Хімія - Золота колекція рефератів - 2018
ВОДА, ЩО ТВОРИТЬ ЖИТТЯ
ВСТУП
Вода — найпоширеніша на нашій планеті речовина. Океани, моря й ріки, льодовики й вода атмосфери — ось далеко не повний список «сховищ» води на Землі. Навіть у надрах нашої планети є вода, а що вже казати про живі організми, які живуть на її поверхні! Не існує жодної живої клітини, до складу якої не входила б вода. Організм людини, наприклад, складається з води більш ніж на 70 %.
Життя на Землі є сукупністю численних складних процесів, основне місце серед яких займає круговорот тепла, вологи й речовин. Головну роль у цьому відіграє вода — основа життя на Землі.
Але чи випадковим є те, що наше життя невіддільне від води, і які підстави цього?
На відміну від звичайних людей, які звикли вважати воду чимось настільки повсякденним і звичним, що не варте довгих міркувань, а тим більше подиву, вчені вважають цю рідину найзагадковішою й найдивовижнішою. Наприклад, багато властивостей води аномальні, тобто істотно відрізняються від відповідних властивостей сполук аналогічної будови. Як не дивно, але саме аномальні властивості води дали цій рідини можливість стати найголовнішою на Землі.
ВОДА В ПРИРОДІ
У вільному стані на Землі міститься колосальна кількість води — близько півтора мільярдів кубічних кілометрів. Майже стільки ж води знаходиться у фізично й хімічно зв’язаному стані в складі кристалічних і осадових порід.
Природна вода являє собою розчини, вміст розчинених речовин у яких коливається від 0,01 % (у прісних волах) до 3,5 % (у морській воді).
На частку прісної води припадає тільки близько 3 % усього запасу води на планеті (приблизно 35 млн км3). Людина на свої потреби може безпосередньо використовувати тільки 0,006% прісної води — ту її частину, що міститься в руслах всіх рік і в озерах. Інша частина прісних вод важкодоступна — 70 % являють собою льодовикові покриви полярних районів або гірські льодовики, 30 % — підземні водоносні шари.
Без перебільшення можна сказати, що наша планета просочена водою. Саме завдяки цьому на Землі став можливим розвиток тих форм життя, які ми бачимо навколо себе.
ВЛАСТИВОСТІ ВОДИ, ЩО СПРИЯЛИ ПОЯВІ ЖИТТЯ ПА ЗЕМЛІ
Порівнюючи властивості води із властивостями сполук-аналогів, доходимо висновку, то багато характеристик води мають аномальні значення. Як буде сказано нижче, саме ця аномальність властивостей відіграє найважливішу роль для зародження й існування життя на Землі.
Температура кипіння
Розглянемо температури кипіння сполук ряду Н2Ел, де Ел — елемент головної підгрупи VI групи.
Сполука |
Н2О |
H2S |
H2Se |
Н2Те |
t кип.°С |
+100 |
-60 |
-41 |
-2 |
Як бачимо, температура кипіння води різко відрізняється від температури кипіння сполук елементів-аналогів і має аномально високе значення. Встановлено, що така аномалія спостерігається у всіх сполуках типу Н2Ел, де Ел — сильно електронегативний неметал (О, N тощо).
Якщо в ряді Н2Те—H2Se—H2S температура кипіння знижується рівномірно, то від H2S до Н2О вона стрибкоподібно зростає. Те ж саме спостерігається для ряду НІ— НВr—НСІ—HF і H3Sb— H3As— Н3Р—H3N. Згодом було доведено, що між молекулами Н20 існують специфічні зв’язки, на розрив яких і витрачається енергія нагрівання. Ці ж самі зв’язки утруднюють відриви молекул HF і H3N. Такий вид зв’язку одержав назву водневого зв’язку. Розглянемо його механізм.
Елементи Н і О мають велике розходження в значеннях електронегативності (ЕО(Н) = 2,1; ЕО(О) = 3,5), тому хімічний зв’язок Н—О сильно поляризований. Електронна густина зміщається у бік Оксигену, у результаті чого атом Гідрогену отримує ефективний позитивний заряд, а атом Оксигену — ефективний негативний заряд. Гідрогенний зв’язок утворюється в результаті електростатичного притягання між позитивно зарядженим атомом Гідрогену однієї молекули й негативно зарядженим атомом Оксигену іншої молекули:
Здатність води утворювати гідрогенні зв’язки має важливе біохімічне значення.
Густина
Для всіх речовин характерне збільшення густини при зниженні температури. Однак вода в цьому випадку поводиться трохи незвичайно.
Мінімальна температура, при якій вода може перебувати, не замерзаючи, дорівнює 0°С. Було б логічним припустити, що найбільша густина води також відповідає цій температурі. Однак експериментально було доведено, що густина рідкої води максимальна при 4°С.
Цей факт має колосальне значення. Уявімо собі, що вода підкоряється закономірностям, характерним для всіх інших рідин. Тоді зміна її густини відбувалася б, як в інших рідин. У навколишньому світі це призвело б до катастрофи; з наближенням зими й похолоданням верхні шари рідини у водоймах остигали б і опускалися на дно. Тепліші шари рідини, що піднялися на їхнє місце, також прохолоджувалися б до 0°С і опускалися. Це тривало б доти, доки вся вода не остудилася до 0°С. Далі вода, починаючи з верхніх шарів, почала б замерзати. Будучи щільнішим, лід опускався б на дно, замерзання тривало б доти, доки вся вода природних водойм не промерзла б до дна. Зрозуміло, що в таких умовах флора й фауна природних водойм існувати не могла б.
Інша аномалія густини води полягає в тому, що густина льоду нижча, ніж густина води, тобто вода при замерзанні не стискається, як всі інші рідини, а навпаки — розширюється.
З погляду законів фізики це абсурд, адже більш впорядкований стан молекул (лід) не може займати більший об’єм, ніж менш упорядкований (рідка вода) за умови, що кількість молекул в обох станах однакова.
Як уже було сказано, у рідкій воді молекули Н2О зв’язані між собою гідрогенними зв’язками. Утворення кристалів льоду супроводжується утворенням нових гідрогенних зв’язків, внаслідок чого молекули води утворюють шари. Зв'язок між шарами також здійснюється за рахунок гідрогенних зв’язків. Отримана структура (т. зв. структура льоду) належить до найменш щільних — порожнечі, наявні між молекулами в кристалі льоду, перевищують за розмірами молекули води. Тому густина води має більше значення, ніж густина льоду.
Поверхневий натяг
Як правило, під поверхневим натягом рідини мають на увазі силу, яка діє на одиницю довжини контуру поверхні розділу фаз і прагне скоротити цю поверхню до мінімуму. Величина поверхневого натягу для води має аномально високе значення — 7,3 • 10-2 Н/м при 20°С (з усіх рідин вище значення має тільки ртуть — 51 • 10-2 Н/м).
Високе значення поверхневого натягу води проявляється в тому, що вона прагне скоротити свою поверхню до мінімальної. Можна сказати, що під дією цієї сили молекули зовнішнього шару води зчіплюються, утворюючи на поверхні певну подобу плівки. Вона настільки міцна й пружна, що окремі предмети мають можливість триматися па поверхні води, не занурюючись в неї, навіть якщо їхня густина більша від густини води.
Наявність плівки дає можливість багатьом комахам пересуватися па поверхні води й навіть сідати на неї, як на тверду поверхню.
Внутрішній бік поверхні води також активно використовується живими істотами. Багатьом з нас доводилося бачити личинок комарів, які повисають на ній, або маленьких равликів, що повзають у пошуках здобичі.
Високий поверхневий натяг обумовлює також таке надзвичайно важливе в природі явище, як капілярність (рідина піднімається дуже тонкими трубками — капілярами). Завдяки цьому здійснюється живлення рослин.
Для опису поводження води в капілярах виведені досить складні фізичні закономірності. Шари води, розташовані поблизу твердої поверхні, структурно впорядковані. Товщина такого шару може досягати десятків і сотень молекул. Зараз учені схиляються до того, щоб уважати структурно впорядкований стан води в капілярах окремим станом — капілярним.
Капілярна вода широко розповсюджена в природі у вигляді так званої порової води. Тонкою, але щільною плівкою вона покриває поверхні пор і тріщин порід і мінералів земної кори. Щільність цієї плівки обумовлена також тим, що молекули води, що складають її, пов’язані з частинками, які утворюють тверде тіло, міжмолекулярними силами.
Структурна впорядкованість морової води є причиною того, що температура її кристалізації (замерзання) помітно нижче за відповідну температуру вільної води. Крім того, властивості гірських порід, з якими стикається порова вода, істотно залежать від того, в якому агрегатному стані вона перебуває.