Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

3.11: Біохімічні властивості води

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    5565

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Блакитний мармур

    Його часто називають «водною планетою», і їй дали прізвисько «синій мармур». Ви, напевно, просто називаєте це «домашнім». Майже три чверті нашої рідної планети покриті водою, і без неї життя, як ми знаємо, не могло б існувати на Землі. Вода, як і вуглець, відіграє особливу роль в живих істотах. Вона потрібна всім відомим формам життя. Хоча вода складається з простих молекул, кожна з яких містить всього три атоми, її структура надає їй унікальні властивості, які допомагають пояснити, чому вона життєво необхідна всім живим організмам.

    Водна планета
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Планета Земля

    Хімічна структура та властивості води

    Ви, напевно, вже знайомі з багатьма властивостями води. Наприклад, ви без сумніву знаєте, що вода без смаку, без запаху і прозора. У невеликих кількостях він також безбарвний. Однак, коли спостерігається велика кількість води, як в озері чи океані, вона насправді світло-блакитного кольору. Синій відтінок води є власною властивістю і обумовлений селективним поглинанням і розсіюванням білого світла. Ці та інші властивості води залежать від її хімічної структури.

    Прозорість води важлива для організмів, які живуть у воді. Оскільки вода прозора, через неї може проходити сонячне світло. Сонячне світло необхідний водним рослинам та іншим водним організмам для фотосинтезу.

    Хімічна структура води

    Кожна молекула води складається з одного атома кисню і двох атомів водню, тому вона має хімічну формулу H 2 O. Розташування атомів в молекулі води, показане на малюнку\(\PageIndex{2}\), пояснює багато хімічних властивостей води. У кожній молекулі води ядро атома кисню (з 8 позитивно зарядженими протонами) притягує електрони набагато сильніше, ніж ядра водню (тільки з одним позитивно зарядженим протоном). Це призводить до негативного електричного заряду поблизу атома кисню (через «тягу» негативно заряджених електронів до ядра кисню) і позитивний електричний заряд поблизу атомів водню. Різниця в електричному заряді між різними частинами молекули називається полярністю. Полярна молекула - це молекула, в якій частина молекули позитивно заряджена, а частина молекули - негативно заряджена.

    водоутворення від реакції атомів кисню та водню
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Ця модель являє собою атомну діаграму води, яка показує два атоми водню і атом кисню в центрі.

    Вода - хороший розчинник

    Вода вважається дуже хорошим розчинником в біохімічних реакціях. Малюнок\(\PageIndex{3}\) ілюструє, як вода розчиняє солі. Кухонна сіль (NaCl) складається з позитивно зарядженого іона натрію і негативно зарядженого іона хлориду. Кисень води притягується до позитивного іона Na. Водень води притягуються до негативного іона Cl.

    розчинення у воді хлориду натрію
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Ця діаграма показує позитивну і негативну частини молекули води. Він також зображує, як заряд, наприклад, на іоні (Na або Cl, наприклад), може взаємодіяти з молекулою води.

    водневе склеювання

    Протилежні електричні заряди притягують один одного. Тому позитивна частина однієї молекули води притягується до негативних частин інших молекул води. Через це тяжіння утворюються зв'язки між атомами водню і кисню сусідніх молекул води, як показано на малюнку\(\PageIndex{4}\). Цей тип зв'язку завжди включає атом водню, тому його називають водневим зв'язком.

    Водневі зв'язки також можуть утворюватися всередині однієї великої органічної молекули. Наприклад, водневі зв'язки, що утворюються між різними частинами білкової молекули, згинають молекулу в відмінну форму, що важливо для функцій білка. Водневі зв'язки також утримують два нуклеотидні ланцюга молекули ДНК.

    Водневий зв'язок між молекулами води
    Малюнок\(\PageIndex{4}\): Водневі зв'язки утворюються між позитивно і негативно зарядженими частинами молекул води. Зв'язки утримують молекули води разом. Як ви думаєте, як це може вплинути на властивості води?

    Липкий, волога вода

    Вода має деякі незвичайні властивості завдяки своїм водневим зв'язкам. Однією з властивостей є згуртованість, тенденція до злипання молекул води. Сили зчеплення між молекулами води відповідають за явище, відоме як поверхневий натяг. Молекули на поверхні не мають інших подібних молекул з усіх боків від них і, отже, вони більш міцно поєднуються з тими, які безпосередньо пов'язані з ними на поверхні. Наприклад, якщо ви скинете крихітну кількість води на дуже гладку поверхню, молекули води злипнуться і утворюють крапельку, а не розпливуться по поверхні. Те ж саме відбувається, коли вода повільно капає з дірявого крана. Вода не падає з крана як окремі молекули води, а як крапельки води. Схильність води злипатися краплями також ілюструється краплями роси на малюнку\(\PageIndex{5}\).

    крапельки роси
    Малюнок\(\PageIndex{5}\): Крапельки роси чіпляються за павутину, демонструючи згуртованість, схильність молекул води злипатися через водневих зв'язків.

    Ще одна важлива фізична властивість води - адгезія. Що стосується води, адгезія - це зв'язок молекули води з іншою речовиною, наприклад, сторонами жилок листа. Цей процес відбувається тому, що водневі зв'язки особливі тим, що вони розриваються і реформуються з великою частотою. Ця постійна перестановка водневих зв'язків дозволяє відсотку всіх молекул в даному зразку зв'язуватися з іншою речовиною. Ця схожа на захват характеристика, яку утворюють молекули води, викликає капілярну дію, здатність рідини протікати проти сили тяжіння у вузькому просторі. Прикладом капілярної дії є, коли ви поміщаєте соломинку в склянку з водою. Вода, здається, піднімається вгору по соломі, перш ніж ви навіть покладіть рот на солому. Вода створила водневі зв'язки з поверхнею соломи, змушуючи воду прилипати до боків соломи. Оскільки водневі зв'язки постійно змінюються з поверхнею соломи, молекули води змінюються позиціями, і деякі починають підніматися по соломі.

    Адгезія і капілярна дія необхідні для виживання більшості організмів. Саме механізм відповідає за транспортування води у рослин через коріння і стебла, а у тварин - через дрібні кровоносні судини.

    Водневі зв'язки також пояснюють, чому температура кипіння води (100° C) вища, ніж температура кипіння подібних речовин без водневих зв'язків. Через відносно високу температуру кипіння води більшість води існує в рідкому стані на Землі. Рідка вода потрібна всім живим організмам. Тому наявність рідкої води дає можливість життю вижити на більшій частині планети.

    Крім того, вода має високу питому теплоту, оскільки для підвищення або зниження температури води потрібно багато енергії. В результаті вода відіграє дуже важливу роль в регулюванні температури. Так як клітини складаються з води, це властивість допомагає підтримувати гомеостаз.

    Щільність льоду і води

    Температура плавлення води становить 0°С, нижче цієї температури вода є твердою (лід). На відміну від більшості хімічних речовин, вода в твердому стані має меншу щільність, ніж вода в рідкому стані. Це пояснюється тим, що вода розширюється, коли вона замерзає. Знову ж таки, водневий зв'язок є причиною. Водневі зв'язки змушують молекули води менш ефективно вибудовуватися в льоду, ніж у рідкій воді. В результаті молекули води розташовуються далі один від одного в льоду, надаючи льоду меншу щільність, ніж рідка вода. Речовина з меншою щільністю плаває на речовині з більшою щільністю. Це пояснює, чому лід плаває на рідкій воді, тоді як багато інших твердих речовин опускаються на дно рідкої води.

    У великому водоймі, такому як озеро або океан, вода з найбільшою щільністю завжди опускається на дно. Вода найбільш щільна при температурі близько 4° C, внаслідок чого вода на дні озера або океану зазвичай має температуру близько 4° C, а в кліматі з холодною зимою цей шар води 4° C ізолює дно озера від морозних температур. Озерні організми, такі як риба, можуть пережити зиму, залишаючись у цій холодній, але незамороженій воді на дні озера.

    Рецензія

    1. Опишіть будову молекули води. Що таке полярність, і чому вода полярна?
    2. Поясніть, як внутрішня полярність молекули води робить її хорошим розчинником?
    3. Поясніть, як водневі зв'язки змушують молекули рідкої води склеюватися.
    4. Що таке капілярна дія? Наведемо приклад.
    5. Яке властивість води допомагає підтримувати гомеостаз і як?

    Атрибуції

    1. Водна планета НАСА/Роберт Сіммон та Маріт Джентофт-Нільсен, публічне надбання через Wikimedia Commons
    2. Вода від Lumen Learning ліцензована CC BY 2.0
    3. Розчинення солі Чарльза Молнара та Джейн Гейр, ліцензована CC BY 4.0
    4. Водневий зв'язок за ліцензією Lumen Learning CC BY 2.0
    5. Краплі води від Служби риби та дикої природи США, публічне надбання через Wikimedia Commons
    6. Текст адаптований з біології людини CK-12 ліцензований CC BY-NC 3.0