Концепции современной химии и их практическое применение

Современная химия удовлетворяет множество нужд человечества, но главная необходимость в современный период - это химия всего живого, и, прежде всего, человека, направленная на решение задач здравоохранения, сельского хозяйства. Поэтому химия живого рассматривается в этом тексте первой.

Любой живой организм - растение, животное, человек - это особая среда, называемая коллоидом и изучаемая коллоидной химией - быстро развивающейся наукой о химии без химических превращений. Поэтому рассмотрение химии живого начинать надо с коллоидной химии.

Коллоидная химия. Коллоидная система (коллоид) - это смесь веществ в высокодисперсном состоянии. Вещество, столь сильно диспергированное, имеет чрезвычайно большую поверхность и благодаря этому приобретает новые для себя свойства по сравнению с компактным состоянием. Молекулы диспергированного вещества объединяются друг с другом так, чтобы поверхность раздела с другой фазой стала минимальной, благодаря чему в коллоидной системе существуют особые структуры, например мицеллы. Высокодисперсная смесь термодинамически нестабильна, но процессы агрегации диспергированных частиц и молекул могут быть заторможены так сильно, что некоторые коллоидные системы сохраняются тысячелетиями. Примером могут служить многие горные породы, существующие миллионы лет. Таким образом, коллоидная химия не изучает химические реакции, характерные для органической или неорганической химии, но все внимание сосредоточивает на структурах коллоидных систем, на их стабильности или преднамеренном разрушении, энергиях образования и т.п.

Двумя важными характеристиками веществ в коллоидной химии являются гидрофильность и гидрофобность. Они легко переводятся: гидро – это вода, фильность – любовь, фобность – отталкивание. Следовательно, гидрофильные вещества – это вещества, смачиваемые водой, гидрофобные вещества водой не смачиваются. Та же пара понятий может быть заменена эквивалентами – липофобные и липофильные. Липо в переводе означает жир, липофобные вещества жиром не смачиваются, а липофильные смачиваются. Все эти названия взяты из известного всем людям факта: жир и вода не смешиваются, а расслаиваются, и жир плавает над водой.

Молекулы белка состоят из двух частей – гидрофильной и липофильной, и на границе раздела жир – вода молекулы белка обращены гидрофильной частью к воде (дисперсионной среде), а липофильной частью – к капелькам жира (дисперсной фазе). Молекула белка, как говорят, является дифильной молекулой, причем обе части молекулы белка (гидрофильная и липофильная) прочно соединены друг с другом ковалентными связями. Молекулы белка, сочетая гидро- и липо-фильность, не могут целиком находиться в воде или в жире. Для них единственно выгодное положение – это граница жир – вода, а значит, присутствие большого количества дифильных молекул в системе жир – вода способствует образованию большой поверхности раздела двух фаз – воды и жира. Поэтому, например, молоко не расслаивается на воду и масло.

Дифильные молекулы называются поверхностно активными веществами (ПАВ), а микрокапля дисперсной фазы с молекулами ПАВ, расположенными по границе раздела дисперсной фазы и дисперсионной среды, называется мицеллой. Дифильные молекулы могут образовывать в водной среде двухслойные пленки. Для ясности будем говорить о горизонтальных пленках. В верхнем слое все дифильные молекулы упорядочены так, что их гидрофильные части, условно говоря, ориентированы вверх, а в нижнем слое - вниз, причем оба слоя сложены липофильными концами дифильных молекул друг к другу. В результате в воде образуется с обеих сторон гидрофильная пленка, но внутри нее имеется липофильный слой. Эта пленка не обязательно должна быть плоской и горизонтальной, она может принимать любую конфигурацию, в том числе окружать в воде некоторую ее часть. Такую двухслойную пленку ПАВов образуют мембраны клеток всех органов человека, животных и растений. Природными веществами, составляющими мембраны клеток, являются липиды, а точнее фосфолипиды, гликолипиды и стерины (разнообразие всех липидов не ограничивается тремя названными мембранными липидами).

Конечно, коллоидная химия изучает значительно больше объектов, чем клеточные
мембраны,– от дробления руд и обогащения методом флотации горно-металлургического сырья до пищевой промышленности.

Создание лекарств. На разработку каждого нового лекарства, выпущенного в продажу, в среднем тратится 10 лет и 0,5 млрд. долл. США.

В силу того, что все живое состоит из клеток, лекарство должно действовать на клетку - это его цель. Лекарство должно выполнять одну из трех функций: разрушать мембрану клетки и тем самым уничтожать ее целостность; блокировать работу белков, которые обеспечивают жизнедеятельность клеток; дробить нуклеиновые кислоты, лишая клетку способности воспроизводиться.

Современная методика поиска новых лекарств состоит из ряда этапов. Сначала природные вещества, прежде всего травы, или синтезированные химиками соединения подвергают испытаниям – скринингу (на животных, колониях бактерий и т.п.) для обнаружения биологической активности. Если испытывался природный объект, то из него, в случае положи-тельного результата скрининга, выделяют активное начало и определяют структуру его молекулы. Далее используют принцип соотносимости структуры и свойств и прогнозируют способы улучшения активного начала. Наконец, синтезируют предсказанные аналоги, и их свойства вновь изучают.

К лекарствам предъявляется множество требований. Во-первых, нельзя забывать, что большинство лекарств таковыми являются в рекомендуемых дозах, а в больших дозах – это яды. Лекарства главным образом принимаются орально, и они должны, не разрушаясь и не поглощаясь печенью и почками, распространиться по всему телу, но воздействовать только на одну цель. Пути лекарств лежат через соляную кислоту желудка, сквозь кровеносные сосуды в кровь и там им надо противостоять действию ферментов крови, многие из которых выполняют защитную функцию, борясь с посторонними веществами. Если лекарство предназначено для мозга, то оно должно преодолеть барьер «кровь – мозг». Лекарство не должно навсегда оставаться в теле человека; оно должно через некоторое время разложиться и бесследно исчезнуть.

В истории фармацевтики особое место занимает борьба с инфекционными бактериями.
В 1910 г. лауреат Нобелевской премии Эрлих получил первый синтетический антимикробный пре-парат – мышьяксодержащий салварсан, который стал применяться при лечении сифилиса.
В 1935 г. был открыт пронтозил, эффективный против стрептококков. Пронтозил был началом целого семейства сульфаниламидных препаратов, позволявших бороться с инфекцией, проникшей в кровеносную систему. Они были единственным эффективным средством до появления пенициллина в начале 40-х годов XX в.

В 1944 г. из почв был выделен антибиотик стрептомицин, а в послевоенные годы было обна-ружено множество новых антибиотиков, которые позволяют успешно бороться с туберкулезом, бубонной чумой, проказой, дифтерией, газовой гангреной, гонореей и др.

Антибиотики селективно действуют против клеток бактерий, а не млекопитающих. Это связано с различиями в строении и биохимии клеток тех и других. Например, клетка бактерий имеет как мембрану, так и стенку, которая играет важнейшую роль в выживании бактерий. Клетки человека и животных имеют только мембраны. Клетки бактерий благодаря стенкам очень живучи в разных агрессивных средах, чего нельзя сказать о клетках млекопитающих. Клетки бактерий не имеют такого ядра, какое есть в клетках человека и животных. Клетки бактерий содержат ферменты, позволяющие синтезировать витамины, а человек и животные получают витамины только через пищу.

Антибактериальные препараты останавливают метаболизм клеток бактерий, но не вредят клеткам человека в силу отличия метаболизма клеток бактерий и человеческих органов. Так, например, действуют сульфаниламидные препараты. Любопытно, что организмы японцев и китайцев быстрее усваивают такой препарат семейства сульфаниламидов, как сульфатиазол, по сравнению с организмами американцев.

Генетическая инженерия. Генетическая инженерия – это создание с помощью биохими-ческого или химического синтеза отсутствующих в природе молекул ДНК, способных, однако, размножаться и участвовать в синтезе белков в клетке-хозяине, изменяя ее генетическую программу.

Выведение измененных растений и животных стало возможным благодаря генетической инженерии. Введение раствора чужеродной ДНК в ядро оплодотворенной яйцеклетки мыши, например, приводит к хромосомной интеграции. Яйцеклетка вводится матери-мыши, и у некоторых новорожденных мышей обнаруживается новый ген. Это и есть трансгенные животные. Например, человеческий ген гормона роста был введен мыши - и размеры трансгенных мышей сильно увеличились.

Инженерная энзимология. Энзимы – это ферменты. Ферменты - это высокоспецифические белковые катализаторы, выделяемые только из биологических объектов – растений, водорослей, органов животных. Инженерная энзимология использует выделенные ферменты для химико-технологических применений: получения новых продуктов, а также для улучшения качества и удешевления известных.

Использование ферментов в промышленности долгое время тормозилось тем их свойством, что они очень неустойчивы вне клеток, в которых они были синтезированы в живом организме. Со временем были найдены способы «иммобилизации» ферментов, т.е. увеличения их стабильности вне клеток, а также найдены приемы использования целых клеток как средства стабилизации содержащихся в них ферментов. Лабильность ферментов даже в иммобилизованном состоянии неизбежно приводит к однократному их использованию в инженерно-технических целях.

Иммобилизация ферментов - это перевод их в нерастворимое в воде состояние с сохранением каталитической активности. Иммобилизуют ферменты разными способами. Очень надежный, хотя и недешевый способ – это ковалентное присоединение молекул ферментов к водонерастворимому носителю – полимерам, например к целлюлозе, хитину, декстринам, полистиролу или неорганическим материалам – пористому стеклу, керамике. Растворимость ферментов падает, если их ковалентно сшить друг с другом. Иногда полезной оказывается коллоидная химия: ферменты, захваченные гелем, водой из него не вымываются из-за крупных размеров их молекул, но гель легко проницаем для мелких молекул субстрата и продуктов ферментативных реакций.

Результатом иммобилизации является приобретение ферментами нового качества – нераство-римости в воде, которое позволяет отфильтровывать их от реакционной смеси, что резко удешевляет технологические процессы разделения веществ.

Важным направлением инженерной энзимологии является конверсия возобновляемого растительного сырья для целей пищевой, микробиологической, нефтехимической, энергетической, медицинской промышленности и сельского хозяйства. Например, пищевой продукт глюкоза получается из целлюлозосодержащего сырья; лигнин – отход переработки древесины в целлюлоз-нобумажной промышленности, долго не находивший применения и скопившийся в огромных количествах, подвергается ферментной или микробиологической деструкции для получения алкилфенольных, оксифенольных и других фенольных производных в качестве сырья для полимерной химии.

Ферментативное получение глюкозы из целлюлозосодержащих веществ – быстро развивающаяся отрасль промышленности. Во-первых, глюкоза заменяет сахар, чья молекула представляет собой соединение одной молекулы глюкозы с одной молекулой фруктозы, и в организме человека или животного распадается на мономеры. Во-вторых, глюкоза - практически единственное исходное сырье для получения фруктозы, которая в свою очередь в перспективе, из-за ее великолепных пищевых свойств, рассматривается как основной заменитель сахара.

Фруктоза, или иначе фруктовый, плодовый или медовый сахар, широко распространена в природе: ее много в яблоках, помидорах, пчелином меде. Вкус фруктозы приятнее глюкозного:
он - медовый, а не приторный, как у глюкозы. Фруктоза на 60 -70% слаще сахара. Но главное – фруктоза менее вредна для зубов, чем глюкоза, и может потребляться, в отличие от глюкозы, больными диабетом. Она же снижает риск заболевания диабетом. Однако выделение фруктозы из природного сырья - безнадежно дорогое предприятие, а перерабатывать другие сахара во фруктозу до 70-х годов XX в. не умели. И тем не менее уже в 1980 г. потребление глюкозо-фруктозных сиропов в Японии составило 10% от всего потребляемого населением пищевого сахара,
в США – 12%.

Превращение глюкозы во фруктозу катализирует фермент глюкозоизомераза. Обычно до полного превращения всей глюкозы во фруктозу процесс не доводят (если только продукт не предназначен для больных диабетом, которым предлагается чистая фруктоза). Для здоровых людей экономически более оправданно производить глюкозо-фруктозный сироп, содержащий
42-43% фруктозы, 51-52% глюкозы и не более 6% дисахарида. О сиропах, а не о кристаллических продуктах идет речь потому, что смесь глюкозы и фруктозы не затвердевает. Глюкозо-фруктозная смесь используется для производства мороженого, кондитерских изделий, хлеба, консер-вированных фруктов и т.д. Производство глюкозо-фруктозных сиропов из кукурузного крахмала с помощью глюкозоизомеразы в 1,5 раза более экономически выгодно, чем получение сахара из сахарной свеклы по современной технологии. В целом производство глюкозо-фруктозных сиропов в мире уже в 1980 г. составляло 3,7 млн т.

Другим примером применения инженерно-энзимологических процессов служит получение
L-аминокислот для сбалансированного питания. Аминокислоты - главный строительный материал живых организмов. Из них синтезируются белки. Растения и микроорганизмы способны сами синтезировать все нужные им аминокислоты из более простых соединений. Однако человеческий организм способен синтезировать для себя лишь 12 из 20 нужных для жизнедеятельности аминокислот. Остальные восемь аминокислот получили название незаменимых и должны поступать в организм с пищей. При нехватке хотя бы одной из них проявляется патология. Поэтому важно синтезировать эти аминокислоты в промышленных масштабах для корректировки рационов питания.

Химический синтез дает смесь L- и D-аминокислот, молекулы которых представляют зеркальные изомеры, а человеческий организм усваивает только L-аминокислоты. Иммобили-зованный фермент – аминоацилаза, например, позволяет перевести D- в L-изомер.

Аспарагиновая аминокислота не принадлежит к числу незаменимых, но производится в мире многими тысячами тонн. Она находит широкое применение в пищевой промышленности для придания (в сочетании с другой аминокислотой - глицином) кондитерским изделиям и напиткам различных оттенков кислого и сладкого вкуса. Аспарагиновую кислоту получают с помощью фермента аспартазы.

Лактоза, или молочный сахар, содержится в заметных количествах в молочной сыворотке. Лактоза малосладкая и плохо растворима в воде. Она инициирует кристаллизацию льда в мороженом, что резко снижает органолептические свойства последнего. Молекулы лактозы распадаются на глюкозу и галактозу при гидролизе под действием лактозы. Молоко после такой обработки обретает новые диетические качества, поскольку часть людей страдает лактозной недостаточностью, и молочные продукты им доставляют только страдания.

Целлюлоза – это полимер, состоящий из множества сшитых в цепь молекул D-глюкозы.
В природе имеются микроорганизмы, содержащие набор ферментов – целлюлаз, – способных гидролизовать целлюлозу до глюкозы; сырьем для производства глюкозы служат отходы лесоперерабатывающей промышленности: опилки, щепки, сучья, неделовая древесина и т.п., а также отходы сельского хозяйства: солома, ботва и т.п. Полученная глюкоза находит применение в медицине, пищевой промышленности, тонкой химической технологии, микробиологической промышленности и проч. Целлюлоза на нашей планете - самое крупнотоннажное производство из всех возобновляемых видов сырья.

Иммобилизованные ферменты используются для производства лекарств и в медицинской диагностике. Ферменты играют огромную роль в развитии технологии рекомбинантной ДНК. Химическая трансформация ДНК, необходимая для целей генетической инженерии, не может быть обеспечена традиционными методами химии нуклеиновых кислот, и поэтому широкое внедрение методов генетической инженерии в значительной мере зависит от использования иммобилизованных ферментов.

Искусственная пища. На самом деле речь пойдет о самой обычной растительной пище, но подвергшейся очень глубокой переработке, намного превышающей кулинарную. Существуют растения, например соя, зерна которых содержат до 30% растительного масла, 40% растительных белков, а остальное - малоценная клетчатка.

Оказалось, что соевый белок по аминокислотному составу очень близок к мясу. О таких белках говорят, что они – полноценный заменитель мяса. Но питаться соевыми бобами всю жизнь было бы тяжелым испытанием, поэтому появилась задача глубокой переработки сои, которая изначально состояла из следующих технологических операций. Сначала из соевых бобов получают соевую муку, затем из нее извлекают соевое масло, которое является важным продуктом питания, но главное - мешает извлечению белков. Обезжиривают муку экстракцией бензином. Из раствора соевого масла в бензине отгоняют бензин, а масло перегоняют в вакууме, в результате чего вырабатывается рафинированное масло. Так получают все растительные масла начиная
с 40-х годов XX в. Отжим оставляет много масла в муке (или зернах). Обезжиренную соевую муку обрабатывают раствором щелочи, в результате чего все белки растворяются в воде; раствор фильтруется и к фильтрату добавляется кислота, которая осаждает белки. Отфильтрованный продукт, называемый белковым изолятом, содержит около 99% белков сои.

Белковый изолят добавляют в традиционные изделия из рубленого мяса - сосиски, сардельки, вареные колбасы в количестве 30-50% без заметного изменения органолептических и потреби-тельских качеств. Они продаются в расфасованном и упакованном виде, причем на упаковке обязательно указывается состав мясопродукта с указанием на белковый изолят.

Другой способ производства «мясопродуктов» растительного происхождения для фаршей и паштетов - это экструзия насыщенных водных растворов белков под давлением при температуре выше точки кипения воды.

Высокими потребительскими качествами обладают искусственные мясопродукты волокнис-той структуры. История их возникновения весьма любопытна. В начале 20-х годов XX в. только заводы Форда выпускали в США 5,5 млн автомобилей, для обивки сидений которых требовалось много тканей. Одновременно скотобойни Чикаго столкнулись с проблемой: кровь от забитых животных попадала в городскую канализацию и оттуда распространялся ужасных запах, который был обусловлен разложением белков крови животных. Возникла задача: извлекать белки из крови. Это было легко сделать: кровь собирали, добавляли в нее кислоту, в результате чего все белки оседали, их отфильтровывали, но спрашивалось, как оплатить эти дополнительные затраты? Решение было блистательным. Осадок белка растворяли в щелочи, и полученный раствор продавливали сквозь тонкие фильеры в осадительную ванну с кислотой. Белок твердел и превращался в нити, которые извлекали из ванны, сушили, пряли и из полученной пряжи получали ткань, на ощупь очень напоминавшую шерсть. Этой тканью и стали обивать сидения автомобилей, так как эта ткань была вдвое дешевле шерсти. У искусственной ткани был один недостаток: она была очень гигроскопичной и при попадании воды прочность ткани снижалась, поэтому со временем она вышла из употребления, но технология не была забыта и оказалась востребована при производстве мясопродуктов волокнистой структуры.

Щелочной раствор соевого белка продавливается сквозь фильеры в кислотно-солевую каогуляционную ванну с рН раствора около 3,0. Осаждающими кислотами служат соляная, фосфорная или уксусная. У части читателей существует устойчивое предубеждение против химической переработки продуктов питания, но, пожалуйста, вдумайтесь. Соляная кислота - это основной компонент желудочного сока, причем концентрация соляной кислоты в нем около 10%, выше, чем в осадительной ванне. Фосфорная кислота постоянно присутствует в любой клетке, так как энергия для работы клеток получается за счет гидролиза аденозинтрифосфата до аденозиндифосфата и фосфорной кислоты. В теле человека есть хранилища неорганических фосфатов и система их доставки в нуждающиеся в фосфатах клетки. Уксусная кислота постоянно образуется в организме человека на одной из стадий окисления глюкозы до углекислого газа и воды. Наконец, в результате нейтрализации щелочи, например соляной кислотой, образуется поваренная соль.

Итак, полученные затвердевшие волокна белка извлекают из коагуляционной ванны, подвергают ориентационной вытяжке, при этом волокна упрочняются за счет ориентации макромолекул белков и частично обезвоживаются. На свойства белковых волокон сильно влияет их кислотность: при рН < 4,0 белковые волокна очень жестки, на вкус сухие и кислые,
при рН > 7,0 волокна столь эластичны, что при нагревании растворяются в собственной воде (плавятся). Поэтому после коагуляционной ванны (рН = 3) рН волокон доводят до 5,5-6,2. Для повышения прочности белковых волокон в коагуляционную ванну добавляют полисахариды, например декстрин. Для того чтобы волокна не распадались, их смешивают со связующим веществом (клейковина пшеницы, яичный альбумин), а также добавляют вкусовые, ароматические вещества, красители и пропускают через ванну с нагретым жиром, фиксирующую волокна в виде компактной массы.

К вопросу о красителях. Они исключительно природные. Например, большая часть урожая красного перца поступает на экстракцию красного красителя, которым красят белый соевый белковый изолят. Часто получают пектиновые волокна, извлеченные из свеклы или яблок, содержащие соевые белки в качестве наполнителя. Такое «мясо» сохраняет волокнистую структуру даже после обжаривания.

У читателей не должно складываться впечатление, будто соевый белковый изолят и изделия из него - это суррогатная пища. На самом деле соевый белок применяется в качестве детского питания, школьных завтраков и диетического питания. Не обязательно соевый белок употреблять в виде «мяса». Производятся соевое молоко, сыры, йогурты. Соя - это очень важный продукт питания. Недаром в США 1/6 посевных площадей занята соей, и ежегодно получают 65 млн тонн соевых бобов. В России климатические условия позволяют выращивать теплолюбивую сою только на Дальнем Востоке – 420 тыс. тонн в год и в Краснодарском крае – 40 тыс. тонн в год, но вся соя, произведенная на Дальнем Востоке, продается в Китай.

В XXI в. проблема искусственной пищи приобретает иное значение. С ростом населения планеты необходимо искать новые источники пищевых продуктов. Пояснить проблему можно следующим примером. Только 10% растительных белков, содержащихся в корме для скота, превращается в результате откорма животных в мясо и молоко. Но только 10% белков мяса и молока усваивается человеком, т.е. ему достается только 1% белков с полей. Согласитесь, очень расточительно. Было бы правильнее пользоваться растительными белками, тем более что есть множество растений более богатых белком, чем соя. Например, листья и стебли люцерны в пересчете на гектар дают белка в пять раз больше, чем соя. Много белка в люпине. В Англии завод «Плантмилк» перерабатывает листья клевера, капусты, гороха и других сельскохозяйственных культур и производит молоко без коров. Биосинтез белка у одноклеточных организмов в 1000 раз больше, чем у высших животных. Дрожжи, водоросли, микроорганизмы питаются отходами биомассы и даже нефтью или газом, производя белок. Это очень перспективное направление. Переработка 50 млн тонн нефти позволяет произвести с их помощью 25 млн тонн белка, что достаточно для питания 2 млрд человек в течение года. Для сравнения: мировой улов рыбы дает 15 млн тонн белка в год. Эффективность фотосинтеза у водорослей (хлореллы) в 100 раз выше, чем у наземных растений. Это позволяет получить такое же количество белка из ванны с хлореллой с площадью водной поверхности 2 кв. м, какое получается с одного гектара пашни. Содержание белка в сухой массе хлореллы – 50%.

Описанные способы глубокой переработки пищевого сырья полезны в тех случаях, когда использовать иным способом сырье невозможно. Например, в Японии вылавливается множество «бросовой» рыбы – мелких рыбешек, непригодных для кулинарной обработки. Эту рыбу растворяют в щелочи, фильтруют и осаждают белок соляной кислотой. Так же утилизируют белки картофеля, пшеницы, кукурузы, остающиеся в качестве отходов от производства крахмала, в Голландии и Японии.

Другой способ увеличения продуктов питания, получаемых с единицы площади пашни в результате затрат ограниченной энергии, – это переход к трансгенным растениям, получаемым в результате химического вмешательства в ген растения. Например, выведен картофель, в ген которого методами генной инженерии введен фрагмент, приводящий к гибели особо опасного вредителя картофеля,– колорадского жука. Получены трасгенные томаты, соя, рапс, клубника, малина, устойчивые к болезням и вредителям. Существуют предубеждения против трансгенных продуктов питания, однако пять поколений белых крыс, питавшихся трансгенной соей, не отличались от контрольной группы. В Англии и США регулярно обследуют людей, потребляющих трансгенные продукты. В Швейцарии трансгенные продукты маркируют, а в Англии, ФРГ и Швеции - нет.

Существует и еще один аспект искусственного питания. Во всем мире постоянно растет число больных аллергией. Аллергия – это повышенная чувствительность иммунной системы на чужеродные белки, попадающие в организм человека, в том числе и с пищей. В силу того, что организм каждого человека сначала расщепляет потребленные белки на аминокислоты, а затем строит из этих аминокислот свои собственные белки, для аллергиков белки натуральных продуктов заменяются на бульон аминокислот. Аллергия особенно сильна к белкам коровьего молока, которое содержит 36 белковых облигатных (неизбежных) аллергенов; Р-лактоглобулин – особенно сильный аллерген. Он очень устойчив к денатурации: все разрушается, а он остается целым, но он уничтожается в кисломолочных продуктах. Показательно, что в молоке женщин его нет, но и молоко матери может вызвать у ребенка аллергенную реакцию. Однако аллергенные белки сои легко разрушаются, поэтому соевые продукты гипоаллергенные, а потому рекомен-дуются в качестве детского питания, пригодного даже для тех детей, которые страдают от материнского молока.

Получение бульона аминокислот – тоже непростая задача для химика. Сначала белки подвергают ферментативному гидролизу. Продукты ферментолиза менее аллергенны, но не избавлены от этого недостатка целиком. Ферментолизаты имеют горький вкус, а их аллергенность лишь на 10-30% меньше, чем у исходных белков. Это происходит потому, что в продукте остаются нетронутые ферментами белки. Их удаляют мембранными технологиями: отцеживают целые белки, но пропускают сквозь мембрану аминокислоты. Горечь устраняется путем ионного обмена на катионных смолах или адсорбцией на активированном угле. После этого продукт готов к употреблению.

Особые состояния веществ. Особым направлением развития современной химии стало использование свойств веществ в необычных состояниях – одно из них сверхкритическое состояние жидкостей и газов, которое можно пояснить следующим образом.

Казалось бы, при любом давлении у химических веществ сохраняется температура, при которой жидкость переходит в пар, а пар конденсируется в жидкость, однако существуют такие критические давления и температура (точка на диаграмме состояния), выше которых парообразное состояние вещества неотличимо от жидкообразного. Это и есть сверхкритическое состояние, при котором индивидуальные химические вещества имеют плотность жидкости, но подвижность и проницаемость газа. Когда говорят о проницаемости, имеют в виду проникновение в пористые твердые вещества: чем меньше поры, тем труднее проникает в них жидкость или совсем не проникает, а газы проникают во все поры.

Сочетание растворителями в сверхкритическом состоянии свойств жидкости и газа очень важно для экстракции – извлечения одного или нескольких компонентов из твердого пористого тела в жидкую среду (растворитель). Газы из-за низкой плотности экстрагирующей способностью не обладают, но обретают ее в сверхкритическом состоянии.

Один из примеров экстракции при нормальных условиях – упоминавшееся выше извлечение растительных масел из семян масличных культур (подсолнечника, арахиса, кукурузы, рапса и др.) бензином. Семена загружают в карусельные экстракторы (в количестве десятков тонн) и орошают растворителем. Однако эта технология взрыво- и пожароопасна. От нее выгодно отличается экстракция углекислым газом в сверхкритическом состоянии. Она применяется, например, при извлечении кофеина из зерен кофе, выделения красного красителя из красного перца, для ряда процессов в парфюмерном производстве и фармацевтической промышленности. Технология экологически чистая и безопасна с точки зрения возникновения пожара.

Другой прием изменения свойств химических веществ - их высокая степень диспергирования, в результате которого отношение площади поверхности вещества к его объему резко увеличи-вается. Все свойства веществ изучены в обычном состоянии, при котором упомянутое отношение площади поверхности к объему мало. Сильное увеличение этого отношения приводит к состоянию, которое называется нанохимией: температуры плавления твердых тел понижаются, резко повышается химическая активность, например железо возгорается на воздухе при комнатной температуре, возникают новые явления на границах раздела фаз, меняется цвет. Все свойства веществ, раздробленных до размеров частиц, необходимо изучать заново.

Супрамолекулярная химия. В последнюю четверть XX в. быстро стала развиваться суп-рамолекулярная химия. Ее особенностью является образование новых соединений (преимуще-ственно органических) из более простых без потери индивидуальности последних. Эта особенность объясняется тем, что образование супрамолекулярных соединений не сопро-вождается образованием новых валентных связей. Молекулы двух исходных веществ взаимодействуют друг с другом посредством слабых, но многочисленных сил Ван дер Ваальса. Основной принцип супрамолекулярных соединений – молекулярное распознавание по размерам и другим свойствам. Образно выражаясь, одна молекула входит в полость другой, как поршень автомобильного двигателя входит в цилиндр. Например, органическая липофильная молекула входит внутрь кольца молекулы циклодекстрина, причем внутренняя полость кольца липофильная, а внешняя – гидрофильная, в результате образования супрамолекулярного соединения нерастворимое в воде органическое вещество меняет свои свойства и переходит в водную фазу.

Супрамолекулярная химия является обобщением старых экспериментальных фактов и теорий, носящих разные названия, но общих по сути: клатраты, соединения включения, соединения
«гость – хозяин». Все перечисленные термины отражают и подчеркивают наличие в соединении минимум двух разных исходных веществ, которые в составе нового соединения не теряют своей индивидуальности в силу того, что между ними нет валентных связей, а причина образования нового соединения кроется в геометрическом подобии.

Рассмотрим для примера газовые гидраты, в которых роль «хозяина» выполняет вода, а «гостями» могут быть молекулы одного из таких веществ, как ксенон, метан, пропан, сернистый газ, сероводород, хлор и т.д. Разнообразие «гостей» вызвано особенностью молекул «хозяина», т.е. воды. Обычная вода при замерзании образует кристаллы льда, который имеет при разных давлениях множество модификаций. Связано это с тем, что плотность обычного льда ниже плотности воды и лед плавает на воде. Этот редкий факт объясняется кристаллической структурой воды, определяемой водородными связями. Водородные связи образуют каркас, отличающийся большой рыхлостью. Однако рыхлость обычного льда не предел. Водородные связи могут располагать молекулы так, что в структуре воды появляются большие полости, в которых могут располагаться молекулы хлора, сероводорода и т.д. Однако такие особо рыхлые структуры воды могут реализоваться только в том случае, если эти пустоты заполнены атомами или молекулами определенных размеров, так как пустоты сами по себе существовать не могут. Представьте себе булку с изюмом: если бы в булке не было изюма, то тесто заполнило бы все пространство. Изюм – это «гость», тесто – «хозяин», а булка – новое соединение – клатрат.

Рыхлость структуры воды меняется скачками, а не постепенно, т.е. существуют дискретные структуры, причем кроме обычного льда их три, но в полости трех таких структур могут «вселяться» самые разные «гости», размеры которых соответствуют размерам полостей. Газовые гидраты плавятся при более высоких температурах, чем чистая вода, а поэтому гидрат метана, внешне не отличающийся от снега, образуется в газопроводах, забивая пробкой трубы огромного диаметра.

В 1969 г. рядом советских геологов были открыты метановые гидраты в недрах Земли. Оказа-лось, что их залежи в вечной мерзлоте и на дне Мирового океана содержат гигантское количество метана.

Разложение газогидратов, залегающих в коре Земли и на дне океана, таит большие опасности для людей. Тайна Бермудского треугольника недавно получила газогидратное истолкование. Согласно этой гипотезе, разложение находящихся на дне моря в этом районе газовых гидратов приводит к взрывоподобному выбросу огромных объемов газа. Поднимаясь к поверхности воды, они превращают ее в пузырящуюся пену, мгновенно поглощающую любой корабль, и создают восходящее в небо облако метана, приводящее к гибели самолетов из-за взрыва смеси метана и воздуха от пламени двигателей.

Выбросы газов наблюдаются на Земле постоянно: грязевые вулканы в Каспийском море, прибрежье Панамы, выбросы газа около Новосибирских островов, в Охотском море. Разложение природных газовых гидратов таит и другие опасности, например усиление парникового эффекта. Радиационная активность метана (отражение инфракрасного излучения Земли назад, к ее поверхности) в 21 раз выше, чем у углекислого газа.

В середине прошлого века вклад метана в парниковый эффект составлял 6%, в конце XX в. – 10, а в середине XXI в. достигнет 14%. Анализ воздуха, захватываемого полярными льдами, пока-зывает, что современный прирост концентрации метана в атмосфере беспрецедентен за последние 160 тыс. лет: рост температуры планеты влечет разложение гидратов метана, а метан усиливает парниковый эффект.

Неорганическая химия: фуллерены и квазикристалы. Если молекулярные аспекты жизнедеятельности человека и всего живого часто поражают нас новыми находками, то, казалось бы, в такой древней и сложившейся области, как неорганическая химия находок быть не может. Оказывается, это совсем не так, и в последние 20 лет XX в. были сделаны поражающие воображение открытия.

Начнем с того, что углерод, один из элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева, имеет, как известно, ряд модификаций - графит, алмаз, аморфная сажа, а также малоизвестный карбин, в котором атомы углерода связаны в цепи, а цепи упакованы параллельными рядами в кристаллы. Казалось, что об углероде известно все. Однако поиски форм существования углерода на поверхности звезд и в их ближайшем окружении привели к таким условиям эксперимента с графитом, который дал неожиданный результат: получился углерод, растворимый в бензоле. Раствор имел малиновый цвет, а после испарения бензола образовались кристаллы, в которых были обнаружены молекулы, содержавшие 60 атомов углерода. Атомы углерода располагались по вершинам одного из полуправильных многогранников Архимеда - усеченного икосаэдра. Форма этого полиэдра очень близка к шару: 5- и 6-угольники в этом полиэдре расположены как на футбольных мячах, поэтому изначально было предложено назвать новую модификацию футболеном, но авторы назвали свое творение бакминстер-фуллереном по имени американского архитектора, сооружавшего куполообразные здания по тем же принципам, по каким устроены и молекулы С60. Дальнейшее изучение показало, что фуллеренов много, их молекулы всегда полые и содержат четное число атомов углерода. Самыми распространенным является С60 (бакмин-
стер =фуллерен). Затем следует С70, а остальные фуллерены от С20 до С84 (возможно, будут получены фуллерены и с еще большим количеством атомов углерода в молекуле) содержатся в мизерных количествах каждый в продуктах синтеза фуллеренов из графита.

Второе фундаментальное открытие в области неорганической химии оказалось столь же неожиданным, как и открытие фуллеренов, так как оно было сделано в области, о которой, казалось бы, известно все, – это сплавы металлов и интерметаллические соединения.

Прежде чем изложить сущность открытия, следует напомнить, что для твердых тел было известно только два состояния: термодинамически устойчивое кристаллическое и неустойчивое аморфное. Оказалось, что некоторые интерметаллиды, например А16Мn, могут иметь не кристаллическое, не аморфное, а иное строение, названное квазикристаллическим. Квазикрис-таллы не обладают упорядоченностью, но и не являются аморфными веществами. В них существует так называемая ориентационная упорядоченность (кристаллы ею тоже обладают), т.е. все мельчайшие фрагменты, из которых состоит квазикристалл и которые в свою очередь состоят из определенного количества атомов металлов, одинаково ориентированы в пространстве. Отсутствие трансляционной периодичности придает квазикристаллам ряд особых свойств. Свободные электроны в этих интерметаллидах не могут беспрепятственно двигаться вдоль трансляций из-за отсутствия последних. Они сталкиваются с атомами, а поэтому квазикристаллы имеют на 5-8 порядков более низкую электро- и теплопроводность. Оказалось, что квазикрис-таллы очень хрупкие, что объясняется особой дефектностью их структур. По каким-то, неясным пока, причинам к квазикристаллической поверхности не пригорает пища, поэтому внутренние поверхности сковороды стали покрывать слоем квазикристаллов. У кварзикристаллов трение заметно ниже, чем у кристаллов, а поэтому из них делают износостойкие пары трения: оси, опорные подшипники и т.п.



Оглавление
Физика и химия микромира.
Дидактический план
Основы физики микромира
Строение атома
Поле и вещество
Мир элементарных частиц
Свойства элементарных частиц
Характеристики элементарных частиц и их классификация
Основы кварковой теории
Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества
Движение и взаимодействие в физике
Понятие взаимодействия
Общая характеристика физических взаимодействий
Гравитационное взаимодействие
Электромагнитное взаимодействие
Слабое взаимодействие
Сильное взаимодействие
Теории Великого объединения и Суперобъединения
Понятие о веществе и его свойствах
Твердые тела и их свойства
Жидкости и их свойства
Газы и их свойства
Плазма и ее свойства
Становление и развитие химии
Возникновение химии. Алхимия
Открытие основных законов химии
Периодический закон Д.И. Менделеева
Дальнейшее развитие периодической системы и периодического закона Д.И. Менделеева
Современная теоретическая химия
Взаимосвязь химии с физикой
Проблема создания новых материалов
Методы управления химическим процессом
Катализ и его роль в химии
Эволюционная химия и ее основные проблемы
Концепции современной химии и их практическое применение
Все страницы