Вода та її властивості. Матеріал для учнів 9 класу.

Вода, її значення, властивості та особливості будови молекул

Вода – неорганічна речовина, молекули якої складаються з двох атомів Гідрогену та одного атома Оксигену. Кількість води неоднакова у різних організмах. Найбільше води містить тіло медуз (95-98%), водні рослини (понад 80%), найменше її у комах (40-50%), слані лишайників (5-7%). У тілі ссавців у середньому 75% води, у тому числі в людини – 60-65% маси тіла. Кількість води неоднакова і в різних тканинах і органах одного й того самого організму. Наприклад, у людини вміст води в тканинах і органах є таким: кров (83,0%), нирки (82,7%), серце (79,2%), легені (79,0%), м'язи (75,6%), мозок (74,8%), шкіра (72,0%), скелет (22,0%), жирова тканина (10,0%).
Більша частина води (70% об'єму) перебуває у клітинах тіла у вільному та зв'язаному вигляді, менша частина (30% об'єму) – переміщується в позаклітинному просторі організму і знаходиться у вільному стані. Зв'язана вода (4-5%) буває осмотично зв'язаною (вода у зв'язках з йонами та низькомолекулярними сполуками), колоїдно зв'язаною (вода у зв'язках як із внутрішніми, так і з розташованими на поверхні хімічними групами високомолекулярних сполук) та структурно зв'язаною (вода у замкненому просторі високомолекулярних біополімерів складної структури). Вільна вода (95-96%) є універсальним розчинником.
Значення води. Кількісно вода займає перше місце серед хімічних сполук будь- якої клітини. Наявність води є обов'язковою умовою життєдіяльності організмів. Які ж функції виконує в біосистемах ця найпоширеніша на Землі речовина?

• • Вода – універсальний розчинник для йонних і багатьох ковалентних сполук, забезпечує протікання хімічних реакцій, транспорт речовин у клітину і з клітини.
• • Вода – реагент, за участю якого в клітинах відбуваються реакції гідролізу та гідратації, окисно-відновні та кислотно-основні реакції.
• • Вода – теплорегулятор, підтримує оптимальний тепловий режим організмів і забезпечує рівномірний розподіл теплоти в живих системах.
• • Вода – осморегулятор, що забезпечує форму клітин, транспорт неорганічних речовин.
• • Вода – опора, забезпечує пружний стан клітин (тургор), виступає амортизатором від механічних впливів на організм, виконує функцію гідроскелету в багатьох тварин.
• • Вода – засіб транспорту, здійснює зв'язок в клітинах, між клітинами, тканинами, органами і забезпечує гомеостаз та функціонування організму як єдиного цілого.
• • Вода – середовище існування для водних організмів, у ньому здійснюються пасивний рух, зовнішнє запліднення, поширення насіння, гамет і личинкових стадій наземних організмів.
• • Вода – конформатор, має вагоме значення в організації просторової структури (конформації) біополімерів.

Властивості води. Роль води в біосистемах визначається її фізико-хімічними властивостями.
■ Для чистої води характерні прозорість, відсутність смаку, кольору, запаху. Природна вода завжди містить різні домішки: розчинені речовини у вигляді йонів, нерозчинені сполуки – у вигляді суспензії. Вода – єдина речовина на Землі, яка одночасно і у великій кількості зустрічається в рідкому, твердому і газоподібному станах.
■ Густина води за температури +4 °С є максимальною і дорівнює 1 г/см3. Із зниженням температури густина зменшується, тому лід плаває на поверхні води.
■ Вода має аномально високі питому теплоємність (4,17 Дж/гК), теплоту випаровування (за температури 100 °С – 2253 Дж/г), теплоту танення (за температури 0 °С – 333,98 Дж/г).
■ Воді властивий виключно великий поверхневий натяг за рахунок потужних сил зчеплення (когезії), пов'язаних з утворенням водневих зв'язків між молекулами.
■ Для води характерна властивість прилипання (адгезії), яка проявляється у разі підняття її проти гравітаційних сил.

■ Воді у рідкому стані властива текучісь, нестискуваність, чим обумовлені явища осмосу та тургору.
■ Вода має амфотерні властивості, тобто проявляє властивості як кислоти так і основи та бере участь у кислотно-основних реакціях.
■ Вода здатна виступати і як відновник, і як окисник, здійснюючи біологічно важливі окисно-відновні реакції обміну речовин.
■ Молекули води полярні, завдяки чому беруть участь у реакціях гідратації, забезпечуючи розчинення багатьох хімічних сполук.
■ Вода бере участь у біологічно важливих реакціях розкладання – реакціях гідролізу.
■ Молекули води здатні дисоціювати на йони: Н2O = Н+ + ОН-.
Особливості будови молекул води. Унікальні властивості води визначаються структурою її молекул.
У молекулі води кожний атом Гідрогену утримується біля атома Оксигену ковалентним зв'язком, енергія якого майже 110 ккал/моль. Завдяки цьому вода є дуже стійкою хімічною сполукою. Водяна пара починає розкладатися на О, і Н, за температури, вищої від 1000 °С.
У молекулі води дві пари електронів із чотирьох утворені ковалентним зв'язком і зміщені до однієї зі сторін молекули з формуванням двох позитивно заряджених полюсів. А дві інші пари залишаються неподіленими і зміщені відносно ядра атома Оксигену до протилежної сторони, де утворюють два негативно заряджені полюси.
Отже, молекули води є полярними.
Завдяки полярності сусідні молекули води можуть взаємодіяти між собою і з молекулами полярних речовин з утворенням водневих зв'язків, які обумовлюють унікальні фізичні властивості та біологічні функції води. Енергія цього зв'язку, порівняно з енергією ковалентного зв'язку, невелика. Вона становить лише 4,5 ккал/ моль, і завдяки тепловому рухові ці зв'язки між молекулами води постійно виникають і розриваються. Водневі зв'язки – це зв'язки між двома ковалентно зв'язаними атомами з великим значенням електронегативності (О, N, F) за посередництвом атома Гідрогену Н. Зазвичай водневий зв'язок позначають трьома крапками і цим зазначають, що він набагато слабкіший; ніж ковалентний зв'язок (приблизно в 15–20 разів).
Водневі зв'язки відіграють визначальну роль в утворенні специфічної кваз і кристалічної структури води. Згідно з сучасними уявленнями, основою будови води є кристалічна ґратка з розмитою тепловим рухом частиною молекул вільної води. Для води у твердому стані характерні молекулярні кристалічні ґратки, оскільки кристали будуються з молекул, зв'язаних одна з одною водневими зв'язками. Саме наявністю елементів кристалічних ґраток, а також дипольністю молекул води і зумовлене дуже велике значення відносної діелектричної проникності води.
Молекули рідкої води здатні до полімеризації або асоціації з утворенням асоціатів (Н2O)n. Утворення найщільніших асоціатів відбувається за +4 *С, чим і пояснюється найбільша густина води за цієї температури. Під час нагрівання водневі зв'язки руйнуються й асоціати починають розщеплюватися, оскільки енергія теплового руху стає більшою від енергії цих зв'язків. Розривання зв'язків потребує багато енергії, звідки й високі температура кипіння та питома теплоємність води. Це має істотне значення для організмів під час коливань температури середовища існування.
Рентгеноструктурним аналізом води встановлено, що й у рідкій воді залишаються фрагменти структури льоду. За температури +20 °С близько 70% молекул перебуває у воді у вигляді агрегатів, які містять у середньому по 57 молекул у кожному. Такі агрегати називають кластерами. Молекули води, що входять до складу кластера, сковані й метаболічно інертні. Активна роль у реакціях обміну речовин належить тільки вільним молекулам води. Якщо кластерів багато, то це призводить до іммобілізації води, тобто до виключення вільної води, обмеження ферментативних процесів і до зниження функціональної активності клітини.
БІОЛОГІЯ+ При дисоціації певних електролітів, у тому числі й води, утворюються йони Н+ і ОН-, від концентрації яких залежить кислотність або основність розчинів, і відповідно, структурні особливості та активність багатьох біомолекул та життєвих процесів. Цю концентрацію вимірюють з використанням водневого показники – рH. pH – від'ємний десятинний логарифм концентрації

Утворення водневого зв'язку

Молекула води
іонів Н+. У чистій воді ця концентрація становить 1-10-7 моль/л (-log 10-7=7). Тому нейтральній реакції рідини відповідає pH 7, кислій-pH <7 і основній -pH > 7. Протяжність шкали pH – від 0 до 14. Значення pH у клітинах слабколужна. Зміна його на одну- дві одиниці згубна для клітини. Сталість pH у клітинах підтримується за рахунок буферних систем, які містять суміш електролітів. Вони складаються зі слабкої кислоти (донора Н+) і спряженої з нею основи (акцептора Н+), які відповідно зв'язують йони H+ та бони ОН-, завдяки чому реакція pH усередині клітини майже не змінюється.
Гідрофільні й гідрофобні сполуки. У молекул води дві пари спільних електронів зміщені до Оксигену, тому електричний заряд всередині молекул розподілений нерівномірно: протони Н+ обумовлюють позитивний заряд на одному полюсі, а пари електронів Оксигену – негативний заряд на протилежному полюсі. Ці заряди є рівними за величиною і розташовані на певній відстані один від одного. Отже, молекула води – це постійний диполь, який може взаємодіяти з носіями позитивних і негативних зарядів. Наявністю полюсів у молекулах води пояснюється здатність води до хімічних реакцій гідратації.
Завдяки своїй полярності молекули води можуть приєднуватися до молекул або йонів розчинних у воді речовин з утворенням гідратів (сполук води з розчиненою речовиною). Ці реакції є екзотермічними і, на відміну від реакцій гідролізу, гідратація не супроводжується утворенням водневих чи гідроксильних йонів.
При взаємодії молекул води з молекулами полярних речовин притягання молекул води до розчинюваної речовини перевищуватиме енергію притягання між молекулами води. Тому молекули або йони таких сполук вбудовуються в загальну систему водневих зв'язків води. Гідрофільні речовини – це полярні речовини, які здатні добре розчинятися у воді. Це розчинні кристалічні солі, моносахариди, певні амінокислоти, нулеїнові кислоти та ін.
У разі взаємодії молекул води з молекулами неполярних речовин енергія притягання молекул води до них буде меншою, ніж енергія водневих зв'язків. Неполярні молекули намагаються ізолюватися від молекул води, вони групуються між собою і витісняються з водного розчину. Гідрофобні речовини – це неполярні речовини, які не розчиняються у воді. Це нерозчинні мінеральні солі, ліпіди, полісахариди, певні білки та ін. Деякі органічні молекули мають подвійні властивості: на одних їхніх ділянках зосереджені полярні групи, на інших – неполярні. Такими є багато білків, фосфоліпіди. їх називають амфіфільними речовинами.

Розподіл молекул води навколо аніона і катіона
Де Карбон, там різноманітність органічних речовин, де Карбон, там найрізноманітніші за молекулярною архітектурою конструкції.
Енциклопедія юного хіміка