Физические и химические свойства воды
Вода – основной компонент живого вещества. Ее содержание доходит до 90 % от массы организма. Она составляет неотъемлемую часть внутренней структуры всего живого и является одним из главных факторов, определяющих климат на поверхности земли. Вода активно участвует в биологических превращениях, служит субстратом для фотосинтеза, является одним из продуктов процесса дыхания и создает условия внешней среды, которые обеспечивают возможность жизни. Как климатический фактор она регулирует температуру на поверхности земли, находясь в атмосфере, частично задерживает солнечную радиацию и уменьшает действие экстремальных температур. Вода в теле растений и вода, покрывающая нашу сушу и входящая в состав атмосферы, несмотря на разные ее формы едина, и ритмы ее движения в косной и живой материи согласованы (Галазий, Бейдеман, 1975).
Вода играет важную роль в жизнедеятельности организма, благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам. Молекула воды состоит из двух атомов водорода, присоединенных к одному атому кислорода. Атом кислорода оттягивает электроны от водорода, благодаря этому заряды в молекулах воды распределены неравномерно. Один полюс молекулы оказывается заряженным положительно, а другой – отрицательно. Иначе говоря, вода представляет собой диполь. Молекулы воды могут ассоциировать друг с другом. Положительный заряд атома водорода одной молекулы воды притягивается к отрицательному заряду другой. Это приводит к возникновению водородных связей. Благодаря наличию водородных связей вода имеет определенную упорядоченную структуру. Каждая молекула воды притягивает к себе еще четыре молекулы, которые стремятся расположиться как бы по вершинам тетраэдра. Число ассоциированных молекул может быть неопределенно большим. В жидкой воде упорядоченные участки чередуются с неупорядоченными – хаотически распределенными молекулами. Таким образом, большая часть молекул организована в виде тетраэдров, меньшая часть заполняет полости этих тетраэдров.
В твердом состоянии (лед) все молекулы воды соединены водородными связями. При нагревании лед плавится, и частично эти связи разрываются. При нуле градусов разрывается примерно 15 % водородных связей. Даже при нагревании до 20 градусов остаются не нарушенными 80 % водородных связей.
Высокая скрытая теплота испарения воды обусловливается наличием водородных связей. Для того чтобы в процессе испарения произошел отрыв молекул от водной поверхности, необходимо затратить дополнительное количество энергии для разрыва водородных связей. Поэтому испарение воды растением (транспирация) сопровождается охлаждением транспирирующих органов. Понижение температуры листьев при транспирации имеет важное физиологическое значение.
Вода обладает очень высокой теплоемкостью, поэтому поглощение или потеря значительного количества тепла тканями растений сопровождается сравнительно небольшими колебаниями их температуры. Это позволяет растительному организму воспринимать колебания температуры окружающей среды в смягченном виде. Вода в растении находится как в свободном состоянии, так и в связанном. Свободной называют воду, сохранившую все или почти все свойства чистой воды. Свободная вода легко передвигается, вступает в различные биохимические реакции, испаряется в процессе транспирации и замерзает при низких температурах. Связанная вода имеет измененные физические свойства вследствие взаимодействия с неводными компонентами. Эти взаимодействия представляют собой процессы гидратации, вследствие чего связанную воду нередко называют гидратной водой. Различают два основных процесса гидратации: 1) притяжение диполей воды к заряженным частицам (как к ионам минеральных солей, так и к заряженным группам белка СОО- и NH2+);
2) образование водородных связей с полярными группами органических веществ – между водородом воды и атомами О или N.
Воду, гидратирующую коллоидные частицы (прежде всего белки) называют коллоидно-связанной, а растворенные вещества (минеральные соли, сахара, органические кислоты и др.) – осмотически связанной.
Вода обладает исключительно высокой растворяющей способностью. В воде анионы и катионы какой-либо соли оказываются разъединенными. Гидратные оболочки, окружающие ионы, ограничивают их взаимодействие. Положительно заряженные ионы притягивают полюс молекулы воды с отрицательно заряженными атомами кислорода, тогда как ионы, несущие отрицательный заряд, притягивают полюс с положительно заряженными атомами водорода. Одновременно нарушается и структура самой воды. При этом, чем крупнее ион, тем это нарушение сильнее (Якушкина, 1980).
