Неорганические вещества клетки. Вода, соли, их роль в жизнедеятельности клетки.
Большинство химических соединений, которые входят в состав клетки, встречаются только в живой природе. Почти все молекулы за небольшим исключением, встречающиеся в клетке, относятся к соединениям углерода и рассматриваются в курсе органической химии. Однако вода встречается и в живой, и в неживой природе. В среднем почти 70% от массы живых организмов составляет вода. Но содержание воды в клетке может колебаться в зависимости, например, от ее конкретного вида или возраста. Помимо воды в клетках в значительных количествах встречаются некоторые соли, которые важны для осуществления функций живых организмов.
Вода (H2O) представляет собой вещество, которое в физическом и химическом отношении существенно отличается от других растворителей. Жизнь возникла в первичном океане, и в процессе дальнейшего развития природа использовала уникальные свойства воды.
У воды в отличии от других жидкостей необычайно высокие температуры кипения и плавления и высокая удельная теплоемкость. Также отличительными особенностями воды являются большая удельная теплота испарения, плавления и высокое поверхностное натяжение. Вода имеет все эти свойства благодаря тому, что ее молекулы более прочно связаны друг с другом в отличии от молекул других растворителей.
Эти уникальные свойства воды оказывают большое влияние на жизнедеятельность клеток. Например, высокая теплоемкость воды, т.е. способность поглощать тепло при незначительном изменении своей собственной температуры, предохраняет клетки от резких изменений температуры. Высокую теплоту испарения воды живые организмы используют для предохранения от перегрева. Вспомним, что испарение жидкости животными и растениями — это защитная реакция на повышение температуры. Благодаря высокой теплопроводности воды обеспечивается равномерное распределение теплоты по всему организму, а благодаря тому, что вода плохо сжимается, клетки обладают упругостью и могут поддерживать свою форму.
Свои уникальные физические и химические свойства вода получила благодаря особенностям структуры своей молекулы, а точнее, благодаря тому, как именно в молекуле воды располагаются электроны в атомах кислорода и водорода. Два электрона, располагающиеся на внешней электронной орбите атома кислорода в молекуле воды, объединяются с двумя электронами, принадлежащими атомам водорода (у атома водорода на внешней орбите только один электрон). Благодаря этому в молекуле воды образуются две ковалентные связи (между атомом кислорода и двумя атомами водорода). Электроотрицательность * атома кислорода выше, чем у атомов водорода, благодаря чему, электроны притягиваются к нему сильнее. В результате этого на атоме кислорода появляется частично отрицательный заряд, а на атомах водорода — частично положительный. Между более отрицательно заряженными атомами кислорода одних молекул воды и более положительно заряженными атомами водорода других молекул воды образуются так называемые водородные связи, и молекулы воды оказываются связанными между собой.
* Электроотрицательность — это способность атома в молекуле смещать к себе общие электронные пары. Относится к фунадментальным свойствам атома и выражается в количественных характеристиках.
5 молекул воды с водородными связями между ними
На рисунке изображены молекулы воды. Ковалентные связи связывают атомы кислорода и водорода внутри каждой молекулы (сплошные линии), а водородные связи образуются между соседними молекулами (пунктирные линии).
Водородные связи примерно в 20 раз более слабые, чем ковалентные. Поэтому они легко образуются и разрываются. Даже при температуре кипения (100°С) взамодействие между молекулами воды остается достаточно сильным. Именно водородные связи обеспечивают структурированность воды и объясняют такие ее свойства, как высокие температуры кипения и плавления, а также высокую теплоемкость.
Другое важное свойство молекулы воды — ее дипольность. В молекуле воды, как отмечалось ранее, атомы кислорода имеют небольшой отрицательный заряд, а атомы водорода — положительный. Т.к. угол между связями H-O-H составляет 104.5°, получается, что отрицательный заряд в молекуле воды сосредотачивается на одной стороне, а положительный — на другой. Благодаря дипольности молекулы воды имеют способность к ориентации в электрическом поле. Это свойство объясняет, что вода является уникальным растворителем. Если в молекулах веществ присутствуют заряженные группы атомов, они, вступая в электростатическое взаимодействие с молекулами воды, растворяются в ней. Такие вещества с заряженными или полярными группами, растворяющиеся в воде, называются гидрофильными.
Растворение NaCl в воде.
Способность воды растворять кристалл NaCl зависит от электростатического притяжения между полярными молекулами воды и заряженными ионами натрия и хлора.
К гидрофильным соединениям, которые в большом количестве есть в клетках, относятся соли, некоторые низкомолекулярные органические соединения (органические кислоты, аминокислоты, простые сахара), а также полимеры: некоторые полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты. Однако существует ряд веществ, почти не имеющих заряженных атомов, и, поэтому, не растворяющихся в воде. Такие вещества называются гидрофобными. К ним, например, относятся липиды (жиры). Гидрофобные вещества не взаимодействуют с водой, но могут взаимодействовать друг с другом. Поэтому они хорошо растворяются в некоторых органических растворителях, как, например, хлороформ. Липиды, относящиеся к гидрофобным соединениям, формируют двумерные структуры (биологические мембраны), практически непроницаемые для воды.
По сравнению с другими растворителями вода может растворить больше химических веществ, благодаря своей полярности. Жизнедеятельность клетки невозможна без многочисленных химических реакций, которые осуществляются в ее водной среде, где растворены различные химические вещества. Также вода растворяет и продукты реакций. Затем в растворенном виде они выводятся из клеток и многоклеточных организмов. За счет перемещения воды в организмах животных и растений осуществляется обмен различными веществами между тканями. Еще одним важным свойством воды является то, что, как химическое соединение, вода вступает во многие химические реакции, которые протекают в клетке. Такие реакции называют реакциями гидролиза. В свою очередь, молекулы воды сами образуются в результате многих реакций в клетках живых организмов.
Т.к. масса атома водорода мала, а атом кислорода в молекуле воды удерживает его единственный электрон, протон (ядро атома водорода, лишенное электрона) способен отрываться от молекулы воды. В результате этого из молекулы воды образуются гидроксильный ион (ОН — ) и протон (Н + ).
H2O H + + OH —
Данный процесс называют диссоциацией воды. Гидроксильные ионы и протоны, которые образуются при диссоциации воды, являются, в свою очередь, участниками многих важных реакций в живых организмах.
В жизнедеятельности клетки также очень важны соли, растворенные в воде. Главным образом соли представлены катионами калия (К + ), натрия (Na + ), магния (Mg 2+ ), кальция (Ca 2+ ) и других металлов, а также анионами соляной (Cl — ), угольной (НСО3 — ) и фосфорных кислот (Н2РО4 — , НРО4 2- ).
Многие катионы характеризуются неравномерным распределением между клеткой и окружающей ее средой. Например, для цитоплазмы характерна более высокая концентрация К + , чем для окружающей клетку среды, между тем, в той же цитоплазме концентрация Na + и Са 2+ будет ниже, чем снаружи клетки. В качестве внешней среды по по отношению к клетке может выступать не только природная среда, например, океан, но и жидкости внутри живого организма, такие как кровь или тканевая жидкость, близкие по своему ионному составу к морской воде. В процессе жизнедеятельности неравномерное распределение катионов между клетками и окружающей их средой постоянно поддерживается, на это затрачивается значительная часть энергии в клетках. Такая неравномерная концентрация ионов между клетками и окружающей их средой необходима для многих процессов жизнедеятельности, к примеру, для передачи возбуждения по нервным и мышечным клеткам или сокращения мышц. Когда клетка умирает, концентрация катионов внутри нее и снаружи быстро становится одинаковой.
Кислотность цитоплазмы клетки в процессе жизнедеятельности практически нейтральная (т.е. значение концентрации ионов водорода (рН) в цитоплазме находится в диапазоне 6,5-7,5). Это происходит несмотря на то, что в процессе жизнедеятельности в клетке образуются и щелочи, и кислоты. Важную роль в поддержании нейтральной кислотности играют анионы слабых кислот (НСО3 — , НРО4 2- ), содержащиеся в клетке. Анионы слабых кислот нейтрализуют внутриклеточную среду, связывая протоны кислот и гидроксильные ионы щелочей.
Необходимо отметить, что анионы слабых кислот вступают в химические реакции, происходящие в клетке. Например, для синтеза АТФ, одного из важных соединений для клетки, необходимы анионы фосфорной кислоты. О синтезе АТФ я расскажу более подробно позднее. Неорганические вещества в живых организмах содержатся не только в растворенном, но и в твердом состоянии. В качестве примера можно привести кости, где преобладает фосфат кальция и в меньшем количестве фосфат магния. В раковинах моллюсков преобладает карбонат кальция.
Источник
Неорганические вещества вода соли 10 класс биология
Подробное решение параграф § 7 по биологии для учащихся 10 класса, авторов Пасечник В.В., Каменский А.А., Рубцов A.M. Углубленный уровень 2019
Вопрос 1. Какие вещества называют неорганическими?
Неорганические вещества — простые вещества и соединения, не являющиеся органическими, т. е. не содержащие углерода, а также некоторые углеродосодержащие соединения (карбиды, цианиды, карбонаты, оксиды углерода и некоторые другие вещества, которые традиционно относят к неорганическим).
Вопрос 2. Какие известные вам организмы содержат много воды?
Алоэ, кактусы, водоросли, медуза, в плодах огурцов и др.
Вопрос 3. Какие неорганические вещества мы употребляем в пищу? Почему?
Воду, минеральные вещества (кальций, магний, йод, фосфор, медь и др.). Они способствуют проникновению веществ в клетки организма, протекание ферментативных и пластических процессов, участвуют в формировании и построении тканей, поддерживают осмотическое давление крови, активируют проведение возбуждения и импульсов, способствуют свертыванию крови и т. д.
Вопрос 4. Какие неорганические вещества содержатся в живых организмах?
Вода, соли минеральных кислот и соответствующие катионы и анионы.
Вопрос 5. Что определяет уникальные физические и химические свойства воды, столь важные для существования живой материи?
Уникальные физические и химические свойства воды определяются особенностями структуры её молекулы, которые возникают в результате специфического расположения электронов в атомах кислорода и водорода.
Вопрос 6. Какие химические связи называют водородными?
Водородные связи — это такие связи, которые возникают между положительно заряженным атомом водорода одной молекулы и отрицательно заряженным атомом другой молекулы.
Вопрос 7. Какие физико — химические свойства воды наиболее важны для обеспечения жизнедеятельности клеток и многоклеточных организмов в разных условиях?
Высокая теплоёмкость (способность поглощать тепло при незначительном изменении собственной температуры) воды предохраняет клетку от резких температурных колебаний, а высокая теплопроводность обеспечивает возможность равномерного распределения теплоты между отдельными частями организма. Высокая теплота испарения используется живыми организмами для предохранения от перегрева: испарение жидкости растениями и животными охлаждает организм и является защитной реакцией на повышение температуры. Вода практически несжимаема, благодаря чему клетки поддерживают свою форму и обладают упругостью. Очень важно, что лёд легче воды, так как вода имеет максимальную плотность при +4°С, поэтому пресные водоёмы не промерзают до дна.
Для живых организмов весьма важно ещё и то, что молекулы воды являются диполями. Дипольный характер молекулы воды определяет её способность ориентироваться в электрическом поле. Именно это свойство воды определяет её уникальность как растворителя.
Вопрос 8. В каких растворителях могут растворяться гидрофобные вещества, а в каких — гидрофильные? Какие растворители вам известны?
Гидрофильные вещества легко разрушается в воде, гидрофобные — в бензине или в бензоле.
Вопрос 9. Используя интернет — ресурсы и другие источники информации, найдите сведения о значении для организма следующих элементов: В, Р, S, Са, Мn, Fe, Со, Zn, Сu. Ответ оформите в виде таблицы.
Вопрос 10. Прочитайте статью «Сахар против льда» и на основе анализа полученной информации предложите свои способы борьбы с гололёдом на дорогах.
При повышении безопасности дорожного движения в снежное время года, мы не должны забывать об экологической обстановке.
Сахар — это интересно, экологично, но скорее всего дорого.
Учитывая все недостатки при использовании соли и солевых растворов, связанных с их негативным воздействием на окружающую среду, наиболее целесообразным является способ предупреждения образования гололеда за счет создания покрытий автомобильных дорог, обладающих противо — гололедными свойствами, что делает возможным механическое удаление снежно — ледяных отложений снегоуборочной техникой и исключения отрицательного воздействия химических реагентов на окружающую среду.
1. К одному из способов образования антигололедных покрытий, разработанному в Словакии, относится «Соленый бетон». Антигололедная добавка с рабочим названием «Соленый бетон» представляет собой обработанные кристаллы против гололедного вещества (NaCl), введенные в минеральную часть асфальтобетона. Минеральная оболочка соли (NaCl) формируется из цемента, мелкозернистого известнякового порошка и дробленого песка. Введение добавки в количестве около 10 % по массе минерального материала является достаточным для достижения желаемого эффекта. При температуре около — 4°С небольшое количество соли (приблизительно 1 %) расплавляет тонкие слои снега. При температуре более низкой (ниже — 4°С) плотность льда нарушается; лед ломается и удаляется с поверхности дороги под действием колес транспортных средств. Если температура особенно низкая ( — 10°С), эффект «Соленого бетона» снижается, но сохраняется возможность достаточно простой очистки поверхности дороги с использованием дорожной щетки и отвала.
2. В Уральском государственном лесотехническом университете (УГЛТУ) для повышения противогололедных свойств асфальтобетона разработан кремнийорганический модификатор МПА — 130, не содержащий хлоридов. Устройство верхнего антигололедного слоя дорожного покрытия на основе гидрофобизирующего модификатора, не содержащего хлоридов, на автомобильных дорогах позволит вести активную борьбу с гололедом, благодаря чему повысится коэффициент сцепления колес автомобилей с дорожным покрытием и будет обеспечена нормальная работа транспорта. Кроме того, применение таких покрытий позволит улучшить экологическую обстановку придорожной полосы за счет отказа от применения хлоридов.
Вопрос 11. Уникальные свойства воды определяются в том числе существованием между её молекулами водородных связей. Возможно ли существование таких связей между молекулами других веществ?
Механизм возникновения водородной связи — частично электростатический и частично донорно — акцепторный.
Характерной чертой водородной связи является расстояние между атомом водорода и другим атомом, её образующим. Оно должно быть меньше, чем сумма радиусов этих атомов.
Межмолекулярная водородная связь образуется между молекулами веществ, в состав которых входят водород и сильно электроотрицательный элемент — фтор, кислород, азот, хлор, сера. Сильно смещенная общая электронная пара от водорода к атому отрицательно заряженного элемента, при этом положительный заряд водорода сконцентрирован в малом объеме, приводит взаимодействие протона с неподеленной электронной парой другого атома или иона, обобществляя её.
Водородную связь обозначают точками, указывая, что она намного слабее ковалентной связи (примерно в 15 — 20 раз).
Межмолекулярная водородная связь: две молекулы воды и две молекулы уксусной кислоты с образованием циклической структуры
Вопрос 12. Что произойдёт с клеткой, если концентрации ионов К+, Na+ и Са2+ выровняются и будут одинаковыми как вне, так и внутри её?
От концентрации солей внутри и снаружи клетки зависят буферные свойства цитоплазмы клетки. Буферностью называют способность клетки сохранять определенную концентрацию водородных ионов (рН). В клетке поддерживается слабощелочная реакция (рН 7,2). Пока клетка жива, эти различия в концентрации К+ и Na+ между клеткой и межклеточной средой стойко удерживаются. Если концентрации ионов К+, Na+ и Са2+ выровняются и будут одинаковыми как вне, так и внутри её, клетка просто умрет.
Вопрос 13. Используя доступные информационные источники, уточните, какие условия проведения эксперимента в естественных науках (давление, температура и др.) считаются нормальными. Обсудите с учителем и одноклассниками, почему при нормальных условиях вода (Н20) — это жидкость, а сероводород (H2S) — газ.
Нормальные условия — стандартные физические условия, с которыми обычно соотносят свойства веществ (при нормальных условиях, при н. у., англ. Standard temperature and pressure, STP). Нормальные условия определены IUPAC (Международным союзом чистой и прикладной химии) следующим образом:
Атмосферное давление 101325 Па = 760 мм рт. ст.
Температура воздуха 273,15 K = 0° C.
При нормальных условиях объём 1 моля идеального газа составляет 22,413 996(39) дм³ (молярный объём идеального газа), а количество молекул в 1 см³ составляет 2,686 7774(47)×1019 (постоянная Лошмидта).
Также в справочниках в качестве стандартных условий может указываться температура 298 K, либо +25 °С (298,15 К). Однако такая температура не установлена IUPAC в качестве стандартной, поэтому при использовании справочных данных всякий раз необходимо уточнять, при каких значениях приводятся величины.
Например, Национальный институт стандартов и технологий США (англ. National Institute of Standards and Technology, NIST) использует температуру +20 °C (293,15 K) и давление 101 325 Па (1 атм).
Вода (Н20) — это жидкость, а сероводород (H2S) — газ. Электроотрицательность кислорода выше, чем серы, электронная плотность в молекуле воды более смещена от водорода к кислороду, чем от водорода к сере, в молекуле сероводорода. Молекулы воды образуют между собой прочные водородные связи. В сероводороде водородные связи очень слабые. Поэтому вода при комнатной температуре жидкость, а сероводород — газ.
Или такой ответ, сформулированный иначе: кислород более электроотрицательный элемент, чем сера. Поэтому между молекулами воды возникают более прочные водородные связи, чем между молекулами сероводорода, разрыв этих связей, необходимый для перехода воды в газообразное состояние, требует значительной затраты энергии, что и приводит к аномальному повышению температуры кипения воды.
Источник
