень часто обнаруживают себя — например, при каждой стирке мы пытаемся уменьшить их с помощью поверхностно-активных средств.

Но самое главное в действиях водородных связей — им мы обя­заны тому, что вода может находиться в жидком состоянии, а следова­тельно, что возможна сама жизнь. Не вдаваясь в подробности, кратко

194

скажу, что вода имеет столь высокую температуру кипения (100°С) только потому, что водородные связи удерживают ее молекулы в ком­пактном состоянии (в жидком состоянии). И если бы не было этих свя­зей, то любая молекула воды, имея лишь незначительную энергию, могла бы испариться и мы имели бы это вещество только в парооб­разном состоянии.

Но все это пока что всего лишь интересная информация о водо­родных связях. А теперь мы рассмотрим те явления, связанные с водо­родными связями, которые непосредственно оказывают влияние на наше здоровье и которыми мы можем хотя бы в малой мере управ­лять.

Но сначала несколько слов о поверхностном натяжении воды. Из школьного учебника по физике нам известно, что стальная иголка мо­жет лежать на поверхности воды как на тонкой резиновой перепонке. И удерживает эту иголку поверхностное натяжение воды. Подобно то­му, как в каждой точке натянутой нити действует сила натяжения, на­правленная вдоль нити, так и в натянутой ленте действует подобная же сила, но приложенная не в одной точке, а распределенная по всей ширине ленты. Точно так же на каждый линейный сантиметр, взятый по любому направлению поверхности жидкости, будет действовать сила, характеризующая своей величиной степень натянутости этой поверх­ности. Сила эта действует перпендикулярно к тому отрезку в 1 см, в точках которой она приложена, и, кроме того, она является касатель­ной к поверхности жидкости. Такая сила называется поверхностным натяжением.

Чем же объясняется поверхностное натяжение жидкостей?

Начнем с того, что каждая молекула, находящаяся внутри жид­кости, подвергается воздействию со стороны окружающих ее молекул. Это может быть и электростатическое взаимодействие между ионами, и ван-дер-ваальсово взаимодействие между нейтральными молекулами, и взаимодействие, обусловленное водородными связями. Последнее взаимодействие проявляется в наибольшей мере между молекулами воды и именно оно вносит наибольший вклад в поверхностное натя­жение воды. Если молекула воды находится внутри жидкости, то она испытывает равное воздействие со всех сторон. Но если эта же моле­кула находится на поверхности, то она будет испытывать воздействие только от молекул, лежащих глубже нее и рядом с ней. В итоге эта молекула будет испытывать силу, стремящуюся втянуть ее вглубь. Эта сила будет направлена перпендикулярно к поверхности жидкости. Следовательно, молекула, находящаяся на поверхности, подвергается притягательному воздействию со стороны лежащей под ней массы жидкости. Такому же воздействию подвергаются и все молекулы, нахо­дящиеся в поверхностном слое. Этот слой и является тем местом, где действует поверхностное натяжение. Поэтому, чтобы испарить молеку-

                                                195

лы воды, находящиеся на поверхности, надо преодолеть силы, удержи­вающие их в жидкой фазе. И если бы не было водородных связей, то молекулы воды без особых затрат энергии при сравнительно низкой температуре покидали бы жидкую фазу и переходили в газообразную.

Поверхностное натяжение наглядно проявляется в том, что жид­кость всегда стремится иметь наименьшую поверхность и поэтому в состоянии невесомости капли принимают форму шара. И чем меньше поверхностное натяжение жидкости, тем меньше эта жидкость препят­ствует увеличению ее поверхности. А чтобы увеличить поверхность жидкости, необходимо совершить определенную работу, чтобы вывес­ти из глубины жидкости на ее увеличивающуюся поверхность дополни­тельные молекулы. А поэтому поверхностное натяжение можно выра­жать не только в единицах силы на единицу длины поверхности, но и в единицах энергии на единицу площади поверхности, что будет озна­чать какую энергию следует затратить, чтобы увеличить поверхность жидкости на 1 см².

Так мы в общих чертах познакомились с таким явлением как по­верхностное натяжение жидкостей. Мы видим, что оно прежде всего обусловлено имеющимися в жидкости водородными связями. И таким образом, по величине этого натяжения мы можем теперь судить, хотя и косвенно, о величине водородных связей в той же воде. А измеряется поверхностное натяжение просто и легко. Поэтому в дальнейшем, ког­да речь будет идти о величине поверхностного натяжения, мы можем считать, что речь идет о водородных связях, а именно они нас в дан­ный момент и интересуют.

В книге Кристофера Бёрда 'Загадки Земли, главу из которой под названием 'Живая вода опубликовал журнал 'Свет (1990, № 6), мы найдем много информации о странном поведении воды, и в том числе и о влиянии величины поверхностного натяжения воды на здоровье че­ловека. Не имея возможности познакомить читателей с полным тек­стом этой главы, я процитирую ее лишь небольшими отрывками.

'Свойства воды столь странны и таинственны, что каждый день мы узнаем что-то новое о ее поведении и вписываем в историю науки необычайные сюжеты.

Заинтригованный древними преданиями о ключах с живой водой в местечке Хунзакут (на территории нынешнего Пакистана — прим. Н. Д.), румынский естествоиспытатель Генри Коанда в тридцатые годы предпринял ряд поездок к источникам. Как эксперт по водным ресур­сам, он пытался разгадать секрет того, почему вода обладает актив­ностью и исцеляет разные недуги. Целебные свойства воды он прежде всего связал с молекулярной ее структурой, считая, что даже в двух источниках мало общего по составу.

Во время своих путешествий в Грузию, Перу, предгорья Тибета он нашел прямую связь между качеством питьевой воды и продолжитель-

196

ностью жизни больших групп населения. Правда, Конда еще не в со­стоянии объяснить, почему ледовая вода удлиняет человеческий век. После того как ему пришлось вернуться на родину в роли президента Академии наук Румынии, он перепоручил исследования своему моло­дому помощнику Патрику Фланагану из той же лаборатории в Кон­нектикуте. И не ошибся: способный Фланаган был назван журналом 'Лайф в списке десяти лучших ученых США. Я знаю, что только вы сможете разгадать секрет Хунзакута, — напутствовал его Коанда.

Фланаган увлекся разгадкой этой тайны до такой степени, что все свое время проводил в глуши. И вырывался в города, чтобы под­заработать тысячу-другую долларов чтением лекций о тантризме, ти­бетской медицине. (Тантризм — направление в буддизме и индуизме. Для тантризма характерен этический и социальный нигилизм. Получил распространение в Японии, Непале, Китае и особенно в Тибете. Ни­гилизм — отрицание общепринятых ценностей: идеалов, моральных норм, культуры, общественных форм жизни — прим ред.).

Фланагану интересно было узнать как ведут себя заряженные частицы, не встречающиеся в живых клетках. По его предложению син­тезировали искусственные материалы класса детергентов (принятое в зарубежной литературе название синтетических моющих средств — прим Н. Д.). Эти поверхностно-активные вещества, как известно, обла­дают дипольностью: один плюс притягивает воду (гидрофильный), дру­гой — ее отталкивает (гидрофобный). Иначе говоря, гидрофобный по­люс 'дружествен' к липидам. Такая структура позволяет хорошо вымы­вать грязь и жиры из тканей одежды. Вторая сила, которая создает длинные комплексы, — это водородные связи. Благодаря им смачи­ваются стенки сосуда, растворяются порошки.

Здесь я прерву цитирование, чтобы сделать некоторые замечания и пояснения. Во-первых, в этой цитате мы встречаемся с понятием 'водородные связи, да еще и с предлогом 'благодаря, отчего наше почтение к этим связям должно только возрасти. Во-вторых, мне ка­жется, что, прочитав эту цитату, можно сделать вывод, что и сама стирка упрощается тоже благодаря водородным связям, ведь в тексте цитаты так и сказано, что 'вторая сила, которая создает длинные комплексы, — это водородные связи. Я не имею возможности остано­виться более подробно на механизме действия поверхностно-активных веществ, но сама суть их сводится к уменьшению поверхностного на­тяжения жидкости, что однозначно можно рассматривать как ослабле­ние водородных связей в этой жидкости. Например, если на поверх­ности воды плавает легкий не смачиваемый ею предмет, и если побли­зости к нему прикоснуться к поверхности воды куском сахара, то пла­вающий предмет притянется к сахару вследствие того, что подсаха­ренная вода имеет более высокое поверхностное натяжение, чем чис­тая. А если вместо сахара прикоснуться к воде куском мыла, то пла-

197

воющий предмет уплывет от него, ток кок мыло понижает поверхност­ное натяжение воды, то есть мыло и есть то поверхностно-активно вещество, которое ослабляет водородные связи в воде. И все остальные моющие вещества (жидкие и порошкообразные) тоже в первую очередь ослабляют водородные связи в воде. Среди всех химикатов используемых нами в быту, моющие средства занимают первое место Как видим, моющие средства прежде всего должны снижать поверхностное натяжение чистой воды — только благодаря этому моющая жидкость может проникать в мелкие поры очищаемого материала.

Точно так же питьевая вода с пониженным поверхностным натяжением (что равнозначно — с ослабленными водородными связями', легко усваивается нашим организмом.

А теперь я продолжу цитирование отдельных отрывков, связанны по смысловому содержанию, из главы Живая вода книги Кристофер Бёрда "Загадки Земли.

'...Фланаган с успехом подобрал кристаллы всех сортов и вос-1 произвел эффекты натяжения водных поверхностей, которые, как ока­залось, были известны древним тибетским физикам. Тысячелетиями в Гималаях врачи предлагали пациентам микстуры с дозированными по видам болезней жидкими кристаллами.

И все-таки не было ответа на вопрос: где кристаллы берут энер­гию, необходимую для поверхностного натяжения воды? Существовало предположение, частично вынесенное из тибетских источников, о том, что резонаторами космической энергии являются сверхновые звезды, испускающие импульсы и другие пространственные воздействия.

Здесь я снова прерву цитирование и попытаюсь пояснить читате­лям в чем же заключается смысл вопроса 'где кристаллы берут энер­гию, необходимую для поверхностного натяжения воды?. Чуть выше уже говорилось, что по предложению Фланагана были синтезированы вещества класса детергентов, с помощью которых он по сути понижал поверхностное натяжение жидкостей (т. е. ослаблял водородные связи) и оказывается, что нечто подобное производили и древние тибетские физики (если таковые были в то время). А мы уже знаем, что поверх­ностное натяжение стремится уменьшить площадь поверхности жид­кости, а поэтому, чтобы увеличить эту поверхность при неизменном поверхностном натяжении, мы должны затратить определенную энер­гию. Снижение же поверхностного натяжения равноценно по своему результату (увеличению поверхности жидкости) затрате некоторого ко­личества энергии, чего на самом деле не происходит. Это можно сравнить с перемещением груза на санях в разное время года. Летом для перевозки на санях единицы груза придется затратить намного больше энергии, чем зимой, так как разная при этом будет сила тре­ния полозьев о поверхность. Точно так же обстоят дела и при исполь­зовании поверхностно-активных веществ — они уменьшают водородные

198

связи между молекулами воды и поверхность последней при этом уве­нчивается. Но тибетские физики (или только Фланаган) полагали, что снижение поверхностного натяжения происходило в результате затра­ты некоей энергии, поэтому они и ставили такой вопрос — откуда бе­рется эта энергия. Ответ был так же прост, как и бездоказателен — энергию поставляют сверхновые звезды. Мне кажется, что всем давно уже должно быть ясно, что все мы живем за счет энергии одного лишь Солнца. А от сверхновых звезд к нам приходит столько энергии, что в лучшем случае благодаря этому они сами на некоторое время станов­ятся видимыми, а поэтому вряд ли такое количество энергии может как-то повлиять на поверхностное натяжение жидкостей.

К какому же выводу в итоге пришел Фланаган по тексту книги Кристофера Бёрда 'Загадки Земли? Он нашел, что хунзакутская вода имеет несколько меньшее поверхностное натяжение в сравнении с обычной водой, которой мы повсеместно пользуемся — 68 дин/см вместо 73. Поэтому этот исследователь и стремился в дальнейшем найти приемлемый способ понижения поверхностного натяжения воды, не поясняя механизма связи этого фактора со здоровьем человека. И если мы отбросим в сторону весь тот частокол из слов, которым Кристофер Бёрд окружил исследования Фланагана, то станет ясно, что последний нашел в хунзакутской воде одно только необычное ка­чество — ее поверхностное натяжение было ниже поверхностного на­тяжения обычной воды. И все последующие исследования Фланагана велись уже только в этом направлении. Далее Кристофер Бёрд пишет, что Фланаган изобрел новую группу коллоидов, обнаруженных в ма­теринском молоке и в мякоти черешни и уменьшил поверхностное на­тяжение воды до 26 дин/см. 'Это — живая вода. Слишком даже живая. Ею можно стирать белье без мыла, отбеливателей, без стиральной машины. Но она не опьяняет человека, а дает огромный прилив сил — замечает исследователь.

То, что в такой воде можно стирать без мыла, легко понять — мыло снижает поверхностное натяжение воды, а в указанном выше случае поверхностное натяжение значительно снижается не с по­мощью мыла, а с помощью каких-то иных веществ. Ну и что с того — для стирки ведь важен сам фактор снижения поверхностного натяже­ния.

А чем объяснить такое любопытное замечание Фланагана: 'но она не опьяняет человека, а дает огромный прилив сил?

Объяснение, на мой взгляд, самое простое. Исследователь, ко­нечно же, знал, что такое низкое поверхностное натяжение воды (26 Дин/см), которое он получал с помощью определенных коллоидов, имеют такие опьяняющие вещества как этиловый спирт (22,5) и водка (30). Но пьянеем мы не от низкого поверхностного натяжения этилово­го спирта, а совсем от других его свойств, но Фланаган, по-видимому,

199

не преминул связать вместе низкое поверхностное натяжение спирто­вых (или алкогольных) жидкостей с их опьяняющим действием, так как роль низкого поверхностного натяжения этих жидкостей при их употреблении заметна сразу — стоит нам выпить какой-то крепкий ал­когольный напиток, как тут же 'ударяет' в голову. Такое быстрое дей­ствие алкогольных напитков объясняется очень быстрым проникнове­нием их в кровь благодаря низкому поверхностному натяжению, а точнее — благодаря ослабленным водородным связям в этих жид­костях.

В итоге писатель заканчивает свою главу такой сенсацией: 'Выпущена довольно доходчивая рецептура напитка: если добавить в коллоидный раствор заводского изготовления с поверхностным натя­жением 38 дин один галлон дистиллированной воды (1 талон равен 3,8 л — прим Н. Д.), то биологический эффект на организм равно­значен живой хунзукутской воде. Старик приобретает прыткость молодого.

Здесь я снова хочу напомнить читателям, что высокое поверх­ностное натяжение воды обеспечивают прежде всего водородные свя­зи, имеющиеся между молекулами воды. И если мы видим по конечно­му результату некоего воздействия на воду, что ее поверхностное на­тяжение значительно снижается, то можем предполагать, что в основе такого снижения лежит разрыв водородных связей между множеством молекул воды. Например, входя в воду, мы никак не чувствуем поверх­ностного натяжения этой воды и также не чувствуем суммарного дей­ствия водородных связей между молекулами воды. Но если вода за­мерзнет, то мы спокойно можем пройти, а то и проехать на машине по льду, — на поверхности воды нас будут удерживать водородные связи. А теперь растопим лед и измерим поверхностное натяжение во­ды при 0°С. Оно будет равно 75,6 дин/см. При 18"С поверхностное натяжение воды, как мы уже знаем, равняется '73. А при температуре нашего тела оно равно 70 единицам. Как видите, с повышением тем­пературы воды все больше водородных связей разрывается. При тем­пературе 45°С поверхностное натяжение воды становится равным 69 дин/см, то есть таким же, какое имеет хунзакутская вода при более низкой температуре. Почему хунзакутская вода имеет пониженное по­верхностное натяжение — Фланаган об этом ничего не говорит. И не­ужели в хунзакутской воде нет больше ничего примечательного кроме пониженного поверхностного натяжения?

---

Дата добавления: 2021-05-18; просмотров: 63; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!