Вода

Вода-одно из самых распространенных веществ на Земле; она покрывает большую часть земной поверхности и почти все живые существа состоят в основном из нее. Мы ежедневно пьем воду, моемся ею, используем ее для того, чтобы избавляться от всевозможных отходов, и, в сущности, никогда всерьез не думаем о ней.

Если же приглядеться к воде внимательно, то мы увидим, что привычное вещество обладает некоторыми совершенно удивительными свойствами. Свойства эти настолько важны для живых организмов, что нельзя представить себе жизнь, в том виде как мы ее знаем, на какой бы то ни было планете, если только на этой планете нет достаточного запаса воды.
Уникальные свойства воды определяются структурой ее молекул. В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя водородными атомами (рис. 9.10). Молекула изогнута под углом: в вершине угла находится атом кислорода, а по краям-два атома водорода. Поскольку кислород притягивает электроны сильнее, чем водород, молекула воды полярна: ее кислородный атом несет частичный отрицательный заряд, а каждый из двух атомов водорода - частичный положительный заряд.
Частично отрицательный атом кислорода одной молекулы воды притягивается частично положительными атомами водорода других молекул; поэтому молекулы воды связаны друг с другом водородными связями (рис. 9.11). В жидкой воде эти слабые связи быстро образуются и столь же быстро разру-



гие молекулы воды и заполняет пространство между волокнами. Если поры не слишком крупные, то когезия может удерживать воду до тех пор, пока она не заполнит всю пору. Затем вода может продвинуться далее и начать заполнять лежащие выше пустоты.

шаются при беспорядочных соударениях молекул. Благодаря особой структуре молекул воды и их способности связываться друг с другом при помощи водородных связей вода обладает рядом свойств, имеющих важное значение для жизни. Вода способна слипаться сама с собой ( когезия) и с другими веществами (адгезия). Воду можно налить в стакан «с верхом», и она не прольется. Клопы-водомерки бегают по воде, как посуху. Подобные «фокусы» возможны благодаря поверхностному натяжению воды, из-за которого ее поверхность как бы покрыта «кожицей». Поверхностное натяжение воды обусловливается когезией, т. е. тем, что ее молекулы сцеплены между собой посредством водородных связей.

Полярные молекулы воды сильно притягиваются также любой поверхностью, несущей электрический заряд. Этой адгезией объясняются капиллярные свойства воды-ее способность подниматься по тонкой стеклянной трубке (см. рис. 9.14, В) или по мелким порам, например в бумаге или же в по-

чве. Молекулы воды прилипают к поверхности стекла или волокна и благодаря сцеплению с нижележащими молекулами втягивают их в стеклянную трубку или в пору (рис. 9.12). Вода является растворителем. В воде растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Когда какое-нибудь вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы отделяются друг от друга и смешиваются с молекулами растворителя (в данном случае-с молекулами воды). Благодаря своей полярной природе вода обладает способностью растворять ионные вещества и другие полярные соединения (рис. 9.13).
Неполярные (не несущие заряда) соединения в воде не растворяются. Такие соединения образуют с водой поверхности раздела. Всем случалось, вероятно, видеть расслоение заправки для салата: это пример образования поверхности раздела между полярной водой и неполярным маслом. Подобные поверхности раздела в живых организмах играют очень важную роль, так как именно здесь протекают многие химические реакции; следовательно, тот факт, что вода не растворяет неполярные вещества, сам по себе тоже очень важен.

Вода обладает высокой теплопроводностью. Теплопроводность-это мера способности теплоты распространяться по данному веществу. В живом организме непрерывно происходят реакции, сопровождающиеся выделением тепла. Благодаря высокой теплопроводности воды это тепло равномерно распределяется по всей воде, содержащейся в организме; тем самым устраняется риск возникновения локальных «горячих точек», которые могли бы послужить причиной повреждения каких-либо тонких структур.

Рис. 9.15. Расположение молекул воды в кристаллах льда. В кристаллической структуре каждая молекула воды соединена водородными связями с четырьмя другими молекулами. Здесь у каждой молекулы показаны только три связи; четвертая была бы перпендикулярна плоскости рисунка (ее нижней или верхней стороны). Поскольку в кристалле молекулы отстоят друг от друга дальше, чем в жидкой воде, лед плавает в воде. Вода имеет высокую температуру кипения. Для того чтобы заставить молекулы воды двигаться со скоростью, достаточной для разрыва водородных связей, которыми они соединены, требуется затратить много тепловой энергии. Достигнув температуры кипения, жидкая вода превращается в газ (водяной пар), в котором каждая молекула уже не связана ни с какой другой. К счастью для живых организмов, температуры на поверхности Земли редко достигают точки кипения воды. Вода, испаряясь, способствует охлаждению тела. Поскольку на испарение воды расходуется много тепла, молекулы, достигшие «скорости убегания» и переходящие из воды в воздух, уносят с собой значительные количества тепловой энергии. Многие живые существа используют это свойство воды для охлаждения тела. Потоотделение у человека и тепловая одышка у собак могут служить примерами охлаждения путем испарения в животном мире. Вода имеет высокую температуру замерзания, а ее плотность максимальна при 4°С. Температура замерзания воды, пожалуй, несколько выше, чем было бы идеально для жизни, поскольку живые организмы во многих областях вынуждены существовать при температурах, при которых вода замерзает.
Большинство веществ с понижением температуры сжимается, и плотность их возрастает. Вода отличается необычным свойством: она имеет максимальную плотность при 4°С, что несколько выше ее температуры замерзания (0°С). При охлаждении от 4°С до 0°С вода расширяется. В кристалле льда расстояния между молекулами воды больше, чем в жидкой воде, а это значит, что кристалл льда больше объема той воды, из которой он образовался (рис. 9.15). Если кристаллы льда образуются в живом организме, то они могут разрушить его тонкие внутренние структуры и вызвать его гибель. У озимой пшеницы, у ряда насекомых, у лягушек и у некоторых других видов есть природные антифризы, предотвращающие образование льда в их клетках. Ткани некоторых других организмов, в частности некоторых растений, по природе своей таковы, что они не повреждаются кристаллами льда. Наконец, млекопитающих и птиц спасает от замерзания то, что температура их тела поддерживается на достаточно высоком уровне.

Низкая плотность льда выгодна водным животным: лед плавает на поверхности воды, создавая изолирующий слой, преграждающий доступ к ней холодного воздуха. Это замедляет превращение остальной воды в лед и спасает организмы, живущие подо льдом, от замерзания. Особыми термическими свойствами воды объясняется также и перемешивание воды в озерах (см. разд. 5.4). 

Еще по теме Вода:

1. ТЯЖЕЛАЯ ВОДА
2. ВОДА
3. Вода питьевая
4. ВОДОРОД И КИСЛОРОД (вода)
5. ГЛАВА IV ВОДА В ЖИЗНИ РАСТЕНИй
6. 7-3. Вода и гель. Тезис Воейкова
7. ФАКТОРЫ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ СРЕДЫ Вода как среда обитания животных
8. 4.2. ГИГИЕНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАЗЛИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ
9. БЫТОВЫЕ ОТХОДЫ
10. САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ВОДЕ, ВОДОСНАБЖЕНИЮ И ПОЕНИЮ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЖИВОТНЫХ
11. 4.4. САНИТАРНОГИГИЕНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПИТЬЕВОЙ ВОДЕ
12. Техника собирания воды
13. Свойства воды. 
14. ЖИДКИЕ АЗОТНЫЕ УДОБРЕНИЯ
15. СКЛОНЫ