Właściwości fizykochemiczne wody |
Charakterystyka |
Adhezja |
Siły powierzchniowego przylegania cząsteczek wody do innych cząstek |
Asocjacja |
Łączenie się cząsteczek wody w zespoły, dzięki elektrostatycznemu przyciąganiu dipoli wodnych |
Ciepło topnienia |
Stopienie 1g lodu w temperaturze 0°C wymaga dostarczenia 80 cal ciepła |
Ciepło właściwe |
Podwyższenie temperatury 1g wody o 1°C wymaga dostarczenia średnio 1cal ciepła |
Hydratacja (uwodnienie) |
Tworzenie wokół jonów płaszcza wodnego wskutek elektrostatycznego przyciągania przez nie dipoli wody |
Kohezja |
Siły spójności (spoistości) cząsteczek wody |
Siała dielektryczna |
Miara zdolności do zobojętniania sił przyciągania pomiędzy ładunkami elektrycznymi |
WODA
* podstawowy składnik nieorganiczny każdego organizmu i jeden z najbardziej rozpowszechnionych związków w przyrodzie
* stężenie wody w komórkach o normalnej aktywności wynosi średnio 60-70%, ale może zmieniać się np. w zależności od wieku lub stanu aktywności organizmu
* dużo wody zawierają płyny ustrojowe ssaków, w tym człowieka: limfa (95%), osocze krwi (90%)
* zasobne w wodę są soczyste liście i owoce (do 90%)
* najmniej wody zawierają kości (20%), szkliwo zębów i tkanka tłuszczowa (10%), nasiona i zarodniki roślin (10-15%) oraz wtórna ściana komórkowa roślin (10%)
POSTAĆ WODY W ORGANIZMIE
* woda związana/strukturalna
- pozostaje w ścisłym kontakcie z wielocząsteczkowymi związkami komórkowymi, np. białkami oraz z błonami biologicznymi i ścianami komórek u roślin
- woda oblewa związki lub wchodzi w jeszcze silniejsze oddziaływania chemiczne, stanowiąc składnik budulcowy komórki
* woda wewnątrzkomórkowa/niezwiązana
- wypełnia przestrzenie między strukturami komórkowymi
- wraz z wodą związaną stanowi ponad połowę wody znajdującej się w organizmie
- zmieszana jest z innymi substancjami komórkowymi i razem z nimi tworzy cytoplazmę o charakterze roztworu koloidalnego
- w roztworze woda stanowi fazę rozpraszającą, a cząsteczki o rozmiarach 1-100nm stanowią fazę rozproszoną
- woda wnętrza komórki pełni rolę środowiska procesów metabolicznych zachodzących w komórce bądź pełni funkcję substratu w licznych reakcjach chemicznych
* płyn zewnątrzkomórkowy
- otacza komórki
- występuje jako rozcieńczony wodny roztwór różnych substancji zarówno nieorganicznych, jak i organicznych
- pełni funkcję nośnika związków odżywczych i sygnałów przekazywanych między komórkami
- takie właśnie funkcje pełni płyn tkankowy, limfa (chłonka) i osocze krwi a u roślin roztwór w kanałach tkanek przewodzących
CZĄSTECZKA WODY
* między atomami H i atomem O w wodzie powstają kowalencyjne spolaryzowane wiązania H-O, co jest skutkiem wysokiej elektroujemności atomu O, czyli jego tendencji do przyciągania elektronów (kąt położenia obydwu atomów H w stosunku do O wynosi ~ 105°)
* cząsteczka jest polarna, co m.in. oznacza, że ma budowę biegunową
* zachowuje się jak dipol elektryczny - układ rozsuniętych ładunków o przeciwnym znaku
* w rezultacie takiego rozmieszczenia ładunków cząsteczki są zdolne do:
- asocjacji - dodatni biegun jednej cząsteczki wody może być przyciągany przez ujemny biegun drugiej, tworzy się międzycząsteczkowe wiązanie wodorowe
- hydratacji - gromadzenia się cząsteczek wody wokół odpowiednich jonów
WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE
* woda w temperaturze pokojowej jest cieczą, mimo że amoniak i metan (związki o masie zbliżonej do wody) są gazami
* uniwersalny rozpuszczalnik:
a) rozpuszczalnik elektrolitów/substancji hydrofilowych
- dzięki występowaniu wody w stanie ciekłym i jednocześnie bardzo wysokiej stałej dielektrycznej woda jest szczególnie silnym rozpuszczalnikiem dla elektrolitów
- dodatni biegun cząsteczki wody przyciągany jest przez anion, a ujemny przez kation, co prowadzi do hydratacji
- dzięki temu jony nie są zdolne do łączenia się ze sobą, więc następuje efekt rozpuszczania
b) rozpuszczalnik nieelektrolitów/substancji hydrofobowych
* substancja obojętna i nieszkodliwa
* bierze udział w niezbyt wielu reakcjach chemicznych (fotoliza wody, hydroliza związków pokarmowych)
* tworzy środowisko przebiegu reakcji
* woda (tzw. krew, limfa i inne płyny ustrojowe oraz sok komórkowy u roślin, w których woda jest podstawowym składnikiem) transportuje substancje odżywcze, produkty przemiany materii, hormony, witaminy, enzymy, leki
* utrzymuje odpowiednie wymiary i kształty komórek
* warunkuje odpowiedni stan uwodnienia komórek organów roślinnych
ZMIANY STANU SKUPIENIA
* bardzo wysokie wartości ciepła: właściwego, parowania, topnienia i krzepnięcia powodują, że woda wolno zmienia temperaturę lub przechodzi ze stanu stałego (lód) w ciekły i odwrotnie
* aby zmiany te mogły następować woda potrzebuje znacznie większego dopływu ciepła niż jakakolwiek inna substancja
* dzięki temu temperatura organizmów zmienia się stosunkowo wolno, pomimo szybkich zmian temperatury otoczenia
* duża ilość ciepła pobierana przez wodę w czasie jej parowania wydziela się np. w trakcie pocenia, gdy ciało pozbywa się nadmiaru ciepła i ochładza
* jest to jeden z mechanizmów termoregulacji występującej u większości ssaków, porównywanej pod pewnym względem do transpiracji u roślin
* termiczne właściwości wody powodują także nieznaczne modyfikacje termiczne środowiska
* na tym samym obszarze występowania organizmy wodne podlegają znacznie słabszym wahaniom temperatury niż organizmy lądowe
* zwierzęta lądowe korzystają z modyfikujących temperaturę wpływów pobliskich zbiorników wodnych
* na obszarach przybrzeżnych powolna absorpcja ciepła przez morze w lecie i stopniowe jego uwalnianie zimą, powoduje zmniejszenie amplitud temperatury
* w miarę jak woda zamarza, następuje zwiększenie jej objętości, co sprawia, że powstający ostatecznie lód ma mniejszą gęstość niż woda
* unoszący się na powierzchni lód spowalnia zamarzanie głębszych warstw wody, co pozwala licznym organizmom wodnym przeżyć zimę
* możliwe jest to również dlatego, że w temperaturze +4°C woda ma największą gęstość i zalega przy dnie zbiornika
ZMIANY STANU SKUPIENIA
* bardzo wysokie wartości ciepła: właściwego, parowania, topnienia i krzepnięcia powodują, że woda wolno zmienia temperaturę lub przechodzi ze stanu stałego (lód) w ciekły i odwrotnie
* aby zmiany te mogły następować woda potrzebuje znacznie większego dopływu ciepła niż jakakolwiek inna substancja
* dzięki temu temperatura organizmów zmienia się stosunkowo wolno, pomimo szybkich zmian temperatury otoczenia
* duża ilość ciepła pobierana przez wodę w czasie jej parowania wydziela się np. w trakcie pocenia, gdy ciało pozbywa się nadmiaru ciepła i ochładza
* jest to jeden z mechanizmów termoregulacji występującej u większości ssaków, porównywanej pod pewnym względem do transpiracji u roślin
* termiczne właściwości wody powodują także nieznaczne modyfikacje termiczne środowiska
* na tym samym obszarze występowania organizmy wodne podlegają znacznie słabszym wahaniom temperatury niż organizmy lądowe
* zwierzęta lądowe korzystają z modyfikujących temperaturę wpływów pobliskich zbiorników wodnych
* na obszarach przybrzeżnych powolna absorpcja ciepła przez morze w lecie i stopniowe jego uwalnianie zimą, powoduje zmniejszenie amplitud temperatury
* w miarę jak woda zamarza, następuje zwiększenie jej objętości, co sprawia, że powstający ostatecznie lód ma mniejszą gęstość niż woda
* unoszący się na powierzchni lód spowalnia zamarzanie głębszych warstw wody, co pozwala licznym organizmom wodnym przeżyć zimę
* możliwe jest to również dlatego, że w temperaturze +4°C woda ma największą gęstość i zalega przy dnie zbiornika
SOLE MINERALNE
* stanowią około 2-4% suchej masy organizmu
* występują w formie rozpuszczonej w soku komórkowym i płynach pozakomórkowych lub też w postaci elementów nierozpuszczalnych
* funkcje
- strukturalne (budulcowe)
- podporowe (fosforan wapnia Ca3(PO4) 2 i węglan wapnia CaCO3 współtworzą kościec zwierząt kręgowych, krzemionka (SiO2) współtworzy ściany komórkowe niektórych glonów, skrzypów, traw i turzyc)
- biochemiczne - polegają m.in. na bezpośrednim udziale jonów metali lub niemetali w reakcjach biochemicznych, ponieważ wiele z nich wchodzi w skład enzymów lub jest konieczna do ich działania
- osmotyczne i buforujące - polegają głównie na utrzymywaniu ciśnienia osmotycznego i stężenia jonów wodorowych roztworów komórkowych i pozakomórkowych