Статья на тему: &quot;биологическая роль воды&quot;

ООО «Инфоурок»

Реферат по дисциплине:

«Общая, неорганическая и органическая химия»

По теме:

«Вода и её биологическое значение»

Исполнитель: Червова Елена Сергеевна

Кемерово 2024год

Содержание

1. Введение…………………………………………………………….…3

2. Строение воды………………………………………………………....5

3. Физические свойства воды…………………………………………...6

4. Химические свойства воды…………………………………………....8

5. Биологическая роль воды……………………………………………..13

6. Заключение…………………………………………………………….14

7. Список литературы……………………………………………………15

1. Введение

Вода является одним из основных компонентов живых организмов и играет важную роль в биологических процессах. Ее биологическое значение охватывает множество аспектов, включая поддержание жизнедеятельности клеток, участие в метаболических реакциях, транспорт веществ, регуляцию температуры и поддержание гидратации организма.

Нет на Земле вещества более важного для нас, чем обыкновенная вода, и в то же время не существует другого такого вещества, в свойствах которого было бы столько аномалий, сколько в её свойствах.

Почти ¾ поверхности нашей планеты занято океанами и морями. Твердой водой – снегом и льдом – покрыто 20 % суши. От воды зависит климат планеты. Земля давно бы остыла и превратилась в кусок камня, если бы не вода. У неё очень большая теплоемкость. Нагреваясь, она поглощает тепло; остывая, отдает его. Земная вода и поглощает, и отдает очень много тепла, тем самым «выравнивая» климат Земли. А от космического холода Землю предохраняют те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере – в облаках и в виде паров.
Вода важна для живых организмов по двум причинам. Во-первых, она является необходимым компонентом живых клеток, и, во-вторых, для многих организмов она служит еще и средой обитания. Молекулы воды обнаружены в межзвёздном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников.

Цель данного реферата - рассмотреть важность воды в биологических системах и исследовать ее роль в поддержании жизни и функционирования организмов. Мы рассмотрим физические свойства воды, ее влияние на клеточные процессы, транспорт веществ и регуляцию температуры. Также мы рассмотрим воду как среду для жизни и ее значение для поддержания гидратации организма.

Вода является основным компонентом большинства растительных клеток и тканей. Содержание воды в клетках варьирует в зависимости от типа клеток и физиологических условий. Например, в корне моркови содержится около 85 % воды, тогда как молодые листья салата на 95 % состоят из воды.
В некоторых сухих семенах и спорах содержание воды составляет всего лишь 10 %; однако, для того чтобы они стали метаболически активными, содержание воды в них должно существенно увеличиться.
Вода является средой, в которой происходит диффузия растворенных соединений по клеткам растения; представляет собой вещество, необычайно удобное для регуляции температуры; служит растворителем необходимым для протекания многих биохимических реакций; наконец, вода довольно мало сжимаема при давлениях, существующих в организме, что подчеркивает ее роль в поддержании структуры растения.
Минеральные вещества, необходимые для роста, и органические соединения, синтезируемые в ходе фотосинтеза – все они транспортируются по растению в виде водных растворов. У активно растущих растений существует непрерывный водный поток из почвы через тело растения к листьям, где вода испаряется в основном через устьица.
Вода представляет собой один из необходимых метаболитов, т.е. непосредственно участвует в метаболизме. Она служит источником кислорода, выделяемого в ходе фотосинтеза, и водорода, используемого для восстановления углекислого газа. При образовании АТФ – важного макроэргического соединения – из АДФ и фосфата происходит отщепление воды, иными словами, подобное фосфорилирование есть не что иное, как процесс дегидратации, происходящий в водном растворе в биологических условиях; вода участвует в реакциях гидролиза. Таким образом, знание уникальных свойств воды имеет громадное значение для общего понимания физиологии растений.
Если оба атома водорода заменить на атомы дейтерия (2Н), то мы получим тяжелую воду, или окись дейтерия с молекулярной массой 20.
В воду можно также ввести атом трития (3Н), который радиоактивен и имеет период полураспада 12,4 г. Такая вода оказалась полезным инструментом в изучении скорости ее диффузии в тканях растений. Возможно пометить воду замещая обычный изотоп воды 16О на тяжелый изотоп 18О. Этот тип метки был использован для доказательства того, что кислород, выделяемый в ходе фотосинтеза, происходит из воды, а не из углекислого газа. [6]

2. Строение воды.

Строение воды является ключевым аспектом ее физических и химических свойств. Вода состоит из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O), образуя молекулу H2O. Эта молекула имеет уникальную структуру и связи между атомами.

Строение воды обусловлено электронной структурой атомов водорода и кислорода. В молекуле воды, атом кислорода образует две ковалентные связи с атомами водорода. Каждая связь образуется путем обмена электронами между атомами. Эти связи обладают полярностью, что означает, что электроны в молекуле воды не распределены равномерно.

Из-за полярности связей, молекула воды приобретает дипольный характер. Атом кислорода становится частично отрицательно заряженным, а атомы водорода - частично положительно заряженными. Это приводит к образованию водородных связей между молекулами воды.

Структура воды и ее способность образовывать водородные связи являются основой для многих ее уникальных свойств. Водородные связи обеспечивают высокую кохезию между молекулами воды, что приводит к поверхностному натяжению и капиллярности. Они также обуславливают высокую теплоемкость и теплопроводность воды.

3. Физические свойства воды.

Физические свойства воды играют важную роль в ее биологическом значении. Вот некоторые из них:

1. Растворительные свойства: Вода является универсальным растворителем и способна растворять множество веществ. Благодаря своей полярной структуре, она может образовывать водородные связи с другими молекулами, что позволяет ей эффективно растворять и транспортировать различные вещества в организмах.

2. Теплоемкость: Вода обладает высокой теплоемкостью, что означает, что она может поглощать и отдавать большое количество тепла без существенного изменения своей температуры. Это свойство воды играет важную роль в регуляции температуры организмов, помогая поддерживать стабильные условия внутри клеток и тканей.

3. Поверхностное натяжение: Вода обладает поверхностным натяжением, что позволяет ей образовывать капли и пленки на поверхности. Это свойство воды важно для многих биологических процессов, таких как дыхание через поверхность легких у некоторых животных и растений.

4. Кохезия и адгезия: Вода обладает высокой кохезией (способностью к сцеплению между молекулами воды) и адгезией (способностью к сцеплению с другими поверхностями). Эти свойства воды позволяют ей поддерживать структуру и целостность клеток и тканей, а также обеспечивать транспорт веществ в организме.

5. Плотность: Вода имеет наибольшую плотность при температуре 4°C. Это свойство воды играет важную роль в поддержании жизни в водных экосистемах, так как позволяет ей образовывать слои с разной температурой и плотностью, что способствует перемешиванию питательных веществ и кислорода.

Все эти физические свойства воды совместно обеспечивают ее уникальное биологическое значение и необходимость для жизни на Земле.
У отдельно взятой молекулы воды есть качество, которое проявляется только в присутствии других молекул: способность образовывать водородные мостики между атомами кислорода двух оказавшихся рядом молекул, так, что атом водорода располагается на отрезке, соединяющем атомы кислорода. Свойство образовывать такие мостики обусловлено наличием особого межмолекулярного взаимодействия, в котором существенную роль играет атом водорода. Это взаимодействие называется водородной связью. [4]

Каждая из присоединённых к данной молекул воды сама способна к присоединению дальнейших молекул. Этот процесс можно называть "полимеризацией". Если только одна из двух возможных связей участвует в присоединении следующей молекулы, а другая остаётся вакантной, то "полимеризация" приведёт к образованию либо зигзагообразной цепи, либо замкнутого кольца. Наименьшее кольцо, по-видимому, может состоять из четырёх молекул, но величина угла 90° делает водородные связи крайне напряжёнными. Практически ненапряжёнными должны быть пятизвенные кольца (угол 108° ), а шестизвенные (угол 120° ), также как и семизвенные - напряжённые. [2]
Рассмотрение реальных структур гидратов показывает, что, действительно, наиболее устойчиво шестизвенное кольцо, находящееся в структурах льдов. Плоские кольца являются привилегией клатратных гидратов, причём во всех известных структурах чаще всего встречаются плоские пятизвенные кольца из молекул воды. Они, как правило, чередуются во всех структурах клатратных гидратов с шестизвенными кольцами, очень редко с четырёхзвенными, а в одном случае - с плоским семизвенным. [3]
Вода, несмотря на все её аномальные свойства, является эталоном для измерения температуры, массы ( веса), количества тепла, высоты местности.
Шведский физик Андерс Цельсий, член Стокгольмской академии наук, создал в 1742 году стоградусную шкалу термометра, которой в настоящее время пользуются почти повсеместно. Точка кипения воды обозначена 100 , а точка таяния льда 0 . [1]

4. Химические свойства воды.

Химические свойства воды играют важную роль в ее биологическом значении. Вот некоторые из них:

1. Реакция с другими веществами: Вода может реагировать с различными веществами, образуя химические соединения. Например, вода может реагировать с металлами, образуя оксиды и гидроксиды. Эти реакции важны для многих биологических процессов, таких как гидратация и образование растворов.

2. Реакция с кислотами и щелочами: Вода может действовать как растворитель и реагировать с кислотами и щелочами. Она может образовывать ионные соединения, такие как гидроксиды и гидроксонии. Эти реакции играют важную роль в регуляции pH в организмах и поддержании кислотно-щелочного баланса.

3. Электролитические свойства: Вода может проводить электрический ток, так как она может диссоциировать на ионы водорода (H+) и гидроксидные ионы (OH-). Это позволяет воде участвовать в электролитических реакциях и поддерживать электрохимический баланс в организмах.

4. Реакция с кислородом: Вода может реагировать с кислородом, образуя оксигемоглобин в крови. Это позволяет транспортировать кислород из легких в ткани организма.

5. Реакция с органическими соединениями: Вода может реагировать с органическими соединениями, такими как углеводы, липиды и белки. Эти реакции играют важную роль в метаболических процессах, таких как гидролиз и синтез молекул.

Химические свойства воды обеспечивают ее уникальную способность взаимодействовать с другими веществами и участвовать в биологических процессах, необходимых для жизни организмов.

Из химических свойств воды особенно важны способность её молекул диссоциировать (распадаться) на ионы и способность воды растворять вещества разной химической природы. Роль воды как главного и универсального растворителя определяется прежде всего полярностью её молекул и, как следствие, её чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемостью. Электролитическая диссоциация воды – причина гидролиза солей слабых кислот и (или) оснований. Степень электролитической диссоциации заметно возрастает при повышении температуры. Под действием ультрафиолетового излучения происходит фотодиссоциация воды на ионы Н+ и ОН- .

Взаимодействие воды с металлами

При взаимодействии воды с большинством металлов происходит реакция с выделением водорода:

2Na + 2H2O = H2 + 2NaOH (бурно);
2K + 2H2O = H2 + 2KOH (бурно);
3Fe + 4H2O = 4H2 + Fe3O4 (только при нагревании).

Не все, а только достаточно активные металлы могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях этого типа. Наиболее легко реагируют щелочные и щелочноземельные металлы I и II групп. [5]

Взаимодействие воды с неметаллами

Из неметаллов с водой реагируют, например, углерод и его водородное соединение (метан). Эти вещества гораздо менее активны, чем металлы, но все же способны реагировать с водой при высокой температуре:

При пропускании паров воды через раскалённый уголь она разлагается и образуется так называемый водяной газ:
Н2О + С = СО + Н2

При сильном нагревании в присутствии катализатора вода реагирует с СО; СН4 и другими углеводородами, например:
Н2О + СО = СО2 + Н2
Н2О + СН4 = СО + 3Н2
Эти реакции используют для промышленного получения водорода.
Фосфор при нагревании с водой под давлением в присутствии катализатора окисляется в метафосфорную кислоту:
6Н2О + 3Р = 2НРО3 + 5Н2 [5]

Взаимодействие воды с электрическим током

При воздействии электрическим током вода разлагается на водород и кислород. Это также окислительно-восстановительная реакция, где вода является одновременно и окислителем, и восстановителем. [5]

Взаимодействие воды с оксидами неметаллов

Вода вступает в реакцию со многими оксидами неметаллов и некоторыми оксидами металлов. Это не окислительно-восстановительные реакции, а реакции соединения:

SO2 + H2O = H2SO3

SO3 + H2O = H2SO4

CO2 + H2O = H2CO3 (угольная кислота) [5]

Взаимодействие воды с оксидами металлов

Некоторые оксиды металлов также могут вступать в реакции соединения с водой. Примеры таких реакций мы уже встречали:

CaO + H2O = Ca

Не все оксиды металлов способны реагировать с водой. Часть из них практически не растворима в воде и поэтому с водой не реагирует. Например: ZnO, TiO2, Cr2O3, из которых приготовляют, например, стойкие к воде краски. Оксиды железа также не растворимы в воде и не реагируют с ней. [5]

Гидраты и кристаллогидраты

Вода образует соединения, гидраты и кристаллогидраты, в которых полностью сохраняется молекула воды.

Например:

CuSO4 + 5 H2O = CuSO4.5H2O;
CuSO4 – вещество белого цвета (безводный сульфат меди);
CuSO4.5H2O – кристаллогидрат (медный купорос), синие кристаллы.

Другие примеры образования гидратов:

H2SO4 + H2O = H2SO4.H2O (гидрат серной кислоты);
NaOH + H2O = NaOH.H2O (гидрат едкого натра).

Соединения, связывающие воду в гидраты и кристаллогидраты, используют в качестве осушителей. С их помощью, например, удаляют водяные пары из влажного атмосферного воздуха. [5]

Биосинтез

Вода участвует в биосинтезе в результате, которого образуется кислород:

6n CO2 + 5n H2O = (C6H10O5)n + 6n O2 (при действии света) [5]

Вода может служить катализатором, например, щелочные металлы и водород реагируют с CI2 только в присутствии следов воды.
Иногда вода – каталитический яд, например, для железного катализатора при синтезе NH3.
Способность молекул воды образовывать трёхмерные сетки водородных связей позволяет ей давать с инертными газами, углеводородами, СО2, CI2, (CH2)2O, CHCI3 и многими другими веществами газовые гидраты. [2]

5. Биологическая роль воды.

Вода играет важную биологическую роль в организмах. Вот некоторые аспекты ее биологического значения:

1. Растворительное действие: Вода является универсальным растворителем и способна растворять множество веществ, включая ионы, молекулы и макромолекулы. Это позволяет ей транспортировать питательные вещества, газы и отходы внутри организма.

2. Участие в химических реакциях: Вода участвует во многих химических реакциях, таких как гидролиз и дегидратация. Эти реакции играют важную роль в метаболизме, разрушении пищи и синтезе молекул.

3. Регуляция температуры: Вода обладает высокой теплоемкостью, что позволяет ей поглощать и отдавать тепло без существенного изменения своей температуры. Это свойство помогает организмам поддерживать стабильную температуру внутри клеток и тканей.

4. Участие в химических реакциях жизненно важных молекул: Вода является ключевым компонентом многих жизненно важных молекул, таких как белки, нуклеиновые кислоты и углеводы. Она обеспечивает структурную поддержку и участвует в химических реакциях этих молекул.

5. Поддержание формы и структуры клеток: Вода является основным компонентом клеток и помогает поддерживать их форму и структуру. Она также участвует во многих клеточных процессах, таких как диффузия и осмотическое давление.

Вода является неотъемлемой частью жизни на Земле и играет важную роль в биологических процессах всех организмов. Ее уникальные свойства и способность взаимодействовать с другими веществами делают ее незаменимой для поддержания жизни.

6. Заключение.

Вода имеет огромное биологическое значение и играет важную роль в жизни всех организмов. Ее уникальные физические и химические свойства позволяют ей выполнять различные функции, необходимые для поддержания жизни.

Вода является универсальным растворителем и способна растворять множество веществ, что позволяет ей транспортировать питательные вещества и отходы внутри организма. Она также участвует во многих химических реакциях, включая гидролиз и дегидратацию, что важно для метаболизма и синтеза молекул.

Вода играет роль в регуляции температуры организма благодаря своей высокой теплоемкости. Она также является ключевым компонентом многих жизненно важных молекул, таких как белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, и поддерживает их структуру и функцию.

Без воды невозможна жизнь на Земле. Она является основным компонентом клеток и помогает поддерживать их форму и структуру. Вода также участвует во многих клеточных процессах, таких как диффузия и осмотическое давление.

В заключение, вода является неотъемлемой частью жизни и играет важную роль в биологических процессах всех организмов. Ее уникальные свойства делают ее незаменимой для поддержания жизни и функционирования организмов.

7. Список литературы.

1.Андреев В. Г. Влияние протонного обменного взаимодействия на строение молекулы воды и прочность водородной связи. Материалы V Международной конференции «Актуальные проблемы науки в России». — Кузнецк 2008, т.3 С. 58-62.
2. Антонченко В. Я., Ильин В. В. Проблемные вопросы физики воды и гомеопатии. Вестник биофизической медицины, 1992 №1, с.11-13.

3. Гидробионты в самоочищении вод и биогенной миграции элементов. — М.: МАКС-Пресс. 2008. 200 с. Предисловие члена-корр. РАН В. В. Малахова. (Серия: Наука. Образование. Инновации. Выпуск 9).
4. Дерпгольц В. Ф. Вода во вселенной. - Л.: "Недра", 2000. – 287 с.
Коробкин В. И., Передельский Л. В. Экология. Учебное пособие для вузов. - Ростов /на/Дону. Феникс, 2005. – 423 с.
5. “Основы химии. Интернет-учебник” авторов А. В. Мануйлова, В. И. Родионова.

6. Шишелова Т.И. Современное состояние науки о воде. Проблемы и перспективы ее развития.// Успехи современного естествознания.- 2011.- №2. – с. 121-123.