Что делает воду такой необходимой всему живому? 75% от веса среднестатистической клетки - это, доложу я вам, рейтинг! Предположу: причина в строении её молекулы. В чём же ещё?
Молекула воды - Н2О - куда уж проще - один атом кислорода и два водорода, а при этом куча уникальных свойств. Как так получается? Спросим Дмитрия Ивановича Менделеева: что особенного в атомах кислорода и водорода? И неужели всё дело в них? Дмитрий Иванович соглашается и кивает на свою Таблицу. Смотрим внимательно:
Нашли в Таблице место элемента водорода (Н)? Легко, он самый первый, в первой группе. А где элемент кислород (О)? В шестой. Это уже кое о чём говорит тому, кто с химией знаком хотя бы в объёме основной школы. Говорит, что кислород более электроотрицателен, чем водород. То есть ядро кислорода способно сильнее к себе притягивать электроны, чем ядро водорода. И что с того?
Посмотрим на атомы кислорода и водорода в тот момент, когда они вступили в химическую связь. Сделали они это, протянув друг другу свои руки электроны: один электрон от кислорода, второй - от водорода. Мол, теперь это не твоё и моё, а наше - общее! Однако, образно говоря, отношения в этой паре получились неравноправными - кислород потащил на себя одеяло перетянул поближе к себе оба электрона из пары. Этот электроотрицательный тиран так поступил в связи и с первым, и со вторым атомами водорода.
И теперь атом кислорода в молекуле воды заряжен частично отрицательно (наглости целиком забрать чужой электрон не хватило), а оба атома водорода - частично положительно. Частичные заряды обозначаются греческой дельтой, а стрелки при обозначении связей указывают, куда оттянута электронная плотность:
Получается, что разные участки молекулы воды заряжены по разному. Вот в этом-то и причина удивительных свойств воды, каких и не ожидается от столь простого вещества.
Два важных следствия, вытекающих из полярности молекулы воды
Первое - разнозаряженные стороны соседних молекул воды притягиваются друг другу. Это чистая физика - разноимённые заряды притягиваются. При этом между молекулами возникают водородные связи. Связи эти гораздо слабее прочих, и ковалентных, и ионных, но тем не менее они есть, и они удерживают молекулы воды рядом друг с другом, не давая им очень уж легко отрываться.
Второе - молекула воды из-за разной заряженности своих участков является диполем, то есть частицей с одной своей стороны несущей положительный заряд, а с другой - отрицательный.
Спасибо водородным связям!
За что? За когезию и адгезию воды! Сейчас всё о них расскажу.
Когезия
Когезия - сцепление молекул друг с другом
Ну а как им не сцепиться? Невидимые "верёвочки" тянутся от атома водорода одной молекулы воды к атому кислорода другой. И вот уже целая сеть таких "верёвочек" в капле, в стакане, в луже, в реке, в море, в океане...
Что даёт когезия?
1️⃣ Очень высокое поверхностное натяжение. Выше только у ртути. Это из-за водородной сети, как бы плёнки, на поверхности любого объёма воды. Отсюда и возможность бегать прямо по воде, которой удивляют нас некоторые не самые крупные представители царства животных (клопы водомерки, например, и даже некоторые не особо крупные ящерицы, улепётывающие от опасности, шлёпая прямо по водоёму). Водородная сеть, как сеть батута, но с очень-очень-очень мелкими ячейками, удерживает этих умельцев ходить по воде, как по суху. Иные приспособились прилепляться к поверхностной плёнке воды снизу. Так делают личинки и куколки комаров, зацепившись за водородную сеть дыхальцами, так поступают и моллюски прудовики, ползая вниз головой прямо по границе, отделяющей водную среду от наземно-воздушной.
Клетка приобретает свойственную ей форму тоже благодаря поверхностному натяжению воды в её цитоплазме.
2️⃣ Несжимаемость-упругость. Про водную мебель знаете? Это у живой природы подсмотрено. Гидроскелет червей и иглокожих выполняет свою опорно-амортизирующую функцию не хуже водного дивана.
И у любой клетки, кстати, тоже есть скелет - цитоскелет. И он тоже водный. Упругость клетки, её наполненность объёмом, называется тургор. Хороший тургор - отличный признак - в клетке достаточно воды, клетка молода и здорова!
3️⃣ Аномально высокая теплоёмкость. Как эта аномальность проявляется? Чтобы нагреть воду на 1 градус, необходимо затратить в два раза больше энергии, чем на нагревание на тот же 1 градус такого же объёма масла, в четыре раза больше энергии, чем на нагревание такого же объёма дерева, стекла или камня, и в 10 раз больше энергии, чем на нагревание такого же объёма металла.
Почему так? Чтобы нагреть тело, нужно растолкать-раскачать частицы (молекулы-атомы), из которых оно состоит. А попробуй раскачай молекулу, зафиксированную в определённом положении с помощью натянутых "верёвок"-водородных связей. С одного тыка точно не получится.
Что даёт аномально высокая теплоёмкость? Очень медленное нагревание и такое же очень медленное остывание. А с ними защиту клетки от перегрева и переохлаждения. Согласитесь, для домика, у которого стены начинают плавиться уже при + 42 градусах (такова температура денатурация белков и утрата ими своих функций), это большое благо.
4️⃣ Высокая теплопроводность. Однако если уж одну молекулу в сети получится раскачать, то волна распространится, и достаточно быстро распространится, по всему водному "батуту". Такова природа высокой теплопроводности. А это тоже неплохо, поскольку обещает равномерный прогрев, а не искры в каком-то одном месте.
5️⃣ Аномально высокая температура испарения. Да, аномальная. Ближайший аналог воды - сероводород (Н2S) - при комнатной температуре уже газ, а тут сиди-жди, когда ещё чайник вскипит...
Почему так? Так ведь переход из жидкого агрегатного состояния в газообразное происходит тогда, когда молекулы настолько раскачаются под действием толчков и пинков сообщённой им извне энергии, что даже отрываются от своих собратьев и улетают. Как много нужно энергии извне для суперраскачки с последующим отрыванием для повязанных с соседками молекул воды, смотрите в пункте "Аномально высокая теплоёмкость".
Как из этого свойства извлечь выгоду организмам? Вода, когда она-таки испаряется, забирает у тела, с поверхности которого стартуют её молекулы, много энергии. Понятно теперь, почему мы остываем, потея? А у растений для самоохлаждения - транспирация - испарение воды листьями.
6️⃣ Текучесть. Ну, тут всё предельно ясно - потянулась одна молекула воды, а за нею и остальные, за водородную "верёвочку" привязанные. Вода течет по кровеносным и лимфатическим сосудам, по ксилеме и флоэме растений. И не просто течёт, а транспортирует при этом всё, что в неё загрузили-растворили.
А теперь про адгезию
Адгезия - прилипание молекул к поверхностям
7️⃣ Вертикальное движение по тонким капиллярам - вот чего не было бы, не будь адгезии у воды.
Как это получается? Уж коль одна молекула воды оказалась случайно заброшенной на стенку капилляра, так она тут же за уже неоднократно упомянутую "верёвочку" подтянет и ближайшие молекулы.
Конечно, вертикальное движение воды по тонким трубочкам в теле организмов не одна адгезия обеспечивает. Ещё спасибо нужно сказать и корневому давлению с транспирацией у растений, и насосу-сердцу у животных. Однако и адгезия в этом деле весьма важна.
Спасибо воде за то, что она диполь!
А диполи - они ведь такие. Они своими отрицательными и положительными концами способны притягиваться к другим заряженным частицам. Со всеми вытекающими...
И что же из этого вытекает хорошего для нас - организмов?
8️⃣ А то, что вода способна растворять вещества. Причём очень многие. Это приводит к тому, что жизнь как в воде зародилась, так в воде по прежнему и протекает. Ведь жизнь невозможна без клетки, а в клетке какая среда? Водная. То-то.
Как происходит растворение? Водные диполи окружают полярную молекулу. Свои отрицательно заряженные концы они ориентируют напротив положительно заряженного участка этой молекулы, а положительно заряженные - напротив отрицательного. Затем эти же диполи начинают растягивать заряженные участки выбранной ими молекулы в разные стороны, пока не оторвут их друг от друга.
В воде хорошо растворимы соединения именно с ионной или с ковалетно-полярной связью, их можно растащить на ионы. Таких называют гидрофильными (от греч. hydro - вода и phileo- люблю) - любящими воду. Это спирты, некоторые сахара, соли, витамины С и В. Прежде чем вступить в какую-либо метаболическую реакцию многие вещества сначала растворяются в воде.
Однако есть и гидрофобные (греч. fobos - страх) - как бы боящиеся воды вещества в клетке. Жиры, масла, витамины А, D, Е. Ну а как без гидрофобных веществ? Ни тебе ядра, ни митохондрий, ни комплекса Гольджи с лизосомами! Всё, как сахарное, растворилось в цитоплазменной жидкости? Нет уж, гидрофобные строительные компоненты органоидов позволяют им сохранять свою структуру в водной среде. Так что оба явления, и гидрофильность, и гидрофобность, важны для жизни.
Есть ещё и амфифильные (греч. amphi - между). Эти и нашим, и вашим. У этих молекул один конец водорастворим, а другой - нет. К ним, к примеру, относятся фосфолипиды - основной стройматериал для всех клеточных мембран.
9️⃣ Гидролиз - разложение веществ водой - так же происходит с участием диполей, растаскивающих молекулу вещества на ионы.
Без гидролиза белки не распадались бы на аминокислоты, крахмал на глюкозу, и много ещё каких важных химических реакций не происходило бы в организме. А без аминокислот из чего клетке свои личные белки строить? А без глюкозы откуда энергию брать?
🔟 А ещё диполи воды конформируют молекулы других веществ. То есть помогают им приобрести компактную форму, чтобы другим не менее уважаемым молекулам не мешали. Без электро-магнитных воздействий диполей на молекулы конформация не обходится.
Итак,
я рассказала вам про десять свойств-способностей воды, благодаря которым мы живы.
Все эти свойства-способности обеспечивают воде возможность выполнять её функции:
1. ОПОРНУЮ - 1️⃣ очень высокое поверхностное натяжение, 2️⃣ несжимаемость-упругость.
2. ТЕРМОРЕГУЛЯТОРНУЮ - 3️⃣ аномально высокая теплоёмкость, 4️⃣ высокая теплопроводность, 5️⃣ аномально высокая температура испарения.
3. ТРАНСПОРТНУЮ - 6️⃣ текучесть, 7️⃣ вертикальное движение по тонким капиллярам.
4. СРЕДООБРАЗУЮЩУЮ - 8️⃣ способность растворять вещества.
5. ХИМИЧЕСКИ-РЕАКТИВНУЮ - 9️⃣ способность принимать участие в химических реакциях, например, гидролиза.
6. КОНФОРМАТОРНУЮ - 🔟 способность конформировать молекулы.
А в качестве обещанного подарка коллегам у меня сегодня опорный конспект "Вода" для 10 класса: