BK2

3.3. STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI WODY

Cząsteczka wody składa się z atomu tlenu związanego kowalencyjnie z dwoma atomami wodoru. Dwa wiązania O— H tworzą kąt 105° (Rys- 3-1)- W obrębie cząsteczki wody dochodzi do częściowej segregacji ładunków: atomy wodoru wykazują ładunek dodatni natomiast atom tlenu — ładunek ujemny. Ładunki te równoważą się wzajemnie, w wy-_njjcu czego cząsteczka wody nie wykazuje żadnego ładunku netto. Segregacja ładunków na cząsteczce wody oraz jej kształt powodują, iż jest ^ona cząsteczką spolaryzowaną (dipolem). Cząsteczki wody przyciągają się wzajemnie, a występujące między nimi oddziaływania elektrostatyczne noszą nazwę wiązań wodorowych. Wiązania te sprawiają, że 80% wolnej wody w komórce (nie związanej z powierzchnią makiomolekuł) tworzy

riwie pary niesparowanych elektronów nadają ładunek ujemny (netto)

pys. 3.1. Schemat struktury cząsteczki wody. Dwa wiązania kowalencyjne między atomami wodoru i atomem tlenu tworzą kąt 105°. Asymetria rozmieszczenia ładunków elektrycznych na cząsteczce wody umożliwia powstawanie wiązań wodorowych z innymi cząsteczkami wody

pseudokrystaliczną sieć, zbudowaną z szybko powstających i zanikających agregatów, tzw. gron (ang. clusters), (rys. 3.2). Czas życia takiego grona wynosi zaledwie około 10"¹¹ sekundy. Wielkość gron zależy od temperatury: wzrost temperatury powoduje ich zmniejszenie.

Polarne właściwości cząsteczki wody sprawiają, że:

•    .Test ona doskonałym rozpuszczalnikiem, szczególnie dla substancji obdarzonych ładunkiem elektrycznym, gdyż cząsteczki wody wiążą się siłami elektrostatycznymi z powierzchnią jonów, tworząc otoczki wodne (rys. 3.3) lub z polarnymi grupami białek i polisacharydów, tworząc powłoki hyd-ratacyjne.

•    Ma duże ciepło właściwe (trzeba dostarczyć dużą ilość energii cieplnej, aby podnieść jej temperaturę o 1°C) oraz duże ciepło parowania (zmiana stanu skupienia wody, a więc przejście z fazy płynnej w fazę gazową, wymaga dostarczenia dużej ilości energii cieplnej). Właściwości te umożliwiają roślinie utrzymanie temperatury ciała na stosunkowo stałym poziomie mimo znacznych nieraz zmian temperatury środowiska zewnętrznego (patrz rozdz. 8.4.1).

•    Są podstawą takich zjawisk, jak kohezja (wzajemne przyciąganie się cząsteczek wody), która zapewnia dużą wytrzymałość słupa wody na rozciąganie, adhezja (przyciąganie wody przez naładowane elektrycznie powierzchnie, np. ściany komórkowe), a także napięcie powierzchniowe (przyciąganie się cząsteczek na styku fazy wodnej i gazowej jest większe w obrębie fazy wodnej niż w obrębie fazy gazowej). Zjawiska te odpowiadają za przemieszczanie się wody w rurkach kapilarnych i w ścianach komórkowych, w których występują liczne mikroskopowe

'H.

.H'

-O'

/

O'

\

H

H —O

nieuporządkowane cząsteczki wody

H

\

H H

\ /

H    0"^H--°-.    H

^x0y "^hV

/    0-H    /°

^H    H    ^H n

^H    H-—"0

H /^H    V H

H    H ,H ^H /

\ o .0 — ^H

Y

'0

H

O—H

/

H

’0-

0 —H

. H

H

H —0

o.

o

/

' H —Ó.....^XH H

H H^{X X}H V H °    \    °‘ K /H

H

‘0

Rys. 3.2. Międzycząsteczkowe oddziaływania wody. Wiązania wodorowe między cząsteczkami umożliwiają tworzenie się agregatów o uporządkowanej strukturze pseudokrystalicznej. Takie agregaty trwają krótko, gdyż w wyniku termicznego pobudzenia ulegają rozbiciu, co prowadzi do powstania bardziej-przypadkowych konfiguracji (Wg: McKersie i Leshem 1994. Stress and Stress Coping in Cultivated Planłs. Kluwer Academic Publishers, s. 148, zmodyfikowany).

⁺oY_o⁺

^+<? Q

+ +

Rys. 3.3. Otoczki hydratacyjne jonu ujemnego i dodatniego (Strebeyko 1956. Woda i światło w życiu rośliny. PWN, s. 9).

szczeliny. Zjawisko kapilarności powoduje, że powierzchnie ścian komórkowych bezpośrednio wystawione na działanie powietrza (np. ściany komórek mezofilu liścia) pozostają wilgotne i nie zasychają. Jednakże nie jest ono powodem przemieszczania się wody w funkcjonujących naczyniach ksylemu, gdzie woda tworzy ciągłą kolumnę od korzenia do liścia i nie powstają powierzchnie styku powietrze-woda. Przyczyny ruchu wody w ksylemie omówiono w rozdz. 3.8.4.