Сила разуплотнения поверхностного слоя жидких, твердых и газообразных веществ (стр. 20 )

Если величина разуплотнения поверхностного слоя слишком велика и близка к пределу его разрыва (расклинивающее давление Дерягина очень мало), то эмульсионные капельки при сближении и контакте легко разрывают этот слой и сливаются между собой. Это является началом процесса ликвации, т. е. объединения в более крупные капли. Простейший пример: возьмите тарелку с супом и понаблюдайте, как ведут себя на поверхности плавающие капли жира. Эти капли или, точнее, плоские кружочки способны плавать и контактировать друг с другом, но сливаются они не обязательно сразу при контакте, а какое-то время могут сосуществовать. Чтобы они слились, необходимо приложить некоторое усилие, допустим, подтолкнуть навстречу друг другу двумя ложками. Вот это усилие и есть сила, противодействующая их слиянию и соответствующая расклинивающему давлению Дерягина. Причиной этой силы является сила разуплотнения молекул поверхностного слоя, придавшая ему свойство твердого упругого тела.

3.4.5. Возникновение кавитации

Кавитация является вредным явлением, разрушающим лопасти турбин и гребных винтов водных судов. Это процесс связан с появлением и исчезновением воздушных пузырьков в жидкости при локальных перепадах давления. Резкое появление и исчезновение (схлопывание) пузырьков происходит с силой гидравлического удара.

На основании открытия силы разуплотнения поверхностного слоя воды, а именно ее температурной составляющей, можно дать новое объяснение кавитации. Ее возникновение, по моему мнению, связано с появлением и исчезновением силы разуплотнения в поверхностном слое жидкости в момент, когда появляются и исчезают сами кавитационные пузырьки. Их появление обусловлено возникновением некоторых участков в жидкости, где создаются условия локального физического разрежения и возникновения пустот. Но как только такая пустота в виде пузырька возникает, вокруг нее мгновенно образуется молекулярно-кинетическое разуплотнение жидкости с силой температурного расширения за счет возникновения Т-СРПС. Причем следует подчеркнуть, что это разуплотнение создается именно мгновенно и этим создает силу гидравлического удара в жидкости, так как скорости движения молекул огромны – около 500 м/с – и они быстро создают это разуплотнение. Так же мгновенно происходит исчезновение поверхностного слоя при схлопывании пузырьков и так же с большой силой гидравлического удара, способного разрушать лопасти винтов из самой прочной стали. При этом температура вблизи пузырьков может повышаться на 500-800 °С (Пирсол, 1975). Это повышение как раз и связано с исчезновением поверхностного слоя, поскольку известно, что именно в этот момент температура повышается.

3.4.6. Возникновение оползней и селей

Как известно, оползни и сели – это катастрофические природные явления, наносящие много вреда людям. Их появление связано с промачиванием во время дождей определенных участков почвы и грунтов, которые в результате сползают (оползни) или вытекают (селевые потоки). Очевидно, что именно воды способствуют их созданию.

На основе открытия Т-СРПС это можно легко объяснить. Смачивание водой отдельных зерен рыхлых грунтов способствует возникновению силы, которая создает разуплотненный слой и придает ему свойства твердого тела, которые уменьшают прочность сцепления между зернами. Иначе говоря, на зернах пород, слагающих грунт, как бы появляется смазка, которая отталкивает зерна друг от друга и этим улучшает их скольжение относительно друг друга, и поэтому грунт становится вязкой текучей массой, легко сползающей под действием силы тяжести.

Следует отметить, что решающее значение для улучшения “смазки” оказывает непосредственно сама Т-СРПС, поскольку она, обладая огромной силой температурного расширения, способна увеличивать расстояние между зернами грунта, сдавленными большой силой веса грунта. Величина расклинивающего давления Дерягина не идет ни в какое сравнение с этой силой, но и оно, вероятно, до некоторой степени также проявляется в этом процессе.

Механизм действия здесь Т-СРПС показан выше на примере соединения и рассоединения коллоидных частичек.

3.4.7. Содействие ферментативному и гетерогенному катализу

Ферменты представляют собой крупные белковые молекулы, по размерам превосходящие молекулы, подвергающися катализу (субстрат), в сотни и тысячи раз (Диксон и др., 1982; Бергельсон, 1975; Молекулярная…, 1994). На поверхности каждой ферментной молекулы имеется только один активный центр – в углублении типа щели, где размещается субстрат. Внутренняя поверхность активного центра комплементарна по форме субстрату. Главной особенностью ферментативных реакций является то, что они протекают в составе активного комплекса, образованного в результате связывания субстрата с определенными участком молекулы фермента – активным центром, с которым субстрат обладает специфическим сродством. Это взаимодействие обычно стабилизируется образованием ряда связей между группировками молекул субстрата и определенным образом расположенными группами фермента. Взаимодействие между ферментом и субстратом может осуществляться с помощью ковалетных и водородных связей, электростатических и гидрофобных сил. Активный центр является весьма сложной структурой, которая может составлять существенную часть молекулы фермента. При реакции разные субстраты специфически связываются с расположенными поблизости участками активного центра и удерживаются в такой взаимной ориентации, которая наиболее благоприятна для их взаимодействия.

Связывание субстрата с активным центром фермента должно быть достаточно легкообратимым, так как в противном случае активный центр окажется заблокированным первой же присоединившейся молекулой субстрата и каталитический цикл не сможет осуществиться. Поэтому, несмотря на значительные различия в эффективности фермент-субстратных взаимодействий в различных системах, связывание между группами фермента и группами субстрата должно быть довольно слабым. Наличие большого числа одновременно взаимодействующих групп обеспечивает достаточно высокое сродство. Для этого различные группы фермента должны быть расположены надлежащим образом, чтобы связывание их с группами субстрата могло осуществляться одновременно. Это является основой специфичности фермента, соответствия между ферментом и субстратом по типу “замок–ключ”.

При ферментативной реакции происходит некоторое изменение конформации как субстрата, так и фермента, т. е. существует определенная гибкость их структур. Сама реакция осуществляется путем разделения той части субстрата, которая осталась снаружи, с последующим удалением обеих разделившихся частей и освобождением активного центра для новых реакций.

В связи с этим возникает вопрос: какова же здесь роль поверхностной пленки воды? Для этого следует обратить внимание, что размеры молекул фермента и субстрата соответствуют размерам коллоидных частиц. Следовательно, окружающий их поверхностный слой проявляет такие же свойства, как и при образовании коллоидных частиц, т. е. свойства твердого тела, удерживающего частички на некотором расстоянии друг от друга. Значит, такой слой существует и внутри углубления активного центра и является как бы “смазкой”, не позволяющей плотно приклеиваться субстрату к ферменту. Именно он способствует тому, что после временной фиксации субстрата внутри углубления активного центра фермента и каталитической реакции разделившийся остаток субстрата удаляется из активного центра, а не остается в нем. Действительно, какая еще сила способна это сделать, имея в виду, что субстрат фиксируется в активном центре достаточно прочными водородными и даже ковалентными связями, способными формировать целые молекулы. Колебания субстрата в пределах “люфта” внутри активного центра фермента приводит в действие Т-СРПС и вызванное этим расклинивающее давление Дерягина, которые отрывают ее от поверхности после непродолжительной раскачки и способствуют ее удалению из центра.

В данном случае сущность ферментного катализа сводится к следующему. Существуют углубления определенной конфигурации внутри фермента и почти в точности подобные им по форме (по принципу “ключ-замок”) выступы в теле молекул субстрата. В процессе хаотического блуждания и соударения последних с катализатором выступы попадают в соответствующие конформные углубления катализатора, и таким образом временно вся молекула субстрата фиксируется здесь, испытывая частые соударения со стенками углубления активного центра в пределах своего “люфта”. Частота соударения способствует механическому разрыву связей между частями субстрата, попавшими внутрь углубления, и частями, оказавшимися снаружи. Рассоединению связей также способствует Т-СРПС, так как поверхностный слой воды, проникая в разрывы между частями молекул, с силой расклинивает и разрывает их. Причем разрываться могут связи как между какими-то небольшими группами атомов, так и между длинными их цепями (например, белковых молекул), если в углубление попала какая-то средняя часть этой цепи. После разрыва связей образуются две новые молекулы, из которых находящаяся снаружи сразу же удаляется от фермента, так как она в свободном положении. Ту молекулу, которая присутствует еще внутри активного центра, Т-СРПС заставляет также удаляться, отрывая ее от стенок активного центра.

Образно ферментный катализ на атомно-молекулярном уровне можно представить себе следующим образом. Когда молекула субстрата временно приклеивается какой-либо своей выступающей частью в углублении фермента – его активный центр (т. е. входит как ключ в замок), то он как бы вырывает кусок этой молекулы или разрывает на две части единую цепочку молекулы за счет ее колебания, не синхронного с ферментом, и в результате образуются две новые молекулы.

По существу, подобным же образом осуществляется гетерогенный катализ всех химических веществ.

Роль первой физической теории в гетерогенном катализе играло представление Фарадея о том, что причиной ускорения реакции является адсорбция, т. е. сгущение количества молекул в поверхностном слое катализатора (Полторак, 1968). В дальнейшем был выдвинут ряд теорий гетерогенного катализа.

Теория промежуточных соединений, наиболее последовательно развиваемая (1988), предполагает, что ускорение гетерогенных реакций происходит в результате образования реактантом и катализатором поверхностных нестойких промежуточных соединений. Основная причина ускоряющегося действия катализаторов, по , заключается в том, что катализатор “повышает степень компенсации энергии разрывающихся связей энергией образующихся”.