Что произойдет, если капельку масла или какой-нибудь другой жидкости поместить на поверхность воды? Если эта жидкость растворима в воде, то капля быстро исчезнет в массе раствора. Если же жидкость нерастворима в воде (например, керосин), то капля останется на том же месте. Если же добавляемое вещество имеет промежуточную растворимость, как, например, оливковое масло, то капелька может растечься по поверхности воды, образуя тончайшую невидимую пленку. При добавлении следующих капель масло будет собираться в виде шариков или пятен.
Какие же закономерности управляют поведением капель на поверхности воды? Однозначно ответить на этот вопрос оказывается нелегко. Частично поведение капли на поверхности воды определяется сложными (в основном электрическими) взаимодействиями между молекулами на поверхности. Недавно Ф. Виссинг из Датского королевского стоматологического колледжа прислал мне рукопись, посвященную экспериментам по растворимости олеиновой кислоты (основной составной части оливкового масла) и керосина в воде.
Его работа, которая задумывалась как серия демонстрационных опытов для учащихся, дает представление о некоторых любопытных аспектах свойства растворимости. Растворимость химического соединения в воде зависит от степени связывания между его молекулами и молекулами воды. Степень растворимости определяется конкуренцией между внутримолекулярными связями и связями между молекулами этого соединения и воды. Органические соединения имеют различную растворимость в воде.
Без этого разнообразия на Земле не было бы жизни. В состав нерастворимых органических соединений входят группы атомов, которые образуют всего несколько связей с молекулами воды (в некоторых случаях такие связи вообще не образуются). Подобные группы, как и молекулы веществ, не растворяющихся в воде из-за наличия таких групп, называют гидрофобными. Дословное понимание этого термина может ввести в заблуждение, так как оно предполагает отталкивание между водой и другими молекулами (или группами).
На самом деле причина здесь не в отталкивании, а в том, что возникающие связи оказываются слишком слабыми и сцепление между молекулами воды (когезия) препятствует внедрению гидрофобного соединения. Примером гидрофобного соединения может служить керосин. Он состоит только из гидрофобных групп, включающих атомы углерода и водорода. Поскольку углеводородные группы почти не образуют связей с молекулами воды, капелька керосина, если ее опустить на поверхность воды, останется совершенно невредимой.
Благодаря собственной массе капелька чуть вдавится в воду, но ни раствориться, ни растечься по поверхности она не может. Многие другие органические вещества частично растворимы в воде благодаря тому, что некоторые их атомные группы могут образовывать прочные связи с молекулами воды. Чем больше таких групп входит в состав химического соединения, тем в большей степени оно растворимо. Так, например, в воде легко растворяется глюкоза, обладающая шестью гидроксильными группами (ОН), которые образуют прочные связи с молекулами воды. Олеиновая кислота занимает промежуточное положение между керосином и глюкозой.
На одном конце ее молекулы расположена группа СООН, образующая прочные связи с водой; такие группы называют гидрофильными. Остальная часть молекулы, представляющая собой цепочку из углеводородных групп, является гидрофобной. Двойственная природа молекулы олеиновой кислоты объясняет способность этого соединения растекаться по водной поверхности слоем толщиной всего в одну молекулу.
Виссинг поставил перед собой цель продемонстрировать различия в растворимости керосина (гидрофобного соединения) и олеиновой кислоты (обладающей частично гидрофильными свойствами). Он проводил эксперименты в абсолютно чистых чашках Петри диаметром 9 см. (Всякое загрязнение, даже отпечаток пальца на стенке сосуда, может создать на поверхности воды посторонний мономолекулярный слой, способный исказить результаты опытов.) Чашка помещалась на объектный столик вертикального проектора, а для того, чтобы весь световой поток проходил только через донышко чашки, огораживалась черной бумагой.
Прибор позволял получать на потолке десятикратно увеличенное изображение всего, что происходило в чашке Петри. Этого было вполне достаточно, чтобы весь класс мог следить за тем, как Виссинг добавляет в воду капли разных органических жидкостей. Я смог успешно повторить его эксперименты у себя дома, хотя олеиновую кислоту пришлось заменить очищенным оливковым маслом. Сначала Виссинг демонстрировал полную нерастворимость керосина, помещая каплю керосина на поверхность дистиллированной воды.
