Какие особенности строения молекулы воды обеспечивают ее свойства
Вода — неорганическое вещество, молекулы которого состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Количество воды неодинакова в разных организмах. Больше всего воды содержит тело медуз (95-98%), водоросли (более 80%), меньше всего ее у насекомых (40-50%), слоевища лишайников (5-7%). В теле млекопитающих в среднем 75% воды, в том числе у человека — 60-65% массы тела. Количество воды неодинакова и в различных тканях и органах одного и того же организма. Например, у человека содержание воды в тканях и органах таков: кровь (83,0%), почки (82,7%), сердце (79,2%), легкие (79,0%), мышцы (75 6%), мозг (74,8%), кожа (72,0%), скелет (22,0%), жировая ткань (10,0%).
Большая часть воды (70% объема) находится в клетках тела в свободном и связанном виде, меньшая часть (30% объема) — перемещается во внеклеточном пространстве организма и находится в свободном состоянии. Связанная вода (4 5%) бывает осмотически связанной (вода в связях с ионами и низкомолекулярными соединениями), коллоидно связанной (вода в связях как с внутренними, так и с расположенными на поверхности химическими группами высокомолекулярных соединений) и структурно свя связанной (вода в замкнутом пространстве высокомолекулярных биополимеров сложной структуры). Свободная вода (95-96%) является универсальным растворителем.
Значение воды . Количественно вода занимает первое место среди химических соединений любой которой клетки. Наличие воды является обязательным условием жизнедеятельности организмов. Какие же функции выполняет в биосистемах эта самая распространенная на Земле вещество?
• Вода — универсальный растворитель для ионных и многих ковалентных соединений, обеспечивает протекание химических реакций, транспорт веществ в клетку и из клетки.
• Вода — реагент, при участии которого в клетках происходят реакции гидролиза и гидратации, окислительно-восстановительные и кислотно-основные реакции.
• Вода — теплорегулятор, поддерживает оптимальный тепловой режим организмов и обеспечивает равномерное распределение тепла в живых системах.
• Вода — осморегулятора, что обеспечивает форму клеток, транспорт неорганических веществ.
• Вода — опора, обеспечивает упругий состояние клеток (тургор), выступает амортизатором от механических воздействий на организм, выполняет функцию гидроскелет у многих животных.
• Вода — средство транспорта, осуществляет связь в клетках, между клетками, тканями, органами и обеспечивает гомеостаз и функционирование организма как единого целого.
• Вода — среда обитания для водных организмов, в нем осуществляются пассивное движение, внешнее оплодотворение, распространение семян, гамет и личиночных стадий наземных организмов.
• Вода — конформатор, имеет большое значение в организации пространственной структуры (конформации) биополимеров.
Свойства воды. Роль воды в биосистемах определяется ее физико-химическими свойствами.
■ Для чистой воды характерны прозрачность, отсутствие вкуса, цвета, запаха. Природная вода всегда содержит различные примеси: растворенные вещества в виде ионов, нерастворенные вещества — в виде суспензии. Вода — единственное вещество на Земле, которая одновременно и в большом количестве встречается в жидком, твердом и газообразном состояниях.
■ Плотность воды при температуре 4 ° С является максимальной и составляет 1 г / см3. С понижением температуры плотность уменьшается, поэтому лед плавает на поверхности воды.
■ Вода имеет аномально высокие удельную теплоемкость (4,17 Дж / ГК), теплоту испарения (при температуре 100 ° С — 2253 Дж / г), теплоту таяния (при температуре 0 ° С — 333,98 Дж / г).
■ Воде свойственный исключительно большое поверхностное натяжение за счет мощных сил сцепления (когезии), связанных с образованием водородных связей между молекулами.
■ Для воды характерное свойство прилипания (адгезии), которая проявляется в случае поднятия ее против гравитационных сил.
■ Воде в жидком состоянии свойственна текучись, нестискуванисть, чем обусловлены явления осмоса и тургора.
■ Вода обладает амфотерными свойствами, то есть проявляет свойства как кислоты так и основы и участвует в кислотно-основных реакциях.
■ Вода способна выступать и как восстановитель, и как окислитель, осуществляя биологически важные окислительно-восстановительные реакции обмена веществ.
■ Молекулы воды полярны, благодаря чему участвуют в реакциях гидратации, обеспечивая растворения многих химических соединений.
■ Вода участвует в биологически важных реакциях разложения — реакциях гидролиза.
■ Молекулы воды способны диссоциировать на ионы: Н2О = Н + + ОН.
Особенности строения молекул воды. Уникальные свойства воды определяются структурой ее молекул.
В молекуле воды каждый атом водорода содержится у атома кислорода ковалентной связью, энергия которого почти 110 ккал / моль. Благодаря этому вода является очень стойкой химическим соединением. Водяной пар начинает разлагаться на О, и Н, при температуре, выше 1000 ° С.
В молекуле воды две пары электронов из четырех образованные ковалентной связью и смещены к одной из сторон молекулы с формированием двух положительно заряженных полюсов. А две другие пары остаются неразделенными и смещены относительно ядра атома кислорода к противоположной стороне, где образуют два отрицательно заряженные полюса.
Итак, молекулы воды являются полярными.
Благодаря полярности соседние молекулы воды могут взаимодействовать между собой и с молекулами полярных веществ с образованием водородных связей, обуславливающих уникальные физические свойства и биологические функции воды. Энергия этой связи, по сравнению с энергией ковалентной связи, невелика. Она составляет всего 4,5 ккал / моль, и благодаря тепловому движению эти связи между молекулами воды постоянно возникают и разрываются. Водородные связи — это связи между двумя ковалентно связанными атомами с большим значением электроотрицательности ( О, N , F ) посредством атома водорода Н. Обычно водородная связь обозначают тремя точками и этим отмечают , что он намного слабее ; чем ковалентная связь ( примерно в 15-20 раз ).
Водородные связи играют определяющую роль в образовании специфической квази и кристаллической структуры воды. Согласно современным представлениям, основой строения воды является кристаллическая решетка с размытой тепловым движением частью молекул свободной воды. Для воды в твердом состоянии характерные молекулярные кристаллические решетки, поскольку кристаллы строятся из молекул, связанных друг с другом водородными связями. Именно наличием элементов кристаллической решетки, а также дипольнистю молекул воды и обусловлено очень большое значение относительной диэлектрической проницаемости воды.
Молекулы жидкой воды способны к полимеризации или ассоциации с образованием ассоциатов (Н2О) n. Образование плотных ассоциатов происходит +4 С, чем и объясняется большое плотность воды при этой температуре. При нагревании водородные связи разрушаются и ассоциаты начинают расщепляться, поскольку энергия теплового движения становится больше от энергии этих связей. Разрыва связей требует много энергии, откуда и высокие температура кипения и удельная теплоемкость воды. Это имеет существенное значение для организмов во время колебаний температуры среды обитания.
Рентгеноструктурный анализ воды установлено, что и в жидкой воде остаются фрагменты структуры льда. При температуре 20 ° С около 70% молекул находится в воде в виде агрегатов, содержащих в среднем по 57 молекул в каждом. Такие агрегаты называют кластерами. Молекулы воды, входящих в состав кластера, скованные и метаболически инертные. Активная роль в реакциях обмена веществ принадлежит только свободным молекулам воды. Если кластеров много, то это приводит к иммобилизации воды, то есть к исключению свободной воды, ограничения ферментативных процессов и к снижению функциональной активности клетки.
БИОЛОГИЯ + При диссоциации определенных электролитов, в том числе и воды, образуются ионы Н + и ОН — , от концентрации которых зависит кислотность или основность растворов и, соответственно, структурные особенности и активность многих биомолекул и жизненных процессов. Эту концентрацию измеряют с использованием водородного показателя — рН . pH — отрицательный десятинный логарифм концентрации
Образование водородной связи
молекула воды
ионов Н + . В чистой воде эта концентрация составляет 1-10 -7 моль / л ( -log 10 -7 = 7 ) . Поэтому нейтральной реакции воды соответствует pH 7, кислой-pH <7 и основной -pH> 7. Протяженность шкалы pH — от 0 до 14. Значение pH в клетках слабощелочная. Изменение его на одну-две единицы губительна для клетки. Постоянство pH в клетках поддерживается за счет буферных систем, которые содержат смесь электролитов. Они состоят из слабой кислоты ( донора Н +) и сопряженной с ней основы ( акцептора Н +) , которые в соответствии связывают ионы H + и боны ОН — , благодаря чему реакция pH внутри клетки почти не меняется.
Гидрофильные и гидрофобные соединения. В молекул воды две пары совместных электронов смещены к кислорода, поэтому электрический заряд внутри молекул распределен неравномерно: протоны Н + обусловливают положительный заряд на одном полюсе, а пары электронов кислорода — отрицательный заряд на противоположном полюсе. Эти заряды равны по величине и расположены на определенном расстоянии друг от друга. Итак, молекула воды — это постоянный диполь, который может взаимодействовать с носителями положительных и отрицательных зарядов. Наличием полюсов в молекулах воды объясняется способность воды к химическим реакциям гидратации.
Благодаря своей полярности молекулы воды могут присоединяться к молекулам или ионов растворимых в воде веществ с образованием гидратов (соединений воды с растворенным веществом). Эти реакции являются экзотермическими и, в отличие от реакций гидролиза, гидратация не сопровождается образованием водородных или гидроксильных ионов.
При взаимодействии молекул воды с молекулами полярных веществ притяжения молекул воды к розчинюванои вещества превышать энергию притяжения между молекулами воды. Поэтому молекулы или ионы таких соединений встраиваются в общую систему водородных связей воды. Гидрофильные вещества — это полярные вещества, которые способны хорошо растворяться в воде. Это растворимые кристаллические соли, моносахариды, определенные аминокислоты, нулеинови кислоты и др.
В случае взаимодействия молекул воды с молекулами неполярных веществ энергия притяжения молекул воды в них будет меньше, чем энергия водородных связей. Неполярные молекулы пытаются изолироваться от молекул воды, они группируются между собой и вытесняются из водного раствора. Гидрофобные вещества — это неполярные вещества, которые не растворяются в воде. Это нерастворимые минеральные соли, липиды, полисахариды, определенные белки и др. Некоторые органические молекулы имеют двойные свойства: на одних их участках сосредоточены полярные группы, на других — неполярные. Таковы многие белки, фосфолипиды. их называют амфифильных веществами.
Распределение молекул воды вокруг аниона и катиона
Где Карбон, там разнообразие органических веществ, где Карбон, там самые разнообразные по молекулярной архитектурой конструкции.
Энциклопедия юного химика
1. Один атом кислорода в воде соединен ковалентными связями с парой атомов водорода. Поэтому каждый атом водорода приобретает частично положительный заряд, а атом кислорода частично отрицательный.
2. Между отрицательно заряженным атомом кислорода одной молекулы воды и положительно заряженным атомом водорода другой молекулы имеется водородная связь. Потому молекулы воды и связаны друг с другом.
3. Водородные связи легко разрушаются — они в 20 раз слабее ковалентных связей. Поэтому молекулы воды подвижны в клетке и организме.
4. Водородные связи также обусловливают высокую температуру кипения воды, теплоемкость
(способность поглощать тепло при минимальном колебании собственной температуры).
Роль воды в живой системе — клетке
1. Молекула воды — это диполь, так как в области атомов водорода преобладает заряд положительный, а в области атома кислорода выше плотность отрицательного заряда.
2. Угол связи H-O-H в молекуле воды составляет 104,5 градуса, поэтому положительный и отрицательный заряды сосредоточены на разных концах молекулы. И именно поэтому вода — прекрасный растворитель полярных веществ.
3. Вода вообще является универсальным растворителем благодаря своей способности образовывать гидраты.
4. Вода способна на ориентирование в электрическом поле, она может присоединиться к различным молекулам и участкам молекул, несущим заряд, — при этом образуются гидраты. Если силы притяжения внутри молекулы воды меньше, чем силы притяжения молекул воды к молекулам иного вещества, это вещество растворятся в воде.
5. Поэтому выделяют гидрофильные вещества — они хорошо растворимы в воде: соли, щелочи, кислоты. Данные вещества диссоциируют на заряженные частицы — катионы и анионы. Молекулы воды взаимодействуют с ними.
6. Кроме полярных соединений к гидрофильным веществам относятся также сахара, аминокислоты, спирты — неполярные соединения, в составе которых имеются полярные группы (OH, различные радикалы).
7. Гидрофобные вещества — с трудом или вовсе не растворяются в воде. К ним относятся жиры, жироподобные вещества, бензин, парафин, каучук. Жироподобные вещества находятся, например, внутри клеточных мембран, ограничивая исход растворенных веществ из клетки в окружающую среду и проникновение обратно.
8. Вода — участник многих реакций в клетке, ведь большинство реакций идут как раз в водном растворе. Белки, липиды, углеводы и другие органические вещества расщепляются в результате работы ферментов и взаимодействия с водой до более простых веществ в результате реакций гидролиза.
9. В связи с высокой теплоемкостью вода отлично поддерживает тепловое равновесие в клетке, и при сильном повышении температуры среды вода нагревается медленно, но долго сохраняет тепло. Организмы защищены водой от резких колебаний температуры окружающей среды, поэтому процессы обмена веществ могут происходить в стабильных условиях.
10. Вода имеет относительно высокую для жидкостей теплопроводность. Тепло равномерно распределяется по всему объему воды в клетке, препятствуя перегреванию в отдельных точках.
11. Испарение
воды обеспечивает охлаждение именно всей поверхности клетки, так как на разрыв водородных связей тратится энергия. Таким образом, вода участвует в терморегуляции.
12. Вода — источник кислорода, который растения выделяют в атмосферу.
13. Вода — источник водорода, который используется для синтеза органических веществ растениями.
14. Вода — среда для транспорта веществ
в организме. Она обеспечивает ток лимфы и крови, восходящие и нисходящие токи растворов по древесине и лубу у растений. В клетках вещества, растворенные в воде, транспортируются через клеточные мембраны. Транспортные функции воды обеспечиваются ее низкой вязкостью и высокой подвижностью.
15. В клетке различают воду свободную (ее 90 процентов) и связанную (10 процентов). Связанная вода участвует в образовании макромолекул и никогда не теряется живой клеткой. Вода определяет объем и тургор клеток и тканей. Тургор
— напряженное состояние плазматической мембраны, вызванное давлением воды внутри клетки.
16. Вода характеризуется высоким поверхностным натяжением — этим обеспечивается сцепление ее молекул. Благодаря такому свойству молекулы воды передвигаются по проводящим тканям растений, а также некоторые животные двигаются по поверхности воды. Например, клоп-водомерка при передвижении использует именно поверхностное натяжение воды. На первой и третьей паре ног у него есть специальные волоски, которые не продавливают слой воды, а держат жука на поверхности.
17. При замерзании воды ее объем возрастает, а плотность уменьшается, поэтому вода в виде льда всплывает на поверхность водоема. Максимальную плотность вода имеет при температуре 4 градуса, а при 0 она имеет меньшую плотность. Зимой часть воды в реках превращается в более легкий лед, который всплывает на поверхность и создает защиту для речных обитателей, препятствуя промерзанию толщи воды. При этом более теплая и плотная вода (с температурой не ниже 4 градусов) концентрируется под покровом льда, создавая условия для выживания водных животных. Поздней осенью, при понижении температуры ниже 4 градусов в клетках растений образуются кристаллы льда и они погибают. Чтобы выжить, многие растения накапливают в тканях белки и сахара, благодаря чему вода с растворенными в ней органическими веществами не замерзает, и растения благополучно переносят холода.