Apa, valoarea apei din cușcă.
Apa din cușcă este în două forme: liberă și legată. Apa liberă se găsește în spațiile intercelulare, vasele, vacuolele, cavitățile organelor. Servește la transferul de substanțe din mediul în celulă și invers. Apa legată este parte a unor structuri celulare, fiind între molecule de proteine, membrane, fibre și este legată de unele proteine.
Apa are diferite funcții: conservarea volumului, elasticitatea celulei, dizolvarea diferitelor substanțe. În plus, în sistemele vii, majoritatea reacțiilor chimice au loc în soluții apoase.
Apa are un număr de proprietăți extrem de importante pentru organismele vii. Proprietățile unice ale apei sunt determinate de structura moleculei sale. Molecula de apă constă dintr-un atom de O legat la doi atomi de H prin legături covalente polar. Aranjamentul caracteristic al electronilor din molecula de apă îi conferă o asimetrie electrică. Cel mai mult atom de oxigen electronegativ atrage mai puternic electronii atomilor de hidrogen, ca urmare a faptului că perechile generale de electroni sunt deplasate în molecula de apă în direcția sa.
Prin urmare, deși molecula de apă ca întreg nu este încărcată, fiecare dintre cei doi atomi de hidrogen are o sarcină parțială pozitivă (notată cu δ +), iar atomul de oxigen poartă o sarcină parțial negativă (δ-). Molecula de apă este polarizată și este un dipol (are doi poli) (Figura 6). O sarcină parțială negativă a atomului de oxigen al unei molecule de apă este atrasă de atomii de hidrogen parțial pozitivi ai altor molecule. Astfel, fiecare moleculă de apă tinde să conecteze o legătură hidrogen cu patru molecule de apă vecine.
Datorită polarității moleculelor și a capacității de a forma legături de hidrogen, apa dizolvă ușor compușii ionici (săruri, acizi, baze). Este ușor solubil în apă și unele compus neionic dar polar, punct de topire. E. O moleculă care conține grupări încărcate (polare), cum ar fi zaharuri, alcooli simpli, aminoacizi. Substanțele care sunt foarte solubile în apă se numesc hidrofile (de la hygros grecesc-umiditate și filia-prietenie, dependență). Când substanța intră în soluție, moleculele sau ionii săi se pot deplasa mai liber și, prin urmare, reactivitatea crește substanței.
Aceasta explică de ce apa este mediul principal în care au loc cele mai multe reacții chimice, iar toate reacțiile de hidroliză și numeroasele reacții redox au loc cu participarea directă a apei.
Substanțele care sunt slab sau complet insolubile în apă sunt numite hidrofobe (din fobii greci - frică). Acestea includ grăsimi, acizi nucleici, unele proteine. Astfel de substanțe pot forma interfețe cu apa, la care au loc multe reacții chimice. Prin urmare, faptul că apa nu se dizolvă substanțe nepolare, pentru organismele vii este, de asemenea, foarte importantă. Printre proprietățile fiziologice importante ale apei se numără abilitatea de a dizolva gazele (O2, C etc.).
Apa are o capacitate mare de căldură, adică capacitatea de a absorbi energia termică cu o creștere minimă a temperaturii intrinseci. Capacitatea mare de căldură a apei protejează țesuturile organismului de creșteri rapide și puternice ale temperaturii. Multe organisme sunt răcite prin evaporarea apei (transpirație în plante, transpirație la animale).
Apa are, de asemenea, o conductivitate termică ridicată, asigurând o distribuție uniformă a căldurii în întregul corp. În consecință, căldura specifică ridicată și conductivitatea termică ridicată fac apa să fie un fluid ideal pentru menținerea echilibrului termic al celulei și al corpului.
Apa practic nu se contractă, creând o presiune de turgor, determinând volumul și elasticitatea celulelor și a țesuturilor. Deci, este scheletul hidrostatic care susține forma de viermi rotunzi, meduze și alte organisme.
Apa este caracterizată de valoarea optimă pentru sistemele biologice ale forței de întindere a suprafeței, care rezultă din formarea legăturilor de hidrogen între moleculele de apă și moleculele altor substanțe.
Apa are un indice de refracție n = 1,33 în domeniul optic. Cu toate acestea, absoarbe puternic radiațiile infraroșii și, prin urmare, vaporii de apă reprezintă principalele gaze naturale cu efect de seră care reprezintă peste 60% din efectul de seră. Datorită dipol mare moment al moleculelor, apa absoarbe, de asemenea, radiații cu microunde, bazat pe ceea ce principiul de funcționare a cuptorului cu microunde.
La presiunea atmosferică normală (760 mm Hg. V. 101 325 Pa), apa trece în stare solidă, la o temperatură de 0 ° C și fierbe (transformată în abur), la o temperatură de 100 ° C (temperatura de 0 ° C și 100 ° C au fost special sunt alese ca temperatura de topire a gheții și a apei fierbinți atunci când se creează o scară de temperatură "Celsius" în sistemul SI). Când presiunea scade, temperatura topirii (topirea) de gheață crește încet, iar punctul de fierbere al apei scade. La o presiune de 611.73 Pa (aproximativ 0,006 atm), punctul de fierbere și topire aceeași și devine egală cu 0,01 ° C Această presiune și temperatură sunt denumite triple de apă. La o presiune mai mică, apa nu poate fi în stare lichidă, iar gheața se transformă direct în abur. Temperatura de sublimare a gheții cade cu o scădere a presiunii. La presiune ridicată, există modificări ale gheții cu puncte de topire deasupra temperaturii camerei.
Apa este cel mai răspândit solvent pe planeta Pământ, care determină în mare măsură natura chimiei terestre ca știință. Cea mai mare parte a chimiei, când a fost născută ca știință, a început tocmai ca chimia soluțiilor apoase de substanțe. Se consideră uneori ca amfoliat - atât acid cât și bază simultan (cation H + anion OH-). În absența unor substanțe străine în apă este aceeași concentrație de ioni de hidroxid și ioni de hidrogen (sau ioni hidroniu), pKa ≈ 16.
Apa este o substanță chimică destul de activă. Molecule puternic polar de apă solvați ioni și molecule, formează hidrați și hidrați cristalini. Solvoliză, în special hidroliză, are loc în natură organică și anorganică, și este utilizat pe scară largă în industria chimică. Apa joacă un rol unic ca substanță care determină posibilitatea existenței și chiar a vieții tuturor ființelor de pe Pământ. Acționează ca un solvent universal în care se produc procesele biochimice de bază ale organismelor vii. Apa este unic prin faptul că este suficient de bune atât dizolva substanțe organice și anorganice, oferind reactii chimice de mare viteză și, în același timp - suficient complexitate format compuși complecși.
Datorită legăturii de hidrogen, apa rămâne lichidă într-o gamă largă de temperaturi și tocmai în ceea ce este prezent pe scară largă pe planeta Pământ în prezent.
Deoarece densitatea gheții este mai mică decât cea a apei lichide, apa din rezervoare îngheață de sus, nu de jos. Stratul rezultat de gheață împiedică înghețarea rezervorului, ceea ce îi permite locuitorilor să supraviețuiască.
Natura legăturilor de hidrogen
Moleculă H2O în sine este neutră din punct de vedere electric, dar încărcătura din interiorul moleculei este distribuită neuniform: în regiunea atomilor de hidrogen o mică valoare pozitivă și în regiunea în care este localizat atomul de oxigen, o sarcină negativă mică. Datorită acestui fapt, moleculele de apă pot interacționa unele cu altele prin formarea așa-numitelor legături de hidrogen.
Legătura cu hidrogen determină proprietățile unice ale apei:
Apa are temperaturi foarte înalte de fierbere, topire și vaporizare, deoarece este necesar să se sporească energia suplimentară la ruperea legăturilor de hidrogen. Numai apa este în toate cele trei stări agregate simultan. Alte substanțe cu structură similară și greutate moleculară, cum ar fi H2S, HCI, NH3 în condiții normale, sunt gazele.
Substanțele hidrofobe nu se vor dizolva în apă, dar moleculele de H2O vor putea separa substanța hidrofobă de coloana foarte apoasă. De exemplu, grăsimile - fosfolipidele, care alcătuiesc membrana celulară, pot forma o bilatiere lipidică prin interacțiunea cu apa.
Participarea la reacții chimice
Apa ca reactiv este implicată în numeroase reacții chimice:
In timpul fotosintezei in plante are loc fotoliza apei - hidrogenului din apă inclusă în compoziția substanțelor organice și oxigenul liber este eliberat în atmosferă.
Apa participă la hidroliză - distrugerea substanțelor prin adăugarea de apă. De exemplu, hidroliza grăsimilor, a proteinelor și a carbohidraților are loc în timpul digestiei alimentelor, iar în timpul hidrolizei ATP se eliberează energie, asigurând necesitățile celulei.
Când hidrolizează sărurile, apa este o sursă de protoni și electroni.
Menținerea structurii celulare
Apa nu este practic comprimabilă (în stare lichidă) și, prin urmare, servește drept schelet de celule hidrostatice. Datorită osmozelor, apa creează o presiune excesivă în vacuolele celulelor de plante, această presiune de turgor asigură elasticitatea peretelui celular și menținerea formei de organe (de exemplu frunzele).
La plante, datorită, printre altele, capilar efecte caracteristice pentru apă (coeziunea moleculelor sale caracteristice) este realizată prin ridicarea rădăcinii la alte părți ale plantei de săruri minerale dizolvate prin vasele. De asemenea, datorită coeziunii, apa din sol este disponibilă pentru absorbție prin părul rădăcinii.
Transportul produselor fotosintetice se realizează prin mișcarea soluției apoase de zaharoză prin tuburile de sită.
Excreția, se deplasează produse metabolice în formă dizolvată la animale (apa este componenta majoră a sângelui și a limfei, și, de asemenea, joacă un rol important în sistemul excretor).
Participarea la termoreglarea
Datorită capacității sale ridicate de căldură - 4200 J / (kg · K) - apa oferă o temperatură aproximativă constantă în interiorul celulei. Apa poate purta o cantitate mare de căldură, dând-o acolo unde temperatura țesuturilor este mai mică și luându-o acolo unde temperatura este mai mare. De asemenea, atunci când se evaporează apa, răcirea considerabilă are loc datorită faptului că o cantitate mare de energie este folosită pentru ruperea legăturilor de hidrogen în timpul trecerii de la o stare agregată (lichidă) la alta (gaz).
Până la 80% din masa celulară este ocupată de apă, care asigură elasticitatea celulei, datorită polarității ridicate a moleculelor, este solventul altor compuși polari. Apa participă la reglarea căldurii, în reacțiile chimice care au loc în celule în soluții apoase. Se dizolvă produsele deșeurilor metabolice care nu sunt necesare organismului și le elimină din corp. Apa favorizează mișcarea substanțelor din interiorul celulei sau din celulă în celulă. Fără apă, viața este imposibilă.
Cum afectează scăderea apei în celule viața organismelor?
Un indicator serios de deshidratare este pierderea rapidă în greutate. În câteva zile, puteți pierde până la câteva kilograme. Pierderea rapidă în greutate, mai mare de 10% din greutatea totală, este considerată severă. Simptomele deshidratării sunt dificil de distins de simptomele altor boli, dar, în general, deshidratarea are următoarele simptome: sete crescută, gură uscată, slăbiciune sau ușoară amețeli, urină tulbure sau urinare scăzută. Deshidratarea severă (deshidratarea) poate duce la modificări ale echilibrului chimic al organismului, insuficiență renală și poate chiar pune viața în pericol.
Proprietățile au permis ca apa să joace în celulă rolul unui solvent, un termostat și, de asemenea, să mențină structura celulelor și să efectueze transportul de substanțe.
Apa bine dizolvă substanțe hidrofile, de exemplu, săruri solubile, proteine, zaharuri. Moleculele de apă sunt înconjurate de ioni sau molecule de materie, prin aceasta separând particule unul de altul. În consecință, într-o soluție, moleculele (sau ionii) se pot mișca mai liber, prin urmare, intră repede într-o reacție chimică. Substanțele hidrofobe nu se vor dizolva în apă, dar moleculele de H2O vor putea separa substanța hidrofobă de coloana foarte apoasă.
Apa ca reactiv este implicată în numeroase reacții chimice:
În fotosinteză, în hidroliză, distrugerea substanțelor cu adaos de apă și în hidroliza sărurilor, apa este o sursă de protoni și electroni.
Apa nu este practic comprimabilă (în stare lichidă) și, prin urmare, servește drept schelet de celule hidrostatice, asigură elasticitatea peretelui celular și menținerea formei de organe (de exemplu, frunze).
Apa oferă o temperatură aproximativă în interiorul celulei. Este capabil să transporte o cantitate mare de căldură, dând-o acolo unde temperatura țesuturilor este mai mică și luându-o acolo unde temperatura este mai mare. De asemenea, atunci când apa se evaporă, are loc o răcire semnificativă.