Игра с молекулами или что-то иное...

ИГРА С МОЛЕКУЛАМИ
ИЛИ МАЛЫЕ СИЛЫ – БОЛЬШИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ

Вся биология основана на малых силах. Процессы с большой энтальпией не типичны для биологии и жизненно важных процессов. Представьте себе, что происходит какая-то реакция с высоким изменением энтальпии – это будет означать, что живое, в зависимости от знака энтальпии, сильно разогревается или сильно охлаждается. Однако мы не знаем таких процессов в живом организме, каким бы он ни был примитивным. Теоретически высокоэнтальпийные  процессы могут быть, но только в сцепленном состоянии.  Вслед за процессом с высоким значением отрицательной энтальпии, немедленно дожен следовать процесс с почти такой же положительной энтальпией. В результате тело не нагревается и не процесс не убивает организм, а тут же гасится другим.

Я хотел бы поговорить о гидрофобных взаимодействиях (и силах), которые в десятки раз меньше водородных сил, но играют в биологии важнейшую роль. Эти силы действуют только в водной среде и имеют не энтальпийную, а энтропийную природу.
Процесс происходит самопроизвольно только в том случае, если изменение свободной энергии Гиббса (;G) отрицательно. Запишу единственную формулу, которая отражает второй закон термодинамики  Гиббса:

;G = ;H - T;S

значок ; - означает знак дельта 

Первый член разности называется изменением энтальпии.   Он отражает нагревание или охлаждение объекта в результате протекания реакции или любого другого процесса, а второй называется энтропийной составляющей. Она не имеет никакого отношения к нагреванию или охлаждению объектов, но отвечает за порядок или хаос, о них мы уже писали в статье “Хаос из порядка и наоборот”.

Энтропийная составляющая играет очень важную роль в биологических процессах, в отличие от иных неорганических и органических реакций. Этой составляющей все время оперирует Илья Пригожин в книге “Порядок из хаоса”.

Гидрофобные взаимодействия обусловлены особенностями структуры воды. Такие взаимодействия нельзя наблюдать, например, в керосине или какой-то другой неполярной жидкости. В воде образуются кластеры (грозди) молекул, возникающие под действием водородных связей, которые намного больше энергии водородных связей.

С неполярными цепями вода с трудом вступает во взаимодействие и то, только потому, что неполярные цепи приходят в контакт друг с другом с вытеснением лишних молекул воды. Такой слоеный пирог образуется с уменьшением величины ;G. Эта величина становится отрицательной за счет более отрицательного значения T;S. Поскольку температура поддерживается постоянной, это говорит, что более отрицательной становится величина ;S. Энтропия молекул воды в ее объеме оказывается больше, чем воды, примыкающей к цепи. На поверхности цепей происходит организация молекул воды (упорядочение), а в объеме воды - наоборот, уменьшение порядка. Суммарная величина изменения энтропии в результате этого процесса становится  более отрицательной Sвнешн. + Sвнутр. < 0.

Другими словами локальный порядок образуется из хаоса, но суммарный хаос только увеличивается. Суммарная энтропия вселенной всегда увеличивается.

Можно привести очень удачный пример поведения веществ, имеющих полярную “головку” и длинный неполярный “хвост”. Такие вещества, после растворения их в воде, стремятся перейти на поверхность с воздухом или другой неполярной жидкостью. Поэтому эти “хвостатые” молекулы, стремящиеся на поверхность, называются поверхностно-активными веществами (ПАВ).

Расскажу об одном интересном и крайне важном эксперименте. У нас был длинный литок (2 метра длиной), в который наливали чистую воду при постоянной температуре. На поверхность воды можно было мгновенно положить микрокаплю ПАВ и наблюдать за распространением молекул ПАВ по тому, как они добегают и внезапно сдувают микрочастички талька или кусочки промокательной бумаги. Опыт не так прост, как я говорю, но нам нужно знать главное:

1. Скорость миграции ПАВ очень велика. Экстраполяция на расстояние 10 см от микрокапли дает величину скорости распространения молекул  25 – 30 см/с см. рис. (б). Вот это скорость! Простая диффузия даст сотни микронов в час.

2. Существует строго линейная зависимость логарифма пройденного молекулами расстояния от логарифма времени при линейной миграции молекул ПАВ (рис. а).
 
3. Движение молекул ПАВ при линейном их распространении является замедленным во времени (рис. в). При радиальной миграции наблюдается постоянная скорость порядка 10 – 11 см/с (рис. д).

Надо сказать, что первые, но неудачные опыты, были поставлены в начале 60-х годов в МХТИ им. Менделеева на кафедре технологии редких, рассеянных и радиоактивных элементов. Валентин Сергеевич Крылов, безвременно и трагачно ушедший из жизни, заинтересовался этиими опытами.

Адриан Михайлович Розен (так же покойнай), который сам был ходячей энциклопедией и неиссякаемым источником знаний, называл
В.С. Крылова "большой артиллерией советской науки". Это заставляло прислушиваться ко всему, что Валентин говорил.

- Из этого может получиться что-то толковое - сказал Валя (мы были близко знакомы с ним, чтобы назавать его так). А если Валентин говорил так, то надо было прислушаться. Он высказывал совсем дерзкую мысль о том, что эффект Марангони может родить двигатель, КПД которого будет почти 100%. В шутку или всерьез это было сказано, я так и не догадался.

Какой же практический вывод можно сделать из полученных результатов действия эффекта Марангони!?

Любая модель распространения радиоактивных ПАВ (например, соединений радиоактивных элементов с экстрагентами) во влажной почве или по поверхности воды, должна учитывать сверхбыстрое распространение этих веществ по механизму Марангони.

Этот вывод прямо относится к проблеме распространения радиоактивности на Южном Урале и в Чернобыле. 


J. Janata. Principles of Chemical Sensors. Plenum Press. N.Y., London. 1989. 

Зимон А.Д., Левченко Н.Ф. Коллоидная химия. М. “Агар”.  2001. 320 С.

Тарасов В.В. и др. Линейное и радиальное течения Марангони поверхностно-активных веществ // Теор. основы хим. технол. 2006. том 40. № 2. стр. 124-129.