Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

2.2: Вода

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    504

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

    Ви ніколи не замислювалися, чому вчені витрачають час на пошуки води на інших планетах? Це тому, що вода має важливе значення для життя; навіть найдрібніші сліди її на іншій планеті можуть свідчити про те, що життя могло або існувало на цій планеті. Вода - одна з найбільш рясних молекул у живих клітинках і найважливіша для життя, як ми її знаємо. Приблизно 60-70 відсотків вашого тіла складається з води. Без нього життя просто не існувало б.

    Вода Полярна

    Атоми водню та кисню всередині молекул води утворюють полярні ковалентні зв'язки. Спільні електрони проводять більше часу, пов'язаного з атомом кисню, ніж з атомами водню. Загального заряду молекули води немає, але є невеликий позитивний заряд на кожному атомі водню і незначний негативний заряд на атомі кисню. Через цих зарядів злегка позитивні атоми водню відштовхуються один від одного і утворюють унікальну форму, побачену на малюнку 2.1.6. Кожна молекула води притягує інші молекули води через позитивні і негативні заряди в різних частинах молекули. Вода також притягує інші полярні молекули (наприклад, цукру), утворюючи водневі зв'язки. Коли речовина легко утворює водневі зв'язки з водою, воно може розчинятися у воді і іменується гідрофільним («вологолюбним»). Водневі зв'язки не легко утворюються з неполярними речовинами, такими як масла і жири (рис. \(\PageIndex{1}\)). Ці неполярні сполуки гідрофобні («побоюються води») і не будуть розчинятися у воді.

    Крупним планом круглі краплі нафти плавають на воді.
    Малюнок \(\PageIndex{1}\): Як показує це макроскопічне зображення нафти та води, нафта є неполярною сполукою і, отже, не розчиняється у воді. Масло і вода не змішуються. (кредит: Гаутам Догра)

    Вода стабілізує температуру

    Водневі зв'язки у воді дозволяють їй поглинати і виділяти теплову енергію повільніше, ніж багато інших речовин. Температура - це міра руху (кінетичної енергії) молекул. Зі збільшенням руху енергія стає вищою, а отже, температура вища. Вода поглинає велику кількість енергії до підвищення її температури. Підвищена енергія порушує водневі зв'язки між молекулами води. Оскільки ці зв'язки можуть бути створені і порушені швидко, вода поглинає збільшення енергії і зміни температури лише мінімально. Це означає, що вода помірковує зміни температури всередині організмів та в їх середовищах. У міру продовження надходження енергії баланс між утворенням водневого зв'язку та руйнуванням змінюється в бік руйнування. Порушується більше зв'язків, ніж утворюється. Цей процес призводить до вивільнення окремих молекул води на поверхні рідини (наприклад, водойми, листя рослини або шкіри організму) у процесі, який називається випаровуванням. Випаровування поту, що становить 90 відсотків води, дозволяє охолоджувати організм, оскільки розрив водневих зв'язків вимагає надходження енергії і відводить тепло від тіла.

    І навпаки, у міру зменшення молекулярного руху та падіння температур менше енергії для розриву водневих зв'язків між молекулами води. Ці зв'язки залишаються цілими і починають утворювати жорстку, схожу на решітку структуру (наприклад, лід) (рис \(\PageIndex{2}\). При заморожуванні лід менш щільний, ніж рідка вода (молекули знаходяться далі один від одного). Це означає, що лід плаває на поверхні водойми (рис. \(\PageIndex{2}\)Б). В озерах, ставках та океанах лід буде утворюватися на поверхні води, створюючи ізоляційний бар'єр для захисту тваринного та рослинного життя внизу від замерзання у воді. Якби цього не сталося, рослини і тварини, що живуть у воді, замерзали б у брилі льоду і не могли вільно пересуватися, роблячи життя в холодних температурах важким або неможливим.

    На малюнку А показана решітчаста молекулярна структура льоду. На малюнку Б зображено водойму з плаваючими на його поверхні шматками льоду. Вдалині туманний фон засніжених гір.
    Рис \(\PageIndex{2}\): (а) гратчаста структура льоду робить його менш щільним, ніж вільно протікають молекули рідкої води. Менша щільність льоду дозволяє йому (b) плавати по воді. (кредит a: модифікація роботи Джейн Вітні; кредит b: модифікація роботи Карлоса Понте)

    ПОНЯТТЯ В ДІЇ

    Сканується QR-код, який приводить вас до 3-D анімації структури крижаної решітки.

    Натисніть тут , щоб побачити 3-D анімацію структури крижаної решітки. (Кредит: зображення, створене Джейн Уїтні з використанням програмного забезпечення візуальної молекулярної динаміки (VMD)1)

    Вода є відмінним розчинником

    Оскільки вода полярна, з незначними позитивними і негативними зарядами іонні сполуки і полярні молекули можуть легко розчинятися в ній. Отже, вода - це те, що називають розчинником - речовиною, здатною розчиняти іншу речовину. Заряджені частинки будуть утворювати водневі зв'язки з навколишнім шаром молекул води. Це називається сферою гідратації і служить для утримання частинок відокремленими або диспергованими у воді. У разі кухонної солі (NaCl), змішаної у воді (рис. \(\PageIndex{3}\)), іони натрію і хлориду відокремлюються, або дисоціюють, у воді, і навколо іонів утворюються сфери гідратації. Позитивно заряджений іон натрію оточений частково негативними зарядами атомів кисню в молекулах води. Негативно заряджений іон хлориду оточений частково позитивними зарядами атомів водню в молекулах води. Ці сфери гідратації також відносять до гідратаційних оболонок. Полярність молекули води робить її ефективним розчинником і має важливе значення в його багатьох ролей в живих системах.

    На ілюстрації зображені сфери гідратації навколо іонів натрію і хлору. Сфери гідратації складаються з молекул води.
    Малюнок \(\PageIndex{3}\): При змішуванні кухонної солі (NaCl) у воді навколо іонів утворюються сфери гідратації.

    Вода згуртована

    Ви коли-небудь заповнювали склянку води до самого верху, а потім повільно додавали ще кілька крапель? Перед тим, як вона переливається, вода фактично утворює куполоподібну форму над обідком склянки. Ця вода може залишатися над склом через властивість згуртованості. При згуртованості молекули води притягуються один до одного (через водневого зв'язку), зберігаючи молекули разом на межі розділу рідина-повітря (газ), хоча в склі більше немає місця. Згуртованість породжує поверхневий натяг, здатність речовини витримувати розрив при розміщенні під напругою або напругою. Коли ви скидаєте невеликий клаптик паперу на крапельку води, папір плаває поверх крапельки води, хоча предмет щільніше (важче) води. Це відбувається через поверхневого натягу, який створюється молекулами води. Згуртованість і поверхневий натяг зберігають молекули води недоторканими, а елемент плаває зверху. Можна навіть «плавати» сталеву голку поверх склянки з водою, якщо розташувати її акуратно, не порушуючи поверхневого натягу (рис. \(\PageIndex{4}\)).

    Зверху води плаває голка за рахунок сил зчеплення і поверхневого натягу.
    Малюнок \(\PageIndex{4}\): Вага голки на вершині води тягне поверхневий натяг вниз; в той же час поверхневий натяг води витягує її вгору, підвішуючи голку на поверхні води і утримуючи її від занурення. Зверніть увагу на поглиблення у воді навколо голки. (кредит: Корі Занкер)

    Ці згуртовані сили також пов'язані з властивістю води адгезії або тяжіння між молекулами води та іншими молекулами. Це спостерігається, коли вода «піднімається» вгору по соломинці, поміщеної в склянку з водою. Ви помітите, що вода, здається, вище з боків соломи, ніж посередині. Це пояснюється тим, що молекули води притягуються до соломи і тому прилипають до неї.

    Згуртовані та адгезійні сили важливі для підтримки життя. Наприклад, через ці сили вода може стікати від коренів до верхівок рослин, щоб підгодувати рослину.

    ПОНЯТТЯ В ДІЇ

    Щоб дізнатися більше про воду, відвідайте Геологічну розвідку США Наука про воду для шкіл: Все про воду! сайт.

    Буфери, рН, кислоти та основи

    РН розчину - це міра його кислотності або лужності. Ви, напевно, використовували лакмусовий папір, папір, оброблений природним водорозчинним барвником, тому його можна використовувати як індикатор рН, щоб перевірити, скільки кислоти або основи (лужності) існує в розчині. Можливо, ви навіть використовували деякі, щоб переконатися, що вода у відкритому басейні належним чином оброблена. В обох випадках цей pH-тест вимірює кількість іонів водню, яке існує в даному розчині. Високі концентрації іонів водню дають низький рН, тоді як низький рівень іонів водню призводить до високого рН. Загальна концентрація іонів водню обернено пов'язана з його рН і може бути виміряна за шкалою рН (рис. \(\PageIndex{5}\)). Отже, чим більше присутній іонів водню, тим нижче рН; навпаки, чим менше іонів водню, тим вище рН.

    Шкала рН коливається від 0 до 14. Зміна однієї одиниці за шкалою рН являє собою зміну концентрації іонів водню в 10 разів, зміна в дві одиниці являє собою зміну концентрації іонів водню в 100 разів. Таким чином, невеликі зміни рН являють собою великі зміни концентрацій іонів водню. Чиста вода нейтральна. Він не є ні кислим, ні основним, і має рН 7,0. Все, що нижче 7,0 (від 0,0 до 6,9), є кислим, і все, що перевищує 7,0 (від 7,1 до 14,0), є лужним. Кров у ваших венах слаболужна (рН = 7,4). Середовище у вашому шлунку дуже кисле (рН = 1 до 2). Апельсиновий сік слабокислий (рН = приблизно 3,5), тоді як харчова сода є основною (рН = 9,0).

    Райдужний бар представляє шкалу рН, і приклад речовини наведено при кожному значенні рН. Поширеними основними рішеннями є морська вода та відбілювач. Поширеними кислотними розчинами є чорна кава і лимонний сік.
    Малюнок \(\PageIndex{5}\): Шкала рН вимірює кількість іонів водню (Н+ ) в речовині. (Кредит: модифікація твору Едварда Стівенса)

    Кислоти - це речовини, які забезпечують іони водню (Н+) і знижують рН, тоді як основи забезпечують гідроксидні іони (ОН-) і підвищують рН. Чим сильніше кислота, тим охочіше вона жертвує Н+. Наприклад, соляна кислота і лимонний сік дуже кислі і легко віддають Н+ при додаванні в воду. І навпаки, основи - це ті речовини, які легко жертвують OH-. ОН- іони поєднуються з Н+ для отримання води, яка підвищує рН речовини. Гідроксид натрію та багато побутових миючих засобів дуже лужні і швидко відмовляються від ОН- при розміщенні у воді, тим самим підвищуючи рН.

    Більшість клітин нашого тіла працюють у дуже вузькому вікні шкали рН, як правило, коливається лише від 7,2 до 7,6. Якщо рН організму знаходиться за межами цього діапазону, дихальна система дає збої, як і інші органи в організмі. Клітини більше не функціонують належним чином, і білки будуть руйнуватися. Відхилення поза діапазоном рН може викликати коматозний стан або навіть викликати смерть.

    То як це так, що ми можемо ковтати або вдихати кислі або основні речовини і не вмирати? Ключовим є буфери. Буфери легко поглинають надлишок H+ або OH- , зберігаючи pH тіла ретельно підтримується у вищезгаданому вузькому діапазоні. Вуглекислий газ є частиною видатної буферної системи в організмі людини; він зберігає рН у належному діапазоні. Ця буферна система включає вуглекислоту (H2CO3) та бікарбонат (HCO3-) аніон. Якщо занадто багато Н+ надходить в організм, бікарбонат з'єднається з Н+ для створення вугільної кислоти і обмеження зниження рН. Так само, якщо в систему вводиться занадто багато ОН, вугільна кислота швидко дисоціується на бікарбонат та іони Н+ . Іони Н+ можуть поєднуватися з ОН- іонами, обмежуючи збільшення рН. Хоча вугільна кислота є важливим продуктом у цій реакції, її присутність швидкоплинна, оскільки вугільна кислота виділяється з організму як вуглекислий газ кожного разу, коли ми дихаємо. Без цієї буферної системи рН в наших тілах коливався б занадто сильно, і ми б не змогли вижити.

    Резюме

    Вода має безліч властивостей, які мають вирішальне значення для підтримки життя. Він полярний, що дозволяє утворювати водневі зв'язки, які дозволяють іонам та іншим полярним молекулам розчинятися у воді. Тому вода є відмінним розчинником. Водневі зв'язки між молекулами води дають воді здатність утримувати тепло краще, ніж багато інших речовин. З підвищенням температури водневі зв'язки між водою постійно розриваються і реформуються, що дозволяє загальній температурі залишатися стабільною, хоча в систему додається підвищена енергія. Сили зчеплення води допускають властивість поверхневого натягу. Всі ці унікальні властивості води мають важливе значення в хімії живих організмів.

    РН розчину є мірою концентрації іонів водню в розчині. Розчин з великою кількістю іонів водню кислий і має низьке значення рН. Розчин з високим числом гідроксидних іонів є основним і має високе значення рН. Шкала рН коливається від 0 до 14, при цьому рН 7 є нейтральним. Буфери - це розчини, які помірно змінюються рН при додаванні кислоти або основи в буферну систему. Буфери важливі в біологічних системах через їх здатність підтримувати постійні умови рН.

    Виноски

    1. 1 Хамфрі, В., Дальке, А. і Шультен, К., «VMD—візуальна молекулярна динаміка», Дж. Графіка. 1996. — Т. 14. — С. 33-38. http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/

    Глосарій

    кислота
    речовина, яка жертвує іонів водню і, отже, знижує рН
    адгезії
    тяжіння між молекул води і молекул різних речовин
    база
    речовина, яка поглинає іони водню і тому підвищує рН
    буфер
    рішення, яке чинить опір зміни рН шляхом поглинання або звільнення водню або гідроксиду іонів
    згуртованості
    міжмолекулярні сили між молекулами води, викликані полярною природою води; створює поверхневий натяг
    випаровування
    вивільнення молекул води з рідкої води з утворенням водяної пари
    гідрофільний
    описує речовину, яка розчиняється у воді; вологолюбна
    гідрофобних
    описує речовина, яка не розчиняється у воді; вода побоюється
    лакмусовий папір
    фільтрувальний папір, оброблений природним водорозчинним барвником, тому його можна використовувати як показник рН
    Шкала рН
    шкала від 0 до 14, яка вимірює приблизну концентрацію іонів водню речовини
    розчинник
    речовина, здатна розчиняти іншу речовину
    поверхневий натяг
    сила зчеплення на поверхні тіла рідини, яка запобігає молекули від відділення
    температура
    міра молекулярного руху

    Дописувачі та атрибуції