Навігація
Головна
ПОСЛУГИ
Авторизація/Реєстрація
Реклама на сайті
 
Головна arrow Природознавство arrow Біологія
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

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.
  • Водареагент, за участю якого в клітинах відбуваються реакції гідролізу та гідратації, окисно-відновні та кислотно-основні реакції.
  • Водатеплорегулятор, підтримує оптимальний тепловий режим організмів і забезпечує рівномірний розподіл теплоти в живих системах.
  • Водаосморегулятор, що забезпечує форму клітин, транспорт неорганічних речовин.
  • Водаопора, забезпечує пружний стан клітин (тургор), виступає амортизатором від механічних впливів на організм, виконує функцію гідроскелету в багатьох тварин.
  • Водазасіб транспорту, здійснює зв'язок в клітинах, між клітинами, тканинами, органами і забезпечує гомеостаз та функціонування організму як єдиного цілого.
  • Водасередовище існування для водних організмів, у ньому здійснюються пасивний рух, зовнішнє запліднення, поширення насіння, гамет і личинкових стадій наземних організмів.
  • Водаконформатор, 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'язкице 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

Утворення водневого зв'язку

Молекула води

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

Розподіл молекул води навколо аніона і катіона

Де Карбон, там різноманітність органічних речовин, де Карбон, там найрізноманітніші за молекулярною архітектурою конструкції.

Енциклопедія юного хіміка

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Банківська справа
БЖД
Бухоблік та Аудит
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Менеджмент
Нерухомість
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
РПС
Соціологія
Статистика
Страхова справа
Техніка
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Інші