Вода и ее биологическое значение

Автор: Григенча Таисия Николаевна

Дата публикации: 26.05.2017

Номер материала: 7889

Скачать
Конспекты, Рабочие программы, Прочие методические материалы
Химия, Биология
10, 11 Классы

Реферат по дисциплине:

«Общая, неорганическая и органическая химия »

 По теме:

«Вода, ее биологическое значение»

 Исполнитель:

_Григенча Таисия Николаевна

(ФИО)

 2017 год

Содержание

Введение …………………………………………………………… 3 - 4

Состав воды………………………………………………………… 5 - 6

Молекулярно-кинетическая теория вещества и воды…………… 6 - 8

Молекулярная структура воды…………………………………….. 9 – 12

Фазовые переходы воды…………………………………………….12 - 13

Биологическая активность воды……………………………………14

Заключение…………………………………………………………...15

Список литературы…………………………………………………...16

Введение

Вода - сок жизни. Такое определение дал воде Леонардо да Винчи. В воде зародилась жизнь, без воды не возможно вообще существование - ни растений, ни животных, ни людей. Академик Ферсман назвал воду " самым важным минералом на земле, без которого нет жизни". Вода - это величайшая ценность не только для жителей пустыни, но и для каждого человека. Восточная поговорка гласит: "Где вода, там жизнь. Где кончается вода, там кончается земля". Вода входит в состав всех живых организмов, причём в целом в них содержится лишь вдвое меньше воды, чем во всех реках Земли. По словам французского биолога Э. Дюбуа-Реймона, живой организм есть l'eau animée (одушевлённая вода). Вода – источник жизни на Земле, великая природная ценность, покрывающая 71% поверхности нашей планеты, самое распространенное химическое соединение и необходимая основа для существования всего живого на планете. На Земле нет других веществ, наделенных способностью быть жидкостью при температурах существования человека и при этом образовывать газ не только легче воздуха, но и способный возвращаться к её поверхности в виде осадков.  

Высокое содержание в растениях (до 90%) и в теле человека (около 70%) лишь подтверждает важность этого компонента, не имеющего вкуса, запаха и цвета.

Биологические функции воды:

  1. транспортная -  вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма.
  2.  вода является средой для всех биохимических реакций,
  3. вода является донором электронов при фотосинтезе;
  4. она необходима для гидролиза макромолекул до их мономеров,

5) вода участвует в образовании смазывающих жидкостей и слизей,    секретов и соков в организме.
6)
благодаря своей высокой теплоемкости вода поглощает тепло и тем самым предотвращает резкие колебания температуры в клетке.

    Вода имеет максимальную плотность при 4°С. Лед, обладающий меньшей плотностью, легче воды и плавает на ее поверхности, что защищает водоем от промерзания. Это свойство воды спасает жизнь многим водным организмам. Свойства воды постоянно изменяются в пространстве и во времени. Свойства воды внутри объема, у поверхности (граница с воздухом) и у стенки сосуда сильно различаются, так как у стенки сосуда вода приобретает свойства связанной воды. Свойства воды будут различаться, если вода находится в сосудах из разных материалов (стекло, пластик, металл). Свойства воды в тонком капилляре и в тонком слое (в пленке) будут сильно отличаться от свойств воды в большом объеме. При проведении измерений с высокой точностью свойства воды окажутся зависимыми  от времени года, светит или не светит солнце за окном, включен кондиционер или нет, и многих других факторов, которые трудно учесть. Можно выделить несколько сильно взаимосвязанных понятий, из которых каждое понятие является следствием предыдущего: состав воды, структура воды, свойства воды, биологическая активность, степень структурированности. Знание уникальных свойств воды имеет громадное значение для общего понимания физиологии организма.

    Цель: рассмотреть факторы, влияющие на уникальные свойства воды.

  1. Строение  молекулы воды

   Вода - уникальное вещество и все её аномальные свойства: высокая температура кипения, значительная растворяющая и диссоциирующая способность, малая теплопроводность, высокая теплота испарения и другие обусловлены строением её молекулы и пространственной структурой. 

Вода представляет собой сложное вещество, основной структурной единицей которого является молекула H2O, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода. У отдельно взятой молекулы воды есть качество, которое проявляется только в присутствии других молекул: способность образовывать водородные мостики между атомами кислорода двух оказавшихся рядом молекул, так, что атом водорода располагается на отрезке, соединяющем атомы кислорода.

 Свойство образовывать такие мостики обусловлено наличием особого межмолекулярного взаимодействия, в котором существенную роль играет атом водорода. Это взаимодействие называется водородной связью. Каждая из присоединённых к данной молекул воды сама способна к присоединению дальнейших молекул. Этот процесс можно называть "полимеризацией".

Если только одна из двух возможных связей участвует в присоединении следующей молекулы, а другая остаётся вакантной, то "полимеризация" приведёт к образованию либо зигзагообразной цепи, либо замкнутого кольца. Наименьшее кольцо, по-видимому, может состоять из четырёх молекул, но величина угла 90° делает водородные связи крайне напряжёнными. Практически ненапряжёнными должны быть пятизвенные кольца (угол 108°), а шестизвенные (угол 120°), также как и семизвенные - напряжённые.

 Рассмотрение реальных структур гидратов показывает, что, действительно, наиболее устойчиво шестизвенное кольцо, находимое в структурах льдов. Плоские кольца являются привилегией клатратных гидратов, причём во всех известных структурах чаще всего встречаются плоские пятизвенные кольца из молекул воды. Они, как правило, чередуются во всех структурах клатратных гидратов с шестизвенными кольцами, очень редко с четырёхзвенными, а в одном случае - с плоским семизвенным. В целом структура воды представляется как смесь всевозможных гидратных структур, которые могут в ней образоваться.

В прикладном аспекте это, например, имеет важное значение для понимания действия лекарственных веществ. Как было показано Л. Полингом структурированная клатратная форма воды в межсинаптических образованиях мозга обеспечивает, с одной стороны, передачу импульсов с нейрона на нейрон, а, с другой стороны при попадании в эти участки наркозного вещества такая передача нарушается, то есть наблюдается явление наркоза. Гидратация некоторых структур мозга является одной из основ реализации действия наркотических анальгетиков (морфина).

  1. Молекулярно-кинетическая теория вещества и воды

Структура воды в трех ее агрегатных состояниях еще не может считаться окончательно установленной. Существует ряд гипотез, объясняющих строение пара, воды и льда. Эти гипотезы в большей или меньшей степени опираются на молекулярно-кинетическую теорию строения вещества, основы которой были заложены еще М.В. Ломоносовым.

      В свою очередь, молекулярно-кинетическая теория исходит из принципов классической механики, в которой молекулы (атомы) рассматриваются как шарики правильной формы, электрически нейтральные, идеально упругие. Такие молекулы подвержены лишь механическим соударениям и не испытывают никаких электрических сил взаимодействия. По этим причинам использование молекулярно-кинетической теории может лишь в первом приближении объяснить строение вещества.

        Газ — водяной пар, — согласно молекулярно-кинетической теории, представляет собой собрание молекул. Расстояние между ними во много раз больше размеров самих молекул. Молекулы газа находятся в непрерывном беспорядочном движении, пробегая путь между стенками сосудов, в котором заключен газ, и сталкиваясь друг с другом на этом пути.

     Соударения молекул между собой происходят без потери механической энергии; они рассматриваются как соударения идеально упругих шариков. Удары молекул о стенки ограничивающего их сосуда обусловливают давление газа на эти стенки. Скорость движения молекул увеличивается с повышением температуры и уменьшается с ее падением. Когда температура газа, уменьшаясь от более высоких значений, приближается к температуре кипения жидкости (для воды 100°C при нормальном давлении), скорость молекул уменьшается, и при соударении силы притяжения между ними становятся больше сил упругих отталкиваний при ударе и поэтому газ конденсируется в жидкость.

       При искусственном сжижении газа температура его должна быть ниже так называемой критической, которой отвечает и критическое давление. При температуре выше критической газ (пар) никаким давлением не может быть переведен в жидкость. Величина RTкр/ (PкрVкр) для всех газов, в том числе и для водяного пара, должна быть равна 8/3=2,667 (здесь R — газовая постоянная; Tкр, Pкр, Vкр — соответственно критические температура, давление, объем). Однако для водяного пара она равна 4,46. Это объясняется тем, что в состав пара входят не только одиночные молекулы, но и их ассоциации.

       Жидкость в отличие от газа представляет собой совокупность молекул, расположенных столь близко друг от друга, что между ними проявляются силы взаимного притяжения. Поэтому молекулы жидкости не разлетаются в разные стороны, как молекулы газа, а только колеблются около своего положения равновесия. Вместе с тем, так как строение жидкости не вполне плотное, в ней имеются свободные места — «дырки», вследствие чего, по теории Я.И.Френкеля, некоторые молекулы, обладающие большей энергией, вырываются из своего «оседлого» места и скачком перемещаются в соседнюю «дырку», расположенную на расстоянии, примерно равном размеру самой молекулы.

      Таким образом, в жидкости молекулы сравнительно редко перемещаются с места на место, а большую часть времени находятся в «оседлом» состоянии, лишь претерпевая колебательные движения. Этим, в частности, объясняется слабая диффузия в жидкостях по сравнению с большой ее скоростью в газах. При нагревании жидкости энергия ее молекул увеличивается, скорость их колебания возрастает. При температуре 100°C и нормальном атмосферном давлении вода распадается на отдельные молекулы H2 O, скорость которых уже в состоянии преодолеть взаимное притяжение молекул, и вода превращается в пар.

       При охлаждении жидкости (воды) происходит обратный процесс. Скорости колебательного движения молекул уменьшаются, структура жидкости становится более прочной, и жидкость переходит в кристаллическое (твердое) состояние - лед. Различают два вида твердых тел: кристаллические и аморфные.

         Основным признаком кристаллических тел является анизотропия их свойств по различным направлениям: теплового расширения, прочности, оптических и электрических свойств и т. п.

        Аморфные тела изотропны, т. е. обладают одинаковыми свойствами во всех направлениях. Лед является кристаллическим телом.

3. Молекулярная структура воды

Проблема оценки структуры воды пока остается одной из самых сложных. Рассмотрим кратко две обобщенные гипотезы о структуре воды, получившие наибольшее признание, одна — в начальный период развития учения о структуре воды, другая — в настоящее время.

        Согласно гипотезе, предложенной Уайтингом (1883г.) и имеющей к настоящему времени различные интерпретации, основной строительной единицей водяного пара является молекула H2O, называемая гидроль, или моногидроль. Основной строительной единицей воды является двойная молекула воды (H2O)2—дигидроль; лед же состоит из тройных молекул (H2O)3 — тригидроль. На этих представлениях основана так называемая гидрольная теория структуры воды.

Водяной пар, согласно этой теории, состоит из собрания простейших молекул моногидроля и их ассоциаций, а также из незначительного количества молекул дигидроля. Вода в жидком виде представляет собой смесь молекул моногидроля, дигидроля и тригидроля. Соотношение числа этих молекул в воде различно и зависит от температуры. Согласно этой гипотезе, соотношение количества молекул воды и объясняет одну из основных ее аномалий — наибольшую плотность воды при 4°С.

Так как молекула воды несимметрична, то центры тяжести положительных и отрицательных зарядов ее не совпадают. Молекулы имеют два полюса — положительный и отрицательный, создающие, как магнит, молекулярные силовые поля. Такие молекулы называют полярными, или диполями, а количественную характеристику полярности определяют электрическим моментом диполя, выражаемым произведением расстояния l между электрическими центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов молекулы на заряд e в абсолютных электростатических единицах. Для воды дипольный момент очень высокий: p = 6,13·10-29 Кл·м. Полярностью молекул моногидроля и объясняется образование дигидроля и тригидроля.

         Вместе с тем, так как собственные скорости молекул возрастают с повышением температуры, этим можно объяснить постепенный распад тригидроля в дигидроль и далее в моногидроль соответственно при таянии льда, нагревании и кипении воды.

      Другая гипотеза строения воды, разрабатывавшаяся в XX веке (модели О.Я.Самойлова, Дж.Попла, Г.Н.Зацепиной и др.), основана на представлении, что лед, вода и водяной пар состоят из молекул H2O, объединенных в группы с помощью так называемых водородных связей (Дж.Бернал и Р.Фаулер, 1933г.). Эти связи возникают в результате взаимодействия атомов водорода одной молекулы с атомом кислорода соседней молекулы (с сильно электроотрицательным элементом).

       Такая особенность водородного обмена в молекуле воды обусловливается тем, что, отдавая свой единственный электрон на образование ковалентной связи с кислородом, он остается в виде ядра, почти лишенного электронной оболочки. Поэтому атом водорода не испытывает отталкивания от электронной оболочки кислорода соседней молекулы воды, а, наоборот, притягивается ею, и может вступить с нею во взаимодействие.       Согласно данной гипотезе, можно предположить, что силы, образующие водородную связь, являются чисто электростатическими.

       Однако, согласно методу молекулярных орбиталей, водородная связь образуется за счет дисперсионных сил, ковалентной связи и электростатического взаимодействия. Таким образом, в результате взаимодействия атомов водорода с одной молекулы воды с отрицательными зарядами кислорода другой молекулы образуются четыре водородные связи для каждой молекулы воды. При этом молекулы, как правило, объединяются в группы — ассоциаты: каждая молекула оказывается окруженной четырьмя другими. Такая плотная упаковка молекул характерна для воды в замерзшем состоянии  и приводит к открытой кристаллической структуре, принадлежащей к гексогональной симметрии.

       Образование «квантов воды»,  предложил в 1993 г. американский химик Кен Джордан. Устойчивые кластеры из шести молекул воды (снежинка минимального размера). Таким образом, уже на начальном этапе образования кристаллов льда структура имеет гексогональное строение. При этой структуре образуются «пустоты — каналы» между фиксированными молекулами, поэтому плотность льда меньше плотности воды. Повышение температуры льда до его плавления и выше приводит к разрыву водородных связей. При жидком состоянии воды достаточно даже обычных тепловых движений молекул, чтобы эти связи разрушить.
     При повышении температуры воды до 4°С упорядоченность расположения молекул по кристаллическому типу с характерной структурой для льда до некоторой степени сохраняется. Имеющиеся в этой структуре отмеченные выше пустоты заполняются освободившимися молекулами воды. Вследствие этого плотность жидкости увеличивается до максимальной при температуре 3,98°С. Дальнейший рост температуры приводит к искажению и разрыву водородных связей, а, следовательно, и разрушению групп молекул, вплоть до отдельных молекул, что характерно для пара.

       Молекулы воды при конденсации формирует жидкое вещество удивительной сложности. В первую очередь это связано с тем, что молекулы воды обладают уникальным свойством объединяться в кластеры (группы) (Н2О)x. Под кластером обычно понимают группу атомов или молекул, объединенных физическим взаимодействием в единый ансамбль, но сохраняющих внутри него индивидуальное поведение. Возможности прямого наблюдения кластеров ограничены, и поэтому экспериментаторы компенсируют аппаратурные недостатки интуицией и теоретическими построениями. Клатраты воды описаны в диссертации Зенина. При этом 57 молекул воды – (квантов), образуют структуру напоминающую тетраэдр. Тетраэдр в свою очередь состоит из четырех додекаэдров (правильных12-гранников), 16 квантов образуют структурный элемент, состоящий из 912 молекул воды. Все молекулы воды в твердой фазе (лед) связаны друг с другом. Каждая молекула воды имеет четыре связи. Для воды только некоторые молекулы связаны друг с другом. В каждый момент времени существуют молекулы воды, у которых 0,1,2,3, или 4 связи.В 1975 г .

        Френкель Я.И. в своей работе « Кинетическая теория жидкостей»  предположил, что вода имеет квазикристаллическую структуру. Часть молекул воды имеет кристаллическую структуру, а часть молекул воды являются свободными.

        Смирнов Александр Николаевич установил наличие в воде надмолекулярных комплексов - эмулонов, которые образуются при плавлении льда. Обнаружено наличие пяти фракций с характерными размерами 1-3, 10-12, 30-35, 70 и 120 мкм. При комнатной температуре степень ассоциации X для воды составляет, по современным данным, от 3 до 6. Это означает, что формула воды не просто Н2О, а среднее между Н6О3 и Н12О6. Другими словами, вода - сложная жидкость, "составленная" из повторяющихся групп, содержащих от трех до шести одиночных молекул.    Вследствие этого вода имеет аномальные значения температуры замерзания и кипения по сравнению с гомологами.

         Если бы вода подчинялась общим правилам, она должна была замерзать при температуре порядка -100оС и закипать при температуре около +10оС.

4. Фазовые переходы воды

Фазовые переходы первого рода протекают с изменением агрегатного состояния вещества, а остальные его свойства остаются неизменными. Например: плавление – затвердевание, испарение-конденсация, растворение-кристаллизация. При переходах второго рода плотность вещества остается неизменной, а другие его свойства могут резко меняться.

         При фазовом переходе второго рода происходит перестройка структуры вещества, которая сопровождается изменением свойств фазовые переходы второго рода протекают без изменения агрегатного состояния вещества и представляют собой структурную перестройку. Фазовый переход второго рода всегда предшествует фазовому переходу первого рода: сначала происходит структурная перестройка в системе, а затем уже начинается изменение в системе агрегатного состояния вещества.

        Этот факт можно использовать для снижения энергозатрат на испарение воды. Фазовый переход второго рода вода 1 – вода 2 осуществляется при 40 градусах. (Булавин Л.А., Маломуж Н.П. «Динамический фазовый переход в воде, как важнейший фактор провоцирования денатурации белков у теплокровных организмов»).

        Катионы: калий, рубидий, аммоний, барий, талий – не вызывают существенного искажения структуры воды, «встраиваясь» в решетку или располагаясь в структурных полостях.

       Анионы кислот: хлорной, серной, ортофосфорной, фтористоводородной не вызывают существенного искажения структуры воды. Катионы лития, натрия разрушают структуру воды в интервале температур от 10 до 50 градусов.

      Анионы хлора, брома, йода упрочняют структуру воды, увеличивая число водородных связей. Обнаружены существенные различия во влиянии катионов натрия и калия на упорядоченность воды. Натрий является структурообразующим ионом, калий  обладает бинарными свойствами: структурообразующими и структуроразрушающими. ( Самойлов О. Я.  Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов.)

5. Биологическая активность

          Одним из важных параметров, который влияет на биологическую активность воды является количество энергии, запасенное в воде. Энергия может быть запасена в связях, структурная энергия, в возбужденном состоянии молекул, в энергии движения молекул. Благодаря структурированности воды возбужденные состояния могут существовать продолжительное время. Чем больше возбужденность, тем меньше устойчивость, тем более активной становиться вода, тем большей реакционной способностью она обладает.  (Теленкова О. Г. «Влияние условий хранения воды на ее структурные свойства».)

       Деление воды на «свободную» и  «связанную» -  условно. Гидратная оболочка молекул белка состоит не из одного слоя молекул воды, а из нескольких слоев. Молекула белка упорядочивает структуру воды на большом расстоянии от молекулы. Сильно связанная вода входит в состав макромолекул и связана прочными химическими связями. При сушке 48 часов в вакууме белки сохраняют около 1 % воды по отношению к массе.   Связанная вода входит в состав гидратных оболочек молекул.

       Свободная вода не связана с молекулами. Лепешкин одним из первых выдвинул утверждение, что протоплазма является коацерватом. Он также предложил теорию строения живого вещества, согласно которой оно представляет собой комплексы белков и липидов, чувствительные к внешним воздействиям.

        Свой вклад в теорию связанной воды внес Росс Гортнер более четверти века возглавлявший кафедру биохимии в Миннесотском университете. Одним из критериев отличающих связанную воду от обычной, по Гортнеру, является ее сниженная растворяющая способность.

Заключение

       Так в чем же заключаются загадочные, необычные свойства привычной всем жидкой воды?

       Прежде всего, в том, что практически все свойства воды аномальны, а многие из них не подчиняются логике тех законов физики, которые управляют другими веществами. Если бы вода при испарении оставалась в виде Н6О3, Н8О4 или Н12О6, то водяной пар был бы намного тяжелее воздуха, в котором доминируют молекулы азота и кислорода.

        В этом случае поверхность всей Земли была бы покрыта вечным слоем тумана. Представить себе жизнь на такой планете практически невозможно. Людям крупно повезло: кластеры воды при испарении распадаются, и вода превращается практически в простой газ с химической формулой Н2О. 

        Плотность газообразной воды меньше плотности воздуха, и поэтому вода способна насыщать своими молекулами земную атмосферу, создавая комфортные для всех живых организмов погодные условия.

Зная свойства воды, можно предотвратить  многие заболевания и даже поправить здоровье.

Список литературы

1. Булавин Л.А., Маломуж Н.П. Динамический фазовый переход в воде, как важнейший фактор провоцирования денатурации белков у теплокровных организмов. Физика живого. 2010 . т.18 №2 с.16-22.

2.  Самойлов О.Я. Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов. М. Изд. АН СССР 1957 г.

3. Смирнов Александр Николаевич Надмолекулярные комплексы воды. Физика живого. 2010 т. 18 №2 с.123 – 133

4. Теленкова О.Г. Влияние условий хранения воды на ее структурные свойства. Конкурс молодых ученых. Сборник материалов. Смоленск. Универсум. 2008.с. 174-179.

5.  Тринчер К.С. Структурно-связанная вода и биологические макромолекулы. Успехи современной биологии.1966.т. 61,№3,с. 28-37.

6. Зенин С.В. Развитие информационных представлений о структурном состоянии воды. ЭКВА-ТЭК-2006, 7-ой Межд. Конгресс ч. 2.М.

с. 1052 – 1054.

7. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей Л. Наука. 1975г. с. 592



Участвуйте в дистанционных мероприятиях Страны талантов

Страна талантов

Творческие конкурсы проводятся на темы острых социальных проблем страны для учащихся учреждений всех типов в возрасте от 5 до 25 лет.

Страна талантов

Олимпиады проводятся по всем общеобразовательным предметам.

Все победители олимпиад 2016-2017 учебного года получают дополнительные 5 баллов к результатам ЕГЭ
при поступлении в РГСУ.

Участникам

Страна талантов

Каждый участник получает именной диплом в печатном виде.

Победители получают именные дипломы, медали, блокноты, ручки и другие ценные призы.

Преподавателям

Страна талантов

Каждый преподаватель, чей участник стал победителем, и те преподаватели, которые заявили к участию 3 и более учеников, получают благодарственную грамоту в печатном виде.

Свидетельство о регистрации СМИ ЭЛ № ФС 77 - 59547
выдано 08.10.2014 г. Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций. Категория 0+.

© АНО ДО «Страна талантов», 2010-2017. Создание сайта - IT DEV GROUP