Строение воды биология: Вода и её роль в жизнедеятельности клетки — урок. Биология, 9 класс.

Вода и её свойства — Учебник по Биологии. 9 класс. Соболь

Учебник по Биологии. 9 класс. Соболь — Новая программа

Этот учебник можно загрузить в PDF формате на сайте тут.

Cedo nulli (Никому не уступлю).

Латинское выражение

Основные понятия и ключевые термины: ВОДА. Гидрофильные соединения. Гидрофобные соединения.

Вспомните! Что такое оксиды?

Знакомьтесь!

Антуан де Сент-Экзюпери (1900-1944) — французский писатель и авиатор. Выдающимся художественным произведением художника (его Magnum opus) является сказка «Маленький принц», в которой есть известные всем строки: «<У тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобой наслаждаются не зная, что ты такое. Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты — сама жизнь».

СОДЕРЖАНИЕ

Какова роль воды?

Ил. 4. Строение молекулы воды

ВОДА — неорганическое вещество, молекулы которого состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода (ил. 4). Содержание воды неодинаково в разных клетках и разных организмах. Больше всего воды содержится в теле медуз (95-98 %), меньше её у насекомых (40-50 %) и лишайниках (5-7 %). Количественно вода занимает первое место среди химических соединений любой клетки. Какие же биологические функции выполняет это самое важное на Земле вещество?

• Вода — универсальный растворитель для многих соединений и обеспечивает протекание химических реакций, клеточное транспортирование. По растворимости в воде все соединения делятся на гидрофильные и гидрофобные. Гидрофильные (от греч. гидро — вода и филиа — любовь) соединения — это полярные вещества, которые хорошо растворяются в воде. Они содержат частично заряжённые группы или частицы, способные взаимодействовать с молекулами воды. Это растворимые кристаллические соли, моносахариды, некоторые аминокислоты, нуклеиновые кислоты, витамин С и др. Гидрофобные (от греч. гидро — вода и фобос — страх) вещества — неполярные вещества, нерастворимые в воде. Это нерастворимые минеральные соли, липиды, полисахариды, некоторые белки.

• Вода — реагент, при участии которого в клетках происходят реакции гидролиза, поддерживается рН среда.

• Вода — теплорегулятор, обеспечивающий равномерное распределение теплоты по клетке и всему организму.

• Вода — осморегулятор для поддержания постоянной концентрации растворимых соединений (например, солей, моносахаридов) в клетке или организме.

• Вода — опора, обеспечивающая упругость клеток, амортизацию механических воздействий.

• Вода — средство транспортирования веществ в клетках и организме (например, проводящими тканями у растений или кровеносной системой у животных).

• Вода как конформатор участвует в организации пространственной компактной структуры (конформации) макромолекул с помощью молекул, образующих водородные связи.

Итак, наличие воды в клетках и организмах является обязательным условием их жизнедеятельности.

Какие основные свойства воды определяют её функции?

Вода — единственное вещество на Земле, которое может быть в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном.

При нормальных условиях температура замерзания чистой воды равна 0 °С, а кипения — соответственно 100 °С. Максимальная плотность воды при температуре 4 °С равна 1 г/см³. С понижением температуры плотность уменьшается. Когда температура достигает точки замерзания 0 °С или опускается ниже, начинают образовываться мелкие кристаллики льда. При замерзании вода расширяется на ¹/₉ своего объёма, и эти кристаллики разрушают клетки. Растворение веществ в воде снижает её температуру замерзания. Поэтому в клетках растений для выдерживания низких температур накапливаются углеводы и масла, в клетках членистоногих — глицерол, в крови арктических рыб — особые белки-криопротекторы. Переход воды из жидкого в газообразное состояние требует затрат теплоты, что используется клетками и организмами для защиты от перегревания (например, транспирация у растений, потовыделение у животных). Выделяя нагретую воду и пар, они избавляются от избытка теплоты.

Основные свойства воды
Физические свойства	Химические свойства
1. Агрегатное состояние	1. Взаимодействие с определёнными кислотами, оксидами, основаниями и солями
2. Высокая теплоёмкость и теплопроводность
3. Поверхностное натяжение	2. Участие в гидролизе органических соединений
4. Несжимаемость	3. Способность к ионизации
5. Текучесть

Вода способна поглощать большое количество теплоты с незначительным повышением собственной температуры: в этом суть её высокой теплоёмкости. Поэтому в клетках она является прекрасным «тепловым аккумулятором», предотвращая резкие изменения температуры. Вода обладает и теплопроводностью, что обеспечивает равномерное и быстрое распределение теплоты в организме.

Воде свойственно исключительно большое поверхностное натяжение, что определяется силами сцепления молекул воды между собой с образованием водородных связей. Силы притяжения между молекулами воды способствуют появлению плёнки на её поверхности, по устойчивости уступающей лишь поверхностной плёнке ртути. В живом поверхностное натяжение определяет форму клеток и их отдельных частей (например, при фагоцитозе). Молекулы воды благодаря силам сцепления между собой и с поверхностями, имеющими электрический заряд, способны «подниматься» тонкими трубчатыми отверстиями. Благодаря этому перемещаются жидкости сквозь поры клеточных стенок, по капиллярам животных и сосудам растений и т. п.

Ил. 5. Расположение молекул воды при растворении поваренной соли

Воде свойственны высокая упругость и несжимаемость, что обусловливает её значение как опоры. Эти свойства объясняют роль гидроскелета для червей, состояние напряжения в клетках растений, способствуют прохождению звуковых волн по клеткам (например, у дельфинов, кашалотов).

Для клеток большое значение имеют и химические свойства воды. Её амфотерность и способность к диссоциации (Н₂О⇄Н⁺ + ОН^—) определяют взаимодействие с основаниями, солями, кислотами и участие в реакциях для поддержания рН цитоплазмы и межклеточных жидкостей (ил. 5).

Вода как реагент участвует в биологически важных реакциях разложения соединений с участием воды — реакциях гидролиза. Эти реакции являются основой гомеостаза, обмена веществ и превращения энергии. Например, гидролиз солей с образованием кислот или щелочей имеет значение для поддержания рН в биосистемах, гидролиз белков до аминокислот обеспечивает клетки строительным материалом и т. д.

Итак, жизненно важное значение воды определяется её уникальными физико-химическими свойствами.

Какие особенности строения молекул воды определяют её свойства?

В молекуле воды атомы водорода удерживаются у атома кислорода прочными ковалентными связями, благодаря этому вода является очень устойчивым соединением. Водяной пар начинает разлагаться на О₂ и Н₂ при температуре выше 1 000 °С.

В молекуле воды две пары общих электронов смещены к кислороду, поэтому электрический заряд внутри молекул распределён неравномерно: протоны Н⁺ создают положительный заряд на одном полюсе, а пары электронов кислорода — отрицательный заряд на противоположном полюсе. Эти заряды равны по значению и расположены на определённом расстоянии друг от друга. Итак, молекула воды — это постоянный диполь, который может взаимодействовать с носителями положительных и отрицательных зарядов (дипольность молекул).

Ил. 6. Водородные связи между молекулами воды

Благодаря полярности соседние молекулы воды могут взаимодействовать между собой и с молекулами полярных веществ с образованием водородных связей, которые обусловливают уникальные физические свойства и биологические функции воды (ил. 6). Энергия этих связей составляет всего 4,5 ккал/моль, и благодаря тепловому движению они постоянно возникают и разрываются. Водородные связи — это связи, которые возникают между частично отрицательным зарядом на атоме кислорода одной молекулы воды и положительным зарядом на атоме водорода другой.

Итак, уникальные свойства воды определяются такими особенностями молекул воды, как: 1) наличие ковалентных связей между атомами; 2) наличие водородных связей между молекулами; 3) дипольность молекул; 4) малые размеры молекул.

ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

Задание на применение знаний

Определите содержание воды в организме, для чего используйте следующие данные:

• содержание воды в организме людей разного возраста различно: у новорожденного — 73 %, у подростков — 65 %, у взрослого — 60 %, у пожилого человека — 55 % от массы тела

• около 95 % от общего количества воды в клетках приходится на свободную воду (является растворителем) и 5 % — на связанную воду (вода в связях с молекулами веществ).

Задание 1. Определите содержание воды в собственном организме. Задание 2. Определите содержание свободной и структурированной воды в собственном организме.

Ответьте на вопросы. Почему содержание воды у человека с возрастом уменьшается? Как это сказывается на жизненных функциях его организма? Почему в клетках большая часть содержимого приходится на свободную воду?

ОТНОШЕНИЕ

«Нет природного тела, которое могло бы сравниться с водой по влиянию на геологические процессы. Не только земная поверхность, но и глубинные части Земли определяются в существенных своих проявлениях существованием и свойствами ВОДЫ». Так писал украинский учёный В. Вернадский. Обоснуйте значение воды для жизни на Земле.

РЕЗУЛЬТАТ

Попередня

Сторінка

Наступна

Сторінка

Зміст



Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України

Вода. Свойства и значение воды для живых организмов

Свойства воды	Вода как среда обитания	Вода, лед, жизнь
1. Строение молекулы воды. alt=»Your browser understands the <APPLET> tag but isn’t running the applet, for some reason. « Your browser is completely ignoring the <APPLET> tag! Вода имеет полярную молекулу. Кислород как более электроотрицательный атом оттягивает на себя общую с атомом водорода электронную плотность к себе и потому несет частичный отрицательный заряд; атомы водорода, от которых электронная плотность смещена, несут частичный положительный заряд. Таким образом, молекула воды представляет собой диполь, т.е. имеет положительно и отрицательно заряженные участки.  (Модель справа объемная, ее можно вращать при помощи нажатой левой кнопки мыши.) 2. Водородные связи. Молекулы воды образуют друг с другом водородные связи. Они обусловлены силами притяжения между несущим частичный отрицательный заряд атомом кислорода одной молекулы и несущим частичный положительный заряд атомом водорода другой молекулы. (Рассмотрите на модели справа, что связи образованы именно между названными выше атомами.)    Вопрос 1. Как Вы думаете: по своей природе водородные связи ближе к ковалентным или к ионным? Почему Вы так думаете? Водородные связи обуславливают целый ряд важнейших свойств воды, в первую очередь — ее свойства как растворителя. 3. Вода как растворитель. alt=»Your browser understands the <APPLET> tag but isn’t running the applet, for some reason.» Your browser is completely ignoring the <APPLET> tag! По отношению к воде все практически вещества можно разделить на две группы: 1. Гидрофильные (от греч. «филео» — любить, имеющие положительное сродство к воде). Эти  вещества имеют полярную молекулу, включающую электроотрицательные атомы (кислород, азот, фосфор и др.). В результате отдельные атомы таких молекул также обретают частичные заряды и образуют водородные связи с молекулами воды. Примеры: сахара, аминокислоты, органические кислоты. 2. Гидрофобные (от греч. «фобос» — страх, имеющие отрицательное сродство к воде). Молекулы таких веществ неполярны и не смешиваются с полярным растворителем, каковым является вода, но хорошо растворимы в органических растворителях, например, в эфире, и в жирах. Примером могут служить линейные и циклические углеводороды. в т.ч. бензол.   Вопрос 2. Рассмотрите внимательно две молекулы справа. Как Вы думаете, какая из этих молекул гидрофильная, а какая — гидрофобная?  Почему Вы так думаете? Не узнали ли Вы — что это за вещества? Среди органических веществ встречаются также соединения, одна часть молекулы которых неполярна и проявляет гидрофобные свойства, а другая — полярна и, следовательно, гидрофильна. alt=»Your browser understands the <APPLET> tag but isn’t running the applet, for some reason.» Your browser is completely ignoring the <APPLET> tag! alt=»Your browser understands the <APPLET> tag but isn’t running the applet, for some reason. « Your browser is completely ignoring the <APPLET> tag! Такие вещества называются амфипатическими. Молекула фосфотидилсерина (одного из фосфолипидов плазматической мембраны клеток, справа) может служить примером амфипатических соединений.   Вопрос 3. Рассмотрите внимательно эту молекулу. Как Вы думаете, какая из ее частей гидрофильная, а какая — гидрофобная? Расположите молекулу так, чтобы это было максимально наглядно, создайте графический файл и в нем обозначьте гидрофильный и гидрофобный участки молекулы. Для этого, расположив молекулу наиболее выгодным образом, скопируйте все изображение экрана в буфер обмена (нажать кнопку Print Screen), запустите графический редактор по усмотрению (достаточно Paint - Пуск — Программы — Стандартные — Paint), обрежьте все лишнее, а на оставшемся рисунке обозначьте любим удобным способом требуемые участки. Сделайте соответствующие подписи на рисунке и сохраните файл в папку по усмотрению. 4. Вода как растворитель в живых организмах. По образному выражению, все мы — «живые растворы». Действительно, практически все процессы как в клетках организма, так и в межклеточной среде организма протекают именно в водных растворах. alt=»Your browser understands the <APPLET> tag but isn’t running the applet, for some reason.» Your browser is completely ignoring the <APPLET> tag! Кроме того, со свойством воды как растворителя прямо связана транспортная функция внутренних жидкостей как у многоклеточных животных (кровь, лимфа, гемолимфа, целомическая жидкость), так и у многоклеточных растений.  5. Вода как реагент. Важное значение воды связано также с ее химическими свойствами — как обычного вещества, вступающего в химические реакции с другими веществами. Наиболее важными являются расщепление воды под действием света (фотолиз) в световой фазе фотосинтеза, участие воды как необходимого реагента в реакциях расщепления сложных биополимеров (такие реакции не случайно называются реакциями гидролиза). И, наоборот, при реакциях образования биополимеров, полимеризации, происходит выделение воды.   Вопрос 4. Какую неточность в последней фразе исправил бы химик?

Вода | Биология I

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Описывать свойства воды, которые имеют решающее значение для поддержания жизни

Вы когда-нибудь задумывались, почему ученые тратят время на поиски воды на других планетах? Это потому, что вода необходима для жизни; даже мельчайшие следы его на другой планете могут указывать на то, что жизнь могла существовать или существовала на этой планете. Вода — одна из наиболее распространенных молекул в живых клетках и наиболее важная для жизни, какой мы ее знаем. Примерно 70 процентов вашего тела состоит из воды. Без него жизни просто не было бы.

Вода полярная

Рисунок 1. Как видно из этого макроскопического изображения нефти и воды, нефть является неполярным соединением и, следовательно, не растворяется в воде. Масло и вода не смешиваются. (кредит: Гаутам Догра)

Атомы водорода и кислорода в молекулах воды образуют полярные ковалентные связи. Общие электроны проводят больше времени, связанного с атомом кислорода, чем с атомами водорода. У молекулы воды нет общего заряда, но есть небольшой положительный заряд на каждом атоме водорода и небольшой отрицательный заряд на атоме кислорода. Из-за этих зарядов слегка положительные атомы водорода отталкиваются друг от друга и образуют уникальную форму, показанную на рисунке 1. Каждая молекула воды притягивает другие молекулы воды из-за положительных и отрицательных зарядов в разных частях молекулы. Вода также притягивает другие полярные молекулы (например, сахара), образуя водородные связи. Когда вещество легко образует водородные связи с водой, оно может растворяться в воде и называется гидрофильным («водолюбивым»). Водородные связи нелегко образуются с неполярными веществами, такими как масла и жиры (рис. 1). Эти неполярные соединения являются гидрофобными («водобоязненными») и не растворяются в воде.

Вода стабилизирует температуру

Водородные связи в воде позволяют ей поглощать и выделять тепловую энергию медленнее, чем многие другие вещества. Температура является мерой движения (кинетической энергии) молекул. Чем больше движение, тем выше энергия и, следовательно, выше температура. Вода поглощает большое количество энергии, прежде чем ее температура повысится. Повышенная энергия разрушает водородные связи между молекулами воды. Поскольку эти связи могут создаваться и разрушаться быстро, вода поглощает увеличение энергии и изменения температуры лишь в минимальной степени. Это означает, что вода смягчает изменения температуры внутри организмов и в окружающей их среде. По мере поступления энергии баланс между образованием и разрушением водородных связей смещается в сторону разрушения. Больше связей разрывается, чем образуется. Этот процесс приводит к высвобождению отдельных молекул воды на поверхность жидкости (например, водоема, листьев растения или кожи организма) в процессе, называемом испарением. Испарение пота, что составляет 90 процентов воды, позволяет охлаждать организм, потому что разрыв водородных связей требует затрат энергии и отбирает тепло у тела.

И наоборот, по мере уменьшения молекулярного движения и падения температуры остается меньше энергии для разрыва водородных связей между молекулами воды. Эти связи остаются неповрежденными и начинают формировать жесткую решетчатую структуру (например, лед) (рис. 2a ). В замороженном виде лед менее плотный, чем жидкая вода (молекулы находятся дальше друг от друга). Это означает, что лед плавает на поверхности водоема (рис. 9).0022 2б ). В озерах, прудах и океанах лед образуется на поверхности воды, создавая изолирующий барьер, защищающий животных и растения от замерзания в воде. Если бы этого не произошло, растения и животные, живущие в воде, замерзли бы в глыбе льда и не могли бы свободно передвигаться, что сделало бы жизнь при низких температурах затруднительной или невозможной.

Вода — отличный растворитель

Поскольку вода полярна, имеет небольшие положительные и отрицательные заряды, ионные соединения и полярные молекулы могут легко растворяться в ней. Таким образом, вода — это то, что называют растворителем — вещество, способное растворять другое вещество. Заряженные частицы будут образовывать водородные связи с окружающим слоем молекул воды. Это называется сферой гидратации и служит для разделения или диспергирования частиц в воде. В случае поваренной соли (NaCl), смешанной с водой (рис. 3), ионы натрия и хлорида разделяются или диссоциируют в воде, и вокруг ионов образуются сферы гидратации. Положительно заряженный ион натрия окружен частично отрицательно заряженными атомами кислорода в молекулах воды. Отрицательно заряженный ион хлора окружен частично положительными зарядами атомов водорода в молекулах воды. Эти сферы гидратации также называют гидратными оболочками. Полярность молекулы воды делает ее эффективным растворителем и играет важную роль в ее многочисленных ролях в живых системах.

Рисунок 3. При смешивании поваренной соли (NaCl) с водой вокруг ионов образуются сферы гидратации.

Вода связна

Рисунок 4. Вес иглы на поверхности воды снижает поверхностное натяжение; в то же время поверхностное натяжение воды тянет ее вверх, удерживая иглу на поверхности воды и удерживая ее от погружения. Обратите внимание на углубление в воде вокруг иглы. (кредит: Кори Занкер)

Вы когда-нибудь наполняли стакан водой до самого верха, а затем медленно добавляли еще несколько капель? Прежде чем перелиться через край, вода на самом деле образует куполообразную форму над краем стакана. Эта вода может оставаться над стеклом благодаря свойству когезии. При когезии молекулы воды притягиваются друг к другу (из-за водородных связей), удерживая молекулы вместе на границе раздела жидкость-воздух (газ), хотя в стекле больше нет места. Сплоченность порождает поверхностное натяжение, способность вещества выдерживать разрыв при растяжении или напряжении. Когда вы бросаете небольшой клочок бумаги на каплю воды, бумага плавает поверх капли воды, хотя объект плотнее (тяжелее), чем вода. Это происходит из-за поверхностного натяжения, создаваемого молекулами воды. Когезия и поверхностное натяжение удерживают молекулы воды неповрежденными, а предмет плавает на поверхности. Можно даже «поплавать» стальной иглой поверх стакана с водой, если поместить ее осторожно, не нарушая поверхностного натяжения (рис. 4).

Эти когезионные силы также связаны со свойством воды прилипать или притяжением между молекулами воды и другими молекулами. Это наблюдается, когда вода «поднимается» по соломинке, помещенной в стакан с водой. Вы заметите, что вода кажется выше по бокам соломинки, чем в середине. Это происходит потому, что молекулы воды притягиваются к соломинке и поэтому прилипают к ней.

Силы сцепления и сцепления важны для поддержания жизни. Например, из-за этих сил вода может течь от корней к верхушкам растений, чтобы питать растение.

Концепция в действии

Чтобы узнать больше о воде, посетите Геологическую службу США «Наука о воде для школ: все о воде»!

Буферы, pH, кислоты и основания

Рисунок 5. Шкала pH измеряет количество ионов водорода (H+) в веществе. (кредит: модификация работы Эдварда Стивенса)

pH раствора является мерой его кислотности или щелочности. Вы, вероятно, использовали лакмусовую бумагу, бумагу, обработанную натуральным водорастворимым красителем, чтобы ее можно было использовать в качестве индикатора pH, чтобы проверить, сколько кислоты или основания (щелочность) существует в растворе. Возможно, вы даже использовали его, чтобы убедиться, что вода в открытом бассейне правильно очищена. В обоих случаях этот тест pH измеряет количество ионов водорода, присутствующих в данном растворе. Высокие концентрации ионов водорода приводят к низкому pH, тогда как низкие уровни ионов водорода приводят к высокому pH. Общая концентрация ионов водорода обратно пропорциональна его рН и может быть измерена по шкале рН (рис. 5). Следовательно, чем больше ионов водорода, тем ниже pH; и наоборот, чем меньше ионов водорода, тем выше рН.

Шкала рН колеблется от 0 до 14. Изменение на одну единицу по шкале рН соответствует изменению концентрации ионов водорода в 10 раз, изменение на две единицы соответствует изменению концентрации ионов водорода в 10 раз. коэффициент 100. Таким образом, небольшие изменения pH представляют собой большие изменения концентрации ионов водорода. Чистая вода нейтральна. Он не является ни кислым, ни основным, и имеет рН 7,0. Все, что ниже 7,0 (от 0,0 до 6,9), является кислотным, а все, что выше 7,0 (от 7,1 до 14,0), является щелочным. Кровь в ваших венах слабощелочная (pH = 7,4). Среда в желудке очень кислая (pH = 1–2). Апельсиновый сок слабокислый (pH = примерно 3,5), тогда как пищевая сода имеет щелочную реакцию (pH = 9)..0).

Кислоты — это вещества, которые обеспечивают ионы водорода (H ⁺ ) и снижают pH, тогда как основания дают ионы гидроксида (OH ^— ) и повышают pH. Чем сильнее кислота, тем легче она отдает H ⁺ . Например, соляная кислота и лимонный сок очень кислые и легко отдают H ⁺ при добавлении к воде. И наоборот, основания — это те вещества, которые легко отдают ОН ^— . Ионы OH ^– объединяются с H ⁺ с образованием воды, которая повышает pH вещества. Гидроксид натрия и многие бытовые чистящие средства очень щелочные и выделяют OH 9.0055 – быстро при помещении в воду, тем самым повышая рН.

Большинство клеток в нашем организме функционируют в очень узком интервале шкалы рН, обычно в пределах от 7,2 до 7,6. Если pH тела выходит за пределы этого диапазона, дыхательная система работает со сбоями, как и другие органы тела. Клетки больше не функционируют должным образом, а белки разрушаются. Отклонение за пределы диапазона pH может вызвать кому или даже смерть.

Так как же мы можем глотать или вдыхать кислотные или щелочные вещества и не умирать? Буферы — это ключ. Буферы легко поглощают избыток H ⁺ или OH ^– , тщательно поддерживая pH тела в вышеупомянутом узком диапазоне. Углекислый газ является частью важной буферной системы в организме человека; он поддерживает pH в нужном диапазоне. Эта буферная система включает анион угольной кислоты (H ₂ CO ₃ ) и бикарбоната (HCO ₃ ^– ). Если в организм попадает слишком много H ⁺ , бикарбонат соединяется с H ⁺ , образуя угольную кислоту и ограничивая снижение pH. Аналогично, если слишком много OH ^– вводят в систему, угольная кислота будет соединяться с ним, образуя бикарбонат и ограничивая повышение pH. Хотя угольная кислота является важным продуктом этой реакции, ее присутствие мимолетно, потому что угольная кислота высвобождается из организма в виде углекислого газа каждый раз, когда мы дышим. Без этой буферной системы рН в нашем организме будет слишком сильно колебаться, и мы не сможем выжить.

Резюме раздела

Вода обладает многими свойствами, которые имеют решающее значение для поддержания жизни. Он полярен, что позволяет образовывать водородные связи, которые позволяют ионам и другим полярным молекулам растворяться в воде. Таким образом, вода является отличным растворителем. Водородные связи между молекулами воды придают воде способность удерживать тепло лучше, чем многие другие вещества. По мере повышения температуры водородные связи между водой постоянно разрываются и восстанавливаются, что позволяет общей температуре оставаться стабильной, хотя в систему добавляется повышенная энергия. Силы сцепления воды учитывают свойство поверхностного натяжения. Все эти уникальные свойства воды важны в химии живых организмов.

рН раствора является мерой концентрации ионов водорода в растворе. Раствор с большим количеством ионов водорода является кислым и имеет низкое значение рН. Раствор с большим количеством гидроксид-ионов является основным и имеет высокое значение рН. Шкала рН колеблется от 0 до 14, при этом рН 7 является нейтральным. Буферы представляют собой растворы, которые смягчают изменения pH при добавлении в буферную систему кислоты или основания. Буферы важны в биологических системах из-за их способности поддерживать постоянный уровень рН.

Вопросы для самопроверки

1. Почему некоторые насекомые могут ходить по воде?
2. Объясните, почему вода является отличным растворителем.

Ответы

1. Некоторые насекомые могут ходить по воде, хотя они тяжелее (плотнее) воды из-за поверхностного натяжения воды. Поверхностное натяжение возникает в результате когезии или притяжения между молекулами воды на поверхности водоема [граница раздела жидкость-воздух (газ)].
2. Молекулы воды полярны, то есть они имеют частичные положительные и отрицательные заряды. Благодаря этим зарядам молекулы воды могут окружать заряженные частицы, образующиеся при диссоциации вещества. Окружающий слой молекул воды стабилизирует ион и удерживает разнозарядные ионы от повторной ассоциации, поэтому вещество остается растворенным.

[AP Biology 1.1] Структура воды и водородных связей

ПРОЧНОЕ ПОНИМАНИЕ

SYI-1

Живые системы организованы в виде иерархии взаимодействующих структурных уровней.

ЦЕЛЬ ОБУЧЕНИЯ

SYI-1.A

Объясните, как свойства воды, обусловленные ее полярностью и водородными связями, влияют на ее биологическую функцию.

ОСНОВНЫЕ ЗНАНИЯ

SYI-1.A.1

Субкомпоненты биологических молекул и их последовательность определяют свойства этой молекулы.

SYI-1.A.2

Живые системы зависят от свойств воды, которые являются результатом ее полярности и водородных связей.

  SYI-1.A.3

Водородные связи между молекулами воды приводят к когезии, адгезии и поверхностному натяжению.

Большая идея этого первого урока AP Biology заключается в том, что жизнь существует как иерархия от атомов до всей планеты, с различными уровнями, взаимодействующими друг с другом, чтобы создать сложный биологический мир, который мы видим вокруг себя.

Начиная с самого маленького уровня — атомов — мы можем начать видеть правила и взаимодействия, которые создают основу для возникновения жизни. Фактически, большая часть наблюдаемой нами биологии — от поведения животных до того, как растения поворачиваются к солнцу, — является продуктом молекулярных взаимодействий внутри отдельных клеток. В общем, каждый атом по своей природе содержит ряд свойств, которые возникают из-за количества протонов, электронов и нейтронов в атоме. При объединении в молекулы , эти свойства могут взаимодействовать, создавая свойства общей молекулы.

Пока мы все еще изучаем сложные взаимодействия между биологическими молекулами, которые помогают создавать целые организмы, есть одна молекула, которая имеет огромное значение для жизни. Мы называем это вещество водой.

Вода составляет примерно 60-90% от общей массы почти каждого организма. Мало того, что вода составляет огромный процент большинства клеток, вода также является идеальным растворителем для растворения и распределения ряда молекул внутри клетки.

Вода обладает этой способностью, поскольку является полярной молекулой . Полярные молекулы не делят свои электроны поровну. Вода состоит из трех атомов — одного кислорода и двух атомов водорода — представленных химической формулой H ₂ O. Атом кислорода гораздо более электроотрицательный, чем атомы водорода. Электроны внутри атома воды проводят гораздо больше времени, вращаясь вокруг атома кислорода, чем атомы водорода.

Эта водородная связь хорошо видна в структуре чистого льда. Молекулы воды внутри чистого льда образуют водородные связи друг с другом, создавая идеальную решетчатую структуру, как показано на изображении ниже. На самом деле водородные связи между молекулами удерживают каждую молекулу дальше друг от друга, чем обычно. Это делает лед менее плотным, чем жидкая вода, поэтому ваши кубики льда плавают в стакане с водой.

В результате молекула имеет более отрицательную и более положительную сторону. Более отрицательно заряженная молекула кислорода имеет тенденцию притягивать положительные заряды, а атомы водорода склонны притягивать отрицательные заряды. Именно это делает воду таким прекрасным полярным растворителем .

При растворении в воде других полярных веществ молекулы воды активно их растаскивают, равномерно распределяя введенные молекулы по всему раствору. Это называется диффузия , и это дает клеткам и организмам возможность легко распределять определенные полярные вещества по своим клеткам и телу.

С другой стороны, поскольку вода является полярным растворителем, она плохо смешивается с неполярными веществами. Клетки используют этот факт в своих интересах. Липидный бислой, окружающий все клетки, состоит из молекул с полярной головкой и неполярным хвостом. Полярные головы притягиваются к воде, а неполярные хвосты группируются вместе, чтобы исключить как можно больше воды. Полярные области «гидрофильны», потому что они притягиваются к воде, тогда как неполярные области «гидрофобны», потому что имеют тенденцию отталкивать воду.

Кроме того, молекулы воды взаимодействуют посредством водородных связей, создавая 3 очень уникальных свойства: когезия, адгезия, и поверхностное натяжение .

Сплоченность – это способность воды «прилипать» к самой себе. Водородные связи между молекулами воды означают, что они скорее слипнутся, чем разорвутся. Вы можете увидеть это свойство в действии в капле воды. Капли воды не распадаются и не растекаются по поверхности, а остаются целыми.

Адгезия – это способность воды прилипать к различным гидрофильным поверхностям. Это дает воде возможность проходить через определенные пористые материалы, прилипая к их поверхности. Например, если вы поместите каплю воды на бумажное полотенце, она быстро растечется и пройдет через полотенце, прилипая к отдельным волокнам и «протягивая» себя через материал.

Поверхностное натяжение свойственно не только воде, но вода обладает более высоким поверхностным натяжением по сравнению с другими жидкостями. Поверхностное натяжение — это мера того, насколько легко объект может проникнуть в жидкость. В воде это напряжение увеличивается за счет всех водородных связей между молекулами воды. По сути, это делает воду менее летучей (менее вероятной для испарения), что позволяет собирать большие водоемы и оставаться жизнеспособной средой для жизни.

Эти три свойства важны для многих биологических процессов. Например, массивные деревья используют свойства сцепления, сцепления и поверхностного натяжения, чтобы помочь молекулам воды перемещаться от корней к листьям, создавая ряд проходов, позволяющих воде подниматься вверх. Адгезия гарантирует, что вода продолжает двигаться вверх, а сцепление и поверхностное натяжение помогают притягивать еще больше воды к листьям.

В целом, это делает воду одной из самых важных молекул для жизни, как мы знаем.