Дело в химии. Как все устроено? - Джузеппе Алончи

это холодная и лишенная личных пристрастий область знаний. Эмоциональными полагается быть искусству, поэзии и музыке, а какие чувства может вызывать квадратный корень? Или химическая реакция? Зачем мне в школе заучивать химический символ кадмия, если я хочу связать свою жизнь со скрипкой или графическим дизайном? Между творческим и научным мирами существует кажущееся непреодолимым непонимание – вплоть до того, что не так уж редко можно встретить творцов, хвастающихся неспособностью к простейшим вычислениям, или инженеров, подшучивающих над философами. Это очень грустно, поскольку ученый, похваляющийся невежеством в области поэзии или художник, гордящийся тем, что ничего не смыслит в науке, не видят, что сами отказываются от ключей к пониманию реальности. Наука и искусство смотрят на мир под разными углами, исследуют его разные стороны, но от этого не становятся менее волнующими и интересными. Это разные подходы к феномену красоты, но оба они важны, и мы любуемся и восторгаемся закатом, одновременно понимая больше, чем можем увидеть с первого взгляда. Я думаю, что люди не только способны увидеть красоту в том, что их окружает, но и с помощью химии многое понять.

В этой главе я хотел бы помочь вам получше понять взаимоотношения химии и красоты и поэтому расскажу, как химия участвует в создании оттенков цветов или неба у Ван Гога, о ее роли в косметике и эстетике.

Вода, масло и крем для красоты

Еще с детства мы знаем, что масло заметно отличается от воды, хоть и жидкое. Мы можем разделить значительную часть химических соединений на две категории: гидрофильные, то есть растворимые в воде, и липофильные (то есть гидрофобные), то есть растворимые в жирах и органических растворителях. Растительные масла вполне резонно относятся к классу липофильных веществ: они растворимы в бензине, но в воде занимают отдельный объем. Нефть тоже гидрофобное вещество, поэтому так много случаев, когда попавший в аварию нефтяной танкер покрывает внушительную площадь поверхности моря своим грузом, и углеводороды губят морские экосистемы.

Равновесие, существующее в природе между гидрофильными и гидрофобными веществами, является ее фундаментальным свойством: вы можете себе представить, что бы случилось с нашей кожей и клетками, если бы они вдруг оказались растворимыми в воде? В этой главке мы узнаем, как, играя с этим свойством, человек и эволюция смогли получить совершенно невероятные результаты.

С химической точки зрения главное, что делает ту или иную молекулу более или менее гидрофильной, – это наличие заряда и соотношение количества атомов углерода и других элементов, таких как кислород и азот, в особенности если они связаны в свою очередь с атомом водорода.

Всем известная поваренная соль – классический пример вещества, которое содержит заряженные ионы, растворимые в воде, ведь она состоит из положительно заряженного иона натрия и отрицательно заряженного иона хлора. Как правило, значительная часть соединений, которые состоят из заряженных ионов, растворимы в воде, хотя есть и исключения.

Наоборот, такие молекулы, как углеводороды, которые мы изучали в предыдущей главе, нейтральны и состоят почти исключительно из атомов углерода (каждый из которых связан со своим атомом водорода, которые, как вы помните, служат основой структуры), совершенно гидрофобны. В рассказе 1 мы уже встречались со структурой триглециридов, например тех, что входят в состав оливкового масла: это выдающееся органическое вещество, и, несмотря на присутствие в его составе нескольких атомов кислорода, сразу понятно, что оно не растворимо в воде. Ацетон и этиловый спирт также являются гидрофильными молекулами, оба вещества легко смешиваются с водой. Спирт с водой смешать проще, чем ацетон, поскольку он содержит меньше атомов углерода. Кроме того, кислород в спирте связан с атомом водорода, в то время как в ацетоне он связан только с углеродом.

Вода и спирт прекрасно растворимы друг в друге, а вода и масло – нет. Если мы подвергнем смесь воды и масла сильному перемешиванию, то все равно получим эмульсию – смесь мелких капель воды и масла, причем она будет нестабильной и через несколько минут снова разделится на исходные жидкости. Мы, химики, называем компоненты гетерогенной смеси фазами, поэтому в подобном случае скажем, что эмульсия разделилась на водную и масляную фазы.

Как уже было сказано ранее, равновесие между гидрофильными и гидрофобными молекулами имеет фундаментальное значение для разных областей природы. Но каким образом получается, что разные вещества «терпят» друг друга, не разделяясь спонтанно, как это происходит с маслом и водой?

Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно бросить взгляд в собственную ванную, на полочку возле раковины или душа, и взять в руки мыло, которое мы используем для мытья.

Даже когда наши руки ну очень жирные и грязные, их достаточно просто вымыть с мылом, и вся грязь и жир уйдут, руки станут снова чистыми и даже приятно пахнущими. Как же мыло делает растворимым в воде то, что раньше упорно не смывалось? Вопрос только кажется простым – ответ на него раскрывает одну из тайн жизни на Земле.

Активный компонент мыла относится к классу веществ, называемых поверхностно-активными, то есть амфифильных – они растворимы и в воде, и в масле. Поверхностно-активное вещество можно вообразить в виде змейки или головастика, хвост которого представляет собой длинную цепочку гидрофобных атомов углерода, в то время как голова состоит из гидрофильных групп. Поверхностно-активные вещества служат чем-то вроде «культурных посредников» между водой и жирами: их хвост просачивается в гидрофобную каплю, а голова сохраняет контакт с водой. Эмульсия стабилизируется – капельки гидрофобного вещества связываются между собой, а вода «чувствует» только гидрофильную голову.

На рисунке ниже изображено строение одного из самых знаменитых и распространенных в хозяйстве веществ, – додецилсульфата натрия (sodium dodecyl sulfate, SDS). Легко заметить, что он состоит из двух частей совершенно разного химического строения: хвоста в виде длинной цепочки атомов углерода и отрицательно заряженной головы, состоящей из атома серы, соединенного с четырьмя атомами кислорода.

Если мы попытаемся растворить наш SDS в воде, то получим сферические образования – мицеллы, в которых хвосты образуют центр сферы, а хвосты – его внешнюю оболочку. Полезная информация для дорогих