Vanduo
5 (100%) 1 vote

Vanduo

112131

Turinys

Turinys 2`psl.

Įvadas 3 psl.

Darbo tikslas ir uždaviniai 3 psl.

Stuktūra. Vandenilinis ryšys 4 psl

Vandens agregatinės būsenos 8 psl.

Fizinės ir cheminės vandens savybės 10 psl.

Nuo temperatūros priklausančios savybės 10 psl.

Paviršiaus įtempimas 13 psl.

Adhezija ir kohezija 14 psl.

Vanduo kaip tirpiklis 14 psl.

Vandens ciklas 17 psl.

Vandens funkcijos gyvuosiuose organizmuose 18 psl.

Išvados 19 psl.

Literatūros sąrašas 20 psl.

Įvadas

Pirmosios ląstelės atsirado vandenyje, galbūt todėl ir dabartinius organizmus sudaro 70-90% vandens, jie gyvena aplinkoje, kurios savybes, vykstančius procesus taip pat apsprendžia vanduo. Vanduo yra vienintėlė tokia medžiaga, kuri natūralioje aplinkoje egzistuoja trijose būsenose: skystoje, kietoje ir dujinėje. Tai trečia labiausiai paplitusi medžiaga visatoje (po vandenilio ir anglies dioksido), gausiausia medžiaga žemėje ir vienintelis natūraliai atsirandantis neorganinis skystis.

Iš pirmo žvilgsnio atrodo, kad tai paprasta molekulė, susidedanti iš dviejų vandenilio atomų, prijungtų prie deguonies, tačiau ir tokia nedidelė molekulė dėl ypatingų jos savybių idealiai atitinka gyvybės poreikius. Grynas vanduo neturi jokio kvapo,

spalvos, tačiau visos gyvybės formos nuo jo priklausomos. Kuo vanduo toks ypatingas, kuo svarbus, kad be jo neegzistuotų gyvybė?

Atsakymą į klausimą, tikiuosi, rasite šiame darbe, kadangi stengiausi ne tik išvardinti būdingiausias vandens savybes, bet ir paaiškinti jas nulemiančius veiksnius, įtaką biologiniams procesams.

Darbo tikslas ir uždaviniai

Darbo tikslas- apžvelgti vandens struktūrą, fizines ir chemines savybes, jų įtaką biologiniams procesams

Darbo uždaviniai:

1. Susipažinti su vandens sandara, stuktūros modeliais, jų įtaka vandens savybėms;

2. Apibūdinti svarbiausias vandens fizines ir chemines savybes, jas įtakojančius veiksnius;

3. Paaiškinti vandens, kartu ir jo savybių reikšmę biologinėms sistemoms.

Struktūra. Vandenilinis ryšys

1 pav. Vandens molekulė [6]

Didelė vandens įtaka organizmui priklauso nuo jo molekulės struktūros, fizikinių ir cheminių savybių. Cheminė formulė H2O rodo, kad vandens molekulė susideda iš tarpusavy sujungtų dviejų vandenilio ir ir vieno deguonies atomų. Vandenilius ir deguonį tarpusavyje riša stiprūs kovalentiniai ryšiai [6]. Vandens formavimasis iš jį sudarančių elementų, išskiria daug energijos, 572 kJ. Tai egzoterminė reakcija:

2H2 + O2 = 2H2O + ENERGIJA

Vandens molekulė turi dvi poras laisvų elektronų- jie nedalyvauja sudarant kovalentines jungtis. Abi poros, susidedančios iš dviejų neigiamų elektronų, paveikslėlyje pažymėtų taškais, yra labai elektroneigiamos, tačiau visa molekulė yra elektriškai neutrali [6].

2 pav. Vandens molekulė [6]

Vandens molekulė yra poliarinė- jos valentinis kampas H-O-H lygus 105°, todėl molekulė sudaro dipolį: O2 atomas pritraukia 2H elektronus, įgaudamas 2 neigiamus krūvius. Dėl deguonies “elektroneigiamumo” vandeniliai įgauna dalinį teigiamą krūvį. Dėl tokio krūvių skirtumo, elektronai kovalentinėse jungtyse tarp vandenilio ir deguonies yra iš dalies patraukti į deguonies pusę. Dėl to vandeniliai įgauna dalinį teigimą krūvį.

3 pav. Vandens molekulės elektronų orbitalės [9]

Vandens molekulėje elektriniai krūviai yra nevienodai pasiskirstę. Vandenilio dalis yra teigiama, o deguonies neigiama. Taip atsitinka dėl didesnio deguonies elektroneigiamumo –3,5, kai vandenilio 2,1. Šio skirtumo nepakanka suformuoti deguonies ir vandenilio jonams, tačiau dėl to vanduo tampa poline molekule , todėl ji lengvai tirpina kitus polinius junginius [3]. Šį poliarizacijos efektą galima pavaizduoti taip:

4 pav. Poliarizacijos efektas vandens molekulėje [6]

Kadangi ta pati molekulė turi ir teigiamą, ir neigiamą polius, vandens molekulės gali sąveikauti tarpusavyje suformuodamos aukštos organizacijos tarpmolekulinį tinklą. Ši sąveika- vandenilinis ryšys. Vandenilinis ryšys yra iš dalies (apie 90%) elektrostatinis ir iš dalies (10%) kovalentinis [2].

Kadangi kiekviena vandens molekulė gali suformuoti keturis vandenilinius ryšius, susidaro sudėtingos struktūros. Bet jei vandenilinis ryšys yra silpnas, kaip jis gali būti toks svarbus? Jų yra labai daug, taigi jėga skaičiuje [6]. Iš tiesų, vandenilinio ryšio silpnumas yra jo naudingumo biologinėse reakcijose raktas [9]. Vandeniliniai ryšiai yra kur kas silpnesni nei kovalentiniai ryšiai vandens molekulės viduje, bet pirmųjų pakanka, kad vandens molekulės laikytųsi sukibusios. Jei vandenilinių ryšių nebūtų, vanduo virtų esant –80°C, o užšaltų esant –100 °C temperatūrai, tad tokia gyvybė, kokia ji yra dabar, būtų neįmanoma. Būtent dėl vandenilinių ryšių vanduo yra skystas,esant gyvybei tinkamomis temperatūromis. 5 pav. Vandeniliniai ir kovalentiniai ryšiai vandens molekulėse [6]

Svarbiausia vandens savybė- jo molekulės jungiasi į struktūrinius agregatus, susidarančius paprastai iš 5 H2O molekulių. Teoriškai visa vandens molekulė gali sudaryti vientisą tinklą, lyg gigantišką makromolekulę, kurios vandenilinės jungtys, judant vandens molekulėms, greit suyra, tačiau taip pat greitai susidaro naujos, todėl tarp atskirų vandens molekulių išlaikoma pusiausvyra
[3].

Vandens molekulei jungiantis su keturiomis kaimyninėmis molekulėmis susidaro erdvinė struktūra tetraedras. Ji būdingiausia ledo 1 struktūrai. Tai paprastas ledas, kurį dažnai matome gamtoje. Be šio ledo yra dar daugiau ledo rūšių, kurias galima gauti keičiant temperatūrą ir didinant slėgį [5]. Skystame vandenyje molekulių išsidėstymas nėra toks simetriškas kaip pavaizduota čia [2]. Susijungdami tetraedrai sudaro ledo heksagonalinę kristalinę gardelę. Kristalinė heksagonalinė ledo struktūra nėra unikalus gamtos reiškinys. Panaši sandara būdinga SiO2 kristalams. Didėjant temperatūrai tetraedrinė vandens struktūra iš dalies išlieka. Pagrindinis ledo ir vandens struktūrų skirtumas- lede visos molekulės yra kristalinėje gardelėje, o vandenyje susidaro tik nedidelės kristalizuotos sritys, kurių vidutinis gyvavimo laikas 10-10 10-11s. Šios kristalizuotos sritys kartais vadinamos klasteriais. Klasteris sujungia 10 –1000 vandens moplekulių, o jo diametras- 10-15Å. Klasterių erdvinė struktūra puri, jo ertmes pripildo molekulės. Erdvę tarp kristalizuotų spiečių taip pat pripildo chaotiškai judančios vandens molekulės [8].

6 pav. Tetraedrinė vandens struktūra [2] 7 pav. Heksagonalinė ledo kristalinė gardelė [6]

Maži keturių vandens molekulių klasteriai gali jungtis į biciklo oktamerus, o jie grupuotis toliau suformuodami simetrišką 280 molekulių aikozaedrinį vandens klasterį. Tokiais vandens struktūros modeliais paaiškinamos daugelis ypatingųjų (anomaliųjų) vandens savybių [2].

8 pav. Aikozahedrinis vandens molekulių klasteris [2]

Vandens būsenos

Žemiau nulio vanduo yra kietas (ledas, snaigės), tarp nulio ir virimo vanduo skystas, o virš virimo temperatūros susidaro dujos. Ledo virtimas skysčiu vadinamas tirpimu, skysčio virsmas dujomis- garavimas. Dujų virtimas skysčiu- kondensacija. Šerkšnas formuojasi kai dujos iškart pereina į kietą būseną. Kietos būsenos virtimas dujomis- sublimacija [10].



Dujos Skystis Kietas kūnas

9 pav. Vandens agregatinės būsenos [10]

Dėl polinės struktūros vandens molekulės traukia vienos kitas, suformuodamos silpnus vandenilinius ryšius. Molekulių sąveikos laipsnis apsprendžia fizinę vandens būseną. Vandeniui būdingos trys agregatinės būsenos. Dujinėje būsenoje šiluminė energija viršija sveikos jėgas ir molekulių judėjimas tampa greitas. Atstumai tarp molekulių yra per dideli, kad išsilaikytų vandeniliniai ryšiai. Skystoje būsenoje, esant mažesnei šiluminei energijai, molekulių judėjiams sulėtėja. Asociacija vis dar silpna, tačiau susidaro klasterizuotos sritys. Dėl šios savybės vanduo vadinamas “skystu kristalu”. Kai šiluminė energija visai sumažėja, vanduo pasiekia užšalimo temperatūrą, molekulių struktūrą palaiko vandenilinė sąveika. Susiformuoja kristalai, turintys geometrinę struktūrą. Vienintelis molekulių judėjimo būdas šioje fazėje- vibraciniai judesiai [9].

Žemėje vanduo randamas visose trijose formose. Taip yra dėl planetos specifinio slėgio bei temperatūros pasiskirstymo. Sakoma, kad žemė yra trigubajame vandens taške [10]. Vandens fazių diagrama parodo, kokioje būsenoje (dujinėje, kietoje ar skystoje) yra vanduo duotoje temperatūroje ir slėgyje. Esant žemam slėgiui, nepriklausomai nuo temperatūros, vanduo egzistuoja dujinėje būklėje. Prie vidutinių slėgio reikšmių, žemoje temperatūroje vanduo virsta ledu, o aukštesnėje- skystas. Trys kreivės šakos diagramoje rodo, kaip keičiasi vandens agregatinė būsena, besikeičiant slėgiui ir temperatūroje. Kreivių susikirtimo taškas- trigubasis taškas- vienintelis, kuriame visos trys fazės gali stabiliai egzistuoti kartu. Pasiekus kritinį tašką, virš kritinės temperatūros, dujos negali kondensuotis į skystą būseną, kad ir koks būtų slėgis. Taip pasiekiama “superkritinė” fazė [2].

10 pav. Vandens fazių diagrama [2]

Fizinės ir cheminės vandens savybės

Nuo temperatūros priklausančios savybės

Vanduo verda prie 100°C ir šąla prie 0° C. Tuo pagrįsta Celsijaus temperatūros skalė. Tačiau ne visada vandens virimo temperatūra yra 100°C, ji priklauso nuo aplinkos slėgio:11 pav. Vandens virimo temperatūra keičiantis slėgiui [6]

Kadangi vanduo verda ir virsta garais tik esant 100°C temperatūrai, tai jis lieka skystas bet kokioje gyvoms būtybėms tinkamoje temperatūroje. Kad skystas vanduo virstų garais, turi būti nutraukti vandeniliniai ryšiai, o tam reikia labai daug šiluminės energijos. Ši vandens savybė padeda taip sušvelninti aplinkos temperatūrų poveikį, kad gyvybė Žemėje gali egzistuoti. Dėl šios vandens savybės gyvūnai didelių karščių metu gali atsikratyti šilumos pertekliaus. Gyvūnams prakaituojant perteklinė kūno šiluma naudojama prakaitui garinti- ir kūnas vėsta [5]. Temperatūra yra greito molekulių judėjimo terpėje produktas, kinetinės energijos matas. Vandenyje šiam judėjimui turkdo vandenilinės jungtys ir daug energijos sunaudojama joms nutraukti [9].

Palyginkime vandens ir kitų panašių į jį cheminių medžiagų virimo temperatūras:

1 lent. Virimo temperatūros [6]

Vanduo verda ypač aukštoje temperatūroje, kaip tokio dydžio molekulė. Tai nulemia vandenilinių ryšių tinklas. Jei vanduo būtų “normalus” kambario temperatūroje tai būtų dujos [6].
svarbus tuo, kad neleidžia molekulėms lengvai išsilaisvinti iš vandens paviršiaus. Tai sumažina garų slėgį. Vanduo nepradeda virti, kol garų slėgis nesusilygina su išoriniu slėgiu. Vandens atveju tai įvyksta aukštesnėje temperatūroje [2].

Palyginus su kitomis molekulėmis, vandeniui būdinga didelė specifinė šiluma: 2 lent. Specifinės šilumos [6]

Skysto vandens temperatūra kyla ir krinta lėčiau nei daugelio kitų skysčių. Viena kalorija yra šilumos kiekis, kurio reikia, kad 1 g vandens temperatūra pakiltų 1°C. Jei lygintume su kitais skysčiais, kurių molekulės turi kovalentinius ryšius, jų temperatūrai tiek pat pakelti prireiktų perpus mažiau energijos. Daugybės vandenilinių ryšių, kuriais susijungia vandens molekulės, padeda vandeniui sugerti šilumą tik nedaug tepakylant jo temperatūrai.

Šaldamas vanduo turimą šilumą atiduoda. Kad vienas gramas labiausiai atšalusio vandens virstų ledu, jis turi netekti 80 kalorijų šiluminės energijos. Nepaisant to, vanduo gerai laiko šilumą ir jo temperatūra krinta lėčiau negu kitų skysčių. Ši vandens savybė yra svarbi ne tik vandenyje gyvenantiems, bet ir visiems kitiems organizmams. Vanduo juos apsaugo nuo staigių aplinkos temperatūros pokyčių ir padeda išlaikyti jiems būdingą vidinę kūno temperatūrą.

Kitaip negu daugelio medžiagų, užšalusio (kieto) vandens tankis mažesnis nei skysto. Vandeniui vėstant, jo molekulės vis labiau artėja viena prie kitos. Jų tankis didžiausias, kai temperatūra siekia 4°C, tačiau ir tada vis dar juda. Kai temperatūra krenta žemiau 4°C, lieka tik vibraciniai molekulių judesiai, o vandeniliniai ryšiai tvirtėja, nors molekulės ir darosi atviresnės. Vadinasi, vanduo šaldamas plečiasi. Štai kodėl buteliai su gėrimais šaldymo kamerose sproginėja, o šiaurės keliai pasidaro duobėti. Kartu tai reiškia, kad ledo tankis mažesnis nei skysto vandens- todėl ledas vandenyje plūduriuoja, neskęsta. Jeigu jis skęstų, ledo gabalai kauptųsi vandens telkinio dugne ir toks telkinys, net jei tai būtų visas vandenynas, žiemą užšaltų iki dugno, o gyvi organizmai neišgyventų. Gamtoje tai vyksta atvirkščiai: ledas susidaro vandens paviršiuje ir storėja gilyn. Paviršiuje susidaręs ledas tampa šilumą izoliuojančiu sluoksniu, kuris saugo po savimi vandenį nuo užšalimo. Taip apsaugoma daugybė vandenyje gyvenančių organizmų, kad neiššaltų žiemą. Pavasarį pradėjęs tirpti, ledas ima šilumą iš aplinkos ir gerai saugo vandens telkinį nuo staigių temperatūros svyravimų, kurie jo gyventojams būtų pražūtingi [5].

Šiuo metu Jūs matote 54% šio straipsnio.
Matomi 1966 žodžiai iš 3672 žodžių.
Siųskite sms numeriu 1337 su tekstu INFO MEDIA (kaina 0,87 €) ir įveskite gautą kodą į laukelį žemiau:
Kodas suteikia galimybę atrakinti iki 100 straispnių svetainėje ir galioja 24 val.