Вода – представлява неорганично химично съединение, което посредством своите особени свойства, се явява основополагащо за целия живот, който е възникнал на нашата планета в този си вид.
Тя на практика е жизнена среда за всички организми. При повечето сухоземни видове, макар че не е местообитание, водата си остава основна съставка на вътрешната течна среда. Средно 60-90% от масата на живите същества се пада на нея. Без вода животът на Земята е немислим.
Наличието на вода във всички организми е едно от най-безспорните доказателства за единния произход на живата природа. Близо 71% от земната повърхност е покрита с вода, като 97% от нея се падат на моретата и океаните. Там за първи път са се появили примитивните форми на живот.
вода – течността на живота
Физични свойства на водата
Водата е най-разпространеното водородно съединение (хидрид), но като цяло физичните ѝ свойства много се различават от тези на останалите хидриди. От друга страна, по номенклатурата на IUPAC, нейното официално название е диводороден оксид.
Тя има относително високи температура на топене (0°C на морското равнище) и температура на кипене (100°C на морското равнище). При обикновенни условия водата е прозрачна течност без вкус и мирис. Характеризира се с висока топлина на изпарение и висок специфичен топлинен капацитет, което я превръща в отличен топлинен буфер.
Топлината на изпарение е количеството топлина, необходимо за изпаряването на 1 мол вода в течно състояние. Специфичният топлинен капацитет е физична единица за количеството топлина, което е необходимо да поеме тяло с маса 1 килограм, за да повиши средната си температура с 1 градус по Целзий. Всички тези свойства на водата я правят ефикасен охладител за организмите.
Освен всичко друго, тя е прекрасен разтворител за всички вещества, които имат полярен характер. Причината се крие във факта, че и нейните молекули са полярни. Това я превръща в отлична среда за протичане на повечето химични реакции в живите организми. Дестилираната вода (без разтворени йони) НЕ провежда електрически ток и обратното – водните разтвори на соли са добри проводници на електричество.
Освен среда на живот и добър разтворител, водата участва в много от реакциите, протичащи в живите клетки пряко. Понякога тя е изходно съединение, а друг път краен продукт.
Водата притежава и значителни капилярни свойства. Те ѝ позволяват да се изкачва в проводящите тъкани на растенията и да участва в транспорта на вещества. Капилярните свойства са тясно свързани с високото ѝ повърхностно напрежение, което е резултат от неуравновесени молекулни сили, действащи на повърхността на водата.
Строеж на водната молекула и междумолекулни взаимодействия
Причината водата да е основната неорганична съставка на всички организми се крие в структурата на водната молекула. Тя е изградена от един централно разположен кислороден атом, свързан посредством единични връзки с два водородни атома. Тези две химични химични взаимодействия представляват ковалентни химични връзки и са разположени под ъгъл 104 градуса и 27 минути.
И двете връзки са полярни поради голямата разлика между електроотрицателността на кислорода и водорода. Тъй като молекулата е несиметрична зарядите ѝ не се уравновесяват пространствено и тя на практика е полярна молекула. Така възникват електростатични сили на привличане между молекулите, които създават и високото повърхностно напрежение.
Водните молекули имат свойството да образуват водородни връзки с обграждащите ги други водни молекули. Водородните атоми, притежаващи частичен положителен заряд, взаимодействат с кислородните атоми на съседни молекули, които от своя страна имат неподелени електронни двойки и са носители на частични отрицателни заряди.
Получените водородни връзки ограничават свободното хаотично движение на водните молекули, преминаването им от течно в газообразно състояние и др. Водните молекули, в резултат на междумолекулните си взаимодействия, образуват асоциати. С наличието на формирани асоциати се дава обяснение за високата температура на топене и температура на кипене на водата.
Водни молекули свързани посредством водородни връзки
Водата достига максимална плътност при 3,98 градуса по Целзий, а не както би се очаквало при 0 градуса по Целзий – в твърдо арегатно състояние. Когато тя замръзне се образува лед, който заради по-малка си плътност изплува на повърхността на водните басейни. При формирането на кристалната структура на леда, водните молекули се отдалечават една от друга и това е причината за намаляване на плътността и увеличаване на обема му.
Вода и нейните физикохимични свойства
Когато вещество с йоннокристална структура или полярни молекули влезе в досег с водните молекули, спонтанно протича физикохимичния процес разтваряне, в който водата е разтворител. При разтварянето се разрушава кристалната решетка на разтварящото се вещество под действието на електричните сили на привличане от страна на биполярните водни молекули. След това частиците на разтворителя обграждат тези на разтвореното вещество и образуват нетрайни временни съединения наречени солвати. Солватите на водата носят названието хидрати.
В някои случай хидратите се оказват трайни съединения и остатват дори след повторно кристализиране, при което се получават кристалохидрати. Кристалохидратите се записват с формулата на съответното вещество, като до нея се добавя броя на водните молекули (пример – CuSO4.5H2O меден сулфат кристалохидрат с 5 молекули вода)
Процесът на формиране на солвати се нарича солватация. Веществата, които се разтварят във вода и провеждат електричен ток спадат към групата на електролитите. Разтварянето (съответно солватирането) на електролити във вода е частен случай (най-широко разпространения) на процеса електролитна дисоциация.
Сама по себе си водата също може да се разглежда като електролит и при това много слаб. В обикновени условия молекула вода се дисоциира обратимо на водороден катион (H+) и хидроксилен анион (OH–) или още на хидроксониев катион (H3O+) и хидроксилен анион (OH–), като във втория случай участва и втора водна молекула.
В чистата вода моларната концентрация на водородните катиони е равна на моларната концентрация на хидроксилните аниони. Отрицателният десетичен логаритъм от моларната концентрация на водородните катиони се нарича водороден показател и се записва така: pH (чете се „пе ха“). pH на чистата вода е 7, което означава неутрално (нито кисело, нито основно).
Вода и нейните химични свойства
Освен продукт на химични реакции и разтворител, водата може да бъде и реагент. При процеса хидролиза йоните на водата взаимодействат с йоните на солта ако последната е получена при взаимодействие на:
1. слаба киселина и силна основа
{2Na+ + CO2-3} + {H+ + OH–} → 2{Na+ + OH–} + H2CO3
2. слаба основа и силна киселина
{Cu2+ + SO2-4} + 2{H+ + OH–} → {2H+ + SO2-4} + Cu(OH)2
3. различно слаби киселина и основа
{2NH+4 + CO2-3} + 2{H+ + OH–} → {2NH+4 + 2OH–} + H2CO3
ЗАБЕЛЕЖКА: големите скоби { } отбелязват, че веществото е в разтворено състояние.
Водата е важен реагент и в органичните и в неорганичните реакции с елементи и съединения. Ето няколко прости примера:
1. елементи:
Mg + 2 H2O → Mg(OH)2 + H2
2. съединения:
CaO + H2O → Ca(OH)2
3. органични реакции:
C2H5Br + H2O → C2H5OH + HBr
4.окисляване на вода с атомен кислород:
О + H2O → H2O2
Получаване на вода
Чистата вода е необходима среда за живот за всеки жив организъм
Чиста вода може да се получи чрез физическите процеси на филтриране и дестилация. В критична за човек ситуация, водата е възможно да се пречисти от органичните замърсители и едрите частици през филтър от чист въглерод. За целта се използват въглени стрити на прах, разположени между два дебели памучни парцала в пластмасова бутилка без дъно, обърната като фуния.
Допълнително в импровизирана дестилационна апаратура (метална тенджера, топлоустойчив маркуч или тръба, мокри парцали около тръбата за охлаждане и кондензация и още контейнер за чистата вода) могат да се отстранят разтворените във водата соли.
В големите бойни кораби днес, чиста вода се получава и по друг физичен метод – обратна осмоза, който обаче е доста енергоемък.
По химически път, вода може да се получи в резултат на множество реакции, след което отново трябва да се филтрира и дестилира. Популярен пример е отделянето ѝ като продукт от химическата реакция на неутрализация:
NaOH + HCl → NaCl + HOH
Погледнато от биологична гледна точка, някои живи твари си набавят вода освен чрез пиене, но и посредством консумиране на храни богати на нея. Ако се разгледа физиологията при животните, най-добър резервен телесен водоизточник се явява най-бедната на вода тъкан – мастната. Това е така, защото при разграждането на мазнините се отделят голямо количество водни молекули.
Храната е горивото на всички организми, но един вид може да се замести или частично компенсира от друг вид храна. Водата е абсолютно незаменима като среда на живот – независимо дали е външна или вътрешна.