Водный обмен растений - Жолкепич В.Н.
ISBN 5-02-003977-2
Скачать (прямая ссылка):
1
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРА ВОДЫ
Уникальные физико-химические свойства воды, благодаря которым она играет столь исключительную роль в биологических системах, определяются строением ее молекулы и обусловленной этим строением особой структурой.
ВОДА —АНОМАЛЬНАЯ ЖИДКОСТЬ
Состоящая всего из трех атомов молекула воды — Н20 — представляет собой диполь, поскольку центры отрицательных и положительных электрических зарядов в ней не совпадают. Подобная асимметрия объясняется следующими обстоятельствами. В молекуле воды имеется десять электронов: одна пара
располагается на внутренней круговой орбите вблизи ядра кислорода, остальные 8 внешних электронов разделены попарно и движутся по четырем эллиптическим орбитам. Из них две пары обобщены между каждым из протонов водорода и ядром кислорода; они движутся по более вытянутым орбитам. Две другие пары остаются неподеленными; они движутся по менее вытянутым орбитам, направленным в противоположную сторону. Таким образом, в молекуле воды имеются четыре полюса заряда: два отрицательных, обусловленных избытком электронной плотности в местах расположения неподеленных пар электронов, и два положительных, создаваемых ее недостатком в местах нахождения протонов водорода (рис. 1). Электрическая поляризация молекулы усиливается тем, что И и О расположены не в одну линию Н = 0 = Н, а под углом 105°. При этом расстояние 0 = Н равно 0,099 нм, Н = Н — 0,152 нм, радиус молекулы— 0,138 им, энергия связи 0=Н—110 ккал-моль~1.
Подобное строение молекул воды делает неизбежным их активное электростатическое взаимодействие, во-первых, между собой, а во-вторых, с другими полярными молекулами и ионами и обусловливает возможность образования межмолекуляр-ных водородных связей. Последние, как известно, чаще всего образуются теми молекулами, где атомы Н связаны с О, N или галогенами. Высокая электроотрицательность этих элементов и малый объем атома Н, образующего положительный конец ди-
РИС. 1. Строение молекулы воды
а — пространственная схема расположения атомов н полюсов зарядов; б — структура электронного облака молекулы
поля, приводит к исключительно высокой полярности такой связи. При этом водород в форме Н+ сильно притягивается заряженной группой другой полярной молекулы [14]. Наличие четырех полюсов позволяет молекуле воды образовывать до четырех водородных связей. Такие связи могут возникать, в частности, с электроотрицательными атомами (О, N), в составе биополимеров, что оказывает существенное влияние на конформацию и функцию последних.
'Энергия водородной связи занимает промежуточное положение, между энергией ковалентных связей и ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Вследствие взаимодействия молекул воды между собой за счет Н-связей возникают ассоциации, и поэтому формула воды может быть не Н2О, a (H20).Y:
хИ20^(Н20)*.
Влияние водородных связей видно на примере сопоставления'свойств двух изомерных жидкостей — этилового спирта и диметилового эфира [15]:
Диметиловын эфир
(СНзЬО Нет 24 4,45
.Наличие Н-связей ведет к повышению температуры кипения и теплоты испарения за счет дополнительной энергии, требующейся для разрыва (или искажения) этих связей.
Результатом взаимодействия молекул воды между собой и образования Н-связей являются такие аномалии воды в сравнении с другими жидкостями и главным образом в сравнении с гидридами других элементов VI группы таблицы Менделеева (табл. 1), как непомерно высокая для небольшой молекулярной массы воды температура кипения (100° вместо —60...—70°) и непомерно высокая температура плавления (0° вместо —90... —100°), наибольшая в сравнении со всеми, други-ми жидкостя-
Наличие Температура
Н-связей кипения, °С
Теплота испарения, ккал-моль —1
Этиловый спирт
• qaH5OH
Есть
78
10,19
ми, а также и твердыми телами удельная теплоемкость, сжимание при охлаждении лишь до 4°, а при дальнейшем охлаждении вплоть до замерзания при 0° — расширение; наибольшую плотность и наименьший объем вода, стало быть, имеет при 4° (рис. 2).
Особенность воды, в силу которой наибольшей плотностью она обладает при 4° и по мере дальнейшего охлаждения уже не сжимается, а расширяется, имеет решающее значение для жизни в реках, прудах и озерах, так как в противном случае вся вода в них остыла бы до 0° и превратилась бы в сплошной лед; водоемы стали бы безжизненными. Но в силу упомянутой аномалии воды при охлаждении водоема ее плотность на поверхности повышается (так как первыми охлаждаются поверхностные слои). Охлажденные слои, как более тяжелые, опускаются вниз до тех пор, пока температура воды на всей глубине не достигнет предела плотности, т. е. 4°. При дальнейшем охлаждении вода становится легче и уже не опускается на дно. Она всплывает на поверхность, не перемешиваясь с глубинной водой и защищая ее от остывания до более низкой температуры. При 0° водоем начинает покрываться легкой и надежной шубой из льда.
