Журнал Наука и жизнь, 1980 № 01

К такой отмывке — и целительной и губительной одновременно — готовился в мурманском порту атомоход «Ленин», когда из пароходства пришел приказ: отмывку отменить. На борт атомохода поднялись несколько женщин (мы вскоре познакомимся с ними). В срок гораздо более краткий по сравнению с традиционной отмывкой гостьи-искусницы сняли накипь со стенок котлов, и стенки сияли, словно только что изготовленные, без единой язвочки! Более того, оказалось, что после волшебной обработки под действием высоких температур стенки покрываются прочной магнетитовой пленкой — надежной защитницей стали от коррозии.

Вслед за этими двумя историями можно рассказать немало других, столь же чудесных. О том, как перестали обрастать отложениями трубы, по которым нефть поднимается из земных глубин и течет к потребителю. О том, как впятеро удлинилась жизнь вин и коньяков — тот срок, через который они начинают мутнеть и киснуть. О том, как вредные цианистые растворы, издавна применяемые в часовой промышленности для золочения корпусов и стрелок, уступили место безвредным реактивам. О том, как стали неразличимы по цвету ткани, выпускаемые на разных фабриках, хотя раньше этого никак не могли добиться. О том, как цемент стал твердеть то быстро, сокращая срок изготовления железобетонных конструкций, то медленно (это бывает нужно, например, при перевозках раствора, при бетонировании стенок глубоких скважин: бетон должен застыть не раньше, чем опустится на должную глубину).

И в каждой такой истории главные герои будут одни и те же — комплексоны, вещества с волшебными свойствами.

Что же это за вещества?

Чтобы излечить растения от хлороза, в листья необходимо доставить ионы железа. Чтобы очистить котлоагрегат от накипи, достаточно изъять из образующих ее нерастворимых солей ионы кальция, магния и того же железа — тогда накипь разрушится.

Но доставить ли, изъять ли — ив том и в другом случае прежде всего ионы металла нужно как-то схватить. Что же могло бы сыграть роль клещей для ионов?

Химикам известны органические молекулы, называемые хелатообразующими. «Хеле» — по-древнегречески «клешня». Такие молекулы цепляются за ион металла по крайней мере двумя своими концами. Сравнение верно еще и тем, что образующиеся химические связи между органической молекулой и ионом зачастую неодинаковы, как половинки крабьей клешни: одна связь — валентная, другая — дативная (пояснение этих терминов дается в статье, помещенной ниже).

Но продолжим далее аналогию между миром молекул и миром животных. Представим себе разветвленную молекулу (в этом читателю помогут помещенные на стр. 72 рисунки), которая цепляется за ион металла не двумя концами, как краб своей клешней, а многими, как осьминог своими щупальцами. Вещества с такими молекулами и называются комплексонами.

Внимательно вглядевшись в рисунки, можно подметить характерные особенности молекул-осьминогов. Некоторые из щупалец — валентные. Некоторые — дативные. Когда они вцепляются в ион металла, то тем самым замыкаются циклы химических связей; в этих циклах — по пять, по шесть звеньев. Все это обеспечивает прочность сцепления между ионом и охватившей его молекулой. Эта прочность — отличительная особенность комплексонов.

И когда они отправляются на войну с хлорозом, когда целительным десантом приземляются на известковую почву, держа в своих щупальцах ионы железа, можно не бояться, что они отдадут свою ношу щелочной почве, где железо осядет непотребной для растения солью. Эти комплексоны устойчивы к действию щелочных сред. И когда они движутся по сосудистой системе растений от корней к листьям, можно не опасаться, что им повредят окислительно-восстановительные процессы в клетках растения или воздействия микроорганизмов.

Растворимость в воде — еще одна характерная особенность комплексонов и их солей. Не будь ее, не проявились бы волшебные качества цепких молекул: «не жидкое не реагирует», — так говорится еще со времен алхимиков.

Но вот вопрос: доставив к месту назначения ион металла, молекула-осьминог должна выпустить свою добычу. Значит, прочная дотоле связь должна вдруг стать непрочной? Да, так оно и есть, сколь бы невероятно это ни казалось. Так происходит при лечении хлороза: очутившись в листьях растений вместе с ионом железа, молекула комплексона разлагается здесь под действием ультрафиолетового излучения солнца и выпускает на волю захваченный в плен ион.

Слева: в такой упаковке ионы железа доставляются да листья растений при лечении хлороза. Следующим (показан комплексен, схвативший ион кальция, как это происходит при удалении накипи. Далее: строение «щупалец», которыми молекула комплексона хватает ион металла, обусловливает прочность хватки; по сравнению с предыдущим комплексоном у этого не все «щупальца» состоят из метиленовых и карбоксильных групп, двое образованы фенольными группами, чем обеспечивается более крепкая связь молекулы с ионом металла. Следующий рисунок показывает, что молекулы комплексонов бывают весьма замысловаты.

Еще вопрос: когда требуется извлечь ионы металлов из осадка, как это происходит при удалении накипи, все понятно — ионы переходят в раствор, а тот затем сливается. Но можно ли с помощью комплексонов убрать ионы из раствора? Комплексоны позволяют решить эту задачу своеобразным путем. Молекула-осьминог так обволакивает ион металла, что тот уже никак не проявляет свои нежелательные качества в химических взаимодействиях, как если бы его не было вовсе. Именно так обстоит дело, когда с помощью комплексонов умягчают воду, регулируют затвердевание бетона, добиваются сохранности вин — ведь именно ионы металлов выступают виновниками нежелательных процессов во всех трех случаях. И не только в этих трех. Ионы металлов — деятельная компонента многих химических систем, от смеси реагентов в промышленном агрегате до тонкого букета биополимеров, составляющих живой организм.

Но, очевидно, для каждой из этих систем, для каждого процесса, который желательно оживить или заглушить, нужны особые комплексоны с определенными свойствами. Нефтянику желательно, чтобы они способствовали образованию водно-нефтяной эмульсии и адсорбировались ее капельками. Геолога и металлурга порадовало бы, если бы комплексоны при анализе минералов и переработке руд выхватывали одни ионы и оставляли на месте другие. Энергетик беспокоится о том, что комплексоны, захватившие ионы металлов при умягчении воды для теплоагрегата, рано или поздно разрушатся, когда воду нагреют в котле до высоких температур, а при этом желательно, чтобы осколки распавшихся молекул не выпали в осадок. И каждому из тех, кто применяет комплексоны, хотелось бы, чтобы они не представляли опасности для здоровья людей, давали поменьше отходов, а это оборачивается новыми требованиями к свойствам применяемых веществ.