Структура води та її властивості. Структура та властивості води

Значення води для життєдіяльності рослин

лекція 10. Водний обмін.

1. Значення води для життєдіяльності рослин

2. Структура та властивості води

3. Водний обмін у рослинній клітці

3.1. Форми води у рослинних клітинах

3.2. Водний потенціал. Осмос. Транспорт води у рослинній клітці

4. Осмотичне поглинання води

5. Механізми пересування води

6. Верхній та нижній кінцеві двигуни

7. Пересування води судинами

8. Вплив водного дефіциту на фізіологічні процеси

9. Особливості водообміну різних екологічних груп рослин

У тканинах рослин вода становить 70-95 % будівельної маси. Роль води загалом організмі різноманітна. Розглянемо функції води у біологічних об'єктах:

Водне середовище поєднує всі частини організму в єдине ціле. У тілі рослини вода є безперервним середовищем на всьому протязі, від води, що поглинається корінням, до листя, що випаровує воду в атмосферу.

Вода - найважливіший розчинник та середовище для біохімічних реакцій;

Вода бере участь у упорядкуванні структур у клітинах, вона входить до складу молекул білків, визначаючи їхню конформацію;

Вода – метаболт та безпосередній учасник біохімічних реакцій. Наприклад, при фотосинтезі вода – донор електронів, вона потрібна для гідролізу, для синтезу речовин.

Вода – головний компонент у транспортній системі рослин;

Вода – терморегулюючий фактор, вона захищає рослини від різких коливань температури;

Вода - амортизатор при механічних впливах;

Завдяки явищам осмосу і тургору забезпечує пружний стан клітин (всі рослини по здатності регулювати об'єм, що міститься в них вологи діляться на пойкілогідротермні і гомеогідротермні. Пойкілогідротермні - не можуть регулювати об'єм води в організмі, наприклад, водорості, водні рослини та ін.) обсяг води в організмі за допомогою продихів).

Вода може перебувати у трьох агрегатних станах: твердому, рідкому та газоподібному. У кожному з цих станів структура води неоднакова. При миттєвому заморожуванні за допомогою рідкого азоту молекули води не встигають побудуватися в кристалічні ґрати і вода набуває твердого склоподібного стану (стан вітрифікації). Ця властивість води дозволяє заморожувати живі організми без ушкодження. Для кристалічного стану води характерна велика різноманітність форм (наприклад, сніжинки).

2.1. Фізичні властивості води.

1. Густина.

При 4 про С та тиск 1 атм. один см3 води важить один грам. Тобто. густина води дорівнює 1. При замерзанні об'єм води збільшується на 11%.

2. Точки кипіння та замерзання.

При тиску 1 атм. температура кипіння води дорівнює 100 про З, температура замерзання 0 про З. Зі збільшенням тиску температура замерзання знижується через кожні 130 атм. на 1 про З, а температура кипіння збільшується.

3. Теплота плавлення

Теплота плавлення льоду дорівнює 0,335 кДж/год. Крига при нормальному тиску може мати температуру від -1 до -7 про С. Теплота пароутворення води 2,3 кДж/год.

4. Теплоємність.

Величина теплоємності води в 5-30 разів вища, ніж в інших речовин. Теплоємність – кількість теплоти, необхідне підвищення температури на 1 про З. Ця особливість води пояснюється зчепленням молекул друг з одним (когезією) з допомогою водневих зв'язків.

5. Поверхневий натяг та прилипання.

На поверхні води (через здатність молекул до когезії) створюється поверхневий натяг. Вода має також властивість адгезії (прилипання), що необхідно при підйомі води проти гравітаційних сил.

Перелічені препарати бажано періодично застосовувати всім людям після 40 років для профілактики 1-2 рази на рік, після 50 років – 2-3 рази на рік. Інші препарати – за потребою.

Як приймати пептиди

Оскільки кожен пептидний біорегулятор має спрямованість дії на певний орган і не впливає ніяк на інші органи та тканини, одночасний прийом препаратів різної дії не лише не протипоказаний, але й часто рекомендований (до 6-7 препаратів одночасно).
Пептиди сумісні з будь-якими лікарськими препаратами та біологічними добавками. На фоні прийому пептидів дози лікарських препаратів, що одночасно приймаються, доцільно поступово знижувати, що позитивним чином позначиться на організмі хворого.

Короткі регуляторні пептиди не піддаються трансформації у шлунково-кишковому тракті, тому вони можуть спокійно, легко та просто застосовуватися у капсульованому вигляді практично всіма бажаючими.

Пептиди в шлунково-кишковому тракті розпадаються до ди- і три-пептидів. Подальший розпад до амінокислот відбувається у кишечнику. Це означає, що можна приймати пептиди навіть без капсули. Це дуже важливо, коли людина з якихось причин не може ковтати капсули. Це ж стосується й сильно ослаблених людей чи дітей, коли дозування необхідно зменшити.

Пептидні біорегулятори можна приймати як у профілактичних, так і в терапевтичних цілях.

Ефективність натуральних(ПК) у 2-2,5 рази нижче, ніж капсульованих. Тому їх прийом з лікувальною метою має бути більш тривалим (до півроку). Рідкі пептидні комплекси наносяться на внутрішню поверхню передпліччя в проекції ходу вен або зап'ястя і розтираються до всмоктування. Через 7-15 хвилин відбувається зв'язування пептидів з дендритними клітинами, які здійснюють їхній подальший транспорт до лімфовузлів, де пептиди роблять «пересадку» і вирушають зі струмом крові до потрібних органів та тканин. Хоча пептиди — це білкові речовини, їхня молекулярна маса набагато менша, ніж у білків, тому вони легко проникають через шкіру. Ще більше покращує проникнення пептидних препаратів їх ліпофілізація, тобто з'єднання з жировою основою, тому практично всі пептидні комплекси зовнішнього застосування мають у своєму складі жирні кислоти.

Нещодавно з'явилася перша у світовій практиці серія пептидних препаратів для сублінгвального застосування—

Принципово новий спосіб застосування та наявність у складі кожного з препаратів цілого ряду пептидів забезпечують їм максимально швидку та ефективну дію. Даний препарат, потрапляючи в під'язиковий простір з густою мережею капілярів, здатний проникати прямо в кровотік, минаючи всмоктування через слизову оболонку травного тракту та метаболічну первинну дезактивацію печінки. З урахуванням безпосереднього потрапляння в системний кровотік, швидкість настання ефекту в кілька разів перевищує швидкість прийому препарату перорально.

Лінія Revilab SL- Це комплексні синтезовані препарати, що мають у своєму складі 3-4 компоненти дуже коротких ланцюжків (по 2-3 амінокислоти). За концентрацією пептидів це середнє між капсульованими пептидами і ПК в розчині. По швидкості дії — займає позицію, т.к. всмоктується та потрапляє до мети дуже швидко.
Цю лінію пептидів має сенс вводити у курс початковому етапі, та був переходити на натуральні пептиди.

Ще одна інноваційна серія – лінія мультикомпонентних пептидних препаратів. Лінія включає 9 препаратів, кожен з яких містить цілий ряд коротких пептидів, а також антиоксиданти і будівельний матеріал для клітин. Ідеальний варіант для тих, хто не любить приймати багато препаратів, а вважає за краще отримати все в одній капсулі.

Дія даних біорегуляторів нового покоління спрямовано уповільнення процесів старіння, підтримання нормального рівня обмінних процесів, профілактику та корекцію різних станів; реабілітацію після тяжких захворювань, травм та операцій.

Пептиди у косметології

Зовнішнє старіння шкіри залежить багатьох чинників: способу життя, стресів, сонячного світла, механічних подразників, кліматичних коливань, захоплень дієтами тощо. З віком шкіра зневоднюється, втрачає еластичність, стає шорсткою, на ній з'являється мережа зморшок та глибоких борозенок. Усім нам відомо, що процес природного старіння закономірний і необоротний. Протистояти йому неможливо, але його можна уповільнити завдяки революційним інгредієнтам косметології – низькомолекулярним пептидам.

Унікальність пептидів полягає в тому, що вони вільно проходять через роговий шар у дерму до рівня живих клітин та капілярів. Відновлення шкіри йде глибоко зсередини і, як результат, шкіра довгий час зберігає свою свіжість. До пептидної косметики немає звикання — навіть якщо перестати нею користуватися, шкіра просто фізіологічно старітиме.

Косметичні гіганти створюють все нові та нові «чудодійні» засоби. Ми довірливо купуємо, використовуємо, але дива не відбувається. Ми сліпо віримо написам на банках, не підозрюючи, що найчастіше це лише маркетинговий прийом.

Наприклад, більшість косметичних компаній щосили виробляють і рекламують креми від зморшок. колагеномяк основний інгредієнт. Тим часом вчені дійшли висновку, що молекули колагену настільки великі, що просто не можуть проникнути в шкіру. Вони осідають на поверхні епідермісу, а потім змиваються водою. Тобто купуючи креми з колагеном, ми буквально викидаємо гроші в трубу.

Як ще один популярний активний інгредієнт антиейдж-косметики використовується ресвератрол.Він дійсно є потужним антиоксидантом та імуностимулятором, але тільки у вигляді мікроін'єкцій. Якщо втирати його у шкіру, дива не станеться. Досвідченим шляхом було доведено, що на вироблення колагену креми з ресвератролом практично не впливають.

НПЦРИЗ у співавторстві з вченими Санкт-Петербурзького інституту біорегуляції та геронтології розробив унікальну пептидну серію клітинної косметики (на основі натуральних пептидів) та серію (на основі синтезованих пептидів).

В їх основу закладено групу пептидних комплексів з різними точками додатка, що надають потужну і видиму омолоджуючу дію на шкіру. В результаті застосування відбувається стимуляція регенерації клітин шкіри, кровообігу та мікроциркуляції, а також синтезу колаген-еластинового каркасу шкіри. Все це проявляється у ліфтингу, а також покращенні текстури, кольору та вологості шкіри.

Нині розроблено 16 видів кремів, зокрема. омолоджують і для проблемної шкіри (з пептидами тимусу), для обличчя проти зморшок і для тіла проти розтяжок і рубців (з пептидами кістково-хрящової тканини), проти судинних зірочок (з пептидами судин), антицелюлітний (з пептидами печінки), для повік від набряків та темних кіл (з пептидами підшлункової залози, судин, кістково-хрящової тканини та тимусу), проти варикозу (з пептидами судин та кістково-хрящової тканини) та ін. Всі креми, крім пептидних комплексів, містять й інші потужні активні інгредієнти. Важливо, що креми не містять хімічних компонентів (консервантів та ін.).

Ефективність дії пептидів доведена у численних експериментальних та клінічних дослідженнях. Звичайно, щоб виглядати чудово, одних кремів мало. Потрібно омолоджувати свій організм і зсередини, застосовуючи іноді різні комплекси пептидних біорегуляторів та мікронутрієнтів.

Лінійка косметичних засобів з пептидами, крім кремів, включає також шампунь, маску і бальзам для волосся, декоративну косметику, тоніки, сироватки для шкіри обличчя, шиї і області декольте і ін.

Слід враховувати також, що на зовнішній вигляд суттєво впливає цукор, що споживається.
Через процес під назвою "глікація" цукор руйнівно діє на шкіру. Надлишок цукру збільшує швидкість деградації колагену, що призводить до зморшок.

Для протистояння глікації, гальмування деградації білків та вікових змін шкіри компанія розробила антивіковий препарат із потужним деглікуючим та антиоксидантним ефектом. Дія цього засобу засноване на стимулюванні процесу деглікації, що впливає на глибинні процеси старіння шкіри та сприяє розгладжуванню зморшок та підвищенню її пружності. Препарат включає потужний комплекс для боротьби з глікацією - екстракт розмарину, карнозин, таурин, астаксантин і альфа-ліпоєву кислоту.

Пептиди – панацея від старості?

Вчений стверджує, що пептидні комплекси мають величезний відновний потенціал. Але зводити їх у ранг панацейності, приписувати пептидам неіснуючі властивості (швидше за все з комерційних міркувань) категорично неправильно!

Дбати про своє здоров'я сьогодні означає дати собі шанс жити завтра. Ми самі маємо покращувати свій спосіб життя — займатися спортом, відмовлятися від шкідливих звичок, краще харчуватися. І звичайно ж, у міру можливості застосовувати пептидні біорегулятори, що сприяють збереженню здоров'я та збільшенню тривалості життя.

Пептидні біорегулятори, розроблені російськими вченими кілька десятків років тому, стали доступні широкому споживачеві лише у 2010 році. Поступово про них дізнається дедалі більше людей у ​​всьому світі. Секрет збереження здоров'я та молоджування багатьох відомих політиків, артистів, учених криється у застосуванні пептидів. Ось тільки деякі з них:
Міністр енергетики ОАЕ Шейх Саїд,
Президент Білорусії Лукашенко,
Президент Казахстану Назарбаєв,
Король Таїланду,
академік Ж.І. Алфьоров, льотчик-космонавт Г.М. Гречка та його дружина Л.К.Гречко,
артисти: В.Леонтьєв, Є.Степаненко та Є.Петросян, Л.Ізмайлов, Т.Пувалий, І.Корнелюк, І.Вінер (тренер з художньої гімнастики) та багато інших...
Пептидні біорегулятори застосовують спортсмени 2-х олімпійських збірних Росії - з художньої гімнастики та веслування. Застосування препаратів дозволяє збільшити стресостійкість наших гімнасток та сприяє успіхам збірної на міжнародних чемпіонатах.

Якщо в молодості ми можемо собі дозволити робити профілактику здоров'я періодично, коли нам хочеться, то з віком, на жаль, такої розкоші ми не маємо. І якщо Ви не хочете завтра бути в такому стані, що Ваші близькі змучуються з Вами і будуть чекати на Вашу кончину з нетерпінням, якщо Ви не хочете померти серед чужих людей, тому що нічого не пам'ятаєте і всі навколо здаються Вам чужими насправді, Ви повинні з сьогоднішнього дня вжити заходів і дбати навіть не так про себе, як про своїх близьких.

У Біблії написано: «Шукайте і знайдете». Можливо, Ви знайшли свій спосіб оздоровлення та омолодження.

Все в наших руках, і тільки ми можемо про себе подбати. Ніхто за нас цього не зробить!

З'ясуємо спочатку структуру термодинамічного попередника води – льоду. Тим самим ми повторимо шлях усіх дослідників води. Кожен із них, намагаючись зрозуміти структуру води, рано чи пізно приходив до необхідності розібратися у структурі льоду.

У 1910 р. американський фізик П. Бріджмен та німецький дослідник Г. Тамман виявили, що лід може утворювати кілька поліморфних кристалічних модифікацій. Зараз відомо 9 модифікацій льоду, у них різні кристалічні грати, різні щільності та температури плавлення. Всім нам добре знайомим крига називається "льодом I", інші модифікації льоду існують при тисках, що перевищують 2000 ат. Наприклад, лід Ш, що утворюється при тиску 2115 ат, важчий за воду, а лід VI (при тиску близько 20 000 ат) плавиться при температурі, що перевищує 80 °C. У звичайних умовах ми можемо спостерігати лише лід I, він і вивчений найповніше. Нижче йдеться саме про нього.

Кожна молекула води може утворювати до чотирьох водневих зв'язків, якщо поблизу виявиться достатня кількість відповідних сусідів, причому завдяки властивості кооперативності кожен наступний зв'язок вимагає для свого утворення менше енергії, тому вона утворюватиметься з більшою ймовірністю, ніж попередня.

У льоду всі молекули пов'язані між собою водневими зв'язками. У цьому чотири зв'язку кожної молекули локально організовані тетраедрическую структуру, тобто. чотири прилеглі молекули розташовуються у вершинах тригранної піраміди, в центрі якої знаходиться п'ята молекула води.

Таким чином, тетраедрична форма окремої молекули повторюється у кристалічній структурі льоду. Можливо, певну роль тут відіграє те, що кут H-O-H молекули H 2 O майже дорівнює ідеальному тетраедричного кута 109 °, а молекули води, як ми знаємо, об'єднуються за допомогою водневих зв'язків, які вони утворюють саме в напрямку O-H. Ці тригранні піраміди можуть також поєднуються в якусь надструктуру. У льоду така складна тривимірна надструктура з тетраедрів тягнеться на весь обсяг.

Починаючи з будь-якого атома кисню, переходячи від сусіда до сусіда водневими зв'язками, можна будувати нескінченну кількість різних замкнутих фігур. Усі такі постаті є деякі " гофровані " багатокутники причому число сторін завжди кратно шести, а найкоротший шлях від молекули " себе самої " проходить по сторонам звичайного шестикутника. Тому структуру льоду називають шестикутною або гексагональною.

Якщо забути про тетраедрах, можна побачити, що молекулярна структура льоду складається з зигзагоподібних шарів, причому кожна молекула H 2 O пов'язана з трьома молекулами свого шару і однією молекулою сусіднього шару. Кількість сусідів однієї молекули (у разі дорівнює чотирьом) називається координаційним числом і легко вимірюється рентгеноструктурним методом. Як бачимо, ажурна мережа водневих зв'язків перетворює молекулярну структуру льоду на пухку конструкцію з великою кількістю порожнин.

Якщо дуже стиснути лід I, то він перейде в інші кристалічні форми, і хоча його структура дещо зміниться, але основні елементи тетраедричної конструкції збережуться. При помірному тиску (лід II, VI і IX) частина водневих зв'язків виходить з тетраедричної структури (завдяки чому лід стає дещо щільнішим), але будь-які чотири найближчі атоми кисню, як і раніше, об'єднуються водневими зв'язками. Навіть при дуже великих тисках (лід VIII і VII) локально зберігається тетраедричні структури.

Вперше молекулярну структуру льоду встановив на початку ХХ століття англійський вчений Вільям Брегг, який розробив рентгеноструктурний метод аналізу кристалів. Він виявив, що кожна молекула H 2 O у льоду оточена чотирма іншими молекулами. Але він зміг дослідити саме молекулярну структуру льоду, встановити ж, як у цій структурі розташовуються атоми кисню та водню, ні Брегг та й ніхто інший на той час не могли. Брегг користувався рентгеноструктурним методом, який у той час дозволяв спостерігати лише порівняно великі атоми, такі як кисень або кремній. Невеликі атоми на кшталт водню не видно при рентгеноструктурному аналізі. Лише наприкінці 40-х років XX століття, коли з'явилися нові, чутливіші спектроскопічні методи, вдалося встановити розташування атомів водню в структурі льоду.

Однак ще в 1932 р. учень Брегга професор Бернал зміг суто умоглядно зрозуміти, як повинні розташовуватися в молекулярній структурі льоду атоми кисню та водню.

Бернал йшов конфігурації молекули H 2 O. Він зрозумів, що саме молекула води визначає всю структуру льоду. Розмірковував Бернал так: кожен атом водню може "зачепитися" тільки за один "чужий" атом кисню, зв'язуючи цим два атоми кисню ("свій" і "чужий" атоми) одним водневим зв'язком, отже, кожна молекула H 2 O може з'єднатися за допомогою водневих зв'язків із чотирма сусідніми молекулами, дві з яких утворюють свої атоми водню і дві - атоми сусідніх молекул, а так як молекула H 2 O "однобока", то така конфігурація повинна швидко заповнити простір, утворюючи тетраедричну структуру.

Ці гіпотези були пізніше підтверджені спектроскопічними дослідженнями і відомі як "правила Бернала-Фаулера". Справді, виявилося, кожен атом кисню пов'язані з чотирма атомами водню, що є лінії O-O. З двома "своїми" атомами він пов'язаний ковалентним зв'язком, а з двома "чужими" - за допомогою водневого зв'язку. Взагалі, визначення "свій", "чужий" не зовсім точно описують молекулярне життя льоду. Як було встановлено, жодного водню не фіксовано на своєму місці. Кожен водень точно знає лише свій зв'язок O-O, але на цій лінії у нього є два можливі положення - біля "свого" і "чужого" атомів кисню. У кожному із цих положень він проводить у середньому половину свого життєвого часу. Якщо позначити, як це прийнято в хімії, рисою валентний зв'язок, а точками - водневу, то можна сказати, що в льоду безперервно йде реакція:

O-H....O ↔ O....H-O

Як бачимо, молекулярне життя льоду досить динамічне. Але це стосується тільки атомів водню, атоми кисню міцно сидять на своїх місцях і відстань у кожній парі O-O зберігається незмінною і дорівнює 2,76 A.

Очевидно, що непосидючість атомів водню, безумовно, повинна впливати на електричні та діелектричні властивості льоду. Лід має досить високу електропровідність. Можливо, ця особливість льоду пояснюється тим, що у присутності зовнішнього електричного поля перескоки атомів водню стають більш спрямованими.

Структура реального льоду не абсолютно ідеальна, в ній, як і в будь-якому іншому кристалі, зустрічають дефекти. Датський дослідник І. Б'єррум встановив, що дефекти льоду можуть бути двох видів: 1) на лінії O-O немає жодного атома водню (б'єррумівський Л-дефект); 2) на лінії O-O знаходиться два атоми водню (Д-дефект). Зрозуміло енергія дефекту більше енергії бездефектного зв'язку, тому дефекти не сидять одному й тому зв'язку постійно, а досить інтенсивно мігрують у всій структурі льоду. При цьому вони поводяться так, ніби вони є деякими частинками різних знаків. Два однакових дефекти (наприклад, Д-дефекти) будуть відштовхуватись - адже один дефект призводить до збільшення локальної енергії, а вже два дефекти мати поряд тим більше енергетично невигідно. Інтуїтивно також ясно, що два різні дефекти будуть притягуватися і при зустрічі анігілювати - знищувати один одного.

У льоду концентрація дефектів невелика - лише на 2,5 мільйона молекул. Так що б'єррумівські дефекти для льоду - це тонкощі, майже непомітні для структури льоду. Інша річ у воді, де концентрація таких дефектів зростає у 25 тисяч разів і становить один дефект на 100 молекул. Величина ця настільки значна, що стає ясно - у воді дефекти б'єррума грають істотну роль. Була зроблена навіть спроба описувати воду як лід з великою концентрацією дефектів, яка, загалом, виявилася не дуже заможною, проте побудована таким чином теорія змогла пояснити деякі явища.

Тепер перейдемо до води у рідкому стані. Сучасне розуміння молекулярної структури води веде свою історію зі статті англійських учених Бернала та Фаулера, яка з'явилася в 1933 р. у серпневому номері щойно створеного міжнародного журналу з хімічної фізики Journal of Chemical Physics. Ця стаття залишається однією з чудових віх на тернистому шляху пізнання природи.

У той час існувало досить просте - швидше філологічне, ніж природничо - пояснення аномальних властивостей води. Вважалося, вода, асоційована рідина, тобто. її молекули об'єднуються у великі дегідрольні супермолекули (H 2 O) 2 , (H 2 O) 3 , . . . (H 2 O) n , завдяки яким вода і має аномальні властивості. Було зовсім не ясно, чому і як молекули H 2 O об'єднуються, як розподіляються різні асоціати за обсягом води. І найголовніше, такий підхід, власне кажучи, не пояснював природу особливих властивостей води.

Намагаючись знайти власне розуміння молекулярної структури води, Бернал почав із аналізу експериментальних фактів. Не можна сказати, щоб у той час, у 30-х роках XX століття, цих фактів було достатньо, але все-таки вони були. Завдяки блискучим дослідженням творця рентгеноструктурного аналізу кристалів Вільяма Бреґґа прояснилася молекулярна структура льоду. Окрім даних про структуру льоду, у розпорядженні Берналу були рентгенограми рідкої води, а також отримані за допомогою таких рентгенограм так звані радіальні функції розподілу, тобто. відносний вміст молекул, що знаходяться на тих чи інших відстанях одна від одної. Крім суто експериментальних фактів, Бернал мав можливість, очевидно, скористатися ідеями, гіпотезами і припущеннями, яких на початку 30-х накопичилося вже чимало. Однак велика кількість цих ідей могла швидше завадити, ніж допомогти розробці теорії води. За винятком, мабуть, однієї старої ідеї, що сягає ще знаменитого Вільгельма Рентгена, який висловив припущення, що молекулярна структура льоду якимось чином повинна повторюватися і в структурі рідкої води. У свій час ця ідея користувалася великою популярністю серед учених, але всі спроби застосувати її до опису природи аномальних властивостей води закінчувалися невдачею. Навіть найпростіша властивість води - те, що вона важча за льод, - не вдавалося пояснити за допомогою цієї ідеї. Понад те, здавалося, що ця особливість води просто суперечить їй. Справді, якщо допустити існування у воді якоїсь сильно спотвореної структури льоду, вода повинна бути легшою. Будь-яке порушення чіткої структури, будь-який безлад лише збільшує обсяг, займаний структурою. Отже, така вода має бути легшою за льоду.

Загалом, незважаючи на красу та привабливість рентгенівської ідеї, скористатися нею до 30-х років ніхто не зміг. Вона так і залишалася в "банку ідей" швидше як естетична, ніж логічна категорія, як загальне твердження, що "вода - це рідина, яка ще зберегла спогад про кристалічну структуру, з якої вона сталася" (формулювання французького фізика Клемена Дюваля).

Аналізуючи природу води, Бернал багато часу витратив вивчення льоду. Він був близький до тієї теорії льоду, про яку ми говорили вище. Але сама собою теорія льоду, не здатна перейти в теорію води, особливої ​​цінності не представляє. А ось з водою все, як і раніше, залишалося неясно.

І тут втрутився випадок, якому завгодно, щоб дощової осені 1932 р. професор Бернал поїхав із групою англійських учених до Радянського Союзу. Нагоді також завгодно, щоб у день відльоту англійської делегації на Москву опустився густий осінній туман. Аерофлот у той час не балував своїх клієнтів розкішними залами, тому Берналу не залишалося нічого іншого, як тинятися в тумані навколо аеродрому. Цілком випадково його супутником у цих прогулянках виявився дуже допитлива людина, професор Р. Фаулер. "Найбільше іншого, - згадував пізніше Бернал, - нас займав туман, що нас оточував, і природно, що про нього і йшлося. Туман складається з води... і професор Фаулер, великий знавець термодинаміки, але не дуже обізнаний у структурних питаннях". , попросив мене пояснити структуру води, як я ці проблеми розумію. І тут я замислився над нею заново - у світлі наших московських дискусій". Прогулянка двох професорів тривала більше дванадцятої години і виявилася дуже плідною, їм вдалося знайти просте та гарне вирішення проблеми води. Через кілька місяців спільна робота Бернала та Фаулера з'явилася у пресі та стала основою сучасного розуміння молекулярної природи води.

Розповідаючи Фаулеру про воду, професор Бернал згадав і стару ідею Рентгена, у яку мало хто вірив. Цілком несподівано вони знайшли надзвичайно важливий аргумент на користь цієї ідеї. Він був отриманий методом від простого. "А що було б з водою, - запитав Фаулер, якби воно не мало молекулярну структуру? Наприклад, яка була б щільність такої води?" У такій воді кожна молекула H 2 O повинна бути оточена не менше ніж шістьма сусідами, як при будь-якій щільній упаковці. Можна розрахувати, що густина такої води була б не 1 г/см 3 , а 1,8 г/см 3 . Так як ні за яких температур щільність реальної води і близько не наближається до цієї цифри, то звідси випливає, що в рідкій воді за будь-якої температури існує якась молекулярна структура, швидше за все схожа на молекулярну структуру льоду. Саме ця структура утримує молекули води від щільного пакування.

Пізніше це припущення було підтверджено рентгеноструктурним аналізом, за допомогою якого вдалося встановити, що так зване "координаційне число" води (тобто середня кількість сусідів будь-якої молекули) дорівнює 4,4. Оскільки координаційне число льоду дорівнює 4, число сусідів "середньостатистичної" молекули H 2 O під час переходу з твердого в рідкий стан зростає лише з 0,4 сусіда. Отже, з кожних 10 молекул води 8, як і раніше, оточені чотирма сусідами, а близько двох інших з'являться дві нові молекули.

Але як тепер бути з аномальною поведінкою льоду при плавленні? Адже вище ми ніби дійшли висновку, що спотворення структури має призводити до зниження густини будь-якої субстанції. Обговорюючи цю суперечність, Бернал і Фаулер дійшли зрештою висновку, що з плавленні льоду відбувається не спотворення, а перебудова структури, у своїй далекий порядок льоду руйнується, але всередині невеликих областей молекулярная кристаллоподобная конструкція зберігається. Тоді вже було відомо, що подібна перебудова може призвести до збільшення щільності. Бернал і Фаулер у своїй статті послалися на дані рентгеноструктурного аналізу тридиміту та кварцу, які дуже близькі до відповідних даних для льоду та води. Тридиміт і кварц - це два різні кристалічні стани кремнезему SiO 2 . Хімічний склад кварцу та тридиміту однаковий, молекулярні структури також однакові - як у кварці, так і в тридиміті молекули утворюють тетраедричні конструкції. Але щільність кварцу приблизно на 10% більша за щільність тридимнту. Чому ж та сама структура, одні й самі молекули, а щільність різна? Відповідь це питання Берналу і Фаулеру був відомий. Так як і кисень і кремній є досить великими атомами, то вони добре видно на рентгенограмах, тому всі тонкощі структур цих кристалів у 30-ті роки вже з'ясовано. Ці тонкощі у тому, що відстань між найближчими молекулами у цих кристалах однакові, тоді як відстань до наступних (не найближчих) сусідів вони різна, тобто. перші координаційні сфери вони однакові, а розмір другої сфери у кварцу 4,2 A, а тридиміту - 4,5 A. Це пояснює відмінності щільності кварцу і тридиміту.

Якщо ж згадати, що, по-перше, лід також має тетраедричну структуру і, по-друге, що щільність льоду та води відрізняються на 9%, то легко зрозуміти впевненість Бернала та Фаулера у тому, що структура льоду подібна до структури тридиміту, а структура Вода подібна до структури кварцу. Далеко не всі деталі їх теорії витримали випробування часом, пізніше з'явилися більш витончені теорії, але їх стаття в Journal of Chemical Physics залишається однією з найважливіших віх на теоретичному шляху пізнання води.

Як це часто буває, теорія Бернала-Фаулера виявилася вірною лише у своїй методологічній частині, а багато її деталей не підтвердилися подальшими експериментами. Зокрема, жодних кварцеподібних структур виявити у рідкій воді не вдалося. А ось уявлення про воду як про рідину з сильно розвиненим ажурним каркасом знаходило дедалі більше підтверджень.

Безперечним досягненням ХХ століття стало ясне розуміння те, що структура льоду якось зберігається у воді, чи, користуючись формулюванням Клемена Дюваля, - вода пам'ятає своє походження. Але чому вона пам'ятає, а інші рідини позбавлені цієї можливості? Адже лід (якщо забути, що він існує не в "своєму" температурному діапазоні), загалом досить звичайний кристал. Наявність у нього особливої ​​молекулярної структури не така вже й дивна. Всі кристали утворюють якісь (іноді дивовижні) структури. Але під час плавлення вони породжують цілком тривіальні, звичайні рідини. Лід теж плавиться і породжує рідина, але вона незвичайна. Чому? Щоб відповісти на це питання, пригадаємо, що молекули більшості речовин утримуються у вузлах своїх кристалічних структур досить слабкими вандерваальсовими або електричними силами. Молекули ж H 2 O утримуються в гексагональній структурі льоду водневими зв'язками, відмінність яких від вандерваальсової та електростатичної взаємодій дуже суттєва. Водневі зв'язки значно сильніші і, найголовніше, їхня дія строго спрямована в просторі. Остання властивість призводить до того, що водневий зв'язок при плавленні льоду руйнується тільки "відразу", він не може поступово "погіршуватися", перш ніж остаточно розірватися. Це дуже важлива відмінність льоду з інших кристалів. Адже при нагріванні кристала насамперед посилюється тепловий рух окремих молекул, які поступово все далі і далі відхиляються від усього вузла ідеальної кристалічної структури. І тут проявляється ефект спрямованості водневих зв'язків. Припустимо, що це молекули кристала сидять у вузлах ідеальної структури. І раптом одна молекула вискакує зі свого вузла і віддаляється від нього на певну відстань. У звичайній речовині ця молекула все одно зберігає зв'язок зі своїми сусідами по кристалічних ґратах. Звісно, ​​зчеплення з-поміж них погіршується, енергія взаємодії збільшується, але зв'язок залишається. Якщо ж подібна подія відбувається в льоду, то непосидюча молекула обов'язково розірве всі свої водневі зв'язки, вона не може "трохи" відхилитися від вузла кристалічних ґрат, зберігши при цьому всі свої водневі зв'язки. Адже водневі зв'язки її сусідів простягнуті в цілком певну точку простору, і якщо молекула йде з цієї точки, то тим самим вона втрачає можливість "замкнути" свої два протони та два неподілені електрони. На перший погляд, може здатися, що саме вода має швидко забути своє кристалічне минуле. Виходить, що молекули H 2 O поривають зі своїм минулим відразу і безповоротно. Строго кажучи, так і має бути, якби одразу велика кількість молекул у льоду могла розірвати усі свої водневі зв'язки. Але щоб така подія сталася в молекулярному житті льоду, потрібно сконцентрувати в одному місці одразу досить велику (за молекулярними масштабами) енергію.

Окрема молекула води не може поступово накопичувати енергію, щоб після досягнення певного енергетичного рівня відірватися від сусідів. Скориставшись відомим фізичним лексиконом, можна сказати, що кожна молекула льоду сидить у глибокій енергетичній ямі з стрімкими краями. Вискочити з такої ями дуже важко, а якщо молекула, що вискочила, "оступиться", вона відразу виявиться внизу, в структурі ідеального льоду. Тому, по-перше, ймовірність розриву водневих зв'язків мала, а по-друге, звільнивши з кристалічної структури всього одну молекулу H 2 O, лід віддасть відразу досить велику енергетичну данину кінетичним процесам плавлення і тим самим може зберігати значну кількість молекул у кристалічній структурі.

Енергетичні ями, в яких знаходяться інші речовини, мають інший вигляд. Між станами, що відповідають кристалу та рідини, знаходиться цілий ряд проміжних станів. Тому молекули звичайних речовин можуть поступово накопичувати енергію, переходячи з однієї проміжної ями до іншої. Якщо ж якась молекула втратить частину енергії, вона виявиться над самому низу ями, а може затриматися у якомусь проміжному стані. У результаті досить швидко процес плавлення залучаються всі молекули кристала. Середня енергія молекул поступово зростає, причому індивідуальні коливання енергії молекул не дуже великі. Якщо зобразити плавлення традиційного кристала у якомусь фазово-энергетическом просторі, можна буде побачити, що з плавленні всі молекули тримаються досить компактною групою. Насправді, кожна точка такого простору означає енергетичний рівень молекул. На початку плавлення всі крапки зіллються в одну суцільну точку, що відповідає кристалічному стану. У процесі плавлення звичайної речовини ця точка поповзе нагору, поступово розмиваючись і розпадаючись на окремі точки. Потім центральна точка розпадеться на дрібніші точки, які, у свою чергу, також розпадатимуться, і завершиться цей процес утворенням великого, відносно щільного рою точок з центром, що відповідає рідкому стану. Картина плавлення льоду в такій інтерпретації виглядатиме зовсім інакше. Своєрідність енергетичного профілю молекул льоду дозволяє досить великому числу молекул H 2 O під час плавлення зберігати кристалічну гексагональну структуру з водневих зв'язків, кожен момент часу в процесі плавлення фактично бере участь лише невелика кількість молекул води. На початку плавлення всі молекули "сидять" на енергетичному рівні, що відповідає стану льоду. У міру нагрівання льоду окремі молекули вириваються із кристалічної структури і відразу виявляються на енергетичному рівні молекул без водневих зв'язків. Між цими двома рівнями йде безперервний обмін, частина "рідких" молекул вбудовується в гексагональну структуру, з якої цей час якась частина молекул звільняється. У міру нагрівання льоду число молекул, що йдуть з крижаної структури, зростає, а число повертаються падає. Але навіть після повного завершення плавлення досить велика частина водневих зв'язків, що існували в льоду, зберігається і у воді.

Описана вище картина плавлення льоду - ідеалізація, відповідна так званої двоструктурної моделі води, тобто. моделі, в якій допускаються тільки два стани молекул H 2 O - або вільні мономери, або повністю включені в гексагональну структуру. У цьому може виникнути питання: а чи припустима така суміш мономерів і гексагональної решітки? Згадаймо: структура льоду пухка, у ній багато порожнеч, атоми розташовані досить просторо. Кожна порожнина оточена шістьма молекулами H 2 O, кожна молекула - шістьма порожнинами, які утворюють суцільні мікроскопічні канали. Автор однієї з перших фізичних теорій води радянський вчений О. Самойлов обчислив розмір порожнин і встановив, що в них цілком може розміститися одна молекула води, не зачіпаючи та не руйнуючи основного каркасу водневих зв'язків. Самойлов висловив ще в 40-х роках XX століття припущення, що в процесі плавлення льоду частина водневих зв'язків розривається, з'являються вільні мономери H 2 O, які частково заповнюють порожнини водневого каркасу.

У 1952 р. американським ученим Хеггсу, Хастеду і Буханану вдалося за даними залежності діелектричних властивостей води від температури встановити, що при 25 ° C в рідкій воді 67% всіх молекул H 2 O зберігають всі чотири водневі зв'язки, 23,2% по три водневі зв'язку, 7,6% - по два водневі зв'язки та лише 0,2% - повністю вільних молекул. Безсумнівно, реальна структура води складніша за ту, яку припускають двоструктурні моделі, проте завдяки своїй простоті вони досить наочні і як "нульове" наближення підходять.

Були запропоновані інші теорії молекулярного стану води. Наприклад, англійський фізик Д.Ж. Попл припускав, що при плавленні льоду водневі зв'язки взагалі не рвуться, а якось згинаються. Професор Бернал, розвиваючи його ідею, побудував нову теорію води, за якою молекули H 2 O утворюють невеликі замкнені кільця з чотирьох, п'яти і більше молекул. Але переважна більшість цих кілець, вважав Бернал, складається з п'яти молекул, оскільки кут H-O-H в молекулі води близький до 108° - куті правильного п'ятикутника.

Л. Полінг у 1952 р. висловив припущення, що структура води подібна до структури клатратних гідратів типу Cl 2 10H 2 O. Ейрінг висунув теорію значущих структур, яка передбачає, що у воді існує дві кристалоподібні структури: лід I і лід III. Водневі зв'язки в структурі льоду III дещо стиснуті і злегка вигнуті, тому лід цей на 20% щільніший за льод I.

Р. Намети і X. Шерага припустили, кожна молекула води може бути у одному з п'яти допустимих енергетичних станів, визначених тим, скільки водневих зв'язків вона утворює (0, 1, 2, 3 чи 4). Передбачається, що молекули збираються в льодоподібні "рої". Виконавши звичайний для статистичної механіки аналіз, Наметі і Шерага знайшли кількість молекул води в окремих роях, що утворюють 4, 3 і 2 водневі зв'язки. Отриманий таким чином молярний об'єм системи має при 4 °C, інші параметри також непогано відповідають експериментальним результатам. Проте теорія Намет і Шерага, як і двоструктурна модель, суперечить низці спектроскопічних даних. Це загальний недолік всіх теорії, що передбачають існування структур, що чітко розрізняються у воді. У реальній воді, очевидно, існує широкий і безперервний спектр різних молекулярних структур.

Усі теорії (тут ми згадали лише деякі) більш-менш узгоджуються з спостеріганими експериментальними даними, але кожної з них рано чи пізно виявлялися факти, які де вони пояснити. Це, очевидно, значить, що теорії неправильні. Кожна з них представляла певний ступінь наближення до справжньої реальної картини фізичного стану води та працювала на майбутню остаточну теорію.

З появою комп'ютерів і можливостей моделювати на них різні процеси вдалося різко скоротити кількість достовірних теорій. За допомогою таких експериментів вдалося точно визначити, яка частка молекул води зберігає всі чотири водневі зв'язки, яка - три, дві, одну і скільки у воді вільних молекул-мономерів. На малюнку показано отриману за допомогою машинного експерименту гістограму розподілу водневих зв'язків у воді при 10 °C.

Як бачимо, у воді існує досить значна частина всіх видів молекул - від повністю вільних до пов'язку пов'язаних. Гістограми для інших температур схожі, але у разі більш високих температур максимум гістограми (який у разі 10 °C припадає на значення 2,3 водневі зв'язки на молекулу) зміщується в область менших значень числа водневих зв'язків.

Виявилося, що у воді з рівним успіхом утворюються як п'яти-, так і шестикутники, без переваги одних іншим. Це, до речі, означає, що водневі зв'язки можуть розтягуватися та викривлятися. Отриманий таким чином результат перекреслив усі моделі "айсбергів", які постулювали, що вода - це море повністю вільних молекул, у якому плавають більш менш великі фрагменти крижаних структур. Хоча кластери з 1, 2, 3 ... числом водневих зв'язків і присутні, але їхня частка мала. Оскільки крижані структури утворюють лише шестикутники, такий похід, зрозуміло, цілком виключає можливість появи у воді п'ятикутних структур.

Узагальнюючи результати численних комп'ютерних експериментів, можна сказати, що топологію молекулярної структури води не можна трактувати як гексагональної структури льоду з випадково розірваними водневими зв'язками. Більше того, ця структура є єдиним цілим у будь-якому обсязі води. Машинні експерименти показали, що мережа водневих зв'язків знаходиться вище "порога критичної перколяції". Це означає, що в будь-якому обсязі води завжди знайдеться принаймні один суцільний ланцюжок з водневих зв'язків, що пронизує весь об'єм води.

Як же тепер, у світлі результатів комп'ютерних експериментів, можна уявити фізичну природу води? На молекулярному рівні вода, мабуть, є випадковим чином організовану тривимірну мережу водневих зв'язків. Локально ця мережа прагне тетраедрической конфігурації. Це означає, що найближчі сусіди середньостатистичної молекули води переважно розташовуються у вершинах чотиригранної піраміди, що оточує молекулу води. Мережа містить значну кількість сильно напружених водневих зв'язків, причому саме ці зв'язки відіграють фундаментальну роль у виникненні особливих аномальних властивостей води. Будь-яка молекула води, зв'язки якої досить напружені, може швидко змінити своє найближче оточення, переключивши свої напружені зв'язки на нових сусідів. Все це призводить до того, що загальна топологія всієї мережі водневих зв'язків води надзвичайно мінлива та різноманітна. У процесі плавлення льоду чітка, але пухка тетраедрична структура замінюється меншою, але компактнішою мережею водневих зв'язків. Збільшення щільності відбувається за рахунок утворення компактніших локальних структур (наприклад, перехід до п'ятикутників з водневих зв'язків) і за рахунок викривлення водневих зв'язків. При нагріванні талої води перехід до компактніших структур домінує до 4 °C, після якого превалюють процеси, пов'язані зі звичайним термічним розширенням.

Структура рідини

Якщо з якоюсь фіксованою молекулою води зв'язати систему координат, то для спостерігача, що знаходиться в цій системі, структура води залежатиме від характерного масштабу часу, з яким він спостерігатиме молекулярне життя води. У води існують два характерні часові параметри. Як і у будь-якої речовини, чи то рідина, чи тверде тіло, існує період коливань окремої молекули τ υ . Для води ця величина становить значення 10-13 с. У рідини, крім періоду коливань молекул біля свого положення рівноваги τ , є ще один характерний час - час "осілого життя" τ D, тобто. середній час існування цього локального оточення однієї молекули. Для води D ~ 10 -11 с, тобто. Перш ніж перескочити на нове місце, молекула води робить 100 коливань на одному місці.

Ці два параметри розбивають тимчасову шкалу на три області, кожній з яких відповідає своя структура рідини. Якщо спостерігач користуватиметься досить малим тимчасовим масштабом, тобто. буде дивитися протягом часу, набагато меншого τ υ , то він побачить хаотично розкидані молекули, серед яких важко побачити будь-який порядок. Проте це безладне розташування молекул називають миттєвою, або М-структурою.

Щоб зрозуміти, чому все-таки це безладдя називають структурою, спостерігачеві необхідно перейти до більш тривалого тимчасового масштабу. Але не надто, точніше, більше ніж τ, але менше ніж τ D. На цьому часовому інтервалі реальні молекули вже не будуть видно, спостерігач зможе побачити лише точки, навколо яких вони роблять свої коливання. Виявляється, що ці точки у воді розташовані досить регулярно і утворюють чітку структуру, звану К-структурою, що означає коливально усереднена.

М- і К-структури води подібні до таких же структур льоду. Щоб побачити розбіжності цих структур біля води та льоду, потрібно спостерігати їх трохи довше, тобто. з характерним часом, набагато більшим ніж τ D . Спостережувану у разі картину називають Д-структурою - дифузійно усередненої. На відміну від льоду Д-структура води повністю розмита через часті перескоки молекул води на великі відстані (ці перескоки становлять процес самодифузії молекул води). Д-структура утворюється дифузійним усередненням К-структур і може бути описана будь-яким особливим розташуванням точок у просторі. Сторонній спостерігач бачить, що, по суті, жодної Д-структури рідини і не існує (зауважимо, що саме Д-структура як повне статистичне усереднення ансамблю молекул визначає термодинамічні властивості води.).

Проте Д-структура існує, і її можна побачити. Спостерігач, що знаходиться на деякій молекулі води, побачить, що його власна молекула, переміщається хаотично по всьому об'єму води, щоразу виявляється в більш менш упорядкованому оточенні. Він побачить, що найчастіше "його" молекулу будуть оточувати чотири інших молекули H 2 O, іноді сусідів виявиться п'ять, іноді шість, в середньому як ми знаємо, їх буде 4,4. Таким чином Д-структурою води можна вважати картину, видиму спостерігачем.

Такий підхід до опису структури води найчастіше використовується при інтерпретації спектроскопічних даних, тому що різні спектроскопічні методи - рентгенівський, ЯМР, діелектрична релаксація, комбінаційне розсіювання нейтронів - здатні зчитувати молекулярні дані з різним характерним часом дозволу.

Переміщення молекул доводиться зазвичай броунівським рухом. Краплю води, в якій плавають дуже легкі частинки твердої нерозчинної речовини, розглядають під мікроскопом і спостерігають, що частки безладно переміщуються в масі води. Кожна така частка складається з безлічі молекул і не одягає мимовільним рухом. Частинки зазнають ударів з боку рухомих молекул води, які змушують їх весь час змінювати напрямок руху, а це означає, що самі молекули води рухаються безладно.

Вода може бути в трьох агрегатних станах - газоподібному, рідкому і твердому. У кожному з цих станів структура води неоднакова. Залежно від складу речовин, що знаходяться в ній, вода набуває нових властивостей. Твердий стан води також буває принаймні двох типів: кристалічний - лід і некристалічний - склоподібний, аморфний (стан вітрифікації). При миттєвому заморожуванні за допомогою, наприклад, рідкого азоту молекули не встигають побудуватися в кристалічні ґрати, і вода набуває твердого склоподібного стану. Саме ця властивість води дозволяє заморожувати без ушкодження живі організми, такі, як одноклітинні водорості, листочки моху Мпіut, що складаються з двох шарів клітин. Заморожування з утворенням кристалічної води призводить до пошкодження клітин.

Для кристалічного стану води характерна велика різноманітність форм. Давно помічено, що кристалічні структури води нагадують радіолярії, листя папороті, цисти. З цього приводу А. А. Любищев висловив припущення, що закони кристалізації в чомусь подібні до законів утворення живих структур.

Фізичні властивості води. Вода - найаномальніша речовина, хоча прийнята за зразок міри щільності та обсягу для інших речовин.

Густина. Всі речовини збільшують об'єм при нагріванні, зменшуючи щільність. Однак при тиску 0,1013 МПа (1 атм.) у води в інтервалі від 0 до 4 0 С зі збільшенням температури обсяг зменшується і максимальна щільність спостерігається (при цій температурі 1 см 3 води маємо масу 1г). При замерзанні об'єм води різко зростає на 11%, а при таненні льоду при 0 С так само різко зменшується. Зі збільшенням тиску температура замерзання води знижується через кожні 13,17 МПа (130 атм.) на 1 0 З. Тому великих глибинах при мінусових температурах вода у океані не замерзає. Зі збільшенням температури до 100 0 С щільність рідкої води знижується на 4% (при 4°С щільність її дорівнює 1).

Точки кипіння та замерзання (плавлення). При тиску 0,1013 МПа (1 атм.) точки замерзання та кипіння води знаходяться при 0°С та 100°С, що різко відрізняє Н20 від сполук водню з елементами VI групи періодичної системи Менделєєва. У ряді Н2Те, H2Se, H2S і т.д. зі збільшенням відносної молекулярної маси точки кипіння та замерзання цих речовин підвищуються. При дотриманні цього правила вода повинна була б мати точки замерзання між -90 і -120 ° С, а кипіння - між 75 і 100 °С. Температура кипіння води зростає із збільшенням тиску, а температура замерзання (плавлення) - падає (дод.1).

Теплота плавлення. Прихована теплота плавлення льоду дуже висока – близько 335 Дж/г (для заліза – 25, для сірки – 40). Ця властивість виражається, наприклад, у тому, що крига при нормальному тиску може мати температуру від -1 до -7°С. Прихована теплота пароутворення води (2,3 кДж/г) майже в 7 разів вища за приховану теплоту плавлення.

Теплоємність. Величина теплоємності води (тобто. кількість теплоти, необхідне підвищення температури на 1 °З) в 5 --30 разів вище, ніж в інших речовин. Лише водень і аміак мають більшу теплоємність. Крім того, лише у рідкої води та ртуті питома теплоємність з підвищенням температури від 0 до 35 ° С падає (потім починає зростати). Питома теплоємність води при 16°С умовно прийнято за одиницю, служачи еталоном інших речовин. Оскільки теплоємність піску в 5 разів менша, ніж у рідкої води, то при однаковому нагріванні сонцем вода у водоймищі нагрівається в 5 разів слабше, ніж пісок на березі, але в стільки ж разів довше зберігає теплоту. Висока теплоємність води захищає рослини від різкого підвищення температури за високої температури повітря, а висока теплота пароутворення бере участь у терморегуляції в рослин.

Високі температури плавлення та кипіння, висока теплоємність свідчать про сильне тяжіння між сусідніми молекулами, внаслідок чого рідка вода має велике внутрішній зчеплення.

Вода як розчинник. Полярність молекули води зумовлює її властивість розчиняти речовини краще за інші рідини. Розчинення кристалів неорганічних солей здійснюється завдяки гідратації іонів, що входять до їх складу. Добре розчиняються у воді органічні речовини, з карбоксильними, гідроксильними. Карбонільними та іншими групами, яких вода утворює водневі зв'язки. (Додаток 1)

Вода у рослині перебуває як у вільному, і у зв'язаному стані (прил.2). Вільна вода - рухлива, вона має практично всі фізико-хімічні властивості чистої води, що добре проникає через клітинні мембрани. Існують спеціальні мембранні білки, що утворюють усередині мембрани канали, що проникають для води (аквапорини). Вільна вода входить у різні біохімічні реакції, випаровується у процесі транспірації, замерзає при низьких температурах.

Пов'язана вода має змінені фізичні властивості головним чином в результаті взаємодії з неводними компонентами. Умовно приймають під зв'язаною водою ту, яка не замерзає при зниженні температури до -10°С.

Пов'язана вода в рослинах буває:

1) Осмотично – пов'язана

2) Колоїдно-пов'язана

3) Капілярно-пов'язана

Осмотично-пов'язана вода - пов'язана з іонами чи низькомолекулярними речовинами. Вода гідратує розчинені речовини – іони, молекули. Вода електростатично зв'язується та утворює мономолекулярний шар первинної гідратації. Вакуолярний сік містить цукру, органічні кислоти та їх солі, неорганічні катіони та аніони. Ці речовини утримують воду осмотично.

Колоїдно-пов'язана вода - включає воду, яка знаходиться всередині колоїдної системи та воду, яка знаходиться на поверхні колоїдів та між ними, а також іммобілізовану воду. Іммобілізація є механічним захопленням води при конформаційних змінах макромолекул або їх комплексів, при цьому вода виявляється укладеною в замкнутому просторі макромолекули. Значна кількість колоїдно-пов'язаної води знаходиться на поверхні фібрил клітинної стінки, а також у біоколоїдах цитоплазми та матриксі мембранних структур клітини.

Воду, що гідратує колоїдні частинки (насамперед білки), називають колоїдно-пов'язаною, а розчинені речовини (мінеральні солі, цукри, органічні кислоти та ін) - осмотично-пов'язаною. Деякі дослідники вважають, що вся вода в клітині тією чи іншою мірою пов'язана. Фізіологи умовно розуміють під зв'язаною водою ту, яка не замерзає при зниженні температури до -10 °С. Важливо відзначити, що будь-яке зв'язування молекул води (додавання розчинених речовин, гідрофобні взаємодії та ін) зменшує їх енергію. Саме це є основою зниження водного потенціалу клітини проти чистою водою.

Зміст води у різних органах рослин коливається у досить широких межах. Воно змінюється залежно від умов довкілля, віку та виду рослин. Так, вміст води в листі салату становить 93-95%, кукурудзи - 75-77%. Кількість води неоднакова в різних органах рослин: у листі соняшника води міститься 80-83%, у стеблах – 87-89%, у корінні – 73-75%. Вміст води, що дорівнює 6-11%, характерно головним чином для повітряно-сухого насіння, в якому процеси життєдіяльності загальмовані. Вода міститься у живих клітинах, у мертвих елементах ксилеми та у міжклітинниках. У міжклітинниках вода перебуває у пароподібному стані. Основними органами, що випаровують рослини є листя. У зв'язку з цим природно, що найбільше води заповнює міжклітини листя. У рідкому стані вода знаходиться у різних частинах клітини: клітинній оболонці, вакуолі, протоплазмі. Вакуолі – найбагатша водою частина клітини, де вміст її досягає 98%. При найбільшій обводненості вміст води у протоплазмі становить 95%. Найменший вміст води притаманно клітинних оболонок. Кількісне визначення вмісту води в клітинних оболонках утруднене; мабуть, воно коливається від 30 до 50%.

Форми води у різних частинах рослинної клітини також різні. У вакуолярному клітинному соку переважає вода, яка утримується порівняно низькомолекулярними сполуками (осмотично-пов'язана) і вільна вода. В оболонці рослинної клітини вода пов'язана головним чином високополімерними сполуками (целюлозою, геміцелюлозою, пектиновими речовинами), тобто колоїдно-пов'язана вода. У самій цитоплазмі є вода вільна, колоїдно-і осмотично-пов'язана. Вода, що знаходиться на відстані до 1 нм від поверхні білкової молекули, міцно пов'язана і не має правильної гексагональної структури (колоїдно-пов'язана вода). Крім того, в протоплазмі є певна кількість іонів, а отже частина води осмотично пов'язана.

Фізіологічне значення вільної та зв'язаної води по-різному. Більшість дослідників вважає, що інтенсивність фізіологічних процесів, зокрема і темпи зростання, залежить насамперед від вмісту вільної води. Є пряма кореляція між вмістом зв'язаної води та стійкістю рослин проти несприятливих зовнішніх умов. Зазначені фізіологічні кореляції не завжди.

Найважливіша, унікальна за властивостями та складом речовина нашої планети – це, звичайно, вода. Адже саме завдяки їй на Землі життя є, тоді як на інших відомих сьогодні об'єктах Сонячної системи її немає. Тверда, рідка, як пара - вона потрібна і важлива будь-яка. Вода та її властивості становлять предмет вивчення цілої наукової дисципліни – гідрології.

Кількість води на планеті

Якщо розглядати показник кількості даного оксиду у всіх агрегатних станах, його на планеті близько 75% від загальної маси. При цьому слід враховувати зв'язану воду в органічних сполуках, живих істотах, мінералах та інших елементах.

Якщо враховувати лише рідкий та твердий стан води, показник впаде до 70,8%. Розглянемо, як розподіляються ці відсотки, де міститься речовина, що розглядається.

1. Солоної води в океанах та морях, солончакових озерах на Землі 360 млн км 2 .
2. Прісна вода розподілена нерівномірно: її у льодовиках Гренландії, Арктики, Антарктиди закуто у льоди 16,3 млн км 2 .
3. У прісних річках, болотах та озерах зосереджено 5,3 млн км 2 оксиду водню.
4. Підземні води становлять 100 млн м3.

Саме тому космонавтам із далекого космічного простору видно Землю у формі кулі блакитного кольору з рідкісними вкрапленнями суші. Вода та її властивості, знання особливостей будови є важливими елементами науки. До того ж, останнім часом людство починає відчувати явну нестачу прісної води. Можливо, такі знання допоможуть у вирішенні цієї проблеми.

Склад води та будова молекули

Якщо розглянути ці показники, то відразу стануть зрозумілими й властивості, які виявляє ця дивовижна речовина. Так, молекула води складається з двох атомів водню та одного атома кисню, тому має емпіричну формулу Н2О. Крім того, при побудові самої молекули велику роль відіграють електрони обох елементів. Подивимося, що являють собою структура води та її властивості.

Очевидно, що кожна молекула орієнтована навколо іншої, і всі вони формують загальну кристалічну решітку. Цікаво те, що оксид побудований у формі тетраедра - атом кисню в центрі, а дві пари електронів його та два атоми водню навколо асиметрично. Якщо провести через центри ядер атомів лінії і з'єднати їх, то вийде тетраедрична геометрична форма.

Кут між центром атома кисню та ядрами водень становить 104,5 0 С. Довжина зв'язку О-Н = 0,0957 нм. Наявність електронних пар кисню, а також його більша порівняно з воднями спорідненість до електрона забезпечують формування молекули негативно зарядженого поля. На противагу йому ядра водень утворюють позитивно заряджену частину сполуки. Отже, виходить, що молекула води - диполь. Це визначає те, якою може бути вода, та її фізичні властивості також залежать від будови молекули. Для живих істот ці особливості відіграють життєво важливу роль.

Основні фізичні властивості

До таких прийнято відносити кристалічні грати, температури кипіння та плавлення, особливі індивідуальні характеристики. Усі їх і розглянемо.

1. Будова кристалічних ґрат оксиду водню залежить від агрегатного стану. Воно може бути твердим – лід, рідким – основна вода за звичайних умов, газоподібним – пара при підвищенні температури води понад 100 0 С. Гарні візерункові кристали формує лід. Ґрати в цілому пухкі, але з'єднання дуже міцне, щільність низька. Бачити її можна на прикладі сніжинок чи морозних візерунків на шибках. У звичайної води грати не мають постійної форми, вони змінюються і переходять з одного стану в інший.
2. Молекула води у космічному просторі має правильну форму кулі. Однак під дією земної сили тяжкості вона спотворюється і в рідкому стані набуває форми судини.
3. Те, що за структурою оксид водню - диполь, зумовлює такі властивості: висока теплопровідність і теплоємність, яка простежується в швидкому нагріванні та довгому охолодженні речовини, здатність орієнтувати навколо себе як іони, так і окремі електрони, сполуки. Це робить воду універсальним розчинником (як полярним, і нейтральним).
4. Склад води та будова молекули пояснюють здатність цієї сполуки утворювати численні водневі зв'язки, у тому числі з іншими сполуками, що мають неподілені електронні пари (аміак, спирт та інші).
5. Температура кипіння рідкої води – 100 0 С, кристалізація настає при +4 0 С. Нижче цього показника – лід. Якщо збільшувати тиск, то температура кипіння води різко зросте. Так, при високих атмосферах у ній можна розтопити свинець, але вона навіть не закипить (понад 300 0 З).
6. Властивості води дуже значущі живих істот. Наприклад, одне з найважливіших - поверхневий натяг. Це формування найтоншої захисної плівки на поверхні оксиду водню. Йдеться про воду у рідкому стані. Цю плівку розірвати механічною дією дуже складно. Вченими встановлено, що знадобиться сила, що дорівнює вазі 100 тонн. Як її помітити? Плівка очевидна, коли вода капає із крана повільно. Видно, що вона немов у якійсь оболонці, яка розтягується до певної межі та ваги та відривається у вигляді круглої крапельки, трохи спотвореної силою тяжіння. Завдяки поверхневому натягу багато предметів можуть бути на поверхні води. Комахи, що мають спеціальні пристрої, можуть вільно пересуватися по ній.
7. Вода та її властивості аномальні та унікальні. За органолептичними показниками дана сполука - безбарвна рідина без смаку та запаху. Те, що ми називаємо смаком води, це розчинені в ній мінерали та інші компоненти.
8. Електропровідність оксиду водню в рідкому стані залежить від того, скільки і яких солей у ньому розчинені. Дистильована вода, яка не містить домішок, електричний струм не проводить.

Лід – це особливий стан води. У структурі цього стану молекули пов'язані один з одним водневими зв'язками і формують красиву кристалічну решітку. Але вона досить нестійка і може розколотися, розтанути, тобто деформуватися. Між молекулами зберігається безліч порожнеч, розміри яких перевищують розміри частинок. Завдяки цьому щільність льоду менша, ніж рідкого оксиду водню.

Це має велике значення для річок, озер та інших прісних водойм. Адже в зимовий період вода в них не замерзає повністю, а лише покривається щільною кіркою легшого льоду, що спливає нагору. Якби ця властивість не була характерною для твердого стану оксиду водню, то водоймища промерзали б наскрізь. Життя під водою було б неможливим.

Крім того, твердий стан води має велике значення як джерело величезної кількості прісних питних запасів. Це льодовики.

Особливою властивістю води можна назвати явище потрійної точки. Це такий стан, при якому лід, пара та рідина можуть існувати одночасно. Для цього потрібні такі умови, як:

• високий тиск – 610 Па;
• температура 0,010С.

Показник прозорості води залежить від сторонніх домішок. Рідина може бути повністю прозорою, опалесцентною, каламутною. Поглинаються хвилі жовтого та червоного кольорів, глибоко проникають фіолетові промені.

Хімічні властивості

Вода та її властивості – важливий інструмент у розумінні багатьох процесів життєдіяльності. Тому вони вивчені дуже добре. Так, гідрохімію цікавлять вода та її хімічні властивості. Серед них можна назвати такі:

1. Жорсткість. Це така властивість, яка пояснюється наявністю солей кальцію та магнію, їх іонів у розчині. Поділяється на постійну (солі названих металів: хлоридів, сульфатів, сульфітів, нітратів), тимчасову (гідрокарбонати), яка усувається кип'ятінням. У Росії воду перед використанням пом'якшують хімічним шляхом для кращої якості.
2. Мінералізація. Властивість, заснована на дипольному моменті оксиду водню. Завдяки його наявності молекули здатні приєднувати себе безліч інших речовин, іонів і утримувати їх. Так формуються асоціати, клатрати та інші об'єднання.
3. Окисно-відновні властивості. Як універсальний розчинник, каталізатор, асоціат вода здатна взаємодіяти з безліччю простих і складних сполук. З одними вона виступає у ролі окислювача, коїться з іншими - навпаки. Як відновник реагує з галогенами, солями, деякими менш активними металами, з багатьма органічними речовинами. Останні перетворення вивчає органічна хімія. Вода та її властивості, зокрема, хімічні, показують, наскільки вона універсальна та унікальна. Як окислювач вона входить у реакції з активними металами, деякими бінарними солями, багатьма органічними сполуками, вуглецем, метаном. Взагалі хімічні реакції за участю даної речовини потребують добору певних умов. Саме від них і залежатиме результат реакції.
4. Біохімічні властивості. Вода є невід'ємною частиною всіх біохімічних процесів організму, будучи розчинником, каталізатором та середовищем.
5. Взаємодія із газами з утворенням клатратів. Звичайна рідка вода може поглинати навіть неактивні хімічні гази та розташовувати їх усередині порожнин між молекулами внутрішньої структури. Такі сполуки прийнято називати клатратами.
6. З багатьма металами оксид водню формує кристалогідрати, в які він включений у незмінному вигляді. Наприклад, мідний купорос (CuSO 4 *5H 2 O), а також звичайні гідрати (NaOH*H 2 O та інші).
7. Для води характерні реакції сполуки, у яких відбувається утворення нових класів речовин (кислот, лугів, основ). Вони не є окисно-відновними.
8. Електроліз. Під впливом електричного струму молекула розкладається складові гази - водень і кисень. Один із способів отримання їх у лабораторії та промисловості.

З погляду теорії Льюїса вода - це слабка кислота і слабка основа одночасно (амфоліт). Тобто можна сказати про якусь амфотерність у хімічних властивостях.

Вода та її корисні властивості для живих істот

Важко переоцінити те значення, яке має оксид водню для живого. Адже вода і є саме джерело життя. Відомо, що без неї людина не змогла б прожити й тижня. Вода, її властивості та значення просто колосальні.

1. Це універсальний, тобто здатний розчиняти і органічні, і неорганічні сполуки, розчинник, що у живих системах. Саме тому вода – джерело та середовище для протікання всіх каталітичних біохімічних перетворень, з формуванням складних життєво важливих комплексних сполук.
2. Здатність утворювати водневі зв'язки робить цю речовину універсальною у витримуванні температур без зміни агрегатного стану. Якби це було не так, то при найменшому зниженні градусів вона перетворювалася б на кригу всередині живих істот, викликаючи загибель клітин.
3. Для людини вода - джерело всіх основних побутових благ та потреб: приготування їжі, прання, прибирання, прийняття ванни, купання та плавання та інше.
4. Промислові заводи (хімічні, текстильні, машинобудівні, харчові, нафтопереробні та інші) не змогли б здійснювати свою роботу без участі оксиду водню.
5. З давніх-давен вважалося, що вода - це джерело здоров'я. Вона застосовувалася та застосовується сьогодні як лікувальна речовина.
6. Рослини використовують її як основне джерело живлення, за рахунок чого вони продукують кисень – газ, завдяки якому існує життя на нашій планеті.

Можна назвати ще десятки причин того, чому вода - це найпоширеніша, важлива і необхідна речовина для всіх живих і штучно створених людиною об'єктів. Ми привели тільки найочевидніші, найголовніші.

Гідрологічний цикл води

Іншими словами, це її кругообіг у природі. Дуже важливий процес, що дозволяє постійно поповнювати запаси води, що зникають. Як воно відбувається?

Основних учасників троє: підземні (або ґрунтові) води, поверхневі води та Світовий океан. Важлива також і атмосфера, що конденсує та видає опади. Також активними учасниками процесу є рослини (переважно дерева), здатні поглинати величезну кількість води на добу.

Отже, процес відбувається в такий спосіб. Ґрунтові води заповнюють підземні капіляри та стікаються до поверхні та Світового океану. Потім поверхневі води поглинаються рослинами та транспіруються у навколишнє середовище. Також відбувається випаровування з величезних площ океанів, морів, річок, озер та інших водойм. Потрапивши в атмосферу, що вода робить? Конденсується і проливається у вигляді опадів (дощ, сніг, град).

Якби не відбувалися ці процеси, то запаси води, особливо прісної, давно вже закінчилися б. Саме тому охороні та нормальному гідрологічному циклу приділяється людьми велика увага.

Поняття про важку воду

У природі оксид водню існує як суміші ізотопологів. Це пов'язано з тим, що водень формує три види ізотопу: протий 1 Н, дейтерій 2 Н, тритій 3 Н. Кисень, у свою чергу, також не відстає і утворює три стійкі форми: 16 О, 17 О, 18 О. Саме завдяки цьому існує не просто звичайна протиєва вода складу Н2О (1Н і 16О), але ще й дейтерієва, і тритієва.

При цьому стійка за структурою та формою саме дейтерієва (2 Н), яка включається до складу практично всіх природних вод, але в малій кількості. Саме її називають тяжкою. Вона дещо відрізняється від звичайної чи легкої за всіма показниками.

Важка вода та її властивості характеризуються кількома пунктами.

1. Кристалізується при температурі 3,82°С.
2. Кипіння спостерігається при 101,42°С.
3. Щільність складає 1,1059 г/см3.
4. Як розчинник у кілька разів гірший за легку воду.
5. Має хімічну формулу D2O.

Під час проведення дослідів, що свідчать про вплив подібної води на живі системи, було встановлено, що жити в ній здатні лише деякі види бактерій. Для пристосування та акліматизації колоніям знадобився час. Але, пристосувавшись, вони повністю відновили всі життєво важливі функції (розмноження, харчування). Крім того, стали дуже стійкими до впливу радіоактивного випромінювання. Досліди на жабах та рибах позитивного результату не дали.

Сучасні галузі застосування дейтерію та утвореної ним важкої води - атомна та ядерна енергетика. Отримати в лабораторних умовах таку воду можна за допомогою звичайного електролізу - вона утворюється як побічний продукт. Сам дейтерій формується при багаторазових перегонках водню у спеціальних пристроях. Застосування його ґрунтується на здатності уповільнювати нейтронні синтези та протонні реакції. Саме важка вода та ізотопи водню – основа для створення ядерної та водневої бомби.

Досліди на застосуванні дейтерієвої води людьми у невеликих кількостях показали, що вона затримується недовго - повний висновок спостерігається через два тижні. Вживати її як джерело вологи для життя не можна, проте технічне значення просто величезне.

Тала вода та її застосування

Властивості такої води з давніх-давен були визначені людьми як цілющі. Давно було помічено, що при таненні снігу тварини намагаються напитися водою з калюжок, що утворилися. Пізніше були ретельно досліджені її структура та біологічна дія на організм людини.

Тала вода, її ознаки та властивості знаходяться посередині між звичайною легкою та льодом. Зсередини вона утворена не просто молекулами, а набором кластерів, сформованих кристалами та газом. Тобто всередині порожнин між структурними частинами кристала знаходяться водень і кисень. За загальним виглядом будова талої води схожа з будовою льоду - зберігається структурність. Фізичні властивості такого оксиду водню незначно змінюються порівняно із звичайним. Однак біологічна дія на організм відмінна.

При заморожуванні води першою фракцією перетворюється на лід більш важка частина - це дейтерієві ізотопи, солі та домішки. Тому цю серцевину слід видаляти. А ось інша частина – чиста, структурована та корисна вода. Який вплив на організм? Вченими Донецького НДІ було названо такі види поліпшень:

1. Прискорення відновлювальних процесів.
2. Зміцнення імунітету.
3. У дітей після інгаляцій такою водою відбувається відновлення та лікування простудних захворювань, проходить кашель, нежить та інше.
4. Поліпшується дихання, стан гортані та слизових оболонок.
5. Загальне самопочуття людини, активність підвищується.

Сьогодні існує низка прихильників лікування саме талою водою, які пишуть свої позитивні відгуки. Проте є вчені, зокрема медики, які ці погляди не підтримують. Вони вважають, що шкоди від такої води не буде, але й користі мало.

Енергетика

Чому властивості води можуть змінюватися та відновлюватись при переході в різні агрегатні стани? Відповідь це питання наступний: у цього з'єднання існує своя інформаційна пам'ять, яка записує всі зміни і призводить до відновлення структури та властивостей у потрібний час. Біоенергетичне поле, через яке проходить частина води (та, що надходить із космосу), несе у собі потужний заряд енергії. Цю закономірність часто використовують під час лікування. Однак з медичної точки зору не кожна вода здатна мати сприятливий ефект, у тому числі й інформаційний.

Структурована вода – що це?

Це така вода, яка має дещо іншу будову молекул, розташування кристалічних грат (таке, що спостерігається біля льоду), але це все ж таки рідина (тала також відноситься до цього типу). В цьому випадку склад води та її властивості з наукової точки зору не відрізняються від тих, що характерні для звичайного оксиду водню. Тому структурована вода не може мати такого широкого лікувального ефекту, який їй приписують езотерики та прихильники нетрадиційної медицини.