7.6. Структура та унікальні властивості води

Одна з найпоширеніших речовин на Землі – вода. Вода покриває більшу частину поверхні нашої планети, з неї в основному складаються майже всі живі істоти. Властивості води настільки важливі для живих організмів, що відома нам форма життя без неї взагалі неможлива (рис. 7.9). Унікальні властивості води пояснюються структурою молекул: атом кисню пов'язаний ковалентно з двома атомами водню, молекула вигнута під кутом, у вершині якого і знаходиться кисень. Через те, що кисень притягує електрони сильніше за водень, молекула води завжди полярна: кисень частково заряджений негативно, водень — позитивно, тому молекула води утримується водневими зв'язками. Коли вода знаходиться в рідкій фазі, ці слабкі зв'язки легко рвуться і руйнуються при зіткненні.

Мал. 7.9. Вода у різних фазах

ня молекул, проте водневі зв'язки відіграють велику роль, забезпечуючи особливе значення води для життя (рис. 7.10).

Теплові властивості води є унікальними для забезпечення життя. Випаровування вимагає значної витрати енергії, оскільки температура кипіння води досить висока. Прихована теплота випаровування (кількість теплоти, необхідної для перетворення води на пару або подолання сил молекулярного зчеплення у воді, обумовлених водневими зв'язками) надзвичайно велика щодо інших речовин. Її доводиться брати із середовища, і випаровування води супроводжується охолодженням.

Приклад - потовиділення у тварин або теплова задишка у ссавців або рептилій (сидять на сонці з роззявленим ротом). Відносно велика енергія потрібна воді та при плавленні (таненні льоду). І навпаки, при замерзанні вода має віддати велику кількість теплової енергії. Це зменшує ймовірність замерзання і клітин, та його оточення. Кристалізація води в клітинахзгубна життя, і велика теплота плавлення забезпечує стабільність зовнішніх умов, т. е. життєдіяльності.

Щільність води в рідкому стані більша, ніж у твердому, і крига не тоне в ній. Крім води такою властивістю мають лише вісмут і чавун. Так як щільність води при температурі від 4 до 0°С знижується, лід утворюється спочатку біля поверхні води і

тільки під кінець - біля дна. Це забезпечує збереження життя у водоймах: крига покриває товщу води, як ковдру, тане швидше, перебуваючи на поверхні. Шари води при температурі, меншій за 4°С,

Дубніщева Т.Я. Концепції сучасного природознавства: Навч. посібник для студ. вузів / Тетяна Яківна Дубніщева. - 5-е вид., Перероб. та дод. - М.: Видавничий центр «Академія», 2003. - 608 с.

Янко Слава (Бібліотека Fort/Da) [email protected]

піднімаються вгору, перемішуються і переносять поживні речовини по всій товщі, що дозволяє поширюватись живому на великих діапазонах глибин. Висока теплопровідність води, досить високі температури кипіння та замерзання, зниження температури тіл при викори-

Мал. 7.10. Структура молекули води

ренні води з їхньої поверхні — все це важливо для стабільності умов життя. Навіть той факт, що щільність води максимальна при температурі 4°С, що трохи вище за точку її замерзання (тобто при охолодженні від 4 до 0°С вода розширюється), і лід легший за рідку воду, відіграє важливу роль — запобігає утворенню кристалів у клітинах і не ушкоджує тканини. Низька щільність льоду рятує водних тварин — крига плаває на поверхні і не допускає холодне повітря вглиб, де знаходяться живі організми. Тому вода є разом із розчиненими в ній солями необхідним середовищем для хімічних процесів, що становлять життя.

Через велику теплоємність води потрібна велика кількість енергії навіть для невеликого підвищення її температури. Пояснюється це тим, що енергія витрачається на розрив водневих зв'язків, які забезпечують її "клейкість". Тому біохімічні процеси протікають у меншому інтервалі температур, із постійною швидкістю. Вода служить стабільним місцем існування для багатьох клітин і організмів, забезпечуючи значну сталість зовнішніх умов.

Вона має великий поверхневий натяг, оскільки її молекули злипаються один з одним (когезія) за допомогою водневих зв'язків. Полярні молекули притягуються будь-якою поверхнею, що несе електричний заряд, звідси її здатність підніматися тонкою трубкою або пором, звана капілярністю (адгезія). Крім того, у води найбільше поверхневе натяг у порівнянні з іншими рідинами — сильне зчеплення між молекулами. Багато дрібних організмів тому можуть ковзати по водяній поверхні. Ця унікальна властивість відіграє важливу роль у живих клітинах та при русі води по судинах ксилеми у рослин.

Вода – активний учасник процесів метаболізму. При фотосинтезі вона є джерелом водню, бере участь у реакціях гідролізу. Вода є найбільш важливим за обсягом компонентом тканин тварин і рослин: вона є середовищем, в якому відбуваються всі біохімічні реакції, і одночасно їх учасником. Було встановлено, що фазові переходи у воді можуть керувати швидкістю перебігу біохімічних реакцій. Після відкриття Полінгом (1961) взаємозв'язку між явищем наркозу та кристалізацією гідратів наркотичних речовин прояснилася роль перебудов пов'язаної води у явищах наркозу, а останнім часом – і у виникненні найважливіших властивостей гідратованих речовин: глини, гіпсу, цементу, деяких типівсегнетоелектриків.

Вода має велике значення при природному доборі та видоутворенні у живій природі. Всі наземні організми пристосувалися до добування та збереження води, навіть у пустелях. Не викликає сумніву той факт, що життя зародилося на Землі у водному середовищі.

7.7. Будова та властивості атома вуглецю, що визначили його роль у природі

Приблизно зі ста хімічних елементів, що зустрічаються в земній корі, для життя необхідні лише шістнадцять, причому чотири з них - водень (Н), вуглець (С), кисень (О) та азот (N) найбільш поширені в живих організмах і становлять 99% маси живої. Біологічне значення цих елементів пов'язане з їх валентністю (1, 2, 3, 4) і здатністю утворювати міцні ковалентні зв'язки, які виявляються міцнішими за зв'язки, що утворюються іншими елементами тієї ж валентності. Наступними за важливістю є фосфор (Р), сірка (S), іони натрію, магнію, хлору, калію та кальцію (Na, Mg, С1, К, Са). Як мікроелементи в живих організмах присутні також залізо (Fe), кобальт (Со), мідь (Cu), цинк (Zn), бор (В), алюміній (Al), кремній (Si), ванадій (V), молібден ( Мо), йод (I), марганець (Mn).

З погляду хімії життя - це всілякі перетворення різноманітних великих і складних молекул, головним елементом яких є вуглець. Він важливий не з погляду поширеності на

Янко Слава (Бібліотека Fort/Da) [email protected]

Землі в земній корі вуглецю всього 0,055%, тоді як кисню 60,50, кремнію 20,45 і навіть титану 0,27%. В атмосфері двоокису вуглецю міститься 0,03%,тобто. вуглецю всього 0,008%. Усі біологічно функціональні речовини (білки, жири, вуглеводи, гормони, вітаміни), крім кількох солей та води, містять вуглець. Число сполук вуглецю величезне. Вони називаються органічними сполуками, оскільки колись вважалося, що такі молекули можуть утворюватися лише живих організмах.

Сполуками вуглецю займається органічна хімія — одна з найважливіших галузей хімії. Органіка розкладається, горить при не дуже високій температурі, при згорянні в повітрі вуглець окислюється до СО 2 . Більшість органічних сполук містять водень, що окислюється до води. Чистий вуглець зустрічається у природі як графіту і алмазу. До 1829 р. прихильники віталізму вважали, що без участі живого не можна отримати органічні сполуки, лише «життєва сила» здатна виготовити оцтову кислоту чи спирт. Німецький хімік Ф. Велер довів хибність цього вчення. Він отримав сечовину випарюванням розчину ціаново-кислого амонію NH 4 NCO — солі, яку можна виготовити із простих речовин, не пов'язаних із життєдіяльністю організмів. Цей синтез був першим прикладом штучного одержання органіки.

Сьогодні синтезовано найскладніші речовини, яких немає у природі. Вуглець займає все більше місце в техніці: природні та синтетичні волокна, природний та синтетичний кау-

чук, пластмаси, нафтопродукти, папір, барвники, чавун, медикаменти.

Ідею про чотирихатомність вуглецю висловив Купер (1858), його підтримав Кекуле у статті «Про будову та перетворення хімічних сполук та хімічну природу вуглецю». У Кекуле формула С 6 Н 6 перетворилася на структурну формулу бензолу, знамените «бензольне кільце», що наочно відбиває чотиривалентність вуглецю. Без цього неможливо було зрозуміти будовускладних вуглеводнів, їх сполук та похідних. Щоправда, структурні формули Кекуле були двомірними і було неможливо відобразити таку властивість молекул, як изомерия. Бутлеров сформулював визначення поняття хімічної будови як способу зв'язків у молекулі. З допомогою структурної теорії розвивалася систематика органічних сполук. Структурні формули наочно відбивали зв'язок формули з властивостями речовини, пояснили ізомерію і передбачили властивості ще невідомих сполук.

Атомний номер вуглецю - 6, ядро містить 6 протонів і 6 нейтронів, навколо ядра обертаються 6 електронів, маса атома дорівнює 12. При хімічних реакціях вуглець здатний приєднати 4 електрони і утворити стійку оболонку з 8 електронів, тобто має валентність, . , і здатний до міцного ковалентного (приєднання електронів) зв'язку. Наприклад, емпірична формула однієї з таких міцних сполук, метану, — СН 4 , а в структурному зображенні це тетраедр (чотири симетричні зв'язки вуглецю).

Знаючи валентність вуглецю, можна досить просто зобразити становище всіх водневих атомів, що бракують, що дозволяє зосередити увагу на найбільш важливих зв'язках і хімічних групах. Такі міцні ковалентні зв'язки вуглець може утворювати і атомами інших елементів (Н, Про, Р, N, S), і з вуглецевими (З-З-зв'язок). Внутрішня відмінність органіки від більшості неорганічних сполук виявляється у тому, що хімічні зв'язку, зазвичай, в органічних сполуках валентні, а іонні зв'язку — дуже рідкісні.

Унікальною властивістю вуглецю є його здатність утворювати стабільні ланцюги та кільця (рис. 7.11), які забезпечують різноманітність органічних сполук, і ці зв'язки можуть бути кратними.

Октан - це вісім атомів вуглецю в оточенні атомівводню, що утворюють ланцюжок, в якому атоми лежать не на прямій, а зигзагоподібно, вільно обертаючись у місцях зчленування. Октан та його ізомери, що складаються з тієї ж кількості атомів, але мають розгалужену структуру через бічні вуглеводневі групи, входять до складу бензину. Невелика крапелька цієї рідини має більше молекул, ніж Галактика зірок. Деякі молекули згорнуті в клубок, деякі витягнуті в