Вода ее строение свойства биологические функции

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

Структура, свойства и биологические функции воды

Жизнь на планете Земля зародилась в водной среде. Ни один организм не может обходиться без воды. Несмотря на простоту химического состава и строения, вода является одним из удиви­тельных соединений, обладает уникальными физико-химически­ми свойствами и биологическими функциями.

Молекула воды (Н₂О) — полярное соединение, в котором электрофильный атом кислорода притягивает спаренные электроны от атомов водорода, приобретая частичный отрицательный заряд, в то время как атомы водорода приобретают частично положи­тельные заряды. Важной особенностью воды является способность ее молекул объединяться в структурные агрегаты за счет обра­зования водородных связей между разноименно заряженными атомами. Образующие ассоциаты (рис. 1) состоят из нескольких молекул воды, поэтому формулу воды правильнее было бы запи­сать как (Н₂О)_л, где п = 2, 3, 4, 5. Водородные связи имеют исключительно важное значение при формировании структур био­полимеров, надмолекулярных комплексов, в метаболизме.

Дж. Пиментел и О. Мак-Клеллан считают, что в химии живых систем водородная связь так же важна, как и связь углерод—углерод. Что же такое водородная связь?

Рис. 1. Ассоциат молекул воды (точками обозначены водородные связи)

Водородная связь — это взаимодействие атома водорода с более электроотрицательным атомом, имеющее частично донорно-акцепторный, частично электростатический характер. Любая химическая связь характеризуется энергией ее образования. По энергии водородная связь занимает промежуточное положение между ковалентной (200—400 кДж/моль) и ионной химическими связями и слабыми ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, на­ходясь в пределах 12—30 кДж/моль.

Необычная структура воды обусловливает ее уникальные фи­зико-химические свойства. Все биохимические процессы в организ­ме протекают в водной среде. Вещества, находящиеся в водном растворе, имеют водную оболочку, которая образуется в резуль­тате взаимодействия полярных молекул воды с заряженными груп­пами макромолекул или ионов. Чем больше такая оболочка, тем лучше растворимо вещество.

По отношению к воде молекулы или их части делят на гидро­фильные (водорастворимые) и гидрофобные (водонерастворимые). Гидрофильными являются все органические и неорганические соединения, диссоциирующие на ионы, биологические мономе­ры и биополимеры, имеющие полярные группы. К гидрофобным следует отнести соединения, молекулы которых содержат непо­лярные группы или цепи (триацилглицерины, стероиды и др.). Молекулы некоторых соединений содержат как гидрофильные, так и гидрофобные группы; такие соединения называются амфифильными (от греч. amphy — двоякий). К ним относятся жирные кислоты, фосфолипиды и др. Из вышесказанного следует, что ди­поли воды способны взаимодействовать не только между собой, но ft с полярными молекулами органических и неорганических веществ, локализованных в клетке организма. Этот процесс по­лучил название гидратации веществ.

Физико-химические свойства воды определяют ее биологичес­кие функции:

• Вода является прекрасным растворителем.

• Вода выполняет функцию регулятора теплового баланса орга­низма, так как ее теплоемкость значительно превышает теплоемкость любого биологического вещества. Поэтому вода может долго сохранять тепло при изменении температуры окружающей среды и переносить его на расстояние.

• Вода способствует сохранению внутриклеточного давления и формы клеток (тургор).

• В определенных биохимических процессах вода выступает в качестве субстрата.

Содержание воды в организме человеказависит от возраста: чем моложе человек, тем выше содержание воды. У новорожденных вода составляет 75% от массы тела, у детей от 1 года до 10 лет — 60—65%, а у людей старше 50 лет — 50—55%. Внутри клеток содержится 2/3 общего количества воды, внеклеточная вода со­ставляет 1/3. Необходимое содержание воды в организме человека поддерживается за счет поступления ее извне (примерно 2 л в сутки); около 0,3 л в сутки образуется в процессе распада веществ внутри организма. Нарушение водного баланса в клетках организ­ма приводит к тяжелым последствиям вплоть до гибели клеток. Функции клеток зависят от общего количества внутриклеточной и внеклеточной воды, от водного окружения макромолекул и суб­клеточных структур. Резкое изменение содержания воды в орга­низме приводит к патологии.

Источник