Определение вода как среда

Познание мира

Вода — определение, структура, характеристики, свойства и функции

Вода — это неорганическое жидкое химическое вещество, не имеющее цвета, запаха и вкуса, которое составляет большую часть гидросферы Земли и жидкостей в организме всех живых существ.

1. Вода — чрезвычайно важный компонент для существования жизни, поскольку она жизненно важна для всех биологических процессов. Однако, она не имеет калорийности или питательной ценности.
2. Вода находится в жидком состоянии при стандартных атмосферных температуре и давлении.
3. Занимает 71% всей суши на Земле и около 70% от общей массы тела человека.
4. Вода также важна для различных химических процессов, поскольку является универсальным растворителем.

Структура воды

1. Химическая формула воды — H ₂ O, что указывает на то, что одна молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
2. Атомы в молекуле воды связаны друг с другом полярными ковалентными связями. Сама по себе молекула электрически нейтральна, но полярна с отрицательными и положительными зарядами, локализованными в разных областях.

В газовой фазе

1. В молекуле воды s- и p-орбитали валентной оболочки sp 3 гибридизуются с образованием четырех гибридных sp 3 орбиталей, тетраэдрически ориентированных вокруг атома кислорода.
2. Две гибридные орбитали заняты поодиночке, а неподеленные пары электронов занимают две другие.
3. Каждая отдельная занятая sp 3 -орбиталь перекрывается наполовину заполненной орбиталью атома H.
4. В результате атом кислорода связан с двумя атомами водорода двумя ковалентными связями ОН, и на атоме кислорода находятся две неподеленные пары электронов.
5. Структура молекулы воды имеет угловатую изогнутую структуру.
6. Молекула воды полярна, потому что кислород более электроотрицателен, чем водород. Таким образом, атом кислорода притягивает к себе общие электроны.
7. В результате на атоме кислорода развивается частичный отрицательный заряд, а у атома водорода — частичный положительный заряд.

В жидкой фазе

1. В жидкой фазе молекулы воды удерживаются вместе межмолекулярными водородными связями.
2. Одна молекула воды способна образовывать четыре водородные связи, поскольку она может образовывать две связи с неподеленной парой кислорода и отдавать два электрона водороду.
3. В воде образование четырех водородных связей приводит к межмолекулярной тетраэдрической структуре, образующей открытую структуру и трехмерную сетку связей.

В твердой фазе

1. Твердая форма воды — это лед, который может существовать в различных кристаллических формах в зависимости от условий замерзания воды.
2. В обычном гексагональном льду каждый атом кислорода тетраэдрически окружен четырьмя другими атомами кислорода, тогда как один атом водорода находится между каждой парой кислорода.
3. Таким образом, каждый атом водорода ковалентно связан с одним атомом кислорода и связан с другим атомом кислорода водородной связью.
4. Такое расположение вызывает упаковку атомов с большими открытыми пространствами, что приводит к уменьшению плотности льда по сравнению с жидкой водой.
5. Когда лед тает, некоторые водородные связи разрываются, и молекулы воды становятся более плотными.

Водородная связь в воде

1. Благодаря полярности молекул воды они способны притягивать друг друга. Эти взаимодействия представляют собой слабые притяжения, называемые водородными связями.
2. Водородная связь в воде — это слабое взаимодействие между частично положительным атомом водорода и частично отрицательным атомом кислорода.
3. Водородная связь в воде является межмолекулярной и происходит между двумя атомами двух разных молекул.
4. Одна молекула воды способна образовывать четыре водородные связи, поскольку она может образовывать две связи с неподеленной парой кислорода и отдавать два электрона водороду.
5. В воде образование четырех водородных связей приводит к межмолекулярной тетраэдрической структуре, образующей открытую структуру и трехмерную сетку связей.
6. Структура, образованная после образования водородных связей, приводит к тому, что коллективное основное состояние жидкой воды имеет энергию ниже, чем основное состояние в отдельных газообразных молекулах.
7. Это создает стабильную структуру молекул воды в жидкой воде.
8. Водородная связь, образованная в воде, является слабой, и ее прочность составляет одну двадцатую от силы ковалентной связи ОН.
9. Срок службы этих связей также очень короткий, и они непрерывно разрываются и образуются в течение коротких периодов времени. Таким образом, в жидкой воде поддерживается динамическое равновесие.
10. Точно так же все молекулы воды в жидкой воде имеют по крайней мере одну водородную связь с соседней молекулой воды, при этом свободные молекулы воды практически отсутствуют.

Характеристики / Свойства воды

Физические свойства воды

1. Чистая вода — это прозрачная бесцветная жидкость без запаха, которая легко улавливает аромат любого растворенного в ней вещества.
2. Температура замерзания, температура кипения, энтальпия плавления и энтальпия испарения воды выше по сравнению с гидридами других членов той же группы из-за межмолекулярных водородных связей между молекулами.
3. Вода имеет высокий дипольный момент, что делает ее идеальной средой для растворения самых разных соединений.
4. Высокая удельная теплоемкость воды позволяет ей поглощать тепло различных биохимических и физиологических реакций, происходящих внутри тела, с минимальным повышением температуры.
5. Вода плохо проводит тепло и электричество, но добавление небольшого количества кислоты или щелочи делает ее электропроводящей.

Вода как растворитель

1. Воду также называют универсальным растворителем из-за ее способности растворять самые разные вещества.
2. Эта способность обусловлена ​​интенсивной водородной связью и полярностью молекул воды.
3. Полярность воды заставляет воду вести себя по-разному с полярными и неполярными соединениями.
4. Полярные молекулы воды могут образовывать слабые электростатические взаимодействия с другими полярными молекулами и ионами.
5. Таким образом, полярные молекулы и ионы взаимодействуют с частично положительными и частично отрицательными концами воды, причем положительные заряды притягивают отрицательные заряды.
6. Когда количество молекул воды в растворе больше, чем молекул растворенного вещества, взаимодействия приводят к образованию трехмерной водной сферы, называемой гидратной оболочкой, вокруг молекул растворенного вещества.
7. Формирование гидратной оболочки обеспечивает равномерное диспергирование молекул растворенного вещества по всему раствору.
8. Однако неполярные молекулы не взаимодействуют с водой и не образуют гидратных оболочек из-за отсутствия заряженных взаимодействий.

Высокая удельная теплоемкость

1. Благодаря интенсивной водородной связи вода имеет очень высокую удельную теплоемкость и высокую теплоту испарения.
2. Эти свойства позволяют воде смягчать климат и температуру Земли, смягчая большие колебания температуры.
3. Аналогичный процесс происходит в организме, где вода предотвращает быстрое повышение температуры тела в результате различных биохимических реакций.
4. Скрытая теплота плавления и испарения воды также высока, что предотвращает таяние ледников и дрейфующих льдов.

Аномальное расширение воды

1. Аномальное расширение воды — это ненормальное свойство воды, когда вода расширяется, а не сжимается, когда температура повышается с 4 ° C до 0 ° C.
2. Таким образом, плотность воды максимальна при 4 ° C и уменьшается с понижением температуры.
3. Это свойство воды является следствием того, что молекулы воды в замерзающем состоянии удерживаются вместе притяжением HO, а не притяжением OO.
4. Но поскольку взаимодействие HO не такое сильное, как взаимодействие OO, при замерзании наблюдается небольшое расширение воды.

Биологические функции воды

Некоторые биологические функции воды перечислены ниже:

1. Вода — это жизненно важная жидкость организма, которая необходима для регулирования таких процессов, как пищеварение, транспортировка питательных веществ и экскреция. Вода растворяет ионные и полярные органические соединения и позволяет транспортировать продукты пищеварения к нужным местам в организме.
2. Вода регулирует температуру тела за счет потоотделения и испарения.
3. Вода является средой для всех метаболических реакций в организме, поскольку все метаболические реакции в организме происходят в фазе растворения.
4. Вода также обеспечивает среду обитания для различных животных в виде прудов, рек, морей и т. д.
5. Вода необходима для прорастания семян и процесса фотосинтеза, с помощью которого растения готовят себе пищу.
6. Вода — это среда для переноса минералов из почвы в различные части растений.
7. Вода помогает поддерживать структуру растений, обеспечивая соответствующее давление на ткани растения.
8. Вода также способствует образованию различных биологических мембран, взаимодействуя с различными органическими соединениями.
9. Вода также влияет на основные компоненты всех клеток, такие как ДНК и белки, где водородные связи регулируют сворачивание белков и нуклеиновых кислот.
10. Структура двойной спирали ДНК также поддерживается молекулами воды, которые упорядоченно окружают ДНК.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Вода как среда обитания

Среда обитания

Часть природы, окружающая организмы и оказывающая на них прямое или косвенное воздействие, часто обозначают как «среда». Из среды особи получают все необходимое для жизни и в нее же выделяют продукты своего метаболизма. По определению Н. П. Наумова (1963), средой называют «все, что окружает организмы, прямо и косвенно влияет на их состояние, развитие, выживание и размножение». В литературе наряду с термином «среда» часто используются его синонимы: «среда обитания», «жизненная среда», «внешняя среда». В последнее время большое распространение получил термин «окружающая среда».

Среда, обеспечивающая возможность жизни организмов на Земле, разнообразна. По качественно отличным комплексам условий, обеспечивающим возможность для жизни, различают «среды жизни». На нашей планете имеется четыре качественно отличные среды жизни. Ими являются: вода как среда жизни, суша (т. е. наземно-воздушная среда жизни), почва и организм (для паразитов и симбионтов).

Организмы существуют в одной или нескольких средах жизни. Например, человек, большинство видов птиц, млекопитающих, голосеменных и покрытосеменных растений и т. д. являются обитателями только наземно-воздушной среды жизни. Тогда как ряд насекомых (комары, стрекозы, поденки), земноводные и т. д. проходят одну фазу своего развития в водной, другую — в наземно-воздушной среде, такие представители насекомых, как майский жук, бронзовка, щелкун и др., нуждаются для своей жизни в наземно-воздушной и почвенной средах.

Все среды жизни очень разнообразны. Например, вода как среда жизни может характеризоваться морской или речной, текучей или стоячей водой. В зависимости от климатических зон различают разные наземно-воздушные среды обитания. Среды жизни обычно подразделяются на конкретные среды обитания. Например: озеро (или река) — это среда обитания в водной среде жизни. В свою очередь, в «средах обитания» различают «местообитания». Это более «узкие» комплексы условий, качественно различающиеся между собой в среде обитания. Так, в водной среде имеются местообитания: в толще воды, на дне, у поверхностной пленки, среди водорослей и трав и пр.

Первой средой жизни на Земле стала вода. Здесь впервые возникла жизнь. Постепенно в процессе исторического развития многие организмы начали заселять наземно-воздушную среду. Появившиеся наземные организмы (растения, животные, грибы и др.) в процессе своей жизнедеятельности создавали почву. Ее, так же как и наземно-воздушную среду жизни, активно заселяли живые организмы. Параллельно с формированием разнообразия организмов в водной, наземно-воздушной и почвенной средах формировались паразиты, средой жизни которым служили другие организмы — «хозяева».

Своеобразие условий каждой среды жизни обусловило своеобразие живых организмов, свойственное средам. У всех организмов в процессе эволюции выработались специфические поведенческие и другие приспособления к обитанию в своей среде жизни и к разнообразным их частным условиям.

Вода как среда обитания

Вода в природе существует в трех состояниях: твердом (лед, снег), жидком и газообразном (пар). Водные ресурсы отличаются большим разнообразием. Вода и воздух действуют физически и химически на земную кору, чем обусловлены важнейшие геологические процессы на ее поверхности. Вода содержится в почве и входит в состав всех живых организмов. Около двух третей общей массы нашего тела приходится на воду. Во многих овощах и фруктах вода составляет 90 — 95% массы. При отсутствии воды жизнь прекращается, при ее недостатке снижаются урожай растений и полезная продуктивность животных. Отсюда стремление человека охранять водные ресурсы, обеспечить себя достаточным количеством чистой пресной воды.

Большая часть поверхности Земли (около 366 из 510 млн км 2 , или 72%) покрыто водой.

По мнению большинства авторов, изучающих возникновение жизни на Земле, эволюционно первичной средой жизни была именно водная среда. Этому положению мы находим не мало косвенных подтверждений. Прежде всего, большинство организмов не способны к активной жизнедеятельности без поступления воды в организм или, по крайней мере, без сохранения определенного содержания жидкости внутри организма. Внутренняя среда организма, в которой происходят основные физиологические процессы, очевидно, по-прежнему сохраняет черты той среды, в которой происходила эволюция первых организмов. Так, содержание солей в крови человека (поддерживаемое на относительно постоянном уровне) близко к таковому в океанической воде. Свойства водной океанической среды во многом определили химико-физическую эволюцию всех форм жизни.

Пожалуй, главной отличительной особенностью водной среды является ее относительная консервативность. Скажем, амплитуда сезонных или суточных колебаний температуры в водной среде намного меньше, чем в наземно-воздушной. Рельеф дна, различие условий на различных глубинах, наличие коралловых рифов и проч. создают разнообразие условий в водной среде.

Особенности водной среды проистекают из физико-химических свойств воды. Так, большое экологическое значение имеют высокая плотность и вязкость воды. Удельная масса воды соизмерима с таковой тела живых организмов. Плотность воды примерно в 1000 раз выше плотности воздуха. Поэтому водные организмы (особенно, активно движущиеся) сталкиваются с большой силой гидродинамического сопротивления. Эволюция многих групп водных животных по этой причине шла в направлении формирования формы тела и типов движения, снижающих лобовое сопротивления, что приводит к снижению энергозатрат на плавание. Так, обтекаемая форма тела встречается у представителей различных групп организмов, обитающих в воде, — дельфинов (млекопитающих), костистых и хрящевых рыб.

Высокая плотность воды является также причиной того, что механические колебания (вибрации) хорошо распространяются в водной среде. Это имело важное значение в эволюции органов чувств, ориентации в пространстве и коммуникации между водными обитателями. Вчетверо большая, чем в воздухе, скорость звука в водной среде определяет более высокую частоту эхолокационных сигналов.

В связи с высокой плотностью водной среды ее обитатели лишены обязательной связи с субстратом, которая характерна для наземных форм и связана с силами гравитации. Поэтому есть целая группа водных организмов (как растений, так и животных), существующих без обязательной связи с дном или другим субстратом, «парящих» в водной толще.

Электропроводность открыла возможность эволюционного формирования электрических органов чувств, обороны и нападения.

Состав водной среды. Распространение и жизнедеятельность организмов в водной среде в значительной степени зависят от ее химического состава. Недостатка в воде как в химическом веществе в водных средах нет, за исключением случаев пересыхания водоемов. Тем не менее проблемы, связанные с водой, возникают даже у водных организмов.

Прежде всего водные организмы подразделяют на пресноводные и морские в зависимости от солености воды, в которой они обитают. Соленость океанской воды меняется как по глубине, так и по акватории. В Северном Ледовитом океане она ниже 31%, а в Красном море выше 42%о. Содержание солей в воде Мертвого моря достигает 26—27%, тогда как концентрация солей в пресных водоемах около 0,05%.

Морская вода является сложным солевым раствором со средней соленостью 35,2 г в 1 кг воды, т. е. 3,52% по массе, или 35,2%о.

Соли и другие растворенные в воде вещества находятся преимущественно в виде ионов. Состав солей разнообразен, в океанической воде встречаются практически все химические элементы и их изотопы, но основную массу составляют девять основных ионов, соотношение между которыми постоянно и не зависит от уровня солености, места и глубины, поэтому ее можно определить по одному главному иону. Это соотношение существует давно, не менее 1 млрд лет, и акад. В. И. Вернадский предложил принять его в качестве константы для нашей планеты. Главный компонент солей морской воды — хлорид натрия, в пресных водах преобладают карбонаты.

Повышение солености воды в среде обитания ведет к потере воды организмом (путем осмоса).

Редкие организмы допускают большие колебания солености. Обычно они обитают в эстуариях (место впадения пресноводной реки в соленое море или длинный и узкий залив океана) или в маршах (низменная лугово-болотная полоса вдоль морского побережья и у устья рек, заливаемая морской водой лишь при очень высоких приливах).

По составу растворенных минеральных веществ даже пресные воды могут существенно отличаться в различных природных водоемах и прежде всего в подземных и поверхностных водах. Соленость воды влияет и на наземные растения. При чрезмерно интенсивном испарении воды либо ограниченности осадков почва может засоляться. Такая проблема существует при искусственном орошении.

Любые воды в природных водоемах, помимо растворенных веществ, содержат некоторое количество взвешенных частиц, наличие которых характеризует мутность воды, ее обратную характеристику — прозрачность, а также световой режим в глубине водоема.

Один из основных комплексных показателей химического состава водной среды — кислотность (рН). Одни организмы эволюционно приспособлены к жизни в кислой среде (рН 7), третьи — в нейтральной (РН — 7).

В составе природной водной среды всегда присутствуют растворенные газы, из которых первоочередное значение имеют кислород и диоксид углерода, участвующие в фотосинтезе и дыхании водных организмов (табл. 3.2). В целом масса растворенных газов почти в 30 раз меньше массы газов в атмосфере.

Колебание содержания СО₂ в водах Мирового океана в предшествующие эпохи в сравнении с колебаниями концентрации углекислого газа в атмосфере.

Среди прочих растворенных в океане газов наиболее заметны сероводород, аргон и метан. На отдельных участках дна сероводород образует значительные скопления. Черное море, начиная с глубины 150-200 м, является сероводородным до самого дна. Сероводородные донные участки, возможно, остались от первичного океана и населены, как и в давние времена, организмами, обходящимися без свободного кислорода

Состав газов, растворенных в водах океана, близок к составу первичной атмосферы нашей планеты, в которой было заметно больше диоксида углерода и меньше кислорода.

Источник