Строение молекулы воды и его экологическое значение

В молекуле воды химически связаны два атома водорода с одним атомом кислорода. Её химическая формула Н₂О. В молекуле воды химически связаны два атома водорода с одним атомом кислорода. Её химическая формула Н₂О. Расположение ядер атомов таково, что ни образуют равнобедренный треугольник с углом 104^о 27’ при вершине. Вокруг них вращаются 5 пар электронов. Одна из этих пар вращается вокруг ядра кислорода. Она показана на рисунке небольшим кружком, охватывающим нижнюю жирную точку. Две пары связывают ядро кислорода О с двумя ядрами водорода H. Их орбиты показаны двумя большими эллипсами. Ещё две пары электронов вращаются по двум эллиптическим орбитам у ядра кислорода. Последние две пары создают слабые отрицательные заряды в нижней части фигуры молекулы. В верхней части её, напротив, имеются слабые положительные заряды, созданные не полностью компенсированными положительными зарядами ядер водорода. Таким образом, у молекулы воды имеются 4 вершины, из которых две имеют положительный заряд и две имеют отрицательный. Нижняя пара эллипсов и верхняя пара эллипсов расположены в разных плоскостях. Эти плоскости взаимно перпендикулярны. Поэтому ось, проведенная через полюса молекулы с положительными зарядами перпендикулярна к оси, проведенной через полюса с отрицательными зарядами. Оси эти не пересекаются. Они расположены по разные стороны молекулы. Такое строение молекулы воды создаёт её создает особые свойства, Вода это универсальный слабый растворитель. Молекулы воды своими зарядами растаскивают кристаллы солей и молекулы органических кислот на ионы. В веществе, попавшем в воду, межатомные силы ослабляются в 80 раз. Для физических тел, попавших в воду этот эффект действует только на поверхностях, контактирующих с водой. В зависимости от прочности внутренних связей в веществе, оно растворяется в воде с той или иной скоростью. Вода, разлогая вещества на ионы, сама не разлагается. Очень устойчива. Благодаря этому она «моет» лицо Земли, каждое животное и растение снаружи. Она «моет» их внутри, выводя шлаки из организма. Она инертный растворитель и сама не влияет на ткани, а только несет нужное и уносит лишнее. Вода растворяет газы: несет кислород водной фауне. Пространственная решетка жидких кристаллов воды имеет пустоты внутри себя. В пустотах могут располагаться ионы растворенного неорганического вещества или целые органические молекулы.

16. Межмолекулярые связи в воде и их экологическое значение. Молекулы воды не разделяются на ионы. Напротив, в статичной массе воды они соединяются в цепи и решетчатые структуры. В жидкой воде существуют жидкие кристаллы. Структура молекулы воды, тетраэдр с четырьмя электрически заряженными вершинами. В броуновском беспорядочном медленном движении молекулы воды встречаются противоположно заряженными вершинами. При этом они слабо соединяются между собой, гася заряды. Ядра водорода приближаются относительно свободным электронам кислорода и временно скрепляются с ними. Эти связи называются водородными. Они в несколько раз слабее ковалентных и не разрушают молекул. Водородные связи легко разрушаются при механических воздействиях в бурном турбулентном потоке или при интенсивном нагревании воды, тем более при её кипении. Тетраэдрическая фигура молекулы воды позволяет образовать четыре связи для одной молекулы, которая благодаря этому может ассоциироваться с одной, двумя, тремя или четырьмя молекулами в пары, цепи, плоские и пространственные решетки. Структурированная в жидкие кристаллы вода имеет как бы резервную, «зачехленную», способность к растворению. Она медленно растворяет погруженное вещество, но стоит её взболтать или согреть в теплокровном организме, как водородные связи частично разрушаются и вода расчленяет на ионы растворимое тело. Пространственная решетка жидких кристаллов воды имеет пустоты внутри себя. В пустотах могут располагаться ионы растворенного неорганического вещества или целые органические молекулы. Реально можно убедиться в существовании пустот следующим простейшим экспериментом. В стакан воды можно насыпать сахар(органическое вещество) или поваренную соль, наполнив тем его до краев. Когда твердое вещество растворится, то раствор снова не будет доставать краев сосуда, как это было до заполнения его сахаром (солью). Твердое вещество вошло в пространство между молекулами воды. При этом плотность раствора станет больше чем плотность пресной воды.Особенно значительно для биосферы и значительно для нас, желающих видеть волю Творца, что пустоты жидких кристаллов создаются по форме подобными форме сложных биологически активных молекул, например, молекул ДНК, несущих генетический код организма. В организме вокруг молекул ДНК возникает защитный каркас из молекул воды, «футляр» по форме молекулы. Если же защищаемая длинная закрученная молекула ДНК все-таки будет повреждена каким-либо излучением или механическим воздействием, то защитный жидкий кристалл нарушается в месте повреждения, что служит сигналом для биологических систем, отвечающих за восстановление жизненно необходимой молекулы ДНК.

17. Химические и физико-химические свойства воды. Вода это универсальный слабый растворитель. Молекулы воды своими зарядами растаскивают кристаллы солей и молекулы органических кислот на ионы. В веществе, попавшем в воду, межатомные силы ослабляются в 80 раз. Для физических тел, попавших в воду этот эффект действует только на поверхностях, контактирующих с водой. В зависимости от прочности внутренних связей в веществе, оно растворяется в воде с той или иной скоростью. Для наблюдателя эта скорость может субъективно представляться значительной или незначительной. Ни одно вещество кроме воды не обладает таким универсальным свойством растворять почти любые материалы. Есть более сильные и потому более опасные растворители. Вода, разлогая вещества на ионы, сама не разлагается. Главные химические свойства воды: 1). Устойчивое соединение, потому является надежной не разрушаемой базой для жизни. 2). Вода – универсальный растворитель газов и твердых частиц, благодаря чему доставляет питательные вещества в организмы и уносит вещества-шлаки из них. 3). Вода плохо растворяет органические вещества с большой молекулярной массой. Потому она не разрушает живые ткани организмов, но служит им по п.2. 4). Растворимость веществ в воде зависит от температуры – она снижается с охлаждением воды. Разогретая в организме вода выносит много веществ, охлаждается вне организма, осаждает вещества в водоемы, испаряется и вновь готова принять порцию загрязнителей. Физические свойства воды: а) капиллярность - на поверхности воды натянута плёнка, точнее сеть из молекул Н₂О, связанных между собой водородными связями. Эта плёнка способствует сохранению воды в водоёме, сдерживает испарение. Только некоторые молекулы в броуновском движении имею скорость достаточную для прорыва сквозь сеть поверхностного натяжения. Сеть поверхностного натяжения в сосуде с водой прогибается, удерживая висящие на ней молекулы воды в подобие того, как натянутая веревка прогибается от собственного веса. Такая прогнутая (или выпуклая) поверхность воды называется мениск. Чем меньше площадь мениска, тем меньше масса воды, висящей на нем. Потому в тонких капиллярах вода может подниматься выше, чем в более широких. Она поднимается на высоту до нескольких метров, теоретически до 10 м. В стеблях и листьях растений имеются капилляры, по которым растворы от корня поднимаются до вершины растения; капилляр обеспечивает питание растения и его устойчивость; б ) изменение плотности от температуры - Плотность всякого вещества, увеличивается при охлаждении. Происходит сжатие тела. Экологический аспект расширения воды при замерзании и сокращения объема льда проявляется при выветривании горных пород. Дробление их осуществляется водой, замерзающей в микротрещинах. Выветриванием извлекаются из глубинных пород микроэлементы, необходимые растениям и животным, подготовляются обновляемые тектоническими движениями участки земной коры к формированию почвы и первичной сукцессии, то есть к образованию экосистем на обновленных участках. Другой экологический аспект высокой удельной теплоты замерзания и испарения воды видим в климатической аномалии хода среднесуточных температур в течение года, что особенно существенно весной; в) очень высокая удельная теплота плавления (кристаллизации, замерзания) - Вещество H₂O (лед - вода - пар) обладает высокой удельной теплотой плавления и очень высокой удельной теплотой испарения. Это свойство воды позволяет ей регулировать климат и микроклимат на поверхности Земли. Во влажных районах климат мягче, без резких переходов между днем и ночью, между зимой и летом. В сухих и потому пустынных районах этот переход значительно резче. Говорят о морском и континентальном типах климата. Мягкий климат удобен не только людям и животным. Он необходим растениям, которые, будучи прикрепленными, не могут укрыться ни от холода, ни от зноя в отличие от животных и человека.

18. Капиллярность и её значение для организмов и грунтов.

Поверхность спокойной воды исключительно гладкая, блестящая. Она выровнена на молекулярном уровне. Только посторонние плавающие предметы могут нарушить ее, да движение. На поверхности воды натянута плёнка, точнее сеть из молекул Н₂О, связанных между собой водородными связями. Эта плёнка способствует сохранению воды в водоёме, сдерживает испарение. Только некоторые молекулы в броуновском движении имею скорость достаточную для прорыва сквозь сеть поверхностного натяжения. Вода способна смачивать большинство тел. Молекулы воды притягиваются к стеклу, к органическим тканям. Сеть поверхностного натяжения в сосуде с водой прогибается, удерживая висящие на ней молекулы воды в подобие того, как натянутая веревка прогибается от собственного веса. Такая прогнутая (или выпуклая) поверхность воды называется мениск. Чем меньше площадь мениска, тем меньше масса воды, висящей на нем. Потому в тонких капиллярах вода может подниматься выше, чем в более широких. Она поднимается на высоту до нескольких метров, теоретически до 10 м.В стеблях и листьях растений имеются капилляры, по которым растворы от корня поднимаются до вершины растения; капилляр обеспечивает питание растения и его устойчивость. При недостатке воды растение становится мягким, увядает, при подаче воды может распрямиться снова. В древесных стволах также действуют капиллярные силы. Капиллярные сосуды имеются у человека и животных. Таким образом, через капиллярные свойства вода еще одним способом поддерживает жизнь растений и животных.Капиллярная вода удерживается в глинистой и чернозёмной плодородной почве. В песчаной почве она удерживается в минимальном количестве. Капиллярная вода почвы является первоочередным питанием для корней растений. После исчерпания запаса капиллярной воды, растение начинает отбирать связанную воду от глинистых частиц.

19. Теплота испарения и конденсации воды и их экологическое значение. Вещество H₂O (лед - вода - пар) обладает высокой удельной теплотой плавления и очень высокой удельной теплотой испарения. Чтобы растаял 1 г льда требуется 80 калорий или 334 Джоуля тепловой энергии. Для последующего нагревания на 1^оC требуется 4,2 Дж./г или одна калория. Для нагревания талой воды от 0 до 100^оC требуется 100 калорий. Последующее испарение 1 г воды требует 543 калории. Таким образом, на границах фазовых переходов вода отбирает из окружающего пространства много теплоты при повышении температуры. При понижении температуры происходит обратное: конденсация водяного пара в капельки жидкости сопровождается выделением тепла порядка 543 калорий на 1 г воды. Охлаждение воды сопровождается отдачей тепла из воды в количестве около 1 кал. на 1 г., а замерзание сопровождается выделением около 80 кал. на 1 г.Это свойство воды позволяет ей регулировать климат и микроклимат на поверхности Земли. Во влажных районах климат мягче, без резких переходов между днем и ночью, между зимой и летом. В сухих и потому пустынных районах этот переход значительно резче. Говорят о морском и континентальном типах климата. Мягкий климат удобен не только людям и животным. Он необходим растениям, которые, будучи прикрепленными, не могут укрыться ни от холода, ни от зноя в отличие от животных и человека. Во влажном воздухе на некотором уровне температуры, называемым в физике “точкой росы” начинается конденсация водяного пара с выделением около 540 калорий с грамма росы. Воздух при этом обогревается, падение температуры его замедляется. Если она все-таки достигнет 0^ОC, то происходит образование инея, когда конденсируемые молекулы воды сразу образуют кристаллы льда. При этом выделяется еще 80 калорий на 1 г. воды. Охлаждение опять замедляется. Иней садится на растения, как и роса, и обогревает непосредственно листья и стебли. Но вот взошло Солнце. Лучи его не только освещают, но и несут тепловую энергию. Кожа наша хорошо ощущает теплоту апрельских и майских солнечных лучей. Для переохлажденных растений при отрицательных температурах воздуха обогрев первыми солнечными лучами опасен, т.к. резкое расширение тканей на поверхности листа может привести к разрыву тканей, разрыву капилляров и последующему увяданию. Растения в этот момент получают солнечные ожоги. От ожогов растения защищает вода. Иней на листе начинает таять, забирая тепло. Он превращается в росу, которая, испаряясь, отбирает еще более тепла. Кто ходил босиком по росе, тот знает, какая она холодная. Это для того, чтобы тонкие ткани травянистых растений и цветов не прогрелись при восходе солнца. Таким образом, сверкающая на траве роса не только украшает растения, но она и обогревает их, как это, ни странно человеку, ощущающему холод росы. Но голая почва еще холодней.

20. График изменения плотности воды и льда при нагревании и его экологическое значение. Плотность всякого вещества, точнее, почти всякого, увеличивается при охлаждении. Происходит сжатие тела. При снижении температуры воды от +10^оC до 3,98^оC плотность ее возрастает на 0,003% или на 3 г/м³. Это величина ничтожная, но если на точных весах уравновесить две тонны, а затем к одной из них добавить 3 г, то равновесие нарушится. При снижении температуры от 3,98^оC до нуля плотность воды вопреки общему закону не возрастает, а снижается. Снижение также мало. При кристаллизации льда происходит резкое снижение плотности до 0,9168 г/см³. При охлаждении льда восстанавливается общий закон природы. Плотность льда возрастает по мере охлаждения и объем льда сокращается. Своеобразная закономерность реализуется путем перестройки жидких кристаллов воды и твердых кристаллов льда с изменением межмолекулярного пространства в жидких и твердых кристаллах. Зимой для сохранения жизни гидробионтов в воде на ее поверхности образуется лед. Его теплопроводность меньше теплопроводности воды. Лед не тонет только благодаря тому, что он легче воды. При нормальном ходе изменения плотности от температуры лед должен был бы тонуть, а водоем полностью промерзнуть за зиму. На лед выпадает снег (тот же лед, но другой плотности), который в силу пористости имеет идеальные теплоизоляционные свойства. Лед и снег укрывают водоем от зимней стужи. Подо льдом удерживаются слои воды с температурой от +1^о до +3^оC. Плотность воды сверху вниз нарастает, поэтому слой +1^о плавает на слое +2^о и так далее. На контакте со льдом находится слой воды с нулевой температурой. В застойном водоеме он неподвижен и потому лед не тает, а намерзает. При температуре +4^оC вода приобретает максимальную плотность и падает на дно, где более теплая и более легкая вода. Теплые воды вытесняются вверх. Таким образом, осуществляется конвективное перемешивание, которое обеспечивает положительные температуры в зоне обитания гидробионтов при сохранении низких температур непосредственно на границе лед-вода. Повышение плотности льда при снижении температур. При охлаждении лед сжимается и слой его трескается. Через трещины на поверхности льда выдавливается вода. Через трещины в подледное пространство мигрирует атмосферный кислород, растворяемый в изливающейся воде (полезно для водных бионтов). Другой экологический аспект расширения воды при замерзании и сокращения объема льда проявляется при выветривании горных пород. Дробление их осуществляется водой, замерзающей в микротрещинах. Выветриванием извлекаются из глубинных пород микроэлементы, необходимые растениям и животным, подготавливаются обновляемые тектоническими движениями участки земной коры к формированию почвы и первичной сукцессии, то есть к образованию экосистем на обновленных участках. Другой экологический аспект высокой удельной теплоты замерзания и испарения воды видим в климатической аномалии хода среднесуточных температур в течение года, что особенно существенно весной. Сукцессия (от лат. succesio - преемственность, наследование) — последовательная необратимая и закономерная смена одного биоценоза другим на определённом участке среды.