Вода особенности строения 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

Какое строение имеет молекула воды

Вода является источником жизни для всех живых организмов.

Молекула воды имеет уникальное строение. В ней удивительным образом сочетаются прочность и устойчивость кристаллической структуры (льда), и подвижность жидкого вещества.

В статье мы подробно рассмотрим особенности строения молекулы воды в различных агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном.

Какое строение имеет молекула воды

Долгое время химики считали воду простым соединением, не вступающим в сложные реакции.

Состав воды как сложного вещества был установлен Лавуазье в 1783 г.

Одна молекула воды состоит из трех атомов: двух атомов водорода и одного атома кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. Химическая формула: H₂O

Характерные свойства ковалентной связи — направленность, насыщаемость, полярность, поляризуемость. Они определяют химические и физические свойства соединений.

Молекула воды, картинка № 1

По форме молекула воды напоминает равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два атома водорода. Связь между атомом кислорода и атомами водорода полярная, т.к. кислород притягивает электроны сильнее, чем водород.

Межъядерные расстояния О—Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно 0,15 нм, угол между связями Н—О—Н равен 104,5°.

Молекула воды имеет два положительных и два отрицательных полюса и поэтому в большинстве случаев ведёт себя как диполь (т.е. на одной стороне – положительный заряд, на другой – отрицательный)

Значения эффективных зарядов на атомах составляет ±0,17 от заряда электрона.

Водородная связь

В жидкой воде происходит ассоциация молекул, т. е. соединение их в более сложные агрегаты за счёт особой химической связи, которая называется водородной.

Особенностями водородной связи, по которым её выделяют в отдельный вид, является её не очень высокая прочность.

Водородная связь также играет важную роль в процессах растворения, поскольку растворимость зависит и от способности соединения давать водородные связи с растворителем. В результате содержащие ОН-группы такие вещества, как сахар, глюкоза, спирты, карбоновые кислоты, как правило, хорошо растворимы в воде.

На картинке № 2 показано образование димера воды с одной водородной связью.

Димер — это две молекулы Н2О, соединенные водородной связью. Связь между молекулами воды водородная.

Каждая молекула способна образовать четыре водородные связи: две между неподеленными электронными парами её атома кислорода и атомами водорода соседних молекул и ещё две – между атомами водорода и атомами кислорода двух других молекул.

Энергия водородной связи может изменяться от 17 до 33 кДж/моль.

Строение молекулы в различных агрегатных состояниях

Вода может быть в нескольких состояниях:

1. Жидком. Это ее преимущественное состояние в нормальных условиях. Жидкая вода образует многочисленные реки, ручьи, озёра, Мировой океан.
2. Твердом – это лед, а его кристаллы часто образуют иней или снег.
3. Газообразном — водяной пар.

Существуют также и переходные состояния жидкости, которые возникают при замерзании или испарении.

Примечательно, что различные формы воды могут одновременно находиться рядом и даже взаимодействовать, например реки с ледниками, айсберги с морской водой, облака на небе с водяным паром.

Строение молекулы воды, водородная связь способствует расположению молекул воды. Рассмотрим особенности каждого агрегатного состояния по отдельности.

Представляет собой твердое состояние воды.

Молекулы воды образуют слои, причём каждая молекула связана с тремя молекулами в своём слое и с одной молекулой соседнего слоя. Расстояние между атомами кислорода ближайших молекул равно 0,276 нм.

Атом кислорода связан с четырьмя атомами водорода: с двумя, расположенными на расстоянии 0,096 — 0,102 нм посредством валентных связей, и с двумя другими, находящимися на расстоянии 0,174 — 0,180 нм посредством водородных связей.

Жидкая вода

В отличие от структуры льда структура жидкой воды исследована ещё недостаточно.

Предполагается, что жидкая вода по своему строению представляет нечто среднее между кристаллами льда и паром.

В результате изучения молекулы воды с помощью инфракрасных и рентгеновых лучей было видно, что при температуре близкой к точке замерзания, молекулы жидкой воды собираются в небольшие группы, практически так, как в кристаллах.

При температуре близкой к точке кипения они располагаются более свободно.

Водяной пар

Это газообразное агрегатное состояние воды.

При данном состоянии молекула воды не имеет структуры и состоит преимущественно из мономерных молекул воды, которые находятся на расстояние относительно друг друга.

Из чего состоит вода

При обычных условиях вода выглядит как прозрачная жидкость. У нее отсутствуют вкус и запах. При небольшой толщине слоя не наблюдается даже цвета.

Вода является отличным растворителем. В природе в ней постоянно находятся растворенные газы и соли. При соединении атомов кислорода с водородом получается молекула воды. Поскольку более сильными являются водородные соединения, то, когда происходит их разрыв, они прикрепляются к иным веществам, помогая тем растворяться.

Из-за своего малого размера каждую молекулу растворенного вещества окружают очень много молекул воды. Благодаря этому в ней присутствуют отрицательные и положительные ионы.

Чистая вода является еще и хорошим изолятором с концентрацией протонов и гидроксильных ионов в количестве 10-7 моль/л, это позволяет ей проводить электричество. Именно по ее электропроводности можно оценивать чистоту жидкости.

При взаимодействии с другими веществами состав воды не изменяется, что играет особую роль в жизни любого живого организма. Ведь очень важно, чтобы жидкостные растворы, через которые в организм поступают полезные вещества, не изменялись.

Кроме того, вода хорошо поглощает инфракрасное и микроволновое излучение, а также способна хранить в себе память о веществах, которые были в ней растворены.

Элементы

Проходя гидрологический цикл: испарение, конденсацию и выпадение в виде осадков вода может дополняться разными химическими элементами, которые можно разделить на 6 категорий. Рассмотрим информацию в таблице № 1.

Таблица № 1 «Элементы, которые могут входить в состав воды».

Ионы	Na, K, Mg, Ca, анионы: Cl, HCO3 и SO4. Эти компоненты находятся в воде в наибольшем, по сравнению с другими, количестве.
Растворенные газы	Кислород, азот, сероводород, углекислый газ и прочие. Количество каждого газа в воде напрямую зависит от ее температуры.
Биогенные элементы	Главными из них являются фосфор и азот, которые поступают в жидкость из осадков
Микроэлементы	Их насчитывается около 30 видов: бром, селен, медь, цинк и т. д. Показатели их в составе воды очень малы и колеблются от 0,1 до микрограмма на 1 литр.
Органические вещества	Спирты, углеводы, альдегиды, фенолы, пептиды и прочее.
Токсины	Тяжелые металлы и продукты нефтепереработки.

В настоящий момент доступны специальные методы очистки, которые эффективно борются с вредными химическими соединениями.

Вода также может содержать в себе магний и катионы кальция. В зависимости от этого ее подразделяют на мягкую и жесткую.

По изотопам водорода в молекуле воды можно говорить о легкой воде, тяжелой и сверхтяжелой воде.

Подводим итоги

Вода необходима для жизни всего живого на Земле. Она участвует в мировом круговороте воды в природе. Благодаря испарению с поверхности водоемов, почвы, растений образуются облака. Затем они выпадают в виде дождя, снега, града, питая собой подземные воды и родники. Родниковые воды по рекам попадает в море.

Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она только меняет свои формы — это и есть круговорот воды в природе.

Уникальное строение молекулы воды помогает ей трансформироваться в три агрегатных состояния.

При замерзании воды ее молекулы собираются в небольшие группы. При испарении находится на расстоянии относительно друг друга. Жидкая вода по своему строению представляет нечто среднее между кристаллами льда и паром.

1. Химия и микробиология воды. Учебное пособие В. В. Котов, Г.А. Нетесова
2. Конспект лекций ГИДРОГЕОХИМИЯ. Киреева Т.А., МГУ им. М.В. Ломоносова, 2016

Источник