Вода та її властивості. Матеріал для 9 класу.

Розчин і його компоненти. Вода як розчинник, будова молекули води. Поняття про водневий зв'язок
                                                
                                                 
• Розчин і його компоненти деякою мірою знайомі вам з курсу природознавства. З попереднього параграфа ви дізналися, що розчин – однофазна гомогенна система, яка складається з двох або більше компонентів.Характерна ознака істинних розчинів – гомогенність. У істинних розчинах навіть за допомогою ультрамікроскопа не можна побачити окремих частинок їхніх складових.

Завдання

Поясніть, чому частинки дисперсної фази колоїдних розчинів можна досліджувати методом ультрамікроскопії, а частинки компонентів істинних розчинів – ні (за потреби зверніться до малюнка 3.2).
Схарактеризуймо докладніше компоненти розчинів. Вам уже відомо, що розчин може перебувати у будь-якому агрегатному стані. Чи не найпоширеніші розчинники – рідини. Наприклад, дуже розповсюджені у природі водні розчини речовин.
Завдання
Наведіть кілька прикладів рідких розчинів, які трапляються у природі.
Рідкі розчини використовують у техніці, на виробництві, у сільському господарстві, лабораторних дослідженнях, фармації, медицині і повсякденному житті. Тож з’ясуймо ознаки класифікації розчинів, навчімось розрізняти їхні компоненти.
Розчин утворений не менш ніж двома компонентами, один з яких – розчинник, а інші розчинені в ньому. Наприклад, у столовому оцті вода – розчинник, а оцтова кислота – розчинена речовина.
Зазвичай розчинником уважають той компонент, який у чистому вигляді існує у тому самому агрегатному стані, що й розчин. Якщо компоненти розчину перебувають в одному агрегатному стані, то розчинник - компонент, маса якого у розчині найбільша. Запам'ятайте, воду традиційно вважають розчинником навіть тоді, коли її маса значно менша за масу розчиненої речовини.
• Вода як розчинник має непересічне значення. Здатність води розчиняти найрізноманітніші речовини та її інші унікальні властивості спричинені насамперед хімічним складом і будовою молекули цієї сполуки. Тож розгляньмо особливості будови молекули води (мал. 4.1). Вам добре відомо, що до її складу входять два атоми Гідрогену й один атом Оксигену. З курсу хімії 8-го класу ви знаєте, що електронегативність Оксигену значно більша за електронегативність Гідрогену. Тому утворені за рахунок спільних електронних пар зв'язки О-Н у молекулі води ковалентні полярні. Вони розміщені під кутом 104,5°, і це спричинює асиметричність структури і виникнення диполя. Що таке диполь і за яких умов молекула є диполем?

Диполь - система з двох зарядів, протилежних за знаком і однакових за величиною (мал. 4.2).
Зверніть увагу: молекули, утворені атомами різних хімічних елементів, можуть, залежно від геометричної форми, бути полярними й неполярними. Якщо форма асиметрична (через наявність неподілених електронних гір або неспарених електронів), то молекула полярна (мал. 4.2,2). Якщо ж зміщення електронної густини симетричне, то молекула неполярна жал. 4.2,3).

За допомогою простого досліду можна пересвідчитись у тому, що молекули води полярні: тонка водяна цівка притягується до пластмасового корпусу ручки чи ебонітової палички, наелектризованих тертям (мал. 4.3).
Під впливом диполів води на поверхні речовин, занурених у неї, міжатомні й міжмолекулярні сили слабшають у 80 разів. Така висока діелектрична проникність з усіх відомих речовин властива тільки воді. Цим пояснюють її здатність бути універсальним розчинником.

Асиметричність розподілу електричних зарядів у молекулах води є причиною утворення між ними так званих водневих зв'язків (мал. 4.4). З наявністю цих зв'язків пов'язані аномально високі (порівняно з леткими сполуками інших елементів VIA групи періодичної системи) температури кипіння і плавлення води.
Завдяки водневим зв'язкам між молекулами вода виявляє унікальні властивості. Ці міжмолекулярні зв'язки стабілізують нещільну кристалічну структуру льоду (мал. 4.5).

Завдання
Роздивіться фрагменти (1) і (2) малюнка 4.5 і висловіть припущення щодо причин наявності у будь-якої сніжинки саме шести променів.
Через особливості будови кристалів льоду його густина менша за густину води у рідкому агрегатному стані. Ця властивість запобігає глюмерзанню водойм.
Під час подальшого вивчення хімії та біології ви дізнаєтеся, що утворення водневих зв'язків притаманне й іншим речовинам - як неорганічним, так і органічним. Вони можуть утворюватися між молекулами різних речовин. Перебіг багатьох біологічних процесів й існування живих організмів можливі саме завдяки утворенню й руйнуванню водневих зв'язків.
Водневі зв'язки, так само як і електростатична взаємодія між диполями води та йонами у вузлах кристалічних ґраток, відіграють неабияку роль у процесі розчинення речовин. Докладніше про це ви дізнаєтеся з наступного параграфа.
Цікаво?
Більшість обрядових дій українців відбувалися біля води, бо ототожнювалися з водною стихією: купальські обряди, русалії й Водохреще, обливання та зорожіння на мосту, біля криниці чи ополонки. Водна магія та культ води лежали в основі багатьох вірувань та повір'їв, утілюючись у колоритних демонологічних обрядах, що стали етнічними символами духовної культури українців, - у образах русалки, нявки, водяника тощо.
Стисло про головне
Розчин - однофазна гомогенна система, яка складається з двох або більше компонентів. Розчин може перебувати у будь-якому агрегатному стані. Чи не найпоширеніші розчинники - рідини. Рідкі розчини використовують у техніці, на виробництві, у сільському господарстві, лабораторних дослідженнях, фармації, медицині і повсякденному житті.
Розчин утворений не менш ніж двома компонентами, один з яких - розчинник, а інші розчинені в ньому. Зазвичай розчинником вважають той компонент, який у чистому вигляді існує у тому самому агрегатному сгані, що й розчин. Якщо компоненти розчину перебувають в одному агрегатному стані, то розчинник - компонент, маса якого у розчині найбільша. Воду традиційно вважають розчинником навіть тоді, коли її маса значно менша за масу розчиненої речовини.
Здатність води розчиняти найрізноманітніші речовини та її інші унікальні властивості спричинені хімічним складом і будовою молекули цієі сполуки. Утворені за рахунок спільних електронних пар зв'язки О-Н у молекулі води ковалентні полярні. Вони розміщені під кутом 104,5°, і це спричинює асиметричність структури і виникнення диполя.
Диполь - система з двох зарядів, протилежних за знаком і однакових за величиною
На поверхні речовин, занурених у воду, міжатомні й міжмолекулярні сили під впливом диполів води слабшають у 80 разів. Цим пояснюють здатність води бути універсальним розчинником.
Асиметричність розподілу електричних зарядів у молекулах води є причиною утворення між ними водневих зв'язків. З наявністю цих зв'язків пов'язані аномально високі температури кипіння і плавлення води.
Окрім води, утворення водневих зв'язків притаманне й іншим речовинам - як неорганічним, так і органічним. Водневі зв'язки можуть утворюватися між молекулами різних речовин. Перебіг багатьох біологічних процесів й існування живих організмів можливі саме завдяки утворенню й руйнуванню водневих зв'язків.
Водневі зв'язки, так само як і електростатична взаємодія між диполями води та йонами у вузлах кристалічних ґраток, відіграють неабияку роль у процесі розчинення речовин.
 Безсумнівно, вода є однією з найважливіших речовин на Землі. Саме наявність значної кількості рідкої води на поверхні планети уможливила існування життя. Причини великого вмісту води на Землі порівняно з її вмістом на інших твердих планетах Сонячної системи досі залишаються не з’ясованими. Багато вчених вважають, що вода була занесена на Землю кометами на ранніх стадіях формування планети. Сьогодні вода вкриває 71 % земної поверхні та становить приблизно 0,05 % від маси Землі. У живих організмах уміст води коливається від 60 до 99 %.

Молекула води складається з атомів Оксигену й Гідрогену

Вода є бінарною неорганічною сполукою, молекули якої складаються з одного атома Оксигену та двох атомів Гідрогену {рис. 2.1). Незважаючи на те, що молекула води електронейтральна, заряд у ній розподілений нерівномірно: на атомі Оксигену накопичується надлишковий негативний заряд, а на атомах Гідрогену — надлишковий позитивний, тобто молекула води — це диполь. Саме завдяки полярній природі молекул вода є чудовим розчинником інших полярних сполук (наприклад, цукрів і спиртів), а також солей. Згідно з класичними уявленнями, солі під час розчинення розпадаються на заряджені частинки — йони (рис. 2.2). При цьому завдяки кулонів-ським силам протилежно заряджені йони притягуються один до одного, що перешкоджає розчиненню солей. Проте вода сильно послаблює сили притягання між йонами, формуючи навколо них гідратні оболонки.

Іншою особливістю води є наявність водневих зв’язків. Між атомом Гідрогену (із частковим позитивним зарядом) однієї молекули й атомом Оксигену (із частковим негативним зарядом) іншої молекули виникає електростатична взаємодія. Такі взаємодії назвали водневими зв’язками (рис. 2.3). Водневі зв’язки значно міцніші за звичайні міжмолекулярні взаємодії, хоча й поступаються міцністю ковалентним зв’язкам. Саме завдяки наявності водневих зв’язків вода має високу теплоємність, високі температури кипіння та плавлення, а також інші аномальні властивості.

Вода має багато аномальних властивостей

Завдяки наявності між молекулами водневих зв’язків вода має аномально високі температури плавлення (0 °С при тиску 1 атм) і кипіння (100 °С при тиску 1 атм). Тому за стандартних умов (температура 25 °С та тиск 1 атм) вода є рідиною. Для порівняння: близькі за структурою та масою сірководень, амоніак і метан — гази¹.

Вода має аномально високу теплоємність: щоб нагріти 1 кг води на 1 °С, треба витратити 4,2 кДж енергії. Тому навіть для незначної зміни температури води потрібні великі витрати енергії. Випаровування води також пов’язане зі значними витратами теплоти, що дає змогу живим організмам використовувати воду як терморегулятор.

1 Тут у читача може виникнути запитання, чому сірководень та амоніак не утворюють водневих зв’язків. Насправді вони їх утворюють, але міцність цих зв’язків значно нижча, ніж у води. Секрет міцності водневих зв’язків між молекулами води полягає в тому, що Оксиген є більш електронегативним атомом, ніж Сульфур чи Нітроген. Унаслідок цього він сильніше відтягує електрони з Гідрогену, що спричиняє утворення більших надлишкових зарядів на атомах. У результаті Гідроген та Оксиген різних молекул притягуються сильніше.

2 Від гр. hydor— вода, philia — любов, phobos — страх.

Ще одна загальновідома аномалія: вода має максимальну густину при +4 °С, тому лід плаває в рідкій воді й не тоне. Для більшості інших сполук тверда фаза виявляється густішою за рідку. Секрет низької густини льоду також криється у водневих зв’язках: за низької температури хаотичний рух молекул зведений до мінімуму, тому всі молекули води впорядковані в кристалічну структуру, яка підтримується водневими зв’язками. За вищої температури відбувається розрив частини водневих зв’язків і перехід води в рідкий стан — менш упорядкований, але щільніший {рис. 2.4). Саме тому взимку водойми не промерзають до дна, а лише вкриваються шаром льоду, що дозволяє рибам виживати.

Організми використовують воду з різною метою

Унікальні властивості води визначають її ключову роль у живих організмах. Вода є головним розчинником у клітині, становлячи приблизно 70 % маси клітини. Лише у водному розчині великі біологічні молекули, із якими ви ознайомитеся найближчим часом, можуть набувати правильної просторової форми й нормально функціонувати.

Проте чи всі речовини однаково добре розчиняються у воді? Зрозуміло, що не всі. Є численні групи сполук, які взагалі у воді не розчиняються. Якби всі частини клітини розчинялись у воді, то клітина дуже швидко розпалася б (тобто розчинилася), а отже, і припинила б існувати як структурне ціле. Саме тому величезне значення має розчинність тієї чи іншої речовини у воді. За здатністю розчинятись у воді всі речовини можна поділити на дві групи — гідрофільні та гідрофобні². До першої групи належать полярні речовини,

здатні добре розчинятись у воді. До другої — нерозчинні у воді речовини, такі як жири та подібні до них.

Завдяки різній розчинності гідрофобні речовини можуть розділяти ділянки всередині клітини чи цілі клітини. Як побачимо далі, усі біомембрани, що оточують клітини, складаються з гідрофобних речовин.

Як добрий розчинник для багатьох речовин, вода здатна транспортувати їх у живому організмі. Згадаймо хоча б рух речовин ксилемою та флоемою рослин чи транспортну функцію плазми крові.

Вода — майже нестискувана рідина, тому вона виконує опорну функцію. Більшу частину дозрілої рослинної клітини становить вакуоля, наповнена рідиною під тиском. Саме завдяки цьому тискові клітини й органи рослин зберігають свою форму. За втрати клітинами води ми спостерігаємо в’янення рослин, що напряму пов’язано зі зменшенням тиску у вакуолі (рис. 2.5).

Варто зауважити, що вода є не лише середовищем, у якому взаємодіють різні біологічні молекули, а й учасником хімічних реакцій. Так, у процесі фотосинтезу, який здійснюють рослини, вода є однією з речовин, із яких потім будуть побудовані молекули органічних сполук. Процес травлення також відбувається за безпосередньої участі молекул води: вона потрібна для розщеплення великих молекул на дрібніші.

Насамкінець зазначимо, що завдяки високій теплоємності води живі організми використовують її для терморегуляції. Організми миттєво не замерзають на морозі та не перегріваються в спеку саме тому, що містять велику кількість води. А такий процес, як випаровування поту, супроводжується втратою значної кількості теплоти та охолодженням організму.

Неорганічні речовини організмів здебільшого розчинені у воді

Уміст клітин — це водний розчин, у якому, крім молекул води, є багато різних органічних і неорганічних речовин. Значну частину внутрішньоклітинної та міжклітинної рідини становлять водні розчини неорганічних йонів. Серед неорганічних аніонів (негативно заряджених йонів) у клітині переважають хлорид- і фосфат-іони. Хлорид-аніон є як ззовні, так і всередині клітини, натомість фосфат-аніон

переважає у внутрішньоклітинному середовищі. Серед катіонів (позитивно заряджених йонів) домінують йони лужних (Натрій, Калій) та лужноземельних (Кальцій і Магній) металів. При цьому спостерігається асиметрія розподілу йонів: у міжклітинній рідині більше йонів Натрію та Кальцію, а у внутрішньоклітинній — йонів Калію та Магнію¹. Йони лужних і лужноземельних металів відіграють найрізноманітніші ролі.

Саме вони залучені до утворення різниці електричних потенціалів на мембрані нервових клітин, що забезпечує передачу нервового імпульсу. Йони Магнію вкрай

потрібні для нормального функціонування багатьох великих біологічних молекул. Йони Кальцію залучені до таких процесів, як м’язове скорочення та передача сигналів усередині клітин.

Деякі неорганічні речовини міжклітинного середовища є нерозчинними

Окрім важливої ролі всередині клітини, неорганічні сполуки виконують значущу роль поза клітиною. Так, достатня кількість йонів Кальцію в плазмі крові потрібна для згортання крові та припинення кровотечі. Шлунковий сік містить до 5 % хлоридної кислоти, необхідної для процесів розщеплення білків і знищення бактерій, що потрапили в шлунок разом із їжею. Певна кислотність крові підтримується, насамперед, завдяки наявності в крові карбонат- і фосфат-іонів: вони підтримують постійну кислотність плазми крові, якщо виникає загроза її зміни. Багато речовин важливі для організмів і в нерозчиненому стані. Так, кальцій ортофосфат і кальцій карбонат становлять до 70 % маси сухої кісткової тканини людини¹, забезпечуючи високу міцність кісток і зубів. Солі Кальцію та Стронцію є основою скелета й в інших істот, входячи до складу мушель молюсків та одноклітинних, а також панцирів раків.