Всюдисущий натрій

Кристали звичайної солі, або хлориду натрію. Фото: Edal Anton Lefterov / Wikimedia Сommons / CC BY-SA 3.0

Крупинки натрій хлору в солонці, бензоат в газуванні і лаурілсульфат в шампуні — натрій оточує нас якщо не всюди, то, принаймні, на кухні і у ванній. Він є і всередині нашого організму, для якого підтримання балансу натрію і калію життєво необхідно. Але це все натрій, що входить до складу хімічних сполук, а зовсім не той шматок м’якого легкоплавкого металу, за допомогою якого деякі горе-експериментатори влаштовують небезпечні феєрверки. Таке застосування натрію, звичайно, далеко не єдине: розплавлений метал використовується як теплоносій для охолодження атомних реакторів, а це вже, погодьтеся, зовсім не іграшки.

Почнемо з натрію, баланс якого так ретельно контролюють наші клітини, і на це у них є вагомі причини: порушення натрій-калієвого балансу в організмі вкрай небезпечно для здоров’я.

Про те, що в живих організмах не останню роль відіграють електричні явища, вчені серйозно задумалися після знаменитих експериментів Луїджі Гальвані з жабами, які він проводив наприкінці XVIII століття. М’язи препарованих ним земноводних скорочувалися, коли експериментатор включав їх в електричний ланцюг. А оскільки металеві дроти в жаб’ячих м’язах, очевидно, були відсутні, то й електричні процеси в них повинні чимось відрізнятися від забігу електронів по провідниках (див. «Науку і життя» № 4, 2017 р., стаття «Казка про електричну жабу та італійську фізику Алессандро Вольті, основоположника навчання про електрику»). Крок за кроком до початку ХХ століття дослідники з’ясували, що головну «електричну» функцію в клітці виконує її оболонка — мембрана, а електричні явища в організмі мають хімічну природу, пов’язану з рухом іонів крізь неї.

Пам’ятник Луїджі Гальвані в Болоньї, Італія. Фото: Michele Ursino / Flickr.com / СС BY-SA 2.0

Іони можуть проникати крізь мембрану тільки по спеціально призначених для цього проходах — іонних каналах. Звичайно, можна уявити, що канали — це свого роду труби, якими всередину або назовні клітини рухаються іони. Але тоді незрозуміло, як клітина може підтримувати всередині себе високу концентрацію іонів калію і низьку концентрацію іонів натрію — той самий життєво необхідний натрій-калієвий баланс. Адже якщо всередину клітини по каналу може пройти великий іон калію, то логічно припустити, що слідом за ним з легкістю пройде маленький іон натрію, і не буде тоді ніякого балансу. Але клітини вміють якось відрізняти калій від натрію — явно не за розміром. Проблема настільки хвилювала вчений світ, що за відкриття структури іонних каналів у 2003 році була присуджена Нобелівська премія.

Структура альфа-гемолізину — токсичного білка, що виділяється золотистим стафілококом. Вбудовуючись в мембрану, цей білок створює канал, за яким іони натрію і калію починають безконтрольно переміщатися, порушуючи нормальну роботу клітини. Фото: Bassophile / Wikimedia Commons / CC B4-SA 3.0

Виявилося, що на внутрішніх стінках каналу в строго певних місцях знаходяться атоми кисню, що імітують молекули води навколо іона. В результаті іон, потрапляючи всередину такого каналу, відчуває себе «як вдома», точніше, як в розчині. Справа в тому, що в розчині у різних іонів утворюється різна оболонка з молекул води, і навіть у таких схожих іонів, як натрій і калій, їх водяна «шуба» трохи, та відрізняється. Тому натрій, потрапивши всередину каналу, призначеного для калію, відчуває себе в ньому незатишно і повертається туди, звідки приплив. Подібний принцип реалізований в особливому вигляді іонних каналів — натрій-калієвих насосах. Це вбудовані в мембрану спеціальні білки, які по черзі випускають з клітини іони натрію, а всередину пропускають іони калію.

Кристали хлориду натрію, вирощені на Міжнародній космічній станції. Фото: NASA / CC BY-NC 2.0

Від натрію всередині нас перейдемо до натрію, який ми їмо. Зрозуміло, ніхто не готує собі десерти з дрібно нарізаних ломтиків металевого натрію — в організм він надходить у вигляді сполук з іншими елементами і речовинами. Наприклад, у вигляді звичайної кухонної солі, яка є не що інше, як хлорид натрію. До речі, такої солі нашому організму потрібно не більше п’яти грамів на добу, а все, що вище, йде на шкоду, призводячи до проблем з тиском.

Іншу речовину — бензоат натрію — часто можна зустріти в складі харчових продуктів з позначкою на упаковці «консервант». Воно відносно нешкідливе для людини, але досить ефективно пригнічує зростання мікроорганізмів, завдяки чому їжа може зберігатися довше. У бензоату натрію є ще одна особливість: різні люди по-різному сприймають смак цієї речовини. Для когось воно солодке, комусь здається солоним, а хтось відчуває гіркоту, причому залежить це від генів конкретної людини. Кажуть, один хімік часто пропонував своїм гостям склянку води, куди попередньо додавав трохи бензоату натрію, і просив визначити, якого вона смаку. У більшості випадків суперечки про «справжній» смак води надовго займали гостей. Експеримент цілком у стилі найвідомішого наукового «троля», фізика-експериментатора і письменника Роберта Вуда. Жарти жартами, але зараз тестові смужки з бензоатом натрію використовують для визначення генетичних відмінностей між людьми.

Тест-смужки з бензоатом натрію допомагають визначати генетичні відмінності між людьми. Фото: Jhayne / Flickr.com

Крім бензоату натрій входить до складу двох інших популярних консервантів: нітриту натрію і бісульфіту натрію. Потрібно відразу обмовитися: антимікробна дія надає не катіон натрію, а друга «половинка» молекули солі — аніон бензойної (бензоат), азотистої (нітрит) або сірчистої (бісульфіт) кислоти. Натрій же вибрано як найбільш нешкідливий компонент для цих з’єднань. До речі, зовсім не обов’язково використовувати консервант у вигляді солі. Можна, наприклад, розчинити в рідині діоксид сірки — так чинять при виготовленні вина ще з часів Стародавнього Риму. Однак у цього методу є один негативний ефект: вино з часом може придбати неприємний запах сірководню.

Дозволимо собі ще одну невелику ремарку з приводу консервантів. Може здатися, що їжа без «хімії» і консервантів корисна і екологічна. У цьому дійсно є своя правда. Але якщо на іншу чашу терезів покласти ту масу продуктів без консервантів, яка зіпсується і буде викинута, а також ті ресурси, які потрібні, щоб ці продукти виробити, може вийти, що користь від «хімії» з лишком перекриє її шкоду.

Від біохімії та їжі перейдемо до «хімічних» сфер. Але спочатку розповімо про таку сполуку, як хлорат натрію, і про те, як безвідповідально його застосовували новозеландські тваринники на початку минулого століття. Фермери з країни безкрайніх лугів зіткнулися з двома проблемами: спочатку їх знамениті корови почали хворіти і вмирати, а потім деякі власники пасовищ звернули увагу на іншу напасть — їх одяг став несподіваним чином самозайматися.

Хрестовник луговий, або якобея звичайна (Jacobaea vulgaris). Ця рослина, що містить токсичні алкалоїди, викликала падіж худоби на пасовищах Нової Зеландії. Фото: AnRo0002 / Wikimedia Commons / CC0 1.0

Перша проблема — падіж худоби — була викликана рослиною хрестовник лугової, занесеною в Нову Зеландію наприкінці XIX століття, і, як це трапляється, з деякими інвазивними (від лат. invasio — «нашестя») видами, що надто вже успішно прижилися на місцевих лугах. Все б нічого, але в цій рослині містяться токсичні алкалоїди, від яких, власне, і гинули бурінки. Настання хрестовника стало справжнім лихом для фермерів. Вони були змушені кинути чималі сили на знищення отруйного бур’яну: на прополювання полів виходили всі — від мала до велика. Тому новина про те, що існує хімічна речовина — хлорат натрію, від якого хрестовник в’яне і сохне, була сприйнята з великим натхненням. Новозеландські фермери почали з зайвим завзяттям поливати луги і пасовища розчином хлората натрію. Ось тут і з’явилася несподівана проблема зі штанами. Виявилося, що просочений цією речовиною одяг сільськогосподарських робітників через деякий час ставав вибухонебезпечним, причому не рятував навіть прання.

Поки що ми говорили про натрію як про елемент, який входить до складу інших хімічних речовин або плаває у вигляді іонів у розчині. А як йдуть справи зі справжнім металевим натрієм, який ефектно вибухає, якщо його кинути у воду? Він, як ми вже згадували, знайшов несподіване застосування в атомній енергетиці — використовується в якості теплоносія для охолодження реакторів.

У звичайному житті ми можемо зіткнутися з такими теплоносіями, як вода або антифриз з етиленгліколю, в батареях центрального опалення або в системі охолодження двигуна автомобіля. Уявити, що потрібно розплавити метал і прокачувати його по трубах для того, щоб щось охолодити, досить складно. Проте використовувати рідкий натрій для відведення тепла від атомного реактора — відмінна ідея, і ось чому. По-перше, рідкий натрій добре проводить тепло, володіє високою тепломісткістю і, що важливо, високою температурою кипіння. Одна справа, коли спекотним літом раптом «закипить» на дорозі автомобіль, і зовсім інша, якщо це буде атомний реактор. По-друге, на відміну від води, натрій слабо уповільнює нейтрони, в результаті активна зона реактора може працювати ефективніше. І нарешті, від зіткнення з натрієм не іржавіють труби і він не деградує з часом, як різні органічні речовини. Головне — не допустити, щоб натрій вступив у контакт з водою!

На третьому енергоблоці Білоярської АЕС працює реактор на швидких нейтронах з натрієвим теплоносієм BN-600. Фото: Rosenergoatom / Flickr.com / CC BY-NC-ND 2.0

Відшукати родовище металевого натрію на Землі неможливо — таких місць на нашій планеті немає. Пояснення цьому дуже просте: натрій моментально прореагував би з водою, а, як відомо, навіть у найбільш посушливому місці на Землі, в пустелі Атакама, іноді бувають дощі. Однак є одне незвичайне містечко, де можна зустріти чистий натрій, правда, для цього доведеться піднятися в небо. На висоті близько 80-100 км існує шар, що складається з атомарного натрію, який потрапив туди з метеоритів, що падають на Землю. Товщина цього шару близько 5 км, але якщо у вас з’явилася ідея почати промислову розробку натрію на небесах, то нічого не вийде: вміст натрію там обчислюється кількома тисячами атомів на кубічний сантиметр. Для порівняння: якщо порахувати кількість молекул в такому ж обсязі води, то для запису цього числа потрібно 22 нуля. Проте навіть таку невелику кількість натрію можна виявити за допомогою лазерної спектроскопії.

Піднявшись над Землею ще на три сотні кілометрів, можна знайти місце, теж пов’язане з натрієм, — Міжнародну космічну станцію. Дослідження впливу невагомості на людський організм виявили один несподіваний ефект. Виявилося, що у космонавтів, які тривалий час перебувають на орбіті, в шкірі і сполучних тканинах накопичується натрій, причому не у вигляді іонів, а в пов’язаній з білками формі. Здається, що на тлі проблем, що виникають через низьку гравітацію, таких як зниження мінеральної щільності кісток і зменшення обсягу крові, наявність натрію в шкірі не так вже й важливо. Однак цей факт показує, наскільки чутливо людський організм реагує на такі чужі для нього умови проживання, як космічний простір.

Тренувальний політ астронавтів на спеціальному літаку НАСА, що імітує стан невагомості. Експерименти і тривалі пілотовані польоти показали, що довге перебування в невагомості серйозно позначається на здоров’ї астронавтів. Фото: Steve Jurvetson / Flickr.com / CC BY 2.0

Повернемося від космічних проблем до земних. Наприклад, до все більш широкого використання електричних акумуляторів, які незабаром з’являться на різних транспортних засобах — від самокату до вантажівки. Перед людством стоїть питання: з чого їх робити? Поки що нічого кращого, ніж літій-іонні батареї, ми придумати не змогли. Але одна справа, коли літієві акумулятори використовуються в невеликих гаджетах, і зовсім інша, якщо потрібно буде переробляти під електротягу весь автотранспорт. У світі просто може не вистачити запасів літію, і його ціна злетить до небес. Вирішенням проблеми, як зробити ємний акумулятор з доступних матеріалів, світова наукова спільнота зайнята, напевно, не перший десяток років. Один з напрямків — заміна літію на більш дешевий натрій. Час від часу в наукових журналах з’являються повідомлення про натрієвих акумуляторів, які успішно працюють, але до практичної реалізації подібних технологій ще досить далеко.

Літієвий акумулятор. Без таких паливних елементів неможливо уявити жоден сучасний гаджет. Фото: Adafruit Industries / Flickr.com / CC BY-NC-SA-2.0

З натрієм пов’язані цікаві експерименти як хіміків, так і фізиків. Перші, наприклад, прагнуть отримати нові незвичайні з’єднання, що в наш час зовсім не просто, особливо якщо мова йде про прості молекули, що складаються з декількох атомів. Тому сучасним хімікам доводиться йти на досить неординарні експерименти. Взяти хоча б синтезоване нещодавно з’єднання натрію і найбільш інертного елемента з усієї періодичної таблиці — гелію. Щоб натрій вступив у хімічну реакцію з гелієм, обидві речовини помістили в алмазну ковадло — це спеціальна конструкція, всередині якої можна створити екстремально високий тиск, в мільйони разів більший, ніж атмосферний. Тільки в таких умовах благородний газ гелій вступає в хімічну реакцію, чого в звичайних умовах не сталося б ніколи.

Деталі алмазної ковадла, всередині якої можна синтезувати з’єднання натрію з найбільш інертним елементом періодичної системи — гелієм. Фото: Dawn Harmer / SLAC / CC BY-NC-SA 2.0

Фізики не відстають від хіміків і йдуть на «порушення» загальновизнаних аксіом. Всім відомо, що найшвидше у Всесвіті — це швидкість світла у вакуумі. Ніщо не може поширюватися швидше. При цьому немає формальної заборони на те, щоб світло поширювалося з меншою швидкістю в якихось прозорих середовищах. Якщо світло пропустити, скажімо, через алмаз, то його швидкість зменшиться майже в два з половиною рази, хоча для звичайного життя вона так і залишиться жахливо великою. Але чи існує таке середовище, в якому світло знизило б свою швидкість до «земних» значень? Виявляється, це можливо! У 1999 році фізикам вдалося уповільнити світло до швидкості 17 м/с — такий промінчик світла зміг би втекти від найшвидшого бігуна, але не зміг би обігнати велосипедиста, що їде навіть на середній швидкості. Щоправда, щоб спостерігати цей ефект, дослідникам довелося пропускати лазерні імпульси крізь надхолодний газ з атомів натрію.

Ось такий він, натрій — елемент періодичної таблиці під номером одинадцять: дає живим клітинам електрику, охолоджує гарячі реактори і навіть зупиняє світло!