Dlaczego ludzie mówią, że woda jest niezbędna do życia? Dlaczego nigdy nie znaleźliśmy żadnego żywego organizmu, który mógłby się rozwijać w całkowicie suchym środowisku? Jak to się dzieje, że coś bezwonnego, bezbarwnego, bez smaku i stosunkowo niereaktywne stanowi 60% masy naszego ciała? Dlaczego nie można było użyć innego płynu? Dlaczego woda?
Woda ma kilka właściwości, które czynią ją wyjątkową wśród związków i umożliwiają funkcjonowanie wszystkich znanych form życia.
Jest to jedyna naturalna substancja występująca we wszystkich trzech stanach skupienia w temperaturach występujących naturalnie na Ziemi.
Oznacza to, że widzimy wodę jako ciecz w rzekach i morzach, ciało stałe, jak śnieg i lód oraz jako gaz, jako chmury lub parę. Gdyby tak nie było, cykl wodny byłby zupełnie inny (co by było, gdyby woda nie wyparowała na słońcu?); Śnieg i lód mogłyby nie istnieć (a tysiące gatunków byłyby teraz bezdomne), a pogoda byłaby zupełnie inna ( czy nadal padałby deszcz?). Czy myślisz o czymś innym, co byłoby inne? Czy myślisz, że moglibyśmy nadal żyć, gdyby woda była tylko cieczą w temperaturach naturalnie występujących na Ziemi? A co z tylko gazem / ciałem stałym?
Lód jest mniej gęsty niż woda
Oznacza to po prostu, że lód unosi się na wodzie, a jeziora zamarzają od góry do dołu. Jest to wyraźnie ważne w przypadku zwierząt żyjących na lodzie, ponieważ ich siedliska zostałyby znacznie ograniczone lub nie istnieją w ogóle, jeśli lód zatonął. Podobnie, ryby i inne organizmy w stawach ucierpiałyby, gdyby jeziora i stawy zamarzły od dna do góry – warstwa zamarzniętej wody na wierzchu stawu zapewnia pewną izolację i zapobiega wychłodzeniu reszty wody, ponieważ Robi to, tworząc barierę między zimnem powietrze i woda poniżej. Oznacza to, że duże zbiorniki wodne nie wychładzają się głębiej tak szybko, jak mogłyby, gdyby lód zatonął i pomaga dzikim zwierzętom przetrwać zimę w stawach. W rzeczywistości woda staje się bardziej gęsta, gdy jest schładzana, aż osiągnie 4 USD ^ \ circ $ C (co widać na wykresie), po czym ponownie staje się mniej gęsty. Większość substancji staje się coraz gęstsza w miarę ich schładzania. Poniższy wykres pokazuje, jak gęstość wody zmienia się wraz z temperaturą.

Woda ma bardzo wysoką temperaturę topnienia i wrzenia w porównaniu z innymi podobnymi cząsteczkami
To oznacza, że jest postrzegana jako ciało stałe, ciecz i gaz na Ziemi. Gdyby woda nie była w większości temperatur, jakie obserwujemy na Ziemi, wszystkie morza byłyby lodem, nie byłoby deszczu ani niczego, co mogłoby zbierać rośliny i zwierzęta do picia. Nawet nasze komórki są wypełnione wodą w stanie ciekłym, co też nie byłoby możliwe.

Nazywa się go „uniwersalnym rozpuszczalnikiem”, ponieważ jest w stanie rozpuścić tak wiele substancji.
Woda w naszych ciałach Jest on głównie zawarty w naszych komórkach, gdzie nadaje im wyraźny kształt, a także rozpuszcza miliardy pożytecznych cząsteczek. Nasze komórki muszą być wypełnione wodą, aby działać prawidłowo, ponieważ enzymy w nich działają tylko w roztworze. Woda jest również środkiem transportu w naszych ciałach. „Krew to głównie woda i zawiera rozpuszczone w niej hormony i gazy, a także toksyny, takie jak mocznik, które są usuwane z organizmu wraz z jeszcze większą ilością wody. znacznie mniejsza skala: gdy coś jest rozpuszczone, może poruszać się w rozpuszczalniku. Na przykład, jeśli enzym potrzebuje jonów wapnia do aktywacji i rozpoczęcia działania, będzie je spełniać, gdy poruszają się w roztworze wewnątrz komórki. Im wyższe stężenie wapnia w komórce, tym bardziej prawdopodobne jest, że enzym szybciej napotka jon. Być może dowiedziałeś się również o dyfuzji i osmozie, które są kluczowymi pojęciami pozwalającymi zrozumieć, jak komórki funkcjonują i polegają na obecności wody.
Woda ma wysokie właściwości specyficzne pojemność cieplna.
Chociaż ten pomysł brzmi trochę onieśmielająco, jest w rzeczywistości bardzo prosty – oznacza tylko tyle, że podgrzanie wody wymaga dużo energii. Dlatego w upalny dzień piasek na plaży może być zbyt gorąco, aby chodzić dalej, ale morze wciąż jest chłodne; energia słoneczna wystarczy, aby mocno podgrzać piasek, ale wodę tylko trochę. Ma to bardzo ważne konsekwencje, zwłaszcza dla organizmów żyjących w wodzie. Morza, jeziora i rzeki utrzymują znacznie bardziej stałą temperaturę niż powietrze, co oznacza, że zwierzęta mogą żyć w wodzie przez cały rok bez konieczności dostosowywania się do dużych zmian temperatury (co Twoim zdaniem stałoby się, gdyby woda ochłodziła się łatwiej? pozować do organizmów żyjących w małym stawie?). Oznacza to również, że temperatura naszego ciała jest stosunkowo trudna do szybkiej zmiany, a tym samym znacznie ułatwia pracę naszego mózgu polegającą na utrzymywaniu stałej temperatury ciała (co może się stać, jeśli temperatura naszego ciała zmieni się szybko i łatwo?).
Napięcie powierzchniowe
Mogłeś zauważyć, że jeśli włożysz igłę na powierzchnię miski z wodą, będzie ona pływać, ale jeśli wrzucisz ją do niej, tonie.Dzieje się tak, ponieważ igła jest gęstsza od wody, więc chce się zatopić, ale jest utrzymywana przez napięcie powierzchniowe wody. Napięcie powierzchniowe to właściwość, która oznacza, że powierzchnia wody nie chce się łamać – jest „lepka”. Możesz to również zobaczyć, napełniając kubek po brzegi, ponieważ powierzchnia wody będzie trzymała się razem i nie rozlewała się. Wysokie napięcie powierzchniowe wody powoduje, że niektóre muchy mogą lądować na jej powierzchni bez tonięcia. Pojęcie to jest również bardzo blisko spokrewnione z inną, ideą działania kapilarnego.

Akcja kapilarna
Podobnie jak w przypadku napięcia powierzchniowego, obraca się ono wokół idei „sklejania” się cząsteczek wody. Jeśli włożysz bardzo cienką rurkę do zlewki z wodą, zobaczysz, że część wody przepływa w niewielkiej odległości w górę rurki; Nazywa się to działaniem kapilarnym i jest spowodowane przez wodę przylegającą do boków rurki i innych cząsteczek wody, wciągając je razem z rurką. Ostatecznie ciężar ciągniętej wody jest zbyt duży, aby można go było podeprzeć, a woda przestaje się poruszać, osiągając równowagę. Ta sama zasada pozwala roślinom pobierać wodę z ziemi; w miarę jak cząsteczki wody przemieszczają się w górę łodygi, więcej cząsteczek wody przykleja się do nich, a bardziej przylega do nich i tak dalej, aż w ksylemie przetransportuje się kolumna wody (aby dowiedzieć się więcej na ten temat, zobacz „transpirację”).
Ale dlaczego?
Wszystkie te właściwości wody są kluczowe dla życia, jakie znamy, ale dlaczego woda je ma? Czy żadna inna substancja również tego nie robi? Co sprawia, że woda jest inna? Aby zrozumieć odpowiedzi na te pytania, musisz zbadać strukturę molekularną wody. Wzór chemiczny wody to H2O, co oznacza, że zawiera ona dwa atomy wodoru kowalencyjnie związane z jednym atomem tlenu, na przykład:

95.84pm pokazuje długość wiązanie między tlenem a wodorem; godzina pierwsza to pikometr, czyli jedna bilionowa metra. Pokazany kąt to kąt ostry między dwoma jądrami wodoru (czy masz jakieś wyobrażenia o tym, dlaczego nie jest on „t $ 180 ^ \ circ $? Dlaczego powinien wynosić 180 $ ^ \ circ $?) Ten diagram przedstawia wiązania jako linie, które sprawia, że wygląda to tak, jakby były takie same w każdym punkcie? Tak nie jest. Ponieważ tlen jest bardziej elektroujemny niż wodór, przyciąga elektrony w wiązaniu OH do siebie. Jeśli grubość linii reprezentuje gęstość elektronów (ilość elektronów w czasie spędzić w tej części wiązania), wiązanie OH w rzeczywistości wygląda bardziej tak:
ZDJĘCIE przedstawiające polaryzację wiązania
Jak widać, elektrony spędzają większość czasu bliżej jądra tlenu. Oznacza to, że tlen ma ładunek nieznacznie ujemny, a atomy wodoru mają ładunek dodatni. Nazywa się to biegunowością i stanowi kluczową koncepcję leżącą u podstaw właściwości wody

Oznacza to, że słabe oddziaływania jonowe mogą wystąpić między n sąsiednie cząsteczki wody, ponieważ lekko dodatni wodór z jednej cząsteczki jest przyciągany do lekko ujemnego tlenu z drugiej. Nazywa się to wiązaniami wodorowymi.

To dlatego woda „przykleja się” do siebie, nadając jej wysokie napięcie powierzchniowe i zdolność poruszania się na zasadzie kapilarnej.
Rozbicie wiązań wodorowych wymaga dużej ilości energii, dlatego temperatura topnienia i wrzenia wody jest wysoka i dlatego ma ona dużą pojemność cieplną.
Substancja rozpuszcza się w wodzie, jeśli jest polarna lub joński. Dzieje się tak, ponieważ rozpuszcza się, tworząc wiązania wodorowe z wodą. Olejek nie jest polarny, dlatego nie rozpuszcza się. Sól, NaCl, rozpuszcza się, ponieważ jest jonowa. Czy przychodzą Ci do głowy inne substancje rozpuszczalne w wodzie? Jak tworzą z nim wiązania wodorowe? Czy możesz narysować podobny rysunek do poniższego, pokazujący, dlaczego glukoza jest rozpuszczalna? Czy jest lepiej czy gorzej rozpuszczalny w wodzie niż sól? Jak myślisz, dlaczego tak jest?
Diagram przedstawiający, co dzieje się z NaCl w roztworze: