Свободная и связанная вода в коллоидах.

Молекулы воды сами по себе электронейтральны. Однако стоит только поместить их во внешнее электрическое поле, как тотчас начнет проявляться дипольный характер этих молекул. Во внешнем электрическом поле диполи воды ориентируются определенным образом в направлении электрических силовых линий.

Аналогично этому гидратация гидрофильных коллоидов обусловливается электростатическими силами, т. е. за счет электрических зарядов, возникающих вследствие ионизации. На поверхности коллоидных частиц высокомолекулярных веществ образуются оболочки, состоящие из диполей воды, ориентированных в зависимости от знака заряда ВМС своим положительным или отрицательным концом.

Те слои диполей воды, которые расположены в непосредственной близости к поверхности коллоидной частицы (макромолекуле), наиболее прочно с ней связаны и наиболее упорядоченно ориентированы.

Таким образом, в гидрофильных коллоидах, т. е. в растворах высокомолекулярных соединений, какая-то часть воды оказывается прочно связанной с коллоидными частицами и вместе с ними участвует в броуновском движении, другая же часть играет роль среды, в которой находятся коллоидные мицеллы.

В набухших полимерах (студнях) различают два вида воды: связанную (или гидратационную) и свободную (или капиллярную). Количество связанной воды в полимере зависит от его гидрофильности. Опыт показывает, что чем выше гидрофильные свойства полимера, тем больше содержит он связанной воды. Например, содержание связанной воды в желатине вдвое превышает массу сухого вещества.

Исследования многих ученых показали, что свойства связанной воды довольно резко отличаются от свойств свободной воды. Используя свойства связанной воды, Гортнер и Ньютон разработали криоскопический способ определения связанной воды. Чрезвычайно простой и остроумный метод определения ее был предложен в свое время А. В. Думанским, который для этой цели использовал методы рефрактометрии и поляриметрии.

Упорядоченность молекул воды в гидратных оболочках, ее уплотненность обусловливают еще одно замечательное свойство связанной воды: при охлаждении растворов ВМС она не замерзает, тогда как свободная вода замерзает. Протоплазма животных и растительных организмов представляет собой сложнейшую систему, состоящую из высокомолекулярных соединений, поэтому вполне понятно то огромное значение, которое играет свободная и связанная вода в живой клетке.

Морозостойкость сельскохозяйственных культур обусловлена свойствами связанной воды. Ранее полагали, что растения погибают от пониженных температур в результате механических повреждений протоплазмы кристаллами образующегося льда. Однако исследования показали, что механизм действия низких темпера­тур на растение гораздо сложнее: низкие температуры губительны для растений не сами по себе, а в результате их обезвоживающего действия при вымораживании воды. Микроскопические исследования показали, что на первой стадии замораживания кристаллы льда образуются не внутри клеток, а в межклеточных пространствах. Разрастающиеся кристаллы льда интенсивно оттягивают воду из клеток, что в конечном итоге приводит к обезвоживанию протоплазмы и резкому увеличению концентрации клеточного сока. Однако даже в полностью убитых морозом растениях клеточные стенки остаются практически неповрежденными.

Обезвоживание и действие повышенной концентрации электролитов клеточного сока вызывает необратимую коагуляцию протоплазмы.

Многочисленные исследования показали, что переохлаждение, при котором не образуются кристаллы льда, довольно легко переносится растениями, причем растения выдерживают такие низкие температуры, которые их неизбежно погубили бы, если бы началось образование кристаллов льда. Однако ряд факторов способствует тому, что некоторые культурные растения сравнительно легко перезимовывают, вынося зачастую очень низкие температуры. Одним из этих факторов является, как уже отмечалось, понижение точки замерзания тканевых и клеточных соков благодаря тому, что в них растворены различные электролиты и неэлектролиты. В растениях под влиянием низких температур увеличивается содержание глюкозы за счет процессов гидролитического распада крахмала. Кроме того, глюкоза оказывает определенное защитное действие на клеточные белки, предохраняя их от преждевременной коагуляции.

Но самым важным фактором, защищающим культурные растения от вымораживания, является наличие в клетках связанной воды. Она прочно удерживается высокомолекулярными соединениями, в первую очередь белками. Морозоустойчивость того или иного культурного растения находится в прямой зависимости от соотношения свободной и связанной воды в нем.

Морозоустойчивость культурных растений не следует рассматривать как постоянное, раз навсегда данное свойство. Исследования показали, что агроном в известных пределах может сознательно регулировать морозостойкость растений путем соответствующей их закалки.

Озимые злаки, выросшие в тепле, замерзают быстрее, чем выросшие на холоде. При постоянном и постепенном снижении температуры растения все больше закаляются, приобретают высокую морозостойкость. Вот почему неожиданные ранние морозы причиняют большие повреждения озимым культурам.

Связанная вода в значительной мере лишена той подвижности, которая свойственна обычной воде. Многие белковые студни при содержании ничтожно малого количества сухого вещества имеют полутвердый характер и обладают способностью сохранять свою форму. Так, медузы, тело которых содержит всего лишь 1% сухого вещества и около 99°/о воды, тем не менее сохраняют и форму и достаточную жизненную стойкость.

Считается установленным, что одна из причин старения организма заключается в потере способности его тканей удерживать связанную воду на нормальном уровне. Как правило, молодые организмы содержат значительно больше связанной воды, чем старые.

Особый вид старения, например, наблюдается в процессе черствения хлеба. В свежей пшеничной муке связанной воды содержится примерно 44% от общего ее содержания, в тесте количество ее достигает уже 53%, в свежеиспеченном хлебе— 83%. Однако уже через пять суток в хлебе остается 67% связанной воды. Таким образом, процесс черствения хлеба обусловлен потерей воды и является, по существу, необратимым процессом старения. Вот почему попытка сохранить хлеб свежим путем хранения его в герметической упаковке, например в целлофановых пакетах, не дает положительных результатов. Хлеб при этом быстро «запотевает», покрывается плесенью и все равно черствеет. Опыт показывает, что наиболее приемлемый метод сохранения хлеба свежим — хранение его при повышенной температуре (около 333 К). При этом белки значительно дольше сохраняют в себе связанную воду и хлеб остается свежим в течение шести-семи дней. На этом принципе основан старинный русский способ освежения черствого хлеба путем смачивания и последующего выдерживания в подовой печи.