Shematski prikaz molekule vode
Polarnost je neravnomjerna razdioba električnog naboja unutar molekule. Uzrokovana je odjeljivanjem električnog naboja uslijed neravnomjerne raspodjele elektrona u molekuli. Atom kisika na čelu molekule je elektronegativan (teži privlačenju elektrona), pa jedan kraj molekule ima parcijalno negativan električni naboj, a drugi kraj molekule, oko vodikovih atoma, parcijalno pozitivan naboj. To uzrokuje asimetričnost molekule vode - dva atoma vodika su pod kutom od 104.5° vezana za atomom kisika. Polarnost uvelike određuje ostala svojstva vode.
Kohezija je svojstvo molekule vode da uspostavlja vodikove veze s bliskim molekulama. Vodikova veza nastaje međusobnim privlačenjem i spontanim usmjeravanjem molekula tako da se elektronegativni atom kisika jedne pridružuje eletropozitivnim atomima vodika drugih molekula vode. Vodikove veze među susjednim molekulama neprestano pucaju i ponovno se oblikuju (tipična veza ima životni vijek od nekoliko mikrosekunda), a svaka molekula vode je u tekućem stanju povezana s oko 3½ susjednih molekula što rezultira stvaranjem velike trodimenzionalne mreže koja je u čvrstom stanju leda jako pravilna. Kohezivnost uvjetuje: veliku površinsku napetost vode, kapilarnost, visoku točku vrelišta, specifičnu toplinu i toplinu isparavanja.
Specifična toplina je količina topline koju jedinica količine tvari treba primiti da bi mu se temperatura podigla za jedinicu temperature (za tekuću vodu iznosi tipično 4,1813 kJ/(kg·K)). Njen je visoki iznos kod vode prouzrokovan širenjem vodikovih veza. Energija, koja kod drugih tekućina povećava gibanje među molekulama otapala (podiže temperaturu), se kod vode koristi za razbijanje vodikovih veza među susjednim molekulama. Vodene otopine su tako, zahvaljujući vodikovim vezama, izuzete od velikih promjena u temperaturi.
Toplina isparavanja je količina energije (topline) potrebna da se određena količina tvari iz tekućine pretvori u paru. Ova vrijednost je visoka kod vode jer se tijekom procesa moraju razbiti vodikove veze. Ovo svojstvo vodu čini izvrsnim rashlađivačem. Voda je dragocjena.
Prisutnost vode može se dokazati i kobaltovim(II) kloridom. Bezvodni spoj plave je boje, a u prisutnosti vode postane ružičast. Ponekad se koristi kao dodatak sredstvu za sušenje silikagelu.
Hidrofilne otopljene tvari su one koje voda privlači, pa se uslijed hidratacije brže otapaju u vodi (male organske molekule u stanicama: šećeri, organske kiseline i neke aminokiseline). To su specifične neutralne molekule, koje elektrostatički međudjeluju s molekulama vode.
Hidrofobne otopljene tvari nisu topljive u vodi (lipidi i većina proteina). To su nepolarne molekule koje razbijaju strukturu vode i teže izuzimanju zbog onemogućavanja uspostavljanja vodikovih veza u vodi.
Osobine i rasprostranjenost[uredi VE | uredi]
Voda je najrasprostranjenija kapljevina (tekućina) na Zemlji (obujma ~1500 x 109 km3) i najvažnije (polarno) otapalo koje otapa kapljevine, plinove i mnogobrojne krutine. Voda zbog polarnosti posjeduje izvrstan kapacitet da otapa različite vrste tvari. Molekula vode (H2O) sastoji se od dvaju atoma vodika i atoma kisika.
Voda je bitan sastojak živih organizama (maseni udio vode do 90%) i nužna je za život svih živih organizama. Znanstvenici tvrde da se živa bića najvećim dijelom sastoje od vode i da ona čini tri četvrtine (više od dvije trećine) ukupne površine Zemlje. Na snimkama Zemlje iz Svemira može se uočiti da je velik dio Zemljine površine pokriven vodom, oko 70%.
Pod utjecajem Sunčeva zračenja površinska voda neprekidno se isparuje u atmosferu (tzv. kruženje vode u prirodi), gdje se kondenzira (stvarajući kišne ili snježne oblake u atmosferi) i u obliku oborina (kiša, snijeg, tuča, rosa, inje i magla) vraća na Zemlju, prenoseći tako velike mase vode na kontinente, i to zovemo globalni hidrološki ciklus, pa u mnogome utječe na klimu.
U troposferi voda čini 80% stakleničkih plinova i prouzročuje zadržavanje topline, te porast globalne temperature.
Najjednostavnija podjela vode jest podjela na slatke (~4% na Zemlji) i slane. Većina je voda na Zemlji slana (mora, oceani). Dobro je poznata i podjela vode na tekućice rijeke i stajaćice (npr. jezera, bare, močvare). Ledenjaci pak zauzimaju posebno mjesto gdje je voda u krutome obliku.
Rasprostranjenost vode (volumni udjel)
morska voda 96,652%
polarni led i ledenjaci 1,702%
podzemna voda 1,631%
površinska voda (jezera i rijeke) 0,013%
voda u tlu 0,001%
voda u atmosferi 0,001%
Pri atmosferskom tlaku i temperaturi između 0°C (273K, kada se ledi) i 100°C (373K, kada vrije) čista (destilirana) voda bezbojna je tekućina (kapljevina) bez mirisa i okusa. Voda pokazuje Amfoternost*amfotermno obilježje.
Najznačajnije svojstvo po kojem se voda ističe jest da je njena gustoća u čvrstom stanju manja od gustoće u tekućem stanju. Gustoća vode najveća je na 3,98°C (tzv. anomalija vode) pa je led manje gustoće od tekuće vode i na njoj pliva, a njegov volumen veći je za 9% od volumena jednake mase tekuće vode.
Jedinstvena fizikalna i kemijska svojstva vode posljedica su kemijske i prostorne građe njezinih molekula. Vodikovi su atomi u molekuli vode vezani kovalentnom vezom s elektronegativnijim kisikovim atomom, što uzrokuje asimetrični raspored elektrona i dipolna svojstva molekule. Zbog značajne razlike u elektronegativnosti vodikova i kisikova atoma, zbog dvaju slobodnih, nepodijeljenih elektronskih parova na kisikovu atomu, te činjenice da dvije kovalentne veze između kisikova i vodikovih atoma zatvaraju kut od 104,5°C, molekula vode razmjerno je jaki dipol. Zbog toga molekule vode i u tekućem i u čvrstom stanju grade nakupine molekula, međusobno povezane vodikovim vezama. U tekućoj su vodi te nakupine nestabilne i nasumične, a u ledu one tvore pravilnu tetraedarsku strukturu (tvorevinu), pri čem tetraedri grade heksagonske kanale (veće pseudokristalne nakupine).
Taljenjem leda, njegova se tetraedarska struktura urušava, pa se broj molekula vode po jedinici volumena smanjuje. Od 0°C do 3,98°C prevlada proces urušavanja tetraedarske strukture i gustoća vode raste (anomalija vode). Iznad 3,98°C prevladava proces udaljavanja molekula, tj. gustoća se vode daljnjim porastom temperature smanjuje, kao što je to u većini ostalih tvari. Prirodne se vode smrzavaju od površine prema unutrašnjosti, a led na površini toplinski je izolator koji usporava daljnje smrzavanje i štiti žive organizme u vodi.
To da je led lakši od vode pa pliva na površini ima iznimno značenje za život organizama zimi (površina je vode zaleđena, a u unutrašnjosti je temperatura dovoljno visoka za određivanje života).
Zbog vodikovih veza između molekula, ledište i vrelište vode znatno su viši od ledišta i vrelišta nekih sličnih vodikovih spojeva koji nemaju vodikove veze, kao što su amonijak (NH3) i sumporovodik (H2S). Bez vodikovih veza vrelište vode pri atmosferskom tlaku bio bi -75°C. Zahvaljujući vodikovim vezama, voda je velikoga specifičnog toplinskog kapaciteta (4185 Jkg-1K-1) i specifična toplina isparivanja (3,33 x 105 Jkg-1) i taljenja leda (2,26 x 106 Jkg-1), a to znači da se prijelazom vodene pare u tekuću vodu, odnosno tekuće vode u led, oslobađa znatna energija, što npr. omogućuje toplokrvnim organizmima održavanje temperature u potrebnim, uskim granicama (termoregulacija). Viskoznost vode se povećava snižavanjem temperature. Kako je masa površinske vode na Zemlji golema, uz male promjene temperature, jezera i mora, mogu iza atmosfere primiti i ponovno u atmosferu otpustiti velike količine topline, što je uzrokom da na površini Zemlje nema naglih i velikih promjena temperature kao na Mjesecu ili Merkuru.
Također, vodena para u atmosferi djelomično apsorbira mikrovalno i infracrveno zračenje tla i tako ublažava kolebanje temperature. Polagano zagrijavanje i hlađenje mora razlogom su blaže klime u primorskim krajevima.
I molekule mnogih drugih spojeva mogu stvarati međumolekulske vodikove veze, no razlika između H2O i ostalih polarnih molekula, kao što se NH3 ili HF, jest u tome da kisikov atom iz vode može stvarati dvije vodikove veze (ima dva slobodna elektronska para usmjerena prema vrhovima tetraedra. Jednostavan i vrlo praktičan VSEPR pristup geometriji molekula; struktura vode jest pod kutom, no stereokemijski je tetraedarske geometrije, iako ne potpuno pravilne poput CH4. Na taj način molekule vode imaju mogućnost da izrade beskonačnu trodimenzionalnu mrežu (strukturu) u kojima je kisikov atom u približno tetraedarskom okruženju s četirima vodikovim atomima; dva su vezana kovalentnom vezom, a dva vodikovom. NH3 i HF stvaraju lance ili prstene, ali ne mogu stvarati trodimenzionalne mreže.
Vrelišta tvari povezanih vodikovom vezom viša su u odnosu na tvari čije molekule nisu povezane vodikovim vezama ili su te veze vrlo slabe.
Osim za piće, pripremu hrane i za pranje, voda se uvelike koristi za navodnjavanje poljodjelskoga tla. Voda kao dobro otapalo opskrbljuje biljke mineralnim tvarima i nužna je za fotosintezu, a u ljuskom organizmu kao glavni sastojak tjelesnih tekućina opskrbljuje sve organe hranjivim sastojcima i uklanja otpadne tvari iz organizma.
Voda je osnovni sastojak svih živih organizama. U nekih organizama čini i 99% njihove mase, u čovjeka oko 70%. Svi biološki procesi odvijaju se isključivo u vodenoj sredini, iako postoje organizmi koji mogu dugotrajno preživjeti stanje potpune dehidratacije. Metabolizam, rast i razmnožavanje takvih organizama počinju tek nakon rehidratacije. Biološke makromolekule (bjelančevine, nukleinske kiseline, polisaharidi) sadrže čvrsto vezanu vodu, koja je nužna za njihovu biološki aktivnu konformaciju. Voda nije samo otapalo u kojem funkcioniraju enzimi nego i izravni metabolit; supstrat je u svim hidrolitičkim, a nusprodukt u mnogim biosintetskim reakcijama. Živi organizam neprekidno uzima i otpušta vodu, što se naziva ciklusom vode. Vodeni organizmi izmjenjuju vodu difuzijom.
Kod kopnenih biljaka ta se izmjena odvija pretežno fizikalnim mehanizmima (kapilarne sile u korijenu; transpiracija). Kopnene životinje i čovjek moraju piti vodu ili ju pribaviti hranom koja sadrži vodu. Vodu gube mokraćom, izmetima, disanjem i znojenjem. Izlučivanje vode metabolički je nužno, jer ono omogućuje organizmu da se oslobodi nekorisnih i štetnih tvari topljivih u vodi. Znojenje je u mnogih organizama dio procesa termoregulacije.
Nema komentara:
Objavi komentar