Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

ლ Вода

Main page / Живомордность / ლ Вода

Содержание

    Вода относится к неорганическим химическим соединениям, поскольку в составе её молекулы нет углерода. О некоторых особенностях воды я уже писал в главе про молекулярные взаимодействия, и здесь хочется немного расширить эту тему, потому что роль воды в процессе жизнедеятельности живых существ просто огромна. Всё содержимое клеток буквально плавает в воде, и очень важно иметь понимание химических и физических её свойств.

    1. Мокрая вода и мембранные кентавры.

    Все знают, что вода мокрая, но что именно это означает и почему так происходит, знают далеко не все. Мы теперь можем в этом разобраться без труда. То, что вода «мокрая», означает, что если мы сунем в воду какой-то предмет, скажем палец или тарелку, то этот предмет после вынимания из воды останется покрытым молекулами воды. Таким образом, очень и очень многие предметы, встречающиеся в нашей жизни, «намокают». Но почему на них остается слой воды? Да потому, что каждая молекула воды, как мы уже знаем, является диполем, и имеет положительно и отрицательно заряженные стороны. За счет этого соседние молекулы воды притягиваются друг к другу, но не только ведь друг к другу. Молекулы воды точно так же легко будут притягиваться любыми другими полярными молекулами! Вот и всё объяснение. Стеклянная бутылка состоит из молекул, которые не являются электрически нейтральными — там тоже есть положительно и отрицательно заряженные части, поэтому-то эта бутылка и останется мокрой, если мы вытащим ее из воды — молекулы воды притянутся к молекулам стекла. Притяжение между молекулой воды и молекулой стекла немного больше, чем притяжение между соседними молекулами воды.

    Если мы нальем немного воды в стеклянную бутылку и внимательно посмотрим на верхний край, где вода соприкасается со стеклом, то увидим, что поверхность воды не совсем плоская — по периметру она немного приподнимается вверх, потому что краевые молекулы воды, соприкасающиеся со стеклом, притягиваются к нему и немного приподнимаются вверх. Подняться еще выше они не могут, поскольку сила земного притяжения тащит их вниз. Но что будет, если эту бутылку перенести в космос, где притяжения почти нет? Тогда мы увидим удивительное явление — вода поползет по внутренним стенкам бутылки и покроет их целиком, то есть вся внутренняя поверхность бутылки станет мокрой. Самое смешное будет, когда мы захотим вылить воду из бутылки, аккуратно ее наклоняя. Вода откажется выливаться на пол. Вместо этого… она поползет теперь уже по наружной поверхности стекла, сделав мокрым и его.

    Но есть ситуация, в которой даже тут, на Земле, вода преодолевает силу земного притяжения. В капиллярах деревьев вода поднимается вверх как угодно высоко, на десятки метров вверх, и происходит это за счет того, что эти капилляры очень, очень тонкие, и в итоге молекулы воды, будучи со всех сторон тесно окружены клетками капилляров, притягиваются ко многим из них сразу, так что итоговая сила притяжения преодолевает земное притяжение.

    Необходимо отметить, что в теле животных также имеется огромное количество капилляров, и важнейшие особенности кровообращения также связаны с сильным поверхностным натяжением воды.

    Поверхность, состоящая из неполярных молекул, смачиваться водой никогда не будет. Конечно, между полярной и неполярной молекулами по-прежнему будет действовать сила Ван-дер-Ваальсового притяжения, но она намного, намного слабее, чем водородная связь, поэтому никакая молекула воды не сможет оторваться от своих соседок и прилипнуть к неполярной поверхности. Капля воды, капнутая на покрытую жиром поверхность, останется в форме полусферической капли, приплюснутой земным притяжением.

    И теперь мы можем легко понять, что неполярная поверхность будет смачиваться неполярной жидкостью, ведь силы Ван-дер-Ваальса там будут проявляться, поэтому если графитовая поверхность не смачивается водой, то она будет смачиваться жиром.

    мыло

    Каждому из нас известно, что испачканные в жире руки можно отмыть от жира с помощью воды, но лишь в том случае, если мы используем мыло. Почему так? Это происходит потому, что молекулы мыла являются своего рода кентаврами. На одном их конце находится гидрофильная группа — то есть такая группа молекул, которая является полярной и, таким образом, легко прицепляется к молекулам воды. На этой картинке гидрофильная часть состоит из атома серы, окруженного атомами кислорода. Атомы кислорода имеют одну из самых высоких уровней электроотрицательности (3.4), а сера — намного меньше (2.6), так что на этой стороне молекулы мыла формируется отчетливый отрицательный заряд, и атомы водорода, входящие в состав молекул воды, будут отлично сюда прилипать несмотря на то, что гидрофильный кусок очень маленький.

    С другого конца молекулы мыла — длинный гидрофобный кусок, состоящий из блоков CH2, то есть длинная неполярная группа, которая цепляется к молекулам жира с достаточной силой в силу своей большой протяженности. Электроотрицательность углерода равна 2.6, а водорода — 2.2, поэтому пара молекул водорода вполне компенсирует одну молекулу углерода в этом смысле, и молекула получается электрически нейтральной. В результате каждая молекула мыла является своего рода лассо, поводком, который молекулы воды накидывают на шею молекулам жира и выводят их погулять подальше.

    мембр

    Такими кентаврами в клетке являются и молекулы-фосфолипиды, из которых состоят двухслойные клеточные мембраны. Оба мембранных слоя устроены так, что составляющие их фосфолипиды своими гидрофильными (то есть притягивающими воду) концами направлены в стороны внутриклеточного и вне-клеточного матрикса, который по сути и состоит из воды. На этой картинке гидрофильные концы изображены синими шариками. Это обеспечивает плотный контакт мембраны с внутри- и вне-клеточным пространством, что очень удобно для осуществления транспорта веществ туда-сюда. Но внутрь, в меж-мембранное пространство, фосфолипиды направлены своими гидрофобными концами, так что создается непробиваемая для воды броня, ведь транспорт веществ должен находиться под полным контролем, иначе клетка не сможет существовать. Подробнее мы будем рассматривать структуру мембран в соответствующей главе.

    На свойства воды довольно сильно влияют примеси, и мы безо всякого труда можем ставить эксперименты, которые показывают — как та или иная примесь влияет на смачивающие свойства воды. Возьмем две капли воды. Одна из них пусть будет условно чистая (на самом деле конечно совершенно чистой воды не бывает, там всегда есть примеси), а вторая пусть будет каплей воды, в которой мы растворили сахар. Капнем обе капли на поверхность, смазанную жиром. Первая капля чистой воды будет торчать в виде шарика — вода не смачивает жирную поверхность. А вот как поведет себя вторая капля? Изменится ли ее форма, и насколько сильно?

    2. Гидроксоний H3O+

    Во внутриклеточной жидкости растворены многие вещества, важные для жизнедеятельности клетки. Некоторые из них представляют собой полярную молекулу, одним из атомов которой является водород. Что значит «вещество растворено в воде»? Значит, молекулы воды растащили полярные молекулы этого вещества на части, и молекула этого вещества окружена молекулами воды.

    234324

    Посмотрим — что происходит, к примеру, с молекулой уксусной кислоты, растворенной в воде. Крайний атом водорода уксусной кислоты соединен с кислородом. Кислород, конечно же, сильно оттягивает электрон у водорода, так что этот водород по сути представляет собой почти что голый положительно заряженный протон. И находящаяся рядом молекула воды разворачивается к этому протону своей отрицательно заряженной частью, то есть кислородом, и между ними возникает достаточно сильное притяжение. Получается так, что два атома кислорода примерно с одинаковой силой начинают притягивать к себе этот протон, причем в зависимости от конфигурации электрических полей, возникающих от находящихся вокруг других молекул воды, пересиливает то один кислород, то другой.

    В результате возникает интересное явление: атом водорода словно плавает от молекулы уксусной кислоты к молекуле воды и обратно. Он то присоединяется на краткое время к молекуле воды, то возвращается, и в тот момент, когда он присоединяется к молекуле воды, образуется молекула H3O+, а точнее — положительно заряженный ион H3O+. Такой ион называется гидроксонием. Он неустойчив, и протон быстро возвращается назад. Точно так же происходит и с другими кислотами. Вообще, кислотой как раз и называются те вещества, которые отдают воде свои протоны, что приводит к образованию гидроксония. Если тебе раньше не было понятно — что такое кислота, то теперь вот можно это понять.

    Более того. Точно такой же процесс обмена протонами происходит и между разными молекулами воды. В таком случае на короткое время образуется положительно заряженный ион гидроксония H3O+, и отрицательно заряженный гидроксильный ион OH.

    Этих процессов происходит очень много, они идут постоянно, так что в итоге в каждый конкретный момент времени во внутриклеточной жидкости находится немало ионов гидроксония и гидроксила. Нужно иметь это в виду, когда мы говорим о внутриклеточном пространстве.

    Существует и другой класс веществ, растворенных в клетке: они называются основаниями или щелочами. Основанием является то вещество, которое, наоборот, захватывает себе атом водорода, тем самым снижая концентрацию гидроксония, ведь именно гидроксоний легче всего готов расстаться с лишним атомом водорода. Например, так себя проявляет гидроксид натрия (NaOH). Водород имеет довольно слабую электроотрицательность (2.2), а натрий — очень слабую, всего лишь 0.9! (Это неудивительно, если мы вспомним электронную формулу натрия: 1s22s22p63s1 — лишь 1 электрон на внешних s-p-уровнях, который натрий стремится поскорее отдать, чтобы получить их завершенную конфигурацию). Поэтому кислород почти что срывает один электрон с натрия, и натрий становится легкой добычей для находящихся вокруг молекул воды. Происходит, таким образом, диссоциация молекулы NaOH на ионы Na+ и OH. Возникшие ионы гидроксила немедленно захватывают любой доступный атом водорода, тем самым и снижая концентрацию гидроксония. Таким образом, щёлочи снижают концентрацию гидроксония H3O+ и повышают концентрацию гидроксила OH.

    Другие щёлочи способны самостоятельно временно захватывать атом водорода непосредственно у молекул воды в том случае, если вокруг складывается благоприятная конфигурация электрических полей. Таким веществом, к примеру, является аминогруппа (-NH2), которую мы уже видели как в составе нуклеотидов, так и в составе аминокислот, то есть это очень распространное и очень важное соединение: (-NH2) + H2O <=> (-NH3+) + (OH).

    3. Сильная полярность молекул воды приводит к тому, что между ними существуют сильное электрическое притяжение, и таким образом вода остается жидкой при очень высокой температуре, а не разбивается на отдельные молекулы водяного газа — пара. Подсчитали, что если бы молекула воды не была бы полярной, то исходя из чисто химического ее состава, она бы кипела уже при температуре минус 80 градусов цельсия! Не плюс 80, это не опечатка — именно минус 80. А при минус 100 градусах она бы замерзала. Та жизнь, которая сейчас есть на Земле, просто не смогла бы возникнуть.

    водомерка

    4. Также в силу высокой полярности вода обладает сильным поверхностным натяжением, то есть молекулы воды легко и сильно сцепляются как друг с другом, так и с другими полярными молекулами, это мы уже знаем. Но мало того. Вода обладает не просто сильным поверхностным натяжением, а почти самым сильным в природе, уступая только ртути. Эти свойством воды пользуются, например, водомерки, которые спокойно скользят по ее поверхности, не рискуя утонуть — молекулы воды крепко сцеплены между собой, и ее смазанные жиром лапки не могут провалиться под воду. Маленькие улитки-прудовики спокойно ползают… вверх ногами — по той же поверхности, по которой скользят водомерки, но снизу, и таким образом ищут свою пищу в подповерхностном слое.

    Мы уже упоминали о капиллярах, в которых поверхностное натяжение воды проявляет себя в полной мере. Интересно при этом то, что когда молекулы воды прицепляются к молекулам, из которых состоят стенки капилляров, то молекулы воды фиксируются на этом своем месте, и эта фиксация распространяется на другие молекулы воды, которые цепляются к этим молекулам. Такая упорядоченность распространяется довольно глубоко в толщу воды — на толщину десятков, а то и сотен молекул. В результате вместо привычной жидкой воды в около-стеночном пространстве капилляров получается нечто очень необычное — жидкость со структурой. Ее свойства достаточно сильно отличаются от свойств обычной жидкой воды, так что мы вполне можем ввести понятие о новом, капиллярном состоянии воды.

    5. Мы знаем, что в живых клетках огромную роль имеет способность передавать электрические сигналы. Например некоторые нейроны, находящиеся в спинном мозге, имеют очень длинные аксоны, длиной более метра, которые идут в наши конечности. По этим аксонам распространяется электрический сигнал, когда наш мозг управляет нашими руками и ногами — именно поэтому мы можем очень быстро что-то делать своими конечностями в соответствии с нашими пожеланиями. Поэтому очень важную роль играет способность воды проводить ток. Дистилированная вода электрический ток практически не проводит, так как её молекула очень прочна и не распадается сама по себе на заряженные ионы. Но все меняется, когда в воде растворяются даже малые количества некоторых других веществ, легко распадающихся на ионы — в этом случае вода сразу становится отличным проводником электричества. Такая способность воды то становиться проводником, то диэлектриком, очень важна для клеток.

    6. То, что молекулы воды являются сильными диполями, влечет за собой еще один эффект: молекулы воды очень активно растаскивают в стороны молекулы других веществ, если у них есть хотя бы небольшая полярность, то есть вода является очень сильным растворителем. Представим себе две молекулы какого-то вещества. Если взять их и сблизить в вакууме, то между ними возникнет некоторая сила взаимного притяжения, допустим она равна F1. Теперь поместим эти две молекулы в какую-то жидкость и снова сблизим их друг с другом и снова измерим силу, с которой они притягиваются друг к другу. Пусть эта сила будет равна F2. Так как молекулы окружающей воды тащут молекулы выбранного вещества в разные стороны, то Fбольше, чем F2, но разница между ними зависит от того — что это за жидкость. Чем больше эта разница, тем, соответственно, больше растворяющая способность жидкости. Физики используют для обозначения этой растворяющей способности еще и другой термин: «диэлектрическая проницаемость«. У некоторых жидкостей диэлектрическая проницаемость равна 2-3 единицам, у многих других она находится в диапазоне от 10 до 50 единиц, а вода в этом смысле чемпион: её диэлектрическая проницаемость равна 80!

    То, что вода является отличным растворителем — очень важно не только с точки зрения кулинарии или мытья рук, но и с точки клеточной жизнедеятельности, ведь это означает, что вода может иметь в себе в растворенном виде очень разнообразные вещества, необходимые для жизни клетки. Таким образом, вода представляет собой великолепный резервуар для хранения и транспортировки этих веществ внутри клетки. И кровь, и лимфа являются растворами.

    В этом месте можно немного остановиться и попутно разобраться поподробнее — что такое «раствор» ( solution [sə’luːʃ(ə)n] ) — это нам еще пригодится для понимания того, что происходит в живой клетке и в окружающей среде. Представим себе, что в некоторой жидкости находится в виде очень мелких кусочков какое-то другое вещество. Такая система называется «дисперсной«. На самом деле дисперсной системой может быть не только жидкость. Например, в одном газе может присутсововать примесь другого газа, и такая дисперсная система будет представлять собою газовую смесь. В газе также могут присутствовать частички твердого вещества — такую дисперсную систему мы все очень хорошо знаем — мы называем её «дым«. Когда мы жжем костер, несгоревшие мельчайшие частички веток и дров уносятся вверх теплыми струями воздуха, образуя дым. Также в каком-то твердом веществе могут присутствовать мельчайшие частички другого вещества. Примером такого рода дисперсной системы является «сплав» — например, сплав металлов. Но бывают и более экзотические варианты. Например, если через расплавленное железо пропускать газообразный углерод, то образуется сплав железа с углеродом — газ окажется примешанным к твердому железу. Если углерода будет больше 2%, получится чугун. Если меньше — получится сталь.

    Если в жидкости присутствуют достаточно крупные частички другого вещества, то такая дисперсная система называется «взвесь». Если взвесь не взбалтывать, то частички примеси в конце концов осядут на дно. Но если частички примешанного вещества окажутся очень мелкими, сравнимыми по размерам с молекулами жидкости, то они уже никогда не осядут, потому что молекулы жидкости в своем броуновском движении будут постоянно их разгонять, и в результате примешанное к жидкости вещество будет равномерно распределено по всему объему. Именно такая система и называется раствором.

    ice

    7. Когда температура воды высокая, то высока и энергия молекул, они активно движутся, колеблются. Когда температура начинает падать, кинетическая энергия молекул уменьшается, скорость их движения также замедляется, и молекулы начинают выстраиваться все более и более упорядоченно. Что при этом происходит? Сначала плотность воды начинает расти — так же, как это случается с другими жидкостями, то есть молекулы начинают располагаться поближе друг к другу, а не дергаться в разные стороны. Но нечто необычное возникает при температуре 4о. При этой температуре молекулы воды настолько сближаются друг с другом, что теперь их полярные концы оказываются очень близкими друг к другу, и теперь атомы водорода начинают постепенно выстраиваться напротив атомов кислорода, а не каким-то хаотическим образом. То есть по мере того, как температура падает от 4о до 0о, её плотность уже не растет, а падает. В результате получающийся лёд имеет заметно меньшую плотность, чем вода — на 10% меньше, и плавает на поверхности водоёмов, не давая им промерзнуть, сохраняя внутриводоемную жизнь, превращаясь в непропускающее холод одеяло, поскольку лёд является хорошим теплоизолятором, слабо пропуская, соответственно, как тепло, так и холод. Но ещё более качественным теплоизолятором является пушистый снег, лежащий на льду — в этом смысле снег по своим теплоизолирующим свойствам идентичен шерсти! Так что наши водоемы зимой похожи на покрытых шерстью животных.

    8. Водяной лёд имеет ячеистую структуру, и в этих ячейках могут оказываться заключенными молекулы других веществ. Такого рода соединения воды с другими веществами называются «клатратными соединениями«. Одним из экологически важных клатратных соединений является соединение воды с метаном (CH4).

    9. Способность воды поглощать и накапливать тепло проявляется не только тогда, когда она жидкая, но и тогда, когда она существует в виде пара. Поэтому водяной пар, присутствующий в атмосфере, является играющим довольно большую роль «парниковым газом«, пропуская высокоэнергетические солнечные лучи к поверхности Земли, поскольку пар не может их перехватить, но удерживая тепло (инфракрасное излучение), излучаемое нагретой Землей. В результате присутствие паров воды в атмосфере приводит к ее нагреву, и этого пара в атмосфере немало.

    ураган

    Каждую минуту за счет солнечного нагрева образуется миллиард тонн водяного пара, который поднимается в атмосферу вместе с нагретым воздухом. В основном, конечно, это происходит на поверхности океанов. Миллиард тонн ежеминутно. Сложно представить себе такой масштаб работы этого чайника. По мере того, как пар поднимается, он охлаждается, и начинается его конденсация — возникают облака. Охлаждась, пар передает свою энергию окружающему воздуху, нагревая его, и таким образом, через посредство водяного пара, солнечная энергия передается слоям воздуха там, где плавают облака. Неравномерность нагрева воздушных слоев приводит к тому, что огромные массы воздуха начинают перемещаться, образуя ветры и, в том числе, ураганы, в которых энергия снова перераспределяется. Нам знакомы фотки ураганов. Они, несомненно, бывают очень мощными, но насколько именно мощными? С чем бы таким их сравнить, чтобы понять это? Можно сравнить с взрывом атомной бомбы: один ураган высвобождает энергию, равную энергии десятков тысяч атомных бомб.

    10. Если вода находится при температурах, скажем, 10-20 градусов, то ее молекулы ведут себя довольно хитрым образом: они то выстраиваются в структуру, похожую на кристаллическую, то вновь поворачиваются каким-то случайным образом. Чем ниже температура, тем чаще молекулы выстраиваются упорядоченным образом — плюс к минусу, и чем температура выше, тем реже такая упорядоченность имеет место, так как молекулы приобретают больше и больше кинетической энергии. Для нас сейчас важно то, что именно при температуре от 35 до 40 градусов вода окончательно прекращает даже на краткие мгновения образовывать кристалло-подобные образования, становясь при этом по-настоящему жидкой. Возможно, этот факт сыграл свою эволюционную роль, так что теплокровные существа имеют нормальную температуру тела от 36 до 40 градусов.

    11. Водяной лёд тоже бывает очень разнообразным. Сейчас уже выделяют до 20 разных модификаций льда, и это явно не предел, и каждая из них обладает своей особой структурой, имеет свои особенности, но эту тему в данной главе уже развить невозможно, тем более что с точки зрения генетики это уже не очень актуально:)

    (Автор статьи: Бодх)