Вода является растворителем для кислорода

Откуда берется кислород в воде? Взаимодействие кислорода с водой. Насыщение воды кислородом

Пожалуй, сейчас даже дети знают, что химическая формула воды — H₂O. Однако это теория, а на деле в воде растворено огромное количество веществ как органического, так и неорганического происхождения. Чистая вода, как известно, не имеет вкуса и запаха, но кто угодно может убедиться в том, что в подавляющем большинстве случаев это не так. В питьевой воде, например, содержится некоторое количество минеральных солей, что придает ей солоноватый привкус. В той или иной степени в ней содержится все то, с чем она контактирует. Точный состав воды зависит от места ее забора, ведь в разных местах она контактирует с разными веществами. Кое-где химики найдут в жидкости тяжелые металлы, где-то — различные органические вещества.

Как же так получается?

Вода является универсальным растворителем. Дистилированная вода считается наиболее чистым в химическом смысле веществом, однако через некоторое время она утрачивает свое первоначальное состояние. И вот почему: вода является настолько хорошим растворителем, что со временем в нее попадают молекулы различных веществ из воздуха. В природе же это происходит еще и за счет жизнедеятельности различных организмов, живущих в водной среде.

Газы в воде

Наливая воду в стакан, можно увидеть пузырьки газа, которые будут находиться на стенках сосуда. Наряду с солями и другими веществами вода растворяет в себе и газы. Прежде всего это азот из воздуха, а также кислород, углекислый газ, а в некоторых случаях еще метан и сероводород. Причем холодная вода растворяет газы гораздо лучше, чем теплая, так что чем ниже температура, тем выше концентрация газов. И наоборот — с ростом температуры растворимость падает.

Источники растворенных в воде газов

Но откуда вообще все эти вещества берутся в воде? Азот, как правило, растворяется в процессе взаимодействия с атмосферой, метан — в результате контакта с породами и разложения донного ила, а сероводород образуется как продукт гниения органических остатков. Как правило, сероводород содержится в глубинных водных слоях и не поднимается к поверхности. При его высокой концентрации жизнь невозможна, так, например, в Черном море на глубинах более 150-200 метров из-за высокой насыщенности вод сероводором почти нет живых организмов, кроме некоторых бактерий.

Кислород также всегда содержится в воде. Он является универсальным окислителем, поэтому частично разлагает сероводород, снижая его концентрацию. Но откуда берется кислород в воде? О нем разговор пойдет особый.

Кислород

Практически все живые организмы нуждаются в кислороде. Люди дышат вохдухом, который представляет собой смесь газов, немалую часть которой составляет именно он.

Обитатели водной среды также нуждаются в этом веществе, так что концентрация кислорода в воде — это очень важный показатель. Обычно он составляет до 14 мг/л, если речь идет о природных водах, а иногда даже больше. В той же жидкости, которая течет из-под крана, кислорода содержится гораздо меньше, и это легко объяснить. Водопроводная вода после водозабора проходит через несколько этапов очистки, а растворенный кислород — крайне неустойчивое соединение. В результате газообмена с воздушной средой большая его часть просто улетучивается. Так откуда берется кислород в воде, если не из воздуха?

На самом деле это не совсем правда, из воздуха он тоже берется, но его доля, растворенная в результате контакта с атмосферой, крайне мала. Для того чтобы взаимодействие кислорода с водой было достаточно эффективным, необходимы особые условия: низкая температура, высокое давление и относительно низкая минерализация. Они соблюдаются далеко не всегда, и жизнь вряд ли бы существовала в нынешнем виде, если бы единственным способом образования этого газа в водной среде было взаимодействие с атмосферой. К счастью, есть еще два источника, откуда берется кислород в воде. Во-первых, растворенные молекулы газа в большом количестве содержатся в снеговых и дождевых водах, а во-вторых — и это основной источник — в результате фотосинтеза, осуществляемого водной растительностью и фитопланктоном.

Кстати, несмотря на то, что молекула воды содержит кислород, извлечь его оттуда живые организмы, конечно, не в состоянии. Поэтому им остается довольствоваться именно растворенной долей.

О значении водорослей

Мало кто в обычной жизни задумывается, чем мы дышим и почему состав воздуха именно такой, какой он есть. Практически все знают, что большинство живых организмов, дышащих воздухом, приспособлено именно к такой смеси. Но если речь идет о наземно-воздушной среде, то вопросов не возникает. А откуда в воде кислород? Как и на земле, там много растений, которые с помощью процесса, который называют фотосинтезом, потребляя свет и углекислый газ, выделяют O₂.

Если же быть точнее, в последние десятилетия по тем или иным причинам человечество уничтожило огромную часть лесов. Но речи о глобальном кризисе пока нет, хотя население планеты постоянно растет, и потребление кислорода
огромно. И огромное значение в этом вопросе имеют водоросли, которые обитают в Мировом океане, большей частью именно за их счет происходит насыщение воды кислородом. Некоторые их виды люди и морские обитатели употребляют в пищу, но их количество остается достаточным для эффективного фотосинтезирования. Вот откуда берется кислород в воде, а значит, благодаря газообмену с атмосферой, и в воздухе. Именно фотосинтез водорослей — его основной источник. Кстати, именно за счет процессов, происходящих в растениях, был накоплен первичный кислород в атмосфере, а сейчас происходит только поддержание ее неизменного состава.

Роль растворенного кислорода (РК)

Несмотря на то что дыхательная система водных обитателей устроена иначе, чем у жителей наземно-воздушной среды, они нуждаются все в тех же веществах. Прежде всего речь идет о кислороде, который играет важную роль в жизнедеятельности подавляющего большинства организмов. И если мы извлекаем его из атмосферы, где его доля более или менее стабильна и составляет около 21%, то жители рек, морей и океанов сильно зависят от того, сколько кислорода в воде содержится в месте их обитания. Помимо рыб, кислород нужен и растениям. Однако его продукция обычно выше, чем уровень потребления, так что это не должно вызывать беспокойства.

Нормальные показатели

Из-за своей значительной роли в нормальном функционировании экосистем, уровень РК часто подвергается контролю со стороны биологов и экологов. Ведь в природе все связано, нарушение газового баланса в одном водоеме может вызвать проблемы и в соседних, если они связаны. Как правило, замеры проводятся до полудня, в этот период концентрация газа в поверхностных водах становится максимальной и составляет до 14 мг/л. Этот показатель подвержен серьезным суточным и сезонным колебаниям, но он не должен опускаться ниже 4 мг/л.
Уменьшение концентрации до 2 мг/л и менее вызывает массовую гибель обитателей гидросферы. Фактически — от удушья. Постепенное снижение показателя может говорить о загрязнении водоема и также может со временем закончиться гибелью водных жителей.

Важное значение хорошая аэрация имеет, например, в аквариумистике. Именно поэтому необходимо не только устанавливать специальные насосы, закачивающие воздух в воду и насыщающие его кислородом, но и, например, при необходимости высаживать на дне различные водоросли. Конечно, тем, кто имеет подобное хобби, в первую очередь интересна эстетика экосистемы, однако нельзя забывать о ее устойчивости и некой долговечности.

Если же речь идет о рыбных хозяйствах, производстве жемчуга и других специфических отраслях подобного типа, то помимо различных мер, направленных на сохранение достаточной концентрации растворенного кислорода в воде, необходимо регулярно проводить измерение этого показателя с помощью специальных проб. При их заборе крайне важно, чтобы не произошло контакта с воздухом, это может исказить результаты анализа.

Источник

Общеклинические исследования

1. Вода — универсальный биологический растворитель

Растворителем, в котором работают почти все известные живые системы, служит окись водорода, или вода (H 2O). В молекуле воды атом кислорода соединен с двумя атомами водорода одинарными ковалентными связями. Чтобы понять, почему это важно и на что это влияет, нам придется ввести несколько дополнительных понятий из общей химии.

Электроотрицательность — сила, с которой атом в составе молекулы оттягивает на себя общие с другим атомом электроны, образующие ковалентную связь. Это понятие ввел Лайнус Полинг (Linus Carl Pauling). Самый электроотрицательный элемент — фтор, за ним на шкале электроотрицательности следует кислород. Иными словами, кислород превосходит по электроотрицательности все другие атомы, за исключением фтора (который в биологической химии практически не встречается). Запомним этот факт.

Электроотрицательность одинаковых атомов по определению равна. Если между двумя одинаковыми атомами есть ковалентная связь, то образующие ее электроны никуда не смещены (в рамках старинной планетарной модели атома можно сказать, что они находятся точно посредине между атомами, как на картинке). Такая ковалентная связь называется неполярной.

Если ковалентную связь образуют два разных атома, то общие электроны смещаются к тому из них, у которого выше электроотрицательность. Такая связь называется полярной. При очень большой разнице в электроотрицательности она может даже стать ионной — это случится, если один атом полностью “отберет” у другого общую пару электронов.

Связь между водородом и кислородом в молекуле воды — типичный пример ковалентной полярной связи. Электроотрицательность кислорода намного выше, поэтому общие электроны смещены к нему. В результате на кислороде возникает маленький отрицательный заряд, а на водороде маленький положительный; эти заряды принято обозначать буквой δ (“дельта”).

Связи кислорода с водородом или углеродом (H-O или C-O) — всегда полярные. Молекулы, в которых много таких связей, несут многочисленные частичные заряды, отрицательные на кислороде и положительные на водороде или углероде. В то же время связь между углеродом и водородом (C-H) считается неполярной: разница в электроотрицательности между этими элементами так мала, что смещение электронов незаметно. Например, молекулы углеводородов в силу этого полностью неполярны, они не несут никаких частичных зарядов ни на каких атомах.

При наличии полярных связей между водородом и кислородом частичные заряды на этих атомах (отрицательные на кислороде и положительные на водороде) притягиваются друг к другу, образуя водородные связи. Эти связи гораздо слабее ковалентных, но могут давать сильный эффект, если их много. Например, именно из-за колоссального количества водородных связей у воды очень высокая теплоемкость — ее трудно нагреть и трудно остудить. Строго говоря, водородная связь может образоваться не только с кислородом, но и с другими электроотрицательными атомами (например, с азотом или фтором).

Любые заряженные частицы в водном растворе гидратируются, то есть окружаются молекулами воды — конечно, по-разному ориентированными в зависимости от того, положительная это частица или отрицательная. Любые ионы, растворенные в воде, на самом деле присутствуют там в гидратированном состоянии, то есть с водной оболочкой. На картинке для примера показана растворенная поваренная соль (NaCl) — образец чисто ионного вещества.

Полярные молекулы (а тем более ионы) хорошо взаимодействуют с водой, образуя с ней водородные связи и (или) подвергаясь гидратации. Такие вещества хорошо растворяются в воде и называются гидрофильными. Неполярные молекулы взаимодействуют с водой гораздо слабее, чем друг с другом. Такие вещества плохо растворяются в воде и называются гидрофобными. Типичные гидрофобные вещества — углеводороды. Типичные гидрофильные вещества — спирты, такие как этанол или показанный на картинке глицерин. Вообще кислородсодержащие соединения углерода, как правило, гидрофильны, если только в них нет совсем уж огромных углеводородных радикалов.

Могут ли подойти для жизни другие растворители, кроме воды? Ответ — да. Например, двуокись углерода (CO 2) при более высоких давлениях, чем наше атмосферное, становится жидкостью и представляет собой хороший гидрофильный растворитель, в котором успешно идут многие биохимические реакции. В этом растворителе могут жить даже земные микроорганизмы: например, на дне Окинавского желоба в Восточно-Китайском море обнаружено целое озеро жидкой углекислоты, в котором постоянно живут довольно разнообразные бактерии (Inagaki et al., 2006).

Некоторые исследователи предполагают, что океаны жидкой двуокиси углерода могут существовать на планетах-“суперземлях” с массой, в несколько раз превосходящей массу Земли (Budisa, Schulze-Makuch, 2014). На картинке — художественное изображение планеты GJ1214b в созвездии Змееносца.

На крупнейшем спутнике Сатурна — Титане — есть углеводородные озера и даже моря, состоящие из метана (CH 4), этана (C 2H 6) и пропана (C 3H 8). Это гидрофобный растворитель, в котором тоже иногда предполагают существование жизни, хотя прямых подтверждений тому пока нет. На картине — пейзаж Титана. Жидкой воды на поверхности Титана нет, там слишком холодно.

Аммиак (NH 3) — гидрофильный растворитель, образующий много водородных связей, в данном случае между водородом и азотом, и напоминающий воду по физико-химическим свойствам. На более холодных планетах, чем Земля, аммиак находится в жидком состоянии и вполне может быть средой для жизни.

Теоретически возможно существование холодных землеподобных планет с аммиачными океанами (на картинке художественное изображение такой планеты). Есть ли там жизнь, никто не знает. Но почему бы и нет? Если насчет альтернатив углеродной жизни есть сомнения, то углеродную жизнь в неводном растворителе представить гораздо легче.

Можно придумать и другие экзотические варианты — например, океан из плавиковой кислоты (HF) на планете, описанной в фантастической повести Ивана Ефремова “Сердце Змеи”. “Люди Земли увидели лиловые волны океана из фтористого водорода, омывавшие берега черных песков, красных утесов и склонов иззубренных гор, светящихся голубым лунным сиянием…” Возвращаясь к земной биохимии, будем помнить, что она — не единственная теоретически возможная.

Источник