Содержание
Вода — это неорганическое жидкое химическое вещество, не имеющее цвета, запаха и вкуса, которое составляет большую часть гидросферы Земли и жидкостей в организме всех живых существ.
- Вода — чрезвычайно важный компонент для существования жизни, поскольку она жизненно важна для всех биологических процессов. Однако, она не имеет калорийности или питательной ценности.
- Вода находится в жидком состоянии при стандартных атмосферных температуре и давлении.
- Занимает 71% всей суши на Земле и около 70% от общей массы тела человека.
- Вода также важна для различных химических процессов, поскольку является универсальным растворителем.
Структура воды
- Химическая формула воды — H 2 O, что указывает на то, что одна молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
- Атомы в молекуле воды связаны друг с другом полярными ковалентными связями. Сама по себе молекула электрически нейтральна, но полярна с отрицательными и положительными зарядами, локализованными в разных областях.
В газовой фазе
- В молекуле воды s- и p-орбитали валентной оболочки sp 3 гибридизуются с образованием четырех гибридных sp 3 орбиталей, тетраэдрически ориентированных вокруг атома кислорода.
- Две гибридные орбитали заняты поодиночке, а неподеленные пары электронов занимают две другие.
- Каждая отдельная занятая sp 3 -орбиталь перекрывается наполовину заполненной орбиталью атома H.
- В результате атом кислорода связан с двумя атомами водорода двумя ковалентными связями ОН, и на атоме кислорода находятся две неподеленные пары электронов.
- Структура молекулы воды имеет угловатую изогнутую структуру.
- Молекула воды полярна, потому что кислород более электроотрицателен, чем водород. Таким образом, атом кислорода притягивает к себе общие электроны.
- В результате на атоме кислорода развивается частичный отрицательный заряд, а у атома водорода — частичный положительный заряд.
В жидкой фазе
- В жидкой фазе молекулы воды удерживаются вместе межмолекулярными водородными связями.
- Одна молекула воды способна образовывать четыре водородные связи, поскольку она может образовывать две связи с неподеленной парой кислорода и отдавать два электрона водороду.
- В воде образование четырех водородных связей приводит к межмолекулярной тетраэдрической структуре, образующей открытую структуру и трехмерную сетку связей.
В твердой фазе
- Твердая форма воды — это лед, который может существовать в различных кристаллических формах в зависимости от условий замерзания воды.
- В обычном гексагональном льду каждый атом кислорода тетраэдрически окружен четырьмя другими атомами кислорода, тогда как один атом водорода находится между каждой парой кислорода.
- Таким образом, каждый атом водорода ковалентно связан с одним атомом кислорода и связан с другим атомом кислорода водородной связью.
- Такое расположение вызывает упаковку атомов с большими открытыми пространствами, что приводит к уменьшению плотности льда по сравнению с жидкой водой.
- Когда лед тает, некоторые водородные связи разрываются, и молекулы воды становятся более плотными.
Водородная связь в воде
- Благодаря полярности молекул воды они способны притягивать друг друга. Эти взаимодействия представляют собой слабые притяжения, называемые водородными связями.
- Водородная связь в воде — это слабое взаимодействие между частично положительным атомом водорода и частично отрицательным атомом кислорода.
- Водородная связь в воде является межмолекулярной и происходит между двумя атомами двух разных молекул.
- Одна молекула воды способна образовывать четыре водородные связи, поскольку она может образовывать две связи с неподеленной парой кислорода и отдавать два электрона водороду.
- В воде образование четырех водородных связей приводит к межмолекулярной тетраэдрической структуре, образующей открытую структуру и трехмерную сетку связей.
- Структура, образованная после образования водородных связей, приводит к тому, что коллективное основное состояние жидкой воды имеет энергию ниже, чем основное состояние в отдельных газообразных молекулах.
- Это создает стабильную структуру молекул воды в жидкой воде.
- Водородная связь, образованная в воде, является слабой, и ее прочность составляет одну двадцатую от силы ковалентной связи ОН.
- Срок службы этих связей также очень короткий, и они непрерывно разрываются и образуются в течение коротких периодов времени. Таким образом, в жидкой воде поддерживается динамическое равновесие.
- Точно так же все молекулы воды в жидкой воде имеют по крайней мере одну водородную связь с соседней молекулой воды, при этом свободные молекулы воды практически отсутствуют.
Характеристики / Свойства воды
Физические свойства воды
- Чистая вода — это прозрачная бесцветная жидкость без запаха, которая легко улавливает аромат любого растворенного в ней вещества.
- Температура замерзания, температура кипения, энтальпия плавления и энтальпия испарения воды выше по сравнению с гидридами других членов той же группы из-за межмолекулярных водородных связей между молекулами.
- Вода имеет высокий дипольный момент, что делает ее идеальной средой для растворения самых разных соединений.
- Высокая удельная теплоемкость воды позволяет ей поглощать тепло различных биохимических и физиологических реакций, происходящих внутри тела, с минимальным повышением температуры.
- Вода плохо проводит тепло и электричество, но добавление небольшого количества кислоты или щелочи делает ее электропроводящей.
Вода как растворитель
- Воду также называют универсальным растворителем из-за ее способности растворять самые разные вещества.
- Эта способность обусловлена интенсивной водородной связью и полярностью молекул воды.
- Полярность воды заставляет воду вести себя по-разному с полярными и неполярными соединениями.
- Полярные молекулы воды могут образовывать слабые электростатические взаимодействия с другими полярными молекулами и ионами.
- Таким образом, полярные молекулы и ионы взаимодействуют с частично положительными и частично отрицательными концами воды, причем положительные заряды притягивают отрицательные заряды.
- Когда количество молекул воды в растворе больше, чем молекул растворенного вещества, взаимодействия приводят к образованию трехмерной водной сферы, называемой гидратной оболочкой, вокруг молекул растворенного вещества.
- Формирование гидратной оболочки обеспечивает равномерное диспергирование молекул растворенного вещества по всему раствору.
- Однако неполярные молекулы не взаимодействуют с водой и не образуют гидратных оболочек из-за отсутствия заряженных взаимодействий.
Высокая удельная теплоемкость
- Благодаря интенсивной водородной связи вода имеет очень высокую удельную теплоемкость и высокую теплоту испарения.
- Эти свойства позволяют воде смягчать климат и температуру Земли, смягчая большие колебания температуры.
- Аналогичный процесс происходит в организме, где вода предотвращает быстрое повышение температуры тела в результате различных биохимических реакций.
- Скрытая теплота плавления и испарения воды также высока, что предотвращает таяние ледников и дрейфующих льдов.
Аномальное расширение воды
- Аномальное расширение воды — это ненормальное свойство воды, когда вода расширяется, а не сжимается, когда температура повышается с 4 ° C до 0 ° C.
- Таким образом, плотность воды максимальна при 4 ° C и уменьшается с понижением температуры.
- Это свойство воды является следствием того, что молекулы воды в замерзающем состоянии удерживаются вместе притяжением HO, а не притяжением OO.
- Но поскольку взаимодействие HO не такое сильное, как взаимодействие OO, при замерзании наблюдается небольшое расширение воды.
Биологические функции воды
Некоторые биологические функции воды перечислены ниже:
- Вода — это жизненно важная жидкость организма, которая необходима для регулирования таких процессов, как пищеварение, транспортировка питательных веществ и экскреция. Вода растворяет ионные и полярные органические соединения и позволяет транспортировать продукты пищеварения к нужным местам в организме.
- Вода регулирует температуру тела за счет потоотделения и испарения.
- Вода является средой для всех метаболических реакций в организме, поскольку все метаболические реакции в организме происходят в фазе растворения.
- Вода также обеспечивает среду обитания для различных животных в виде прудов, рек, морей и т. д.
- Вода необходима для прорастания семян и процесса фотосинтеза, с помощью которого растения готовят себе пищу.
- Вода — это среда для переноса минералов из почвы в различные части растений.
- Вода помогает поддерживать структуру растений, обеспечивая соответствующее давление на ткани растения.
- Вода также способствует образованию различных биологических мембран, взаимодействуя с различными органическими соединениями.
- Вода также влияет на основные компоненты всех клеток, такие как ДНК и белки, где водородные связи регулируют сворачивание белков и нуклеиновых кислот.
- Структура двойной спирали ДНК также поддерживается молекулами воды, которые упорядоченно окружают ДНК.