Роль воды в процессах жизнедеятельности
 Скачать 47.44 Kb.
|
РЕФЕРАТИВНАЯ РАБОТА На тему: «Роль воды в процессах жизнедеятельности» Обучающегося очной формы обучения (очной, очно-заочной, заочной) Торгово-технологического факультета (ТХБ-01) (наименование факультета) Циммерман Яна Гашамовна (Фамилия Имя Отчество обучающегося) ______________________________________ Преподаватель: Алифиренко Татьяна Григорьевна (Фамилия Имя Отчество) Новосибирск 2021 Содержание: Строение воды Физические свойства воды Химические свойства воды Биологическая роль воды Вода – единственное вещество на Земле, которое существует в природе во всех трёх агрегатных состояниях – жидком, твёрдом и газообразном. Вода в природе бывает пресная, соленая и в связанном виде. Как известно, свойства химических соединений зависят от того, из каких элементов состоят их молекулы, и изменяются закономерно. Изотопный состав. Существуют девять устойчивых изотопных разновидностей воды. Содержание их в пресной воде в среднем следующее: 1Н216О – 99,73%, 1Н218О – 0,2%, 1Н217О – 0,04%, 1H2Н16О – 0,03%. Остальные пять изотопных разновидностей присутствуют в воде в ничтожно малых количествах. Строение молекулы. Воду можно рассматривать как оксид водорода или как гидрид кислорода. Атомы водорода и кислорода в молекуле воды расположены в углах равнобедренного тупоугольного треугольника с длиной связи О – Н 0,957 нм; валентный угол Н – О – Н 104o 27’. Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону от кислородного, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярна, что является причиной особого взаимодействия между ее молекулами. Атомы водорода, имеющие частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул. Такая химическая связь называется водородной. Этим взаимодействием объясняются в первую очередь незакономерно высокие температуры ее плавления и кипения, по сравнению с водородными соединениями элементов главной подгруппы VI группы таблицы Д.И. Менделеева. Нужно подвести дополнительную энергию, чтобы расшатать, а затем разрушить водородные связи. Именно поэтому так велика теплоемкость воды. 3. Физические свойства 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. 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, находящееся 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. [3] В целом структура воды представляется как смесь всевозможных гидратных структур, которые могут в ней образоваться. Вода обладает также высоким поверхностным натяжением, уступая в этом только ртути. Относительно высокая вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями. Вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные — атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества. Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде. Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле. Вода обладает отрицательным электрическим потенциалом поверхности. Чистая вода — хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония H3O+) и гидроксильных ионов OH− составляет 10-7 моль/л. Но поскольку вода — хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть присутствуют другие положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту. Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи. Плавление льда при атмосферном давлении сопровождается уменьшением объёма на 9%. Плотность жидкой воды при температуре, близкой к нулю, больше, чем у льда. При 00С 1 грамм льда занимает объём 1,0905 кубических сантиметров, а 1 грамм жидкой воды занимает объём 1,0001 кубических сантиметров. И лёд плавает, оттого и не промерзают обычно насквозь водоёмы, а лишь покрываются ледяным покровом. В этом проявляется еще одна аномалия воды: после плавления она вначале сжимается, а затем, при 40 С и дальнейшем нагревании начинает расширяться. Теплоёмкость при плавлении возрастает почти вдвое и в интервале от 00 С до 1000 С почти не зависит от температуры. Вода, несмотря на все её аномальные свойства, является эталоном для измерения температуры, массы (веса), количества тепла, высоты местности. Шведский физик Андерс Цельсий, член Стокгольмской академии наук, создал в 1742 году стоградусную шкалу термометра, которой в настоящее время пользуются почти повсеместно. Точка кипения воды обозначена 10 , а точка таяния льда 0. 4. Химические свойства воды. Из химических свойств воды особенно важны способность её молекул диссоциировать (распадаться) на ионы и способность воды растворять вещества разной химической природы. Роль воды как главного и универсального растворителя определяется прежде всего полярностью её молекул и, как следствие, её чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемостью. Электролитическая диссоциация воды – причина гидролиза солей слабых кислот и (или) оснований. Степень электролитической диссоциации заметно возрастает при повышении температуры. Под действием ультрафиолетового излучения происходит фотодиссоциация воды на ионы Н+ и ОН- . Взаимодействие воды с металлами При взаимодействии воды с большинством металлов происходит реакция с выделением водорода: 2Na + 2H2O = H2 + 2NaOH (бурно); 2K + 2H2O = H2 + 2KOH (бурно); 3Fe + 4H2O = 4H2 + Fe3O4 (только при нагревании). Не все, а только достаточно активные металлы могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях этого типа. Наиболее легко реагируют щелочные и щелочноземельные металлы I и II групп. Взаимодействие воды с неметаллами Из неметаллов с водой реагируют, например, углерод и его водородное соединение (метан). Эти вещества гораздо менее активны, чем металлы, но все же способны реагировать с водой при высокой температуре: При пропускании паров воды через раскалённый уголь она разлагается и образуется так называемый водяной газ: Н2О + С = СО + Н2 При сильном нагревании в присутствии катализатора вода реагирует с СО; СН4 и другими углеводородами, например: Н2О + СО = СО2 + Н2 Н2О + СН4 = СО + 3Н2 Эти реакции используют для промышленного получения водорода. Фосфор при нагревании с водой под давлением в присутствии катализатора окисляется в метафосфорную кислоту: 6Н2О + 3Р = 2НРО3 + 5Н2 [6] Взаимодействие воды с электрическим током При воздействии электрическим током вода разлагается на водород и кислород. Это также окислительно-восстановительная реакция, где вода является одновременно и окислителем, и восстановителем. Взаимодействие воды с оксидами неметаллов Вода вступает в реакцию со многими оксидами неметаллов и некоторыми оксидами металлов. Это не окислительно-восстановительные реакции, а реакции соединения: SO2 + H2O = H2SO3 (сернистая кислота) SO3 + H2O = H2SO4 (серная кислота) CO2 + H2O = H2CO3 (угольная кислота) Взаимодействие воды с оксидами металлов Некоторые оксиды металлов также могут вступать в реакции соединения с водой. Примеры таких реакций мы уже встречали: CaO + H2O = Ca(OH)2 (гидроксид кальция (гашеная известь) Не все оксиды металлов способны реагировать с водой. Часть из них практически не растворима в воде и поэтому с водой не реагирует. Например: ZnO, TiO2, Cr2O3, из которых приготовляют, например, стойкие к воде краски. Оксиды железа также не растворимы в воде и не реагируют с ней. Гидраты и кристаллогидраты Вода образует соединения, гидраты и кристаллогидраты, в которых полностью сохраняется молекула воды. Например: CuSO4 + 5 H2O = CuSO4.5H2O; CuSO4 – вещество белого цвета (безводный сульфат меди); CuSO4.5H2O – кристаллогидрат (медный купорос), синие кристаллы. Другие примеры образования гидратов: H2SO4 + H2O = H2SO4.H2O (гидрат серной кислоты); NaOH + H2O = NaOH.H2O (гидрат едкого натра). Соединения, связывающие воду в гидраты и кристаллогидраты, используют в качестве осушителей. С их помощью, например, удаляют водяные пары из влажного атмосферного воздуха. Био-синтез Вода участвует в био-синтезе в результате, которого образуется кислород: 6n CO2 + 5n H2O = (C6H10O5)n + 6n O2 (при действии света) Вода может служить катализатором, например, щелочные металлы и водород реагируют с CI2 только в присутствии следов воды. Иногда вода – каталитический яд, например, для железного катализатора при синтезе NH3. Способность молекул воды образовывать трёхмерные сетки водородных связей позволяет ей давать с инертными газами, углеводородами, СО2, CI2, (CH2)2O, CHCI3 и многими другими веществами газовые гидраты. 5. Биологическая роль воды. Первые живые существа возникли в океане. В ходе эволюции организмов сформировалась система жидкостей внутренней среды и выработались механизмы водного баланса и ионного состава, зависящие от уровня организации и экологической специализации организмов. Совокупность процессов потребления, всасывания и выделения воды и солей в организме животных и человека обеспечивают постоянство осмотической концентрации, ионного состава, кислотно-щелочного равновесия и объема жидкостей внутренней среды, т.е. гомеостаз. Общее содержание воды в организме колеблется от 95-98 % у кишечнополостных (медузы, гребневики) до 60-70 % у млекопитающих и 45-65 % у насекомых. У человека при содержании воды около 60 % массы тела, внутриклеточная вода составляет 40 %, межклеточная жидкость – 16 %, внутрисосудистая – 4,5 %. Регуляция водно-солевого обмена осуществляется специальными рефлкторными систмами, одна из которых реагирует на изменение объема жидкостей (волюморегуляи), другая – их осмотической концентрации (осморегуляция). Вода известна как хороший растворитель - она растворяет многие вещества. Кроме того, вода является той физико-химической средой, благодаря которой может осуществляться большинство реакций обмена веществ, обеспечивающих непрерывный процесс разрушения и восстановления живых тканей. Таким образом, вода является основной биологической жидкостью. Она не только инертная среда, она может также вступать в соединение с другими компонентами живой материи. Необходимо особо подчеркнуть это ее значение в биологическом круговороте. Одновременно вода играет роль в регулировании температуры организма и необходима для орошения его тканей. Взрослый человек должен выпивать около 2,5 л воды в сутки. За 60 лет своей жизни он выпивает целую цистерну пресной воды (50 т). Пить очень пресные воды вредно, ибо это вызывает выщелачивание кальция из организма, особенно детского. Жажда является естественной потребностью, ее вызывает повышение осмотического давления внутри организма. Это так называемая " тканевая жажда ", которую невозможно утолить, смазывая слизистую оболочку рта, эту потребность можно удовлетворить только введением жидкости в организм. В течение суток в пищеварительный канал поступает 9 -10 л жидкости, которая впитывается слизистой оболочкой. Из этого количества жидкости извне поступает только 2,5 л, а остальное количество распределяется следующим образом: 1,5 л слюны, столько же желудочного сока, 3 л кишечного сока, 0,7 л сока поджелудочной железы и 0,5 л желчи. В ухе у нас есть так называемый лабиринт, наполненный жидкостью, при ходьбе он регулирует равновесие нашего тела. Питьевой центр в нашем организме - это командный пункт, ведающий водным балансом человеческого тела. Он контролирует и регулирует беспрерывный обмен воды между отдельными органами. В среднем в сутки из организма человека выделяется 2 - 2,5 л воды. Чтобы поддержать водный баланс в организме необходимо вводить в него такое же количество воды. Чрезвычайно важное значение имеет водный режим для растений. Вода, составляющая 80 – 95 % массы расетния, является средой для биохимических реакций, участвует в фотосинтезе, обеспечивает структуру коллоидов цитоплазмы, определенную конформацию и функциональную активность ферментов и структурных белков клеточных мембран и органоидов. Насыщенность клеток водой (тургор) определяет их рост растяжением, придает тканям упругость и ориентирует органы растения в пространстве. Поглощение и передвижение воды в растении происходит под действием присасывающей силы транспирации и корневого давления по грдиенту водного потенциала в системе почва - растение - атмосфера. Обладая большой силой сцепления молекул, вода поднимается на ысоту более 10 метров. С током воды транспортируются и растворенные в ней ионы минеральных солей и синтезированные в растении вещества. Масштабы потребления воды растениями чреезвычайно велики. За вегетационный период одно растение кукурузы испаряет 200 кг воды, 1 а посева пшеницы – 2 – 3 тонны, 35-летняя яблоня – 26 тонн. Для презентации: 1 слайд: "Вода" - это особенный случай в истории нашей планеты. Нет такого природного тела, которое можно было бы сравнить с ним по влиянию на ход важнейших, грандиозных геологических процессов. Нет земной субстанции - минерала, камня, живого тела, которое не содержит его. Вся земная материя пронизана и покрыта ею" (В.И. Вернадский). Вода (оксид водорода) — бинарное неорганическое соединение с химической формулой H2O: молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного — кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. При нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеющую цвета (при малой толщине слоя), запаха и вкуса Вода является универсальным полярным растворителем; многие химические вещества в присутствии воды диссоцируются на ионы - катионы и анионы. Вода - это среда, в которой между веществами в клетке происходят различные химические реакции. Вода имеет транспортную функцию. Большинство веществ способны проникать через клеточную мембрану только в растворенной в воде форме. Вода является важным реагентом реакций гидратации и конечным продуктом многих биохимических реакций, включая окисление. Вода действует как терморегулятор, что обусловлено ее хорошей теплопроводностью и теплоемкостью и позволяет поддерживать температуру внутри ячейки при температурных колебаниях окружающей среды. Вода - это среда обитания для многих живых организмов. 2 слайд Вода является основным компонентом во всех клетках, тканях и органах живых организмов. увлажняет вдыхаемый кислород; помогает организму в качественном усвоении питательных веществ; способствует превращению пищи в энергию и нормальному пищеварению; участвует в проходящем обмене веществ и химических реакциях; выводит излишки солей, шлаки и токсины; отлаживает температуру тела; обеспечивает упругость кожи; регулирует кровяное давление; препятствует возникновению камней в почках Физические свойства водыВода имеет высокую удельную теплоемкость, т.е. ей нужно много тепла, чтобы нагреться, и потребуется много времени, чтобы потерять накопленное тепло и остыть. Вот почему она используется в системах охлаждения. Имеет высокое поверхностное натяжение. Это означает, что после наливания на гладкую поверхность она имеет тенденцию образовывать сферические капли, а не растекаться в тонкую пленку. При н.у. - это жидкость без цвета, запаха и вкуса; Имеет высокие значения теплоты плавления и теплоты парообразования; Химические свойства: Из химических свойств воды особенно важны способность её молекул диссоциировать (распадаться) на ионы и способность воды растворять вещества разной химической природы. Роль воды как главного и универсального растворителя определяется прежде всего полярностью её молекул и, как следствие, её чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемостью. Взаимодействие воды с металлами При взаимодействии воды с большинством металлов происходит реакция с выделением водорода: 2Na + 2H2O = H2 + 2NaOH (бурно); 2K + 2H2O = H2 + 2KOH (бурно); 3Fe + 4H2O = 4H2 + Fe3O4 (только при нагревании). Не все, а только достаточно активные металлы могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях этого типа. Наиболее легко реагируют щелочные и щелочноземельные металлы I и II групп. Взаимодействие воды с неметаллами Из неметаллов с водой реагируют, например, углерод и его водородное соединение (метан). Эти вещества гораздо менее активны, чем металлы, но все же способны реагировать с водой при высокой температуре: При пропускании паров воды через раскалённый уголь она разлагается и образуется так называемый водяной газ: Н2О + С = СО + Н2 При сильном нагревании в присутствии катализатора вода реагирует с СО; СН4 и другими углеводородами, например: Н2О + СО = СО2 + Н2 Н2О + СН4 = СО + 3Н2 Эти реакции используют для промышленного получения водорода. Фосфор при нагревании с водой под давлением в присутствии катализатора окисляется в метафосфорную кислоту: 6Н2О + 3Р = 2НРО3 + 5Н2 [6] Взаимодействие воды с электрическим током При воздействии электрическим током вода разлагается на водород и кислород. Это также окислительно-восстановительная реакция, где вода является одновременно и окислителем, и восстановителем. Взаимодействие воды с оксидами неметаллов Вода вступает в реакцию со многими оксидами неметаллов и некоторыми оксидами металлов. Это не окислительно-восстановительные реакции, а реакции соединения: SO2 + H2O = H2SO3 (сернистая кислота) SO3 + H2O = H2SO4 (серная кислота) CO2 + H2O = H2CO3 (угольная кислота) Взаимодействие воды с оксидами металлов Некоторые оксиды металлов также могут вступать в реакции соединения с водой. Примеры таких реакций мы уже встречали: CaO + H2O = Ca(OH)2 (гидроксид кальция (гашеная известь) Не все оксиды металлов способны реагировать с водой. Часть из них практически не растворима в воде и поэтому с водой не реагирует. Например: ZnO, TiO2, Cr2O3, из которых приготовляют, например, стойкие к воде краски. Оксиды железа также не растворимы в воде и не реагируют с ней. Гидраты и кристаллогидраты Вода образует соединения, гидраты и кристаллогидраты, в которых полностью сохраняется молекула воды. Например: CuSO4 + 5 H2O = CuSO4.5H2O; CuSO4 – вещество белого цвета (безводный сульфат меди); CuSO4.5H2O – кристаллогидрат (медный купорос), синие кристаллы. Другие примеры образования гидратов: H2SO4 + H2O = H2SO4.H2O (гидрат серной кислоты); NaOH + H2O = NaOH.H2O (гидрат едкого натра). Соединения, связывающие воду в гидраты и кристаллогидраты, используют в качестве осушителей. С их помощью, например, удаляют водяные пары из влажного атмосферного воздуха. Био-синтез Вода участвует в био-синтезе в результате, которого образуется кислород: 6n CO2 + 5n H2O = (C6H10O5)n + 6n O2 (при действии света) Вода может служить катализатором, например, щелочные металлы и водород реагируют с CI2 только в присутствии следов воды. Иногда вода – каталитический яд, например, для железного катализатора при синтезе NH3. Способность молекул воды образовывать трёхмерные сетки водородных связей позволяет ей давать с инертными газами, углеводородами, СО2, CI2, (CH2)2O, CHCI3 и многими другими веществами газовые гидраты. |
