Вода строение свойства биология

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

§ 4. ВОДА И ЕЁ СВОЙСТВА

Основные понятия и ключевые термины: ВОДА. Гидрофильные соединения. Гидрофобные соединения.

Вспомните! Что такое оксиды?

Знакомьтесь!

Антуан де Сент-Экзюпери (1900-1944) — французский писатель и авиатор. Выдающимся художественным произведением художника (его Magnum opus) является сказка «Маленький принц», в которой есть известные всем строки: « 3 . С понижением температуры плотность уменьшается. Когда температура достигает точки замерзания 0 °С или опускается ниже, начинают образовываться мелкие кристаллики льда. При замерзании вода расширяется на 1 /₉ своего объёма, и эти кристаллики разрушают клетки. Растворение веществ в воде снижает её температуру замерзания. Поэтому в клетках растений для выдерживания низких температур накапливаются углеводы и масла, в клетках членистоногих — глицерол, в крови арктических рыб — особые белки-криопротекторы. Переход воды из жидкого в газообразное состояние требует затрат теплоты, что используется клетками и организмами для защиты от перегревания (например, транспирация у растений, потовыделение у животных). Выделяя нагретую воду и пар, они избавляются от избытка теплоты.

Основные свойства воды
Физические свойства	Химические свойства
1. Агрегатное состояние	1. Взаимодействие с определёнными кислотами, оксидами, основаниями и солями
2. Высокая теплоёмкость и теплопроводность
3. Поверхностное натяжение	2. Участие в гидролизе органических соединений
4. Несжимаемость	3. Способность к ионизации
5. Текучесть

Вода способна поглощать большое количество теплоты с незначительным повышением собственной температуры: в этом суть её высокой теплоёмкости. Поэтому в клетках она является прекрасным «тепловым аккумулятором», предотвращая резкие изменения температуры. Вода обладает и теплопроводностью, что обеспечивает равномерное и быстрое распределение теплоты в организме.

Воде свойственно исключительно большое поверхностное натяжение, что определяется силами сцепления молекул воды между собой с образованием водородных связей. Силы притяжения между молекулами воды способствуют появлению плёнки на её поверхности, по устойчивости уступающей лишь поверхностной плёнке ртути. В живом поверхностное натяжение определяет форму клеток и их отдельных частей (например, при фагоцитозе). Молекулы воды благодаря силам сцепления между собой и с поверхностями, имеющими электрический заряд, способны «подниматься» тонкими трубчатыми отверстиями. Благодаря этому перемещаются жидкости сквозь поры клеточных стенок, по капиллярам животных и сосудам растений и т. п.

Ил. 5. Расположение молекул воды при растворении поваренной соли

Воде свойственны высокая упругость и несжимаемость, что обусловливает её значение как опоры. Эти свойства объясняют роль гидроскелета для червей, состояние напряжения в клетках растений, способствуют прохождению звуковых волн по клеткам (например, у дельфинов, кашалотов).

Для клеток большое значение имеют и химические свойства воды. Её амфотерность и способность к диссоциации (Н₂О⇄Н + + ОН — ) определяют взаимодействие с основаниями, солями, кислотами и участие в реакциях для поддержания рН цитоплазмы и межклеточных жидкостей (ил. 5).

Вода как реагент участвует в биологически важных реакциях разложения соединений с участием воды — реакциях гидролиза. Эти реакции являются основой гомеостаза, обмена веществ и превращения энергии. Например, гидролиз солей с образованием кислот или щелочей имеет значение для поддержания рН в биосистемах, гидролиз белков до аминокислот обеспечивает клетки строительным материалом и т. д.

Итак, жизненно важное значение воды определяется её уникальными физико-химическими свойствами.

Какие особенности строения молекул воды определяют её свойства?

В молекуле воды атомы водорода удерживаются у атома кислорода прочными ковалентными связями, благодаря этому вода является очень устойчивым соединением. Водяной пар начинает разлагаться на О₂ и Н₂ при температуре выше 1 000 °С.

В молекуле воды две пары общих электронов смещены к кислороду, поэтому электрический заряд внутри молекул распределён неравномерно: протоны Н + создают положительный заряд на одном полюсе, а пары электронов кислорода — отрицательный заряд на противоположном полюсе. Эти заряды равны по значению и расположены на определённом расстоянии друг от друга. Итак, молекула воды — это постоянный диполь, который может взаимодействовать с носителями положительных и отрицательных зарядов (дипольность молекул).

Ил. 6. Водородные связи между молекулами воды

Благодаря полярности соседние молекулы воды могут взаимодействовать между собой и с молекулами полярных веществ с образованием водородных связей, которые обусловливают уникальные физические свойства и биологические функции воды (ил. 6). Энергия этих связей составляет всего 4,5 ккал/моль, и благодаря тепловому движению они постоянно возникают и разрываются. Водородные связи — это связи, которые возникают между частично отрицательным зарядом на атоме кислорода одной молекулы воды и положительным зарядом на атоме водорода другой.

Итак, уникальные свойства воды определяются такими особенностями молекул воды, как: 1) наличие ковалентных связей между атомами; 2) наличие водородных связей между молекулами; 3) дипольность молекул; 4) малые размеры молекул.

ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

Задание на применение знаний

Определите содержание воды в организме, для чего используйте следующие данные:

• содержание воды в организме людей разного возраста различно: у новорожденного — 73 %, у подростков — 65 %, у взрослого — 60 %, у пожилого человека — 55 % от массы тела

• около 95 % от общего количества воды в клетках приходится на свободную воду (является растворителем) и 5 % — на связанную воду (вода в связях с молекулами веществ).

Задание 1. Определите содержание воды в собственном организме. Задание 2. Определите содержание свободной и структурированной воды в собственном организме.

Ответьте на вопросы. Почему содержание воды у человека с возрастом уменьшается? Как это сказывается на жизненных функциях его организма? Почему в клетках большая часть содержимого приходится на свободную воду?

ОТНОШЕНИЕ

«Нет природного тела, которое могло бы сравниться с водой по влиянию на геологические процессы. Не только земная поверхность, но и глубинные части Земли определяются в существенных своих проявлениях существованием и свойствами ВОДЫ». Так писал украинский учёный В. Вернадский. Обоснуйте значение воды для жизни на Земле.

РЕЗУЛЬТАТ

Оценка

Задания для самоконтроля

1. Что такое вода? 2. Что такое гидрофильные и гидрофобные соединения? 3. Назовите основные функции воды. 4. Назовите основные свойства воды. 5. Назовите особенности строения молекул воды. 6. Какие связи обеспечивают взаимодействие молекул воды?

7. Объясните жизненно важную роль воды. 8. Какие основные свойства воды определяют её функции? 9. Какие особенности строения молекул воды определяют её свойства?

10. Как происходит регуляция содержания воды в живом организме?

Источник