Значення води в природі

ЗМІСТ

ВСТУП

Вода – одна з найпоширеніших речовин у природі (гідросфера займає 71 % Землі). Воді належить найважливіша роль у геології та історії планети. Без води неможливо існування живих організмів. Практично всі біохімічні реакції у кожній живій клітині – це реакції у водних розчинах.

Вода належить до найбільш поширених речовин у природі. Водою вкрито близько 4/5 поверхні земної кулі (океани, моря, озера, річки). Значні її кількості у вигляді льоду і снігу вкривають високі гори і величезні простори Арктики і Антарктики[1].  Багато води в атмосфері у  повітрі — пара, туман і хмари. Значні кількості води містяться і в земній корі у вигляді підземних вод. У природі вода перебуває не тільки у вільному стані, а і в хімічно зв'язаному.

Вода входить до складу багатьох гірських порід і всіх рослинних і тваринних організмів. На воду припадає близько 60% маси тварин і до 80% маси риб. У деяких рослинах вміст води іноді перевищує 90% їх маси.

Більшість запасів води на Землі знаходяться в морях і океанах, прісна вода становить менше 3%.

У природі вода відіграє надзвичайно важливу роль. Випаровуючись, вода переноситься на величезні відстані і там випадає у вигляді дощу і снігу. Вологість повітря і кількість атмосферних опадів є найважливішими факторами, що регулюють клімат і погоду.

Вода є також одним з найважливіших геологічних факторів, що змінює зовнішній вид земної поверхні, розмиваючи гори і утворюючи долини. Вона руйнує гірські породи не тільки механічно, а й хімічно, реагуючи з ними з утворенням інших речовин.

Вода має величезне значення в житті людини, тварин і рослин. Вона потрібна рослинам для розчинення поживних речовин ґрунту. Нестача води у ґрунті призводить до погіршення живлення рослин і зниження врожаю сільськогосподарських культур. Тому для забезпечення у ґрунті води здійснюють цілий комплекс агрохімічних заходів.

Усі процеси травлення і засвоєння їжі людиною і тваринами відбуваються у водному середовищі. Надмірна втрата води організмом (до 10 — 20%) може призвести до загибелі. Щоденна потреба дорослої людини у воді становить 2,5—4 дм³.

РОЗДІЛ І

ВЛАСТИВОСТІ ВОДИ

         Вода – речовина звична і незвична одночасно. Відомий академік І. У. Петрянов[5]  свою науково-популярну книжку про воду назвав "найнезвичайніша речовина у світі". А "Цікава фізіологія", написана доктором біології Б. Ф. Сергєєвим[6], починається з розділу про воду – "Речовина, яка створила нашу планету".

Вчені не помилилися: немає на Землі речовини важливішої, ніж звичайна вода, й у водночас немає іншої речовини, у властивостях якої було б стільки ж протиріч та аномалій, як у її властивостях.

Майже вся поверхня нашої планети зайнята океанами і морями. Твердою водою – снігом і льодом – покрито 20% суші. Геофізики стверджують, що земля давно охолонула і перетворилася на неживий шматок каменю, але вода... у неї дуже велика теплоемкость. Нагріваючись, вона поглинає тепло; охолоджуючись, віддає його. Земна вода і поглинає, і повертає дуже багато тепла і тим самим "вирівнює" клімат. А від космічного холоду охороняють Землю ті молекули води, які розсіяні у атмосфері – в хмарах і у вигляді паріВ. Без води не обійтися – це є найважливіша речовина Землі.

1.    Будова молекули води

Поведінка води "нелогічна". Виходить, що переходи води з твердого стану в рідкий і газоподібний відбувається за температури, набагато  вищих, ніж у льоду. Цим аномаліям знайдено пояснення. Молекула води H₂ О побудована у вигляді трикутника: кут між двома зв'язками оксиген – гідроген =104 градуси. Але, оскільки обидва атоми Гідрогену розташовані з одного боку від Оксигену, електричні заряди у ній розосереджуються. Молекула води полярна, що є причиною особливого взаємодії між різними її молекулами. Атоми Гідрогену в молекулі H₂О, маючи частковий позитивний заряд, взаємодіють із електронами атомів Оксигену сусідніх молекул. Такий хімічний зв'язок називається водневим. Він об'єднує молекули H₂О в своєрідні полімери просторової будови; у площині яких розташовані водневі зв'язки, перпендикулярні площині атомів тієї ж молекули H₂О. Взаємодією між молекулами води  пояснюються насамперед незакономірно високі температури її плавлення і кипіння. Потрібно підвести додаткову енергію, щоб розхитати, та  зруйнувати водневі зв'язки. І енергія ця значна. Саме тому, до речі, такою є теплоємкість води.

У молекулі води є два полярні ковалентні зв'язки Н-О.

Вони утворені за рахунок перекривання двох одноелектронних р – хмар атома Оксигену і одноєлектронних р-S – хмар двох атомів Гідрогену.

У молекулі води атом Оксигену має чотири електронних пари. Дві їх беруть участь у створенні ковалентних зв'язків, тобто є звязуючими. Дві інші електронні пари не є звязуючими.

У молекулі є чотири види зарядів: два – позитивні і два – негативні. Позитивні заряди зосереджені у атомів Гідрогену, оскільки Оксиген електронегативніший за Гідроген.

Таке уявлення про будову молекули дозволяє пояснити багато властивостей води, зокрема структуру льоду. У кристалічній ґратці льоду кожна гілка молекул оточена чотирма іншими.   

Позитивно заряджений атом Гідрогену однієї молекули води притягається до негативно зарядженого атома Оксигену іншої молекули води. Такий зв'язок отримав назву водневого (його позначають крапками … ). По міцності водневий зв'язок приблизно у 15 – 20 разів слабкіший від ковалентного зв'язку. Тому водневий зв'язок легко розривається, що простежується при випаровуванні води.

Структура рідкої води нагадує структуру льоду. У рідкої воді молекули також пов'язані одна з одною у вигляді водневих зв'язків, проте структура води менш "жорстка", ніж в льоду. У результаті теплового руху молекул у питній воді одні водневі зв'язки розриваються, інші утворюються[2].

Вода, H₂O, рідина без запаху, смаку, кольору (в товстих шарах блакитнувата); щільність 1 г/см³(при 3,98 градусах), t_пл=0 градусів, t кипіння =100 градусів.  

Вода – це єдина речовина у природі, що у земних умовах існує в усіх трьох агрегатних станах: 

рідкому – вода;

твердому – лід;

газоподібному – пара.

Радянський учений Вернадський писав: "Вода стоїть першою у історії нашої планети. Нема жодного природного тіла, яке могло б зрівнятися із нею щодо впливу на перебіг основних, найграндіозніших геологічних процесів. Немає земної речовини – мінералу, гірської породи, живого тіла, яке б її не включало. Вся земна речовина нею просякнута і охоплена"

При нормальних атмосферних умовах вода зберігає рідкий стан, в той  час як інші водневі сполуки схожого плану є газами. Це явище пояснюється особливими властивостями притягання молекул та атомів води, і присутніми між ними зв'язками. Атоми Оксигену приєднані до атомів Гідрогену, утворюючи кут майже в 105 градусів, і дана конфігурація зберігається завжди.

Вода практично не піддається стисканню. Так, при збільшенні атмосферного тиску на один бар вода стискається лише на 0.00005 частин від її початкового об'єму.

Структура льоду і води дуже схожі. Як в льоду, так і у воді, молекули намагаються розташуватися в деякому певному порядку - вони хочуть утворити структуру, але тепловий рух перешкоджає цьому. Коли вода переходить у твердий стан, теплове обертання молекул уже не перешкоджає структурній будові, після чого молекули упорядковуються, і порожнечі між ними збільшуються, від чого,  падає щільність. Ось чим пояснюється той момент, що вода - це речовина дуже аномальна.

Твердий агрегатний стан води - лід, може спокійно плавати на поверхні рідкого агрегатного стану води. Коли ж відбувається випаровування, навпаки, всі зв'язки відразу ж розриваються. На розрив даних зв'язків потрібно немаленька кількість енергії, що пояснює найбільшу теплоємність води серед усіх речовин. Щоб підігріти літр води на 1 градус, необхідно витратити близько 4 кДж енергії. Завдяки цій властивості вода часто використовується в якості теплоносія.

Вода володіє високим поверхневим натягом, поступаючись у цьому показнику лише ртуті. Велика в'язкість води пояснюється її водневими зв'язками, які заважають молекулам здійснювати рухи з різними швидкостями.

Вода є гарним розчинником. Молекули розчиненої речовини відразу ж оточуються молекулами води. Позитивні частинки розчиненої речовини притягуються атомами Оксигену, а негативні - атомами Гідрогену. Так як розміри молекул води досить малі, то кожну молекулу розчиненої  речовини може оточити відразу велика кількість молекул води.

Вода - це речовина, яка має негативний електричний потенціал поверхні.

У чистому вигляді, вода є гарним ізолятором, але так як в ній часто розчинені ті чи інші речовини, солі або кислоти, то у воді завжди знаходяться негативні і позитивні іони. Завдяки цим властивостям вода може проводити електрику.

Показник заломлення води - n = 1.33. Але вода прекрасно поглинає інфрачервоне випромінювання, і в зв'язку з цим  водяна пара є парниковим газом. Також вода здатна поглинути мікрохвильове випромінювання, на чому і заснована дія СВЧ печей[3].

РОЗДІЛ ІІ ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ H₂O

1.  Хімічні властивості води

З хімічних властивостей води особливо важливими є здатність її молекул дисоціювати (розпадатися) на іони і можливість води розчиняти речовини різною хімічної природи. Роль води, як головного і універсального розчинника визначається передусім полярністю її молекул (зміщенням центрів позитивних і негативних зарядів) і, як наслідок, її надзвичайно високий діелектричним проникненням. Різноіменні електричні заряди, і зокрема йони, притягуються один  до одного у питній воді в 80 разів слабкіше, ніж притягалися в повітрі. Сили взаємного тяжіння між молекулами чи атомами зануреного в воду тіла також слабші, ніж у повітрі. Тепловому руху у разі легше роз'єднати молекули. Тому й відбувається розчинення, зокрема багатьох важко розчинних речовин: крапля камінь точить.

Дисоціація (розпадання) молекул води на йони H₂ О = H⁺+OH^-, чи   H₃O (йон гідроксонію). Його кількість у звичайних умовах вкрай незначна; дисоціює загалом одна молекула з 500000000. При цьому слід пам'ятати, перше з приведених рівнянь суто умовне: неспроможний існувати в водному середовищі позбавлений електронної оболонки протон Н. Він-бо відразу сполучається з молекулою води, створюючи йон гідроксонію Н3О. Вважають навіть, що асоціанти= водних молекул насправді розпадаються істотно більш важкі іони, такі, наприклад, як 8Н₂О= HgO₄+H₇O₄, а реакція H₂О =H⁺+OH^- - дуже спрощена схема реального процесу.

Реакційна  здатність води порівняно невелика. Щоправда, деякі активні метали здатні витискувати з неї водень: 2Na+2H₂O= 2NaOH+H₂ , а в атмосфері вільного фтору вода може горіти: 2F₂+2H₂O= 4HF+O₂. Із подібних  молекулярних ассоціантів сполук  складаються і кристали звичайного льоду. "Упаковка" атомів у такому кристалі не йонна, і лід погано проводить тепло. При 0 градусів 1гр льоду займає обсяг 1,0905 дм³, а 1гр рідкої води – 1,0001 дм³. І лід плаває, тож і не промерзають наскрізь водойми, а лише покриваються крижаним покривом. У цьому полягає ще одна аномалія води: після плавлення вона спершу стискається, на межі 4 градусів, при подальшому процесі починає розширюватися. При високих тисках звичайний лід можна перетворитися на так званий лід – 1, лід – 2, лід – 3, тощо, тобто більш важкі і щільні кристалічні форми цієї речовини. Найбільш твердий, щільний і тугоплавкий поки лід – 7 – отриманий при тиску  3 кПа . Він плавиться при 190 градусах.

2.2 Кругообіг води у природі

Організм людини пронизаний мільйонами кровоносних судин. Великі артерії і вени з'єднуються одне  з одним в основні органи тіла, менші оплітають їх з усіх сторін, найтонші капіляри доходять практично до кожної окремої клітини.

Кров доносить до кожної клітини нашого тіла кисень з легень та поживні речовини з шлунка. Кров збирає відходи життєдіяльності із усіх, навіть найбільш затишних куточків організму, звільняючи його від вуглекислого газу та інших непотрібних, зокрема небезпечних речовин. Кров розносить по всьому тілу особливі речовини – гормони, які регулюють й погоджують роботу різних органів. Інакше кажучи, кров з'єднує різні частини тіла в єдину систему, в злагоджений і працездатний організм.

Також кровоносна система є й в нашої планети. Кров Землі – це вода, а кровоносні судини – річки, річечки, струмки й озера. І це буде не просто порівняння, художня метафора. Вода Землі має таке ж значення, як і кров у людини, як і недавно помітили вчені, структура річкової мережі  справляє враження структури кровоносної системи людини. "Возница природы." – таку назву дав воді великий Леонардо так Вінчі. Саме він, переходячи з грунту в рослини, з рослин у атмосферу, стікає річками з материків в океани і повертаючись назад із повітряними потоками, поєднує одне з одним різні компоненти природи, перетворюючи на єдину географічну систему[5].

Вода не просто переходить  з одного природного компонента на другий. Як  і кров, вона переносить з собою дуже багато хімічних речовин, експортуючи їх із грунту в рослини, з суходолу в озера і океани, з атмосфери на грішну землю. Усі рослини можуть споживати живильні речовини, які є у грунті, тільки з водою, де вони перебувають в розчиненому стані.

Вода постачає поживою  мешканців річок, озер і морів. Струмки, весело стікаючи з полів і лук під час весняного розтавання снігу або ж після літніх дощів, збирають на своєму шляху із  грунту хімічні речовини і доносять їх до жителів водойм і моря, пов'язуючи цим наземні і водні ділянки нашої планети. Найбагатший "стіл" утворюється там, де є живильні речовини, саме там, де річки впадають у озера і моря. Тому такі ділянки узбереж – естуарії – відрізняються різноманіттям підводного життя. Хто  видаляє відходи, які утворюються внаслідок життєдіяльності різних географічних систем? Знову-таки вода, причому у посаді акселератора вона набагато краще кровоносної системи людини, яка лише частково виконує цю функцію.

Особливо важлива  очисна роль води зараз, коли людина отруює навколишнє середовище відходами міст, промислових і сільськогосподарських підприємств. У організмі дорослої людини міститься приблизно 5-6 , більшість якої безперервно циркулює між різними частинами його тіла. А скільки води обслуговує життя нашого світу?

ВИСНОВКИ

Вода - важливий елемент життя. Без неї не було б людей, тварин, рослин. Навіть мікроскопічні бактерії просто не виживуть без цієї дивовижної рідини. Але добре, що води на планеті більш, ніж достатньо. Один тільки Тихий океан - більше всіх, разом узятих материків.

Для чого потрібна вода в природі? Вона відіграє найважливішу роль, оскільки бере участь у багатьох різних механізмах і процесах на Землі. Наведемо кілька фактів, що доводять її важливість:

•                   завдяки кругообігу води формується волога, яка так необхідна для життя та існування тварин і рослин;
•                   моря і океани, річки і озера безпосередньо впливають на клімат довколишніх регіонів;
•                   вода має високу теплоємність, за рахунок чого на планеті забезпечується комфортний температурний режим;
•                   вода бере участь в процесі фотосинтезу (без неї рослини не могли б переробляти вуглекислий газ в кисень, а ми не змогли б дихати чистим повітрям).

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1.Браун Г., Уолкен Дж. Жидкие кристаллы и биологические структуры/ Браун Г., Уолкен Дж. - М.:Изд. Мир, 1982 г. - 198 с.
2.Бойко Н. Чтобы вода осталась "живой" // Строительство и реконструкция. 6 марта 2003 (№ 3). С.29-31

3.Эмото М. Послание воды/ Эмото М. – София: Минц Р.Н., Кононенко Е.В. 2006. 97 с.
4. Справочник "Общая гигиена", М., 2007

5. Петрянов І. У. Самое необыкновенное вещество в мире /Петрянов І. У. – М.:  Педагогика,  1975 г. – 97с.

6. Сергээв Б. Ф. Занимательная физиология / Сергєєв Б. Ф. – М.: Молодая гвардия, 1969г. - 118 с.

ІНТЕРНЕТ РЕСУРСИ

http://bukvar.su/himija/46604-Voda.html

http://allrefs.net/c61/3z1kb/p1/

http://stattitablohy.ezreklama.com/Dovkillia-Iekologhiia/6293-Viznachiti-tvierdist-vodi-duzhie-prosto.html