Вездесущий натрий
Кандидат химических наук Максим Абаев
Крупинки натрий-хлора в солонке, бензоат в газировке и лаурилсульфат в шампуне — натрий окружает нас если не повсюду, то, по крайней мере, на кухне и в ванной.
Начнём с натрия, баланс которого так тщательно контролируют наши клетки, и на это у них есть веские причины: нарушение натрий-калиевого баланса в организме крайне опасно для здоровья.
О том, что в живых организмах не последнюю роль играют электрические явления, учёные серьёзно задумались после знаменитых экспериментов Луиджи Гальвани с лягушками, которые он проводил в конце XVIII века. Мышцы препарированных им земноводных сокращались, когда экспериментатор включал их в электрическую цепь. А поскольку металлические провода в лягушачьих мышцах, очевидно, отсутствовали, то и электрические процессы в них должны чем-то отличаться от забега электронов по проводникам (см. «Наука и жизнь» № 4, 2017 г., статья «Сказка об электрической лягушке и итальянском физике Алессандро Вольте, основоположнике учения об электричестве»). Шаг за шагом к началу ХХ века исследователи выяснили, что главную «электрическую» функцию в клетке выполняет её оболочка — мембрана, а электрические явления в организме имеют химическую природу, связанную с движением ионов сквозь неё.
Ионы могут проникать сквозь мембрану только по специально предназначенным для этого проходам — ионным каналам. Конечно, можно представить, что каналы — это своего рода трубы, по которым внутрь или наружу клетки двигаются ионы. Но тогда непонятно, как клетка может поддерживать внутри себя высокую концентрацию ионов калия и низкую концентрацию ионов натрия — тот самый жизненно необходимый натрий-калиевый баланс. Ведь если внутрь клетки по каналу может пройти большой ион калия, то логично предположить, что вслед за ним с лёгкостью пройдёт маленький ион натрия, и не будет тогда никакого баланса. Но клетки умеют как-то отличать калий от натрия — явно не по размеру. Проблема настолько волновала учёный мир, что за открытие структуры ионных каналов в 2003 году была присуждена Нобелевская премия.
Оказалось, что на внутренних стенках канала в строго определённых местах находятся атомы кислорода, имитирующие молекулы воды вокруг иона. В результате ион, попадая внутрь такого канала, чувствует себя «как дома», точнее, как в растворе. Дело в том, что в растворе у разных ионов образуется разная оболочка из молекул воды, и даже у таких похожих ионов, как натрий и калий, их водяная «шуба» чуть-чуть, да отличается. Поэтому натрий, попав внутрь канала, предназначенного для калия, чувствует себя в нём неуютно и возвращается туда, откуда приплыл. Подобный принцип реализован в особом виде ионных каналов — натрий-калиевых насосах. Это встроенные в мембрану специальные белки, которые поочерёдно выпускают из клетки ионы натрия, а внутрь пропускают ионы калия.
От натрия внутри нас перейдём к натрию, который мы едим. Разумеется, никто не готовит себе десерты из мелко нарезанных ломтиков металлического натрия — в организм он поступает в виде соединений с другими элементами и веществами. Например, в виде обычной поваренной соли, которая есть не что иное, как хлорид натрия. Кстати говоря, такой соли нашему организму нужно не больше пяти граммов в сутки, а всё, что выше, идёт во вред, приводя к проблемам с давлением.
Другое вещество — бензоат натрия — часто можно встретить в составе пищевых продуктов с пометкой на упаковке «консервант». Оно относительно безвредно для человека, но весьма эффективно подавляет рост микроорганизмов, благодаря чему пища может храниться дольше. У бензоата натрия есть ещё одна особенность: разные люди по-разному воспринимают вкус этого вещества. Для кого-то оно сладкое, кому-то кажется солёным, а кто-то чувствует горечь, причём зависит это от генов конкретного человека. Говорят, один химик часто предлагал своим гостям стакан воды, куда предварительно добавлял чуть-чуть бензоата натрия, и просил определить, какого она вкуса. В большинстве случаев споры об «истинном» вкусе воды надолго занимали гостей. Эксперимент вполне в стиле самого известного научного «тролля», физика-экспериментатора и писателя Роберта Вуда. Шутки шутками, но сейчас тестовые полоски с бензоатом натрия используют для определения генетических различий между людьми.
Помимо бензоата натрий входит в состав двух других популярных консервантов: нитрита натрия и бисульфита натрия. Нужно сразу оговориться: антимикробное действие оказывает не катион натрия, а вторая «половинка» молекулы соли — анион бензойной (бензоат), азотистой (нитрит) или сернистой (бисульфит) кислоты. Натрий же выбран как самый безвредный компонент для этих соединений. Кстати, совсем не обязательно использовать консервант в виде соли. Можно, например, растворить в жидкости диоксид серы — так поступают при изготовлении вина ещё со времён Древнего Рима. Однако у этого метода есть один отрицательный эффект: вино со временем может приобрести неприятный запах сероводорода.
Позволим себе ещё одну небольшую ремарку по поводу консервантов. Может показаться, что еда без «химии» и консервантов полезна и экологична. В этом действительно есть своя правда. Но если на другую чашу весов положить ту массу продуктов без консервантов, которая испортится и будет выброшена, а также те ресурсы, которые требуются, чтобы эти продукты произвести, может получиться, что польза от «химии» с лихвой перекроет её вред.
От биохимии и еды перейдём к «химическим» сферам. Но сначала расскажем о таком соединении, как хлорат натрия, и о том, как безответственно его применяли новозеландские животноводы в начале прошлого века. Фермеры из страны бескрайних лугов столкнулись с двумя проблемами: сначала их знаменитые коровы начали болеть и умирать, а потом некоторые владельцы пастбищ обратили внимание на другую напасть — их одежда стала неожиданным образом самовоспламеняться.
Первая проблема — падёж скота — была вызвана растением крестовник луговой, занесённым в Новую Зеландию в конце ХIХ века, и, как это случается, с некоторыми инвазивными (от лат. invasio — нашествие) видами, слишком уж успешно прижившимся на местных лугах. Всё бы ничего, но в этом растении содержатся токсичные алкалоиды, от которых, собственно, и гибли бурёнки. Наступление крестовника стало настоящим бедствием для фермеров. Они были вынуждены бросить немалые силы на уничтожение ядовитого сорняка: на прополку полей выходили все — от мала до велика. Поэтому новость о том, что существует химическое вещество — хлорат натрия, от которого крестовник вянет и сохнет, была воспринята с большим воодушевлением. Новозеландские фермеры принялись с излишним рвением поливать луга и пастбища раствором хлората натрия. Вот тут-то и появилась неожиданная проблема со штанами. Оказалось, что пропитанная этим веществом одежда сельскохозяйственных рабочих через некоторое время становилась взрывоопасной, причём не спасала даже стирка.
Пока что мы говорили о натрии как об элементе, который входит в состав других химических веществ или плавает в виде ионов в растворе. А как обстоят дела с настоящим металлическим натрием, который эффектно взрывается, если его бросить в воду? Он, как мы уже упоминали, нашёл неожиданное применение в атомной энергетике — используется в качестве теплоносителя для охлаждения реакторов.
В обычной жизни мы можем стол-кнуться с такими теплоносителями, как вода или антифриз из этиленгликоля, в батареях центрального отопления или в системе охлаждения двигателя автомобиля. Представить, что нужно расплавить металл и прокачивать его по трубам для того, чтобы что-то охладить, довольно сложно. Тем не менее использовать жидкий натрий для отвода тепла от атомного реактора — отличная идея, и вот почему. Во-первых, жидкий натрий хорошо проводит тепло, обладает высокой теплоёмкостью и, что немаловажно, высокой температурой кипения. Одно дело, когда жарким летом вдруг «закипит» на дороге автомобиль, и совсем другое, если это будет атомный реактор. Во-вторых, в отличие от воды, натрий слабо замедляет нейтроны, в результате активная зона реактора может работать эффективнее. И наконец, от соприкосновения с натрием не ржавеют трубы и он не деградирует со временем, как различные органические вещества. Главное — не допустить, чтобы натрий вступил в контакт с водой!
Отыскать месторождение металлического натрия на Земле невозможно — таких мест на нашей планете нет. Объяснение этому очень простое: натрий моментально прореагировал бы с водой, а, как известно, даже в самом засушливом месте на Земле, в пустыне Атакама, иногда бывают дожди. Однако есть одно необычное местечко, где можно повстречать чистый натрий, правда, для этого придётся подняться в небо. На высоте порядка 80—100 км существует слой, состоящий из атомарного натрия, который попал туда из падающих на Землю метеоритов. Толщина этого слоя около 5 км, но если у вас появилась идея начать промышленную разработку натрия на небесах, то ничего не выйдет: содержание натрия там исчисляется несколькими тысячами атомов на кубический сантиметр. Для сравнения: если посчитать количество молекул в таком же объёме воды, то для записи этого числа потребуется 22 нуля. Тем не менее даже такое небольшое количество натрия можно обнаружить с помощью лазерной спектроскопии.
Поднявшись над Землёй ещё на три сотни километров, можно найти место, тоже связанное с натрием, — Международную космическую станцию. Исследования влияния невесомости на человеческий организм выявили один неожиданный эффект. Оказалось, что у космонавтов, длительное время пребывающих на орбите, в коже и соединительных тканях накапливается натрий, причём не в виде ионов, а в связанной с белками форме. Кажется, что на фоне проблем, возникающих из-за низкой гравитации, таких как снижение минеральной плотности костей и уменьшение объёма крови, наличие натрия в коже не так уж и важно. Однако этот факт показывает, насколько чутко человеческий организм реагирует на такие чуждые для него условия обитания, как космическое пространство.
Вернёмся от космических проблем к земным. Например, к всё более широкому использованию электрических аккумуляторов, которые в скором времени появятся на самых разных транспортных средствах — от самоката до грузовика. Перед человечеством стоит вопрос: из чего их делать? Пока что ничего лучше, чем литий-ионные батареи, мы придумать не смогли. Но одно дело, когда литиевые аккумуляторы используются в небольших гаджетах, и совсем другое, если нужно будет переделывать под электротягу весь автотранспорт. В мире просто может не хватить запасов лития, и его цена взлетит до небес. Решением проблемы, как сделать ёмкий аккумулятор из доступных материалов, мировое научное сообщество занято, наверное, не первый десяток лет. Одно из направлений — замена лития на более дешёвый натрий. Время от времени в научных журналах появляются сообщения об успешно работающих натриевых аккумуляторах, но до практической реализации подобных технологий ещё довольно далеко.
С натрием связаны интересные эксперименты как химиков, так и физиков. Первые, к примеру, стремятся получить новые необычные соединения, что в наше время совсем не просто, особенно если речь идёт о простых молекулах, состоящих из нескольких атомов. Поэтому современным химикам приходится идти на весьма неординарные эксперименты. Взять хотя бы синтезированное недавно соединение натрия и самого инертного элемента из всей периодической таблицы — гелия. Чтобы натрий вступил в химическую реакцию с гелием, оба вещества поместили в алмазную наковальню — это специальная конструкция, внутри которой можно создать экстремально высокое давление, в миллионы раз большее, чем атмосферное. Только в таких условиях благородный газ гелий вступает в химическую реакцию, чего в обычных условиях не произошло бы никогда.
Физики не отстают от химиков и идут на «нарушение» общепризнанных аксиом. Всем известно, что самое быстрое во Вселенной — это скорость света в вакууме. Ничто не может распространяться быстрее. При этом нет формального запрета на то, чтобы свет распространялся с меньшей скоростью в каких-нибудь прозрачных средах. Если свет пропустить, скажем, через алмаз, то его скорость уменьшится почти в два с половиной раза, хотя для обычной жизни она так и останется чудовищно большой. Но существует ли такая среда, в которой свет снизил бы свою скорость до «земных» значений? Оказывается, это возможно! В 1999 году физикам удалось замедлить свет до скорости 17 м/с — такой лучик света смог бы убежать от самого быстрого бегуна, но не смог бы обогнать велосипедиста, едущего даже на средней скорости. Правда, чтобы наблюдать этот эффект, исследователям пришлось пропускать лазерные импульсы сквозь сверххолодный газ из атомов натрия.
Вот такой он, натрий — элемент периодической таблицы под номером одиннадцать: даёт живым клеткам электричество, охлаждает горячие реакторы и даже останавливает свет!
Статьи по теме
- Алессандро Вольта и Луиджи Гальвани: неоконченный спор
- Нервные импульсы — азбука мозга — имеют электрохимическую природу
- Сказка об электрической лягушке и итальянском физике Алессандро Вольте, основоположнике учения об электричестве
- Загадки природы: живое электричество
Читайте в любое время
