ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Вода — вещество жизни из "Химия жизни" Испаряясь и утончаясь, она производит воздух, сгущаясь — твердые тела. Действительно, прекрасные кристаллы горного хрусталя напоминают лед и могут дать повод уму, не искушенному в эксперименте, предположить, что это окаменевший лед... Времена Фалеса давно миновали, никто уже не думает, что основой мира является вода, но интуиция ученого-философа заслуживает уважения он был прав потому, что роль маленькой молекулы воды в жизни природы действительно необычайно важна. [c.32] Колыбелью жизни на нашей планете был океан весь ход биологической эволюции и процессы жизнедеятельности тесно связаны с превращениями, идущими в водной среде. Удаление воды означает или гибель, или прекращение процессов обмена. Известно, что высушенные семена растений могут сохраняться тысячелетиями, не проявляют признаков жизни, но если их смочить, огонек жизни делается заметным — начинается прорастание. [c.32] Попытаемся выяснить, что представляет собой молекула воды и почему она играет столь важную роль в биологических процессах. Сравнение свойств гидридов элементов VI группы таблицы Д. И. Менделеева показывает, что вода — гидрид кислорода и в обычных условиях должен бы быть газом. Действительно, температуры кипения гидридов элементов VI группы понижаются по мере уменьшения массы атома элемента и относительно высокая температура кипения воды кажется неожиданной — аномальной (табл. 1). [c.32] Благодаря большому значению диэлектрической проницаемости вода поддерживает растворенные в ней соли, кислоты и основания в ионизированном состоянии. Быстро протекающие химические реакции чаще всего совершаются между ионами, т. е. заряженными частицами. Ионы регулируют действие множества биологических катализаторов — ферментов, без которых невозможна жизнь движение ионов через биологические мембраны обусловливает передачу нервного возбуждения, концентрация ионов в почве определяет возможность нормального роста растений и т. д. Поэтому для развития жизни совершенно необходима среда, поддерживающая надлежащий уровень ионизации молекул. [c.33] Высокая диэлектрическая проницаемость и большие значения теплот испарения могут быть истолкованы с единой точки зрения— обе аномали говорят об одном и том же. [c.33] Действительно, диэлектрическая проницаемость, равная 81, указывает на то, что молекула воды заметно поляризована. Вследствие особенностей строения молекулы центры тяжести ее положительных и отрицательных зарядов не совпадают и молекула ведет себя как стержень, имеющий на одном конце положительный, а на другом отрицательный заряды — диполь. Диполи притягиваются друг к другу, и, для того чтобы разделить их и удалить на значительное расстояние, необходимо совершить работу, и тем большую, чем больше сила взаимодействия между диполями. Отсюда делается вывод, что вода, молекулы которой являются диполями, должна при испарении поглощать большое количество энергии и, следовательно, вполне может быть жидкостью при тех условиях, при которых аналогичные соединения, но не столь сильно поляризованные, уже находятся в газообразном состоянии. [c.33] Молекулы сероводорода, в частности, имеют вдвое меньший дипольный момент и больший объем сила притяжения между ними слабее и сероводород является в обычных условиях газом. [c.33] При понижении температуры полярные молекулы воды образуют кристаллическую решетку льда конечно, и в этом случае появляются силы сцепления, они и обусловливают большую величину теплоты плавления льда. [c.33] ВОДЯНОГО пара конденсироваться при понижении давления. Мы настолько свыклись с тем, что падение давления есть признак плохой погоды — дождя или тумана, что не обращаем внимание на аномальность этого факта. Ведь из курса физики известно, что понижение давления переводит насыщенный пар в состояние ненасыщенного и, следовательно, нет оснований ожидать, что падение давления вызовет конденсацию и образование капель жидкости. А у воды именно это и происходит — из пара образуются капли жидкой воды. Причина аномалии в том, что падение давления вызывает расширение водяного пара, а расширение приводит к увеличению средних расстояний между молекулами воды. Энергия, нужная для этого при быстром протекании процесса, черпается из запасов внутренней энергии водяного пара в результате температура пара снижается и начинается конденсация. Еще одна аномалия оказывается обусловленной большими силами межмолекулярного сцепления, или, иными словами, оказывается связанной с асимметричной структурой молекулы воды. [c.34] В чем же заключается эта асимметрия Как построена молекула воды Молекула воды согнута. Линии, соединяющие центры атома кислорода с центрами атомов водорода, образуют угол 104,28°. Каждая из связей О—Н полярна, т. е. представляет собой диполь если бы эти диполи были расположены на одной прямой, то они полностью компенсировали бы другие и общий дипольный момент молекулы был бы равен нулю (рис. 8). Расчет показывает, что более устойчивым является положение, в котором линии центров групп ОН образуют между собой угол в 90°, влияние внутренних электронов атома кислорода, как предполагают, приводит к тому, что наиболее энергетически выгодным оказывается расположение, отвечающее углу в 104,28°. Природа согнула молекулу воды и этим в значительной мере определилась ее удивительная роль в эволюции поверхности нашей планеты и в развитии всех форм жизни на ней. [c.34] Распределение электронной плотности р-электронов атома кислорода показано на рисунке 9. Кроме того, имеются еще два электрона, расположенные так, что распределение их заряда имеет сферическую симметрию (электроны 5-типа). [c.34] Атом водорода имеет -электрон, плотность заряда которого распределена сферически. Для образования связи важно, чтобы электронные облака атомов кислорода и водорода перекрылись. [c.34] После образования связей у кислорода остается два электрона р-типа и два 5-типа, которые не были использованы для связей. Электроны 5-типа, по-видимому, влияют на угол между линиями центров Н — О, обусловливая, как было сказано выше, отклонение угла от 90°. [c.35] Дипольный момент молекулы воды возникает по двум причинам во-первых, каждая из связей О—Н полярна и на том конце, где находится ядро водорода, имеется избыток положительного заряда, а на кислородном конце избыток отрицательного, а во-вторых, пары электронов, неиспользованные для связей, создают дополнительную плотность отрицательного заряда на атоме кислорода. [c.35] Этот вклад в дипольный момент оказывается даже более существенным, чем вклад от полярности связей. [c.35] Связи между различными молекулами воды, как видно, осуществляются за счет протона, оказавшегося между двумя электронными парами 0 Н— 0, т. е., как мы уже говорили, за счет водородных связей. [c.36] Диполи воды очень деятельные частицы. Их малый размер и большая напряженность электрического поля позволяют им активно вмешиваться в разнообразные реакции. [c.36] например, в водной среде оказывается кристалл соли (например, хлорида натрия), то диполи воды немедленно притягиваются к ионам, находящимся на поверхности кристалла энергия взаимодействия иона и диполей воды настолько велика, что ионы покидают свои места в кристаллической решетке и уходят в водную среду, окруженные оболочками из молекул воды. Велики ли эти водяные шубы У различных ионов они неодинаковы. Чем меньше размер иона и больше его заряд, тем прочнее удерживаются диполи воды в гидратной оболочке — шубе иона , вполне прочно удерживаются лишь 4—6 молекул воды. [c.36] Способность диполей воды образовывать различные структуры — создавать разнообразные и сложные конструкции — отчетливо проявляется в формировании разновидностей льда, отличающихся по плотности. Известно шесть разновидностей льда. Они могут находиться в равновесии с обычным льдом или друг с другом лишь при очень высоких давлениях (порядка нескольких тысяч атмосфер). [c.36] ТО мы попадаем в область, где порядок уже нарушен, если подождать некоторое время, то окажется, что и ближние молекулы обмениваются местами. В воде нет хаоса, но порядок постоянно нарушается и вновь восстанавливается. Огромные силы внутреннего давления, сжимающие воду, ограничивают возможности быстрых перемещений — одна молекула топчется около другой, пока ей удастся покинуть свое место и сделать более или менее значительный скачок в сторону. Правда, продолжительность топтания велика лишь по молекулярным масштабам она составляет около сек. Но ведь период молекулярных колебаний равен 10 сек и сек — это для молекулы уже долго . [c.37] Вернуться к основной статье