Кислород в воде
Кислород вместе с другими газами, входящими в состав воздуха, легко растворяется в воде.
Сколько же воздуха может раствориться в воде? Говорить о растворимости воздуха в целом нельзя, нужно говорить о растворимости каждой составной части воздуха в отдельности.
Кислород, азот, аргон, двуокись углерода и другие газы обладают различной растворимостью. При одинаковых температуре и давлении чистого кислорода в воде растворится почти в 2 раза больше, чем азота, а углекислого газа — в 35 раз больше, чем кислорода.
Однако существуют общие закономерности для всех газов. Чем выше температура жидкости, тем меньше растворимость газов. В литре чистой воды при нормальном атмосферном давлении, равном 760 миллиметрам ртутного столба, и при температуре 0° растворяется около 50 кубических сантиметров чистого кислорода. А при температуре 30° — примерно в 2 раза меньше. Чистого азота при температуре 0° и нормальном атмосферном давлении растворится 24 кубических сантиметра, а при температуре 30° — 14 кубических сантиметров.
Чем выше давление газа над жидкостью, тем больше его растворимость.
Если в закрытом сосуде, наполненном на одну треть водой, создать давление в 2 атмосферы, то газа растворится вдвое больше, чем при 1 атмосфере. И, наоборот: при пониженном давлении газа растворится во столько же раз меньше, во сколько ниже давление.
Два равных объема различных газов, смешанных при давлении в 1 атмосферу, растворяясь в воде, будут вести себя как два самостоятельно существующих газа, находящихся под давлением в 1/2 атмосферы. Растворимость каждого из них будет в 2 раза меньше их растворимости при нормальном атмосферном давлении.
Воздух — это смесь газов. Так как в воздухе содержится 21 процент кислорода, то его парциальное давление, то есть та часть давления, которая падает только на кислород, будет в 5 раз меньше давления воздуха. Поэтому кислорода воздуха при нормальном атмосферном давлении растворится в воде в 5 раз меньше, чем чистого кислорода при том же давлении.
В самом деле, если при нормальном давлении и при температуре 0° насытить воду не чистым кислородом, а воздухом, то в литре воды растворится только 10 кубических сантиметров кислорода вместо 50, а азота из воздуха растворится 19 кубических сантиметров вместо 24.
В воде, содержащей различные соли, растворимость газов снижается. В речной воде кислорода растворяется меньше, чем в чистой (дистиллированной), а в морской меньше, чем в речной.
Чтобы растворить газ в воде, его нужно привести в соприкосновение или перемешать с водой; чтобы вытеснить газ из воды, воду нужно подогреть. Доведя температуру воды до 100°, можно почти полностью вытеснить из нее газ.
Вытеснение воздуха из воды кипячением: 1 — колба с водой; 2 — загнутая стеклянная трубка; 3 — стакан с водой; 4 — пробирка, в которую собирается вытесненный воздух
Возьмите колбу, наполненную доверху водой, закройте ее пробкой, в которую вставлена загнутая стеклянная трубка. Второй конец этой трубки вставьте в стакан с водой и наденьте на этот конец трубки наполненную водой пробирку. Доведите воду в колбе до кипения. В опрокинутой пробирке появится газ, тот самый газ, который был растворен в воде до ее кипячения.
Хотя до кипячения вода соприкасалась только с воздухом, но в силу различной растворимости кислорода и азота состав вытесненного газа будет существенно отличаться от состава обычного воздуха. В него входит 1 объем кислорода и 2 объема азота. А это означает, что в полученном газе кислорода уже не 21, как в воздухе, а 33 процента.
В обыкновенной, неочищенной воде, кроме растворенного газообразного кислорода, имеется еще кислород, входящий в состав растворенных в ней солей. Этот кислород вытеснить кипячением нельзя, так как он прочно связан с каким-нибудь другим элементом.
Чтобы освободить воду от солей, ее нужно перегнать.
Прибор для перегонки состоит из колбы для кипячения воды, холодильника, где конденсируются пары, и приемника, куда стекает дистиллированная вода.
Полученная таким образом вода содержит только растворенные газы, которые можно вытеснить кипячением.
Что же содержится в воде, в которой нет ни солей, ни растворенных газов?
Вода, как и всякое химическое соединение, состоит из однородных молекул.
В состав молекулы воды (Н2O) входит 2 атома водорода и 1 атом кислорода, тесно связанные между собой.
Лабораторная установка для получения дистиллированной воды: 1 — колба для кипячения воды; 2 — холодильник; 3 — приемник
Разделить, разорвать молекулу воды на ее составные части нелегко, на это нужно затратить энергию.
Молекулярный вес воды равен 18. Он состоит из 2 атомных весов водорода, равных 2 единицам, и атомного веса кислорода — 16. Следовательно, в молекуле воды содержится около 89 процентов кислорода и около 11 процентов водорода. В килограмме воды насчитывается 890 граммов кислорода.
Это означает, что все реки, моря и океаны состоят главным образом из кислорода.
Вода занимает три четверти земной поверхности.
Но в природе вода встречается не только в жидком виде. В полярных странах и на высоких горах круглый год сохраняются огромные толщи льда и снега. Большие количества воды мы встречаем в воздухе в виде пара.
Животные и растения больше чем наполовину состоят из воды. В человеческом организме, при среднем весе тела 65—70 килограммов, содержится до 40 килограммов воды.
Источник: В. Медведовский. Кислород. Государственное Издательство Детской литературы Министерства Просвещения РСФСР. Ленинград. Москва. 1953
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Источник
Водная и наземная среда
Водная и наземная среда
Жизнь зародилась в океане. В мелких прибрежных водах условия для возникновения первых групп растении и животных и для развития их разнообразия были благоприятные: относительное постоянство температуры и солености, обилие солнечного света, растворенных газов п минеральных веществ. Благодаря своей выталкивающей силе вода одинаково леи ко поддерживает как топкие структуры, так и массивные организмы.
Первые шаги в завоевании суши были трудными, о чем свидетельствуют несколько сот миллионов лет, отделяющие время, когда жизнь стала процветать в море, от ее первого появления на суше. II вес же, несмотря на суровость наземной среды, жизнь па суше достигла высокого уровня как по общей массе органического вещества, так же по разнообразию.
Быть может, нам не следовала бы выделять в качестве двух главных категории водную и наземную среды, ведь океан имеет твердое дно, а наземная среда погружена в воздушный океан. Чтобы в полной мере оценить различие между водной и наземной средами, надо сопоставлять свойства воды п воздуха, а не воды и суши.
К числу свойств воды, которые почти всецело определяют форму и функции водных организмов, относятся такие ее свойства, как плотность (примерно в 800 раз превышающая плотность воздуха) и способность растворять газы и минеральные вещества. Вода предоставляет все, что нужно для жизни: большинство морских организмов независимы от находящегося под ними дна, за исключением тех, кто использует его (па мелководьях) в качестве субстрата для прикрепления или зарывания в пего. В отличие от этого наземная жизнь приурочена к верхнему слою суши и прилегающей к нему атмосфере, причем обе эти среды поставляют существенные компоненты, необходимые живым организмам. Воздух содержит кислород, необходимый для дыхания, и двуокись углерода, необходимую для фотосинтеза, а почва служит источником воды л минеральных веществ.
Плотность и вязкость воды и воздуха
Водная среда поддерживает находящиеся в ней организмы, однако в большинстве случаев плотность живых тканей выше, чем плотность соленой или пресной воды. У водных животных и растений в процессе эволюции выработалось множество разнообразных структур, препятствующих погружению или замедляющих его. У рыб имеются плавательные пузыри — небольшие, наполненные газом мешки, находящиеся в полости тела и приближающие его удельный вес к удельному весу воды. У многих крупных бурых водорослей, растущих обычно в мелких прибрежных водах, имеются воздушные пузыри, выполняющие аналогичную функцию. Благодаря таким пузырям листовидный таллом этих водорослей, прикрепленных к субстрату прочными ризоидами, поднимается со дна к поверхностным водам, освещенным солнцем и богаты\ кислородом. Микроскопические одноклеточные водоросли (фитопланктон) в огромных количествах плавают в поверхностных водах озер п океанов. Эти растительные клетки содержат мельчайшие капельки масел, плотность которых ниже плотности воды и которые, таким образом, уравновешивают естественную тенденцию клеток опускаться вниз. Мельчайшие морские животные нередко снабжены длинными нитевидными придатками, замедляющими их погружение в глубину, подобно тому как парашют замедляет падение тела в воздухе (рис. 3.1). Аналогичные функции несут шелковинки паука и специальные придатки семян, как, например, крылатки клена, хохолки у семян одуванчика и ваточника; у наземного растения эти придатки увеличивают также радиус распространения семян.
Быстро передвигающиеся водные организмы должны иметь обтекаемую форму, что позволяет им уменьшить сопротивление, испытываемое при перемещении в такой вязкой среде, как вода. В этом смысле у скумбрии и других стайных рыб, живущих в открытом море, пропорция тела с точки зрения физики приближаются к идеальным (рис. 3.2) Воздух оказывает гораздо менее сильное сопротивление движению, поскольку его вязкость более чем в 50 раз ниже вязкости воды.
Вода обладает большей выталкивающей силой, чем воздух, а поэтому сила тяжести ограничивает максимальные размеры водных организмов в меньшей степени, чем наземных. Самые крупные наземные животные выглядят карликами по сравнению с некоторыми китами, достигающими в длину свыше 30 м и обладающими массой более 100 т (масса крупных слонов всего 7 т).
О том, что выталкивающая сила воды очень хорошо противодействует силе тяжести, свидетельствует скелет акуловых рыб, состоящий из костей, а из эластичного хряща, который не мог бы служить опорой для тела па суше. Несмотря на то что киты дышат воздухом, оказавшись на берегу, они быстро начинают задыхаться, так как их легкие сплющиваются под давлением огромной массы тела. Для наземных животных характерны жесткие структуры, благодаря которым они сохраняют форму и положение тела, несмотря на действие силы тяжести. Костный внутренний скелет позвоночных, хитиновый наружный скелет насекомых, жесткие целлюлозные стенки растительных клеток — все это структуры, несущие одну и ту же, опорную, функцию. У водных животных жесткие структуры служат обычно для защиты (раковина моллюсков) или для прикрепления мышц (панцирь ракообразных или костный скелет рыб), а не для поддержания веса тела.
Рис. 3.1. Нитевидные и перистые придатки планктонного ракообразного, обитающего в тропических морях (общая длина придатков составляет около 1,2 мм).
Рис. 3.2. Обтекаемая форма тела молодых особей скумбрии уменьшает сопротивление воды и дает возможность рыбе быстро плавать с минимальной затратой энергии.
Солнце одинаково интенсивно освещает и поверхность океана, и поверхность суши. Но на суше большая часть солнечного света поглощается или отражается листьями растений. В сущности, в наземных местообитаниях света иногда не хватает и растения конкурируют между собой за пего. Не для того ли деревья поднимают свои листья так высоко над землей, чтобы они оказались выше листьев соседних растений п получали больше света? Там, где вследствие недостатка воды растения не могут покрыть всю поверхность местообитания, падающий свет либо отражается, либо поглощается и превращается в тепло, нагревая поверхность земли.
Прозрачность стакана чистой воды обманчива. Способность воды к поглощению н рассеиванию света достаточно велика, п это сильно ограничивает глубину освещаемой Солнцем зоны океана. Поскольку для фотосинтеза необходим свет, глубина, па которой в океане можно встретить растения, также ограничена; они обитают только в относительно узкой зоне, куда проникает свет и где интенсивность фотосинтеза превосходит интенсивность дыхания растений. Это так называемая эвфоническая зона. Нижняя граница эвфонической зоны, где фотосинтез точно уравновешивает интенсивность дыхания, называется компенсационной точкой. Если водоросли, составляющие фитопланктон, погружаются на глубину ниже компенсационной точки или уносятся направленными вниз течениями воды и не возвращаются достаточно быстро ближе к поверхности в результате апвеллинга, то они погибают.
В некоторых озерах и морях, особенно тропических, где вода отличается исключительной прозрачностью, компенсационная точка может находиться на глубине 100 м от поверхности, но такие условия встречаются крайне редко. В продуктивных водоемах с высокой плотностью фитопланктона или же в мутных водоемах со взвешенными в воде частицами ила глубина эвфонической зоны может составлять всего один метр. В некоторых очень сильно загрязненных реках свет проникает практически лишь на глубину нескольких сантиметров.
Поскольку растениям необходим свет, крупные бентосные водоросли (формы, прикрепленные ко дну) встречаются только вблизи материков, где глубина воды не превышает 100 м. В огромных просторах открытого океана, а также в более мелких прибрежных зонах фитопланктон эвфонической зоны состоит из одноклеточных взвешенных в воде растений. Мелкие плавающие животные (зоопланктон), питающиеся фитопланктоном, также приурочены преимущественно к этой зоне, где их пища особенно обильна. Однако распространение животных не ограничено верхними слоями воды. Даже в самых глубоких частях океана, под толщей воды в несколько километров, обитают весьма разнообразные животные; пищей им служат мертвые организмы, падающие непрерывным дождем из освещаемых солнцем поверхностных слоев.
Кислород
Почти всем организмам, в том числе и зеленым растениям, для дыхания (процесс биохимического высвобождения энергии из органических соединений) необходим кислород. Атмосфера очень богата кислородом, который составляет примерно одну пятую ее по весу, однако в воде кислород растворяется плохо. Даже для наземных организмов, тело которых состоит в основном из воды, обеспечение кислородом и его распределение по разным тканям представляет собой очень серьезную проблему. Способы разрешения этой проблемы у разных организмов показывают, какое важное влияние оказывают физические свойства среды на форму и функции организмов (табл. 3.1).
У мелких водных организмов кислород поступает в ткани путем диффузии из окружающей их воды. У наземных растений газообмен с атмосферой также происходит за счет диффузии. Диффузия — физический процесс, при котором молекулы перемещаются из области высокой концентрации данного вещества в область низкой его концентрации до тех пор, пока их распределение не станет равномерным. Если концентрация кислорода в тканях данного организма ниже, чем в окружающей среде, то кислород диффундирует в ткани. Поскольку животные постоянно расходуют кислород в процессе дыхательного обмена, содержание кислорода в организме остается на низком уровне, что и обусловливает его непрерывную диффузию в ткани. Однако адекватное снабжение тканей кислородом путем диффузии возможно лишь на расстояниях не более 1 мм. У крупных организмов эта проблема решается при помощи циркуляторных систем, которые обеспечивают передвижение жидкостей от поверхностных участков — кожи, жабр или легких — к глубоким тканям
ТАБЛИЦА 3.1. Некоторые проблемы, с которыми сталкиваются крупные организмы в связи со снабжением своих тканей кислородом, и способы разрешения этих проблем
Проблема Решение Примеры
Не слишком серьезна у мелких или малоактивных организмов.
У крупных организмов диффузии препятствует большое расстояние от поверхности тела до его глубоких тканей.
Растворимость кислорода в воде ограничивает его перенос циркулирующими в организме жидкостями.
Высокое содержание белков повышает вязкость крови.
Снабжение кислородом происходит путем простой диффузии через клетки.
Циркуляторная система перекачивает жидкости из поверхностных тканей в глубокие.
Связывающие кислород белки (например, гемоглобин), содержащиеся в крови.
Дыхательные белки крови находятся в эритроцитах.
Простейшие, губки, кишечно-полостные.
Круглые черви — перекачивание при помощи мышц тела; членистоногие и моллюски — открытая система кровообращения без капилляров; позвоночные — замкнутая система кровообращения.
Гемоглобин широко распространен у позвоночных, но редко встречается в других группах, у которых имеются иные пигменты; у членистоногих пигментов крови нет, так как воздух непосредственно поступает в клетки по системе трахей.
Все позвоночные, некоторые моллюски и иглокожие.
Циркуляция жидкостей в организме сильно облегчает распределение в нем кислорода (и других веществ), однако вода не может содержать в себе достаточное количество растворенного кислорода, чтобы обеспечить интенсивный метаболизм. Растворимость кислорода в воде (до 1% по объему или около 0,0014% по весу) не дает возможности удовлетворить таким путем всей потребности активно функционирующих тканей. У многих групп животных в крови имеются специальные сложные белки, такие, как гемоглобин, увеличивающие кислородную емкость крови. Поскольку кислород легко соединяется с молекулами гемоглобина, содержание этого газа в плазме крови, ограничиваемое его способностью растворяться в воде, понижается. Гемоглобин может содержать в 50 раз больше кислорода, чем плазма крови. Но высокое содержание белка в крови создает дополнительную проблему, так как при этом повышается вязкость крови. У позвоночных и у некоторых морских беспозвоночных проблема слишком густой крови разрешается тем, что гемоглобин сосредоточен в эритроцитах, которые легко скользят один мимо другого в кровотоке.
Многие из этих приспособлений, связанных с обеспечением организма кислородом, возникали в ответ на различное его содержание в среде. Растворимость кислорода в воде снижается с повышением температуры или солености. В условиях, наиболее благоприятных для растворимости — при 0°С в пресной воде, — концентрация кислорода не достигает даже одной четвертой его концентрации в воздухе. В естественных водоемах концентрация растворенного кислорода никогда не достигает уровня, допускаемого их температурой и содержанием в них солей. Концентрация кислорода в воде редко превышает 6 см3/л, что примерно в 30 раз ниже его концентрации в воздухе. В стоячих водоемах, особенно в болотах или на дне островных озер, кислорода иногда нет вовсе, так как бактерии используют весь имеющийся его запас при разложении органических веществ. Среда, лишенная кислорода, называется анаэробной.
У рыб, живущих в стоячих водоемах, а также у птиц и млекопитающих, живущих на больших высотах, где плотность воздуха ниже, а поэтому кислорода меньше, чем в местообитаниях, расположенных на уровне моря, содержание гемоглобина в крови обычно выше, чем у животных, местообитания которых богаче кислородом. В таких условиях сама молекула гемоглобина становится приспособленной к низкому содержанию в среде кислорода и начинает связывать его более интенсивно, облегчая снабжение организма кислородом. У людей, живущих в местах, расположенных на уровне моря, кислородная емкость крови составляет 21% (по объему). В одном эксперименте у добровольцев, которые провели несколько недель на высоте 5350 м, способность крови связывать кислород повысилась до 25%, главным образом за счет увеличения количества гемоглобина, однако она далеко не достигла 30%, характерных для людей, постоянно живущих на больших высотах. Помимо изменений, происходящих в гемоглобине, на снабжение кислородом оказывают также влияние приспособительные изменения объема легких, частоты и глубины дыхания, размера сердца, частоты его сокращений и ударного объема и развития капиллярной сети..
Скорость, с которой организм может извлекать из воды растворенный в ней кислород, отчасти зависит от скорости, с которой он может пропускать воду через свои органы дыхания. Поэтому высокая вязкость воды по сравнению с воздухом еще более затрудняет водным животным добывание кислорода. Двустворчатые моллюски и многие рыбы создают непрерывный поток воды через жабры. Другие рыбы находятся в постоянном движении, чтобы обеспечить обмывание жабр водой. Наземные же животные могут быстро набирать воздух в легкие и вновь выпускать его наружу.
В атмосфере кислород распределен равномерно, однако его концентрация в воде подвержена сильным колебаниям, которые обусловлены его медленной диффузией. Содержание кислорода в воде обычно понижается с удалением от поверхности раздела между воздухом и водой; например, на дне пруда оно ниже, чем на его поверхности. Стоячие водоемы содержат меньше кислорода, чем проточные, в которых благодаря перекатам, водопадам и волнам происходит интенсивное перемешивание воды и воздуха. Некоторое количество кислорода посту- ет в воду за счет фотосинтеза. В большинстве случаев концентрация растворенного кислорода в водной среде увеличивается днем, когда происходит выделение кислорода в результате фотосинтеза. Это увеличение сводится па нет ночью, когда животные и растения в процессе дыхания поглощают кислород, а фотосинтеза не происходит. Двуокиси углерода в воде больше, и распределена она более равномерно, однако ее содержание также подвержено суточным колебаниям, но только в противоположном направлении: днем оно понижается, а ночью повышается.
Источник
