Джей Берресон - Пуговицы Наполеона. Семнадцать молекул, которые изменили мир

Высказывалось предположение, что недостаток соли в рационе замедляет заживление ран и что это стало одной из причин гибели тысяч солдат наполеоновской армии при отступлении из Москвы. Нам кажется, что не менее важным фактором в тех условиях был недостаток аскорбиновой кислоты (и, как следствие, цинга), так что и соль, и аскорбиновую кислоту (наряду с оловом и производными лизергиновой кислоты) можно причислить к списку химических веществ, не позволивших Наполеону осуществить свои грандиозные планы.

Галит является одним из наиболее легко растворимых в воде минералов: в ста миллилитрах холодной воды растворяется тридцать шесть граммов. Жизнь зародилась в океане, а для жизни необходима соль, так что если бы соль не обладала такой высокой растворимостью, жизнь на Земле была бы совсем другой.

В 1887 году шведский химик Сванте Август Аррениус предположил, что свойства соли и ее растворов можно объяснить наличием в этом веществе противоположно заряженных ионов. Более ста лет химики были заинтригованы удивительным свойством растворов соли — их способностью проводить электрический ток. Дождевая вода не проводит ток, а вот растворы хлорида натрия и других солей являются прекрасными проводниками. Гипотеза Аррениуса объясняла это наблюдение. Его эксперименты показали, что при повышении концентрации соли в растворе увеличивается концентрация заряженных частиц (ионов), необходимых для проведения электрического тока.

Предложенная Аррениусом концепция ионного строения веществ также позволяла объяснить, почему кислоты, имеющие разную структуру, обладают похожими свойствами. В водных растворах всех кислот образуются ионы водорода (H +), которые и отвечают за кислый вкус и химическую активность кислот. Сначала идеи Аррениуса не были приняты многими его современниками, однако он настойчиво разъяснял свою теорию. В итоге критики приняли его сторону, и в 1901 году Аррениус получил Нобелевскую премию по химии за свою теорию электролитической диссоциации.

К тому времени появились теоретические и практические доказательства существования ионов. Английский физик Джозеф Джон Томпсон в 1897 году показал, что все атомы содержат электроны — отрицательно заряженные частицы, объясняющие электрическую проводимость веществ (впервые об этом заявил Майкл Фарадей в 1833 году). Если атом теряет один или несколько электронов, он превращается в положительно заряженный ион. Если другой атом приобретает один или несколько электронов, он превращается в отрицательно заряженный ион.

Твердый хлорид натрия представляет собой регулярную решетку из двух типов ионов — положительно заряженных ионов натрия и отрицательно заряженных ионов хлора, которые удерживаются вместе за счет сил притяжения между отрицательными и положительными зарядами.

Трехмерная структура твердого хлорида натрия. Линии, соединяющие ионы, вымышленные: они изображены только чтобы показать кубическое строение решетки соли.

Вода не состоит из ионов, но ее молекулы имеют так называемый частичный заряд: на атомах водорода сосредоточен слабый положительный заряд, а на атоме кислорода — слабый отрицательный заряд. Это и позволяет хлориду натрия растворяться в воде. Хотя сила притяжения между отрицательно заряженным ионом хлора и положительно заряженным атомом водорода в молекуле воды (а также между положительно заряженным ионом натрия и отрицательно заряженным атомом кислорода в молекуле воды) примерно такая же, как между самими ионами хлора и натрия, решающим фактором в высокой растворимости соли является стремление ионов к случайному распределению. Если соли плохо растворяются в воде, это означает, что притяжение между составляющими их ионами сильнее, чем притяжение между ионами и водой.

Изобразим молекулу воды с имеющимися на ней частичными зарядами:

Здесь δ — обозначает слабый (частичный) отрицательный заряд на атоме кислорода, а δ+ — слабый (частичный) положительный заряд на атомах водорода. Теперь мы можем схематично изобразить отрицательно заряженный ион хлора, который в водном растворе окружен молекулами воды, повернутыми к нему соответствующим концом:

Положительно заряженный ион натрия в воде окружен молекулами воды, повернутыми к нему своим отрицательно заряженным концом.

Именно хорошая растворимость хлорида натрия делает его ценным консервирующим агентом. Соль сохраняет мясо и рыбу, отбирая из них воду. При низком содержании воды и высоком содержании соли бактерии, вызывающие порчу продуктов, просто не могут жить. С целью предотвращения порчи в продукты добавляют гораздо больше соли, чем требуется для усиления вкуса. В тех регионах, где пищевым источником соли являлось исключительно мясо, для сохранения мяса добавляли больше соли. В других традиционных методах сохранения пищевых продуктов, таких как высушивание и копчение, тоже используют соль. Перед сушкой и копчением рыбу или мясо вымачивают в солевом растворе. Жители тех мест, где не было своей соли, вынуждены были ее покупать.

О том, что соль необходима для жизни, люди знали уже в те древнейшие времена, когда еще не было необходимости в сохранении пищевых продуктов. Ионы соли играют в организме очень важную роль, поддерживая электролитный баланс между клетками и внеклеточной жидкостью. Часть процесса генерации электрического импульса, передающегося по нервным клеткам, происходит при участии так называемого натрий-калиевого насоса. Из клеток выталкивается больше ионов натрия, чем туда проникает ионов калия, поэтому цитоплазма клетки заряжена отрицательно по сравнению с внешней поверхностью клеточной мембраны. Так создается разделение зарядов, известное под названием мембранного потенциала, которое и создает электрические импульсы. Таким образом, соль совершенно необходима для функционирования нервных клеток и мышц.

Молекулы сердечных гликозидов, таких как дигоксин и дигитоксин из наперстянки, ингибируют активность натрий-калиевого насоса, в результате чего повышается внутриклеточная концентрация ионов натрия. Это повышает сократительную способность сердечных мышц и объясняет действие данных молекул в качестве стимуляторов сердечной деятельности. Кроме того, ион хлора, содержащийся в соли, нужен для образования соляной кислоты, которая является важнейшим компонентом желудочного сока.