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 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 молекулы 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 см 2.
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 продолжительностью 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.).