Znaczenie własności fizycznych i chemicznych wody dla procesów życiowych i w przyrodzie nieożywionel.

ZNACZENIE WŁASNOŚCI FIZYCZNYCH I CHEMICZNYCH WODY DLA PROCESÓW ŻYCIOWYCH I W PRZYRODZIE NIEOŻYWIONEJ

Woda jest związkiem chemicznym wodoru z tlenem, o wzorze H 2O. Tlen i woda to dwa wielkie koła rozpędowe życia naszej planety. Tlen jest przyczyną zachodzenia większości procesów chemicznych, woda – zarówno procesów fizycznych jak i chemicznych, szczególnie procesów biochemicznych, decydujących o istnieniu życia na Ziemi. Woda to najlepszy ze znanych rozpuszczalników. Rozpuszcza prawie wszystkie substancje nieorganiczne i wiele substancji organicznych. W zwykłej temperaturze woda jest cieczą przezroczystą, bez smaku i zapachu. W cienkich warstwach jest bezbarwna, w grubszych ma odcień niebieskawy, wskutek pochłaniania z widma światła białego pewnej ilości promieniowania czerwonego. Temperatura krzepnięcia i wrzenia wody jest podstawą skali termometru Celsjusza. Woda jest także substancją wzorcową w ustalaniu wielu jednostek fizycznych: masę 1 cm3 w temperaturze 4C przyjęto za jednostkę masy, zaś ciepło właściwe wody w temperaturze 15C – za jednostkę energii cieplnej. Godne uwagi są anomalie, jakie wykazuje woda w porównaniu z innymi cieczami. Należy do nich sposób, w jaki objętość wody zwykłej zmienia się wraz z temperaturą. Większość cieczy po ogrzaniu zwiększa swoją objętość, woda zaś wprost przeciwnie, od 0C do 4C zmniejsza swoja objętość, w temperaturze 4C osiąga minimum swej objętości i dopiero pod wpływem dalszego ogrzewania rozszerza się, aby w temperaturze 8C osiągnąć mniej więcej tę samą objętość, co w 0C. Poza tym woda przechodząc w lód powiększa swoją objętość o przeszło 9%. Rola, jaką odgrywa woda w przyrodzie pozostaje w związku z jej szczególnymi właściwościami. Wskutek zamarzania wody powierzchnie rzek i jezior pokrywają się zimą lodem, izolując się przed dalszą utratą ciepła. Umożliwia to przetrwanie zimy organizmom wodnym. Woda jest też głównym czynnikiem powodującym wietrzenie skał na skutek powiększania swej objętości przy zamarzaniu. Duże ciepło właściwe ( w 15C – 1 cal/g ), ciepło topnienia
( 79,71 cal/g ) oraz ciepło parowania ( w 100C – 539,2 cal/g ) wody, są to cechy, dzięki którym woda jest niezwykle ważnym czynnikiem klimatologicznym ( termiczne właściwości wody powodują, że jest ona czynnikiem łagodzącym klimat ).
Układ atomów wodoru i tlenu w cząsteczce wody nie jest liniowy w rodzaju H-O-H, lecz odpowiada trójkątowi:
- O -
105

H+ H+
Następstwem takiej budowy cząsteczki jest jej elektryczna biegunowość. Rozmieszczenie ładunków elektrycznych w takiej sytuacji nie jest jednakowe. Przestrzeń wokół atomu tlenu uzyskuje przewagę ładunków ujemnych, a w okolicy atomów wodoru – przewagę uzyskują ładunki dodatnie. W ten sposób powstaje dipol. Cząsteczki wody zorientowane elektrycznie ( dipole ) mogą łączyć się ze sobą w wyniku asocjacji, na zasadzie wzajemnego oddziaływania ładunków elektrycznych. Woda w stanie ciekłym jest zasocjowana w struktury o ogólnym wzorze (H2O)n, gdzie n jest większe od jedności, np.:
- + - + - + - - +

+ - ( H2O ) 2
( H2O ) 2 ( H2O ) 2
+ -
Asocjacja cząsteczek wody ma miejsce także w lodzie. To właśnie zjawisko stanowi przyczynę różnych osobliwości wody, zarówno w stanie ciekłym, jak i stałym.
Osobliwe są elektryczne właściwości wody. Wyróżnia ją wyjątkowo duża przenikliwość elektryczna, czyli zdolność ulegania wpływom zewnętrznego pola elektrycznego bez przemieszczania się cząsteczek, a przenikliwość elektryczna lodu jest jeszcze o około 10% wyższa, niż ciekłej wody, podczas gdy na ogół jest ona mniejsza u ciał stałych niż ciekłych.
Woda jest czynnikiem biologicznym, umożliwiającym wytwarzanie materii organicznej. Dzięki ustawicznemu przepływowi wody przez środowisko żywej materii odbywają się w organizmie procesy asymilacji, dyfuzji, osmozy, odżywianie, transport pożywienia, wydalanie i inne. Bez wody nie mogą zachodzić żadne zjawiska życiowe. Usunięcie wody powoduje wysuszenie organizmu i prowadzi zazwyczaj do śmierci. Asymilacja, np. fotosynteza – biochemiczny proces, w czasie którego ze związków nieorganicznych, głównie z dwutlenku węgla i wody, tworzą się związki organiczne w postaci cukrów, które mogą być przez rośliny od razu spożytkowane, magazynowane, bądź przekształcane w inne związki organiczne (białka, tłuszcze, witaminy), a wytworzone substancje umożliwiają życie organizmom cudzożywnym ( nie zdolnym do fotosyntezy ).
W organizmach zwierząt i ludzi woda występuje w postaci wolnej i jest wykorzystywana jako rozpuszczalnik soli mineralnych oraz związków organicznych. Występuje także w postaci związanej jako woda krystalizacyjna, znajdująca się w koloidach (koloidy protoplazmy komórkowej wiążą duże ilości wody tworząc napęczniałe żele). Przy prawidłowym odżywianiu się ludzi i zwierząt odpowiednie ilości wody są wprowadzane do ustroju, zarówno przez wypijanie różnych płynów, jak i przyjmowanie pokarmów. Oprócz tego pewne ilości wody powstają w procesie utleniania związków organicznych. I tak: ze 100g tłuszczu wytwarza się107,1g wody, ze 100g skrobi – 55,5g wody, a ze 100g białka - 41,3g wody. Woda bierze też udział w procesach wchłaniania pożywienia z jelit i odżywiania komórek oraz w regulacji cieplnej organizmu. Podstawowy proces życiowy, jakim jest rozmnażanie, również związany jest z wodą. Plemniki dostają się do komórek jajowych za jej pośrednictwem, w jej środowisku rozwijają się zarodki zwierząt i ludzi. Środowisko płynne jest jedynym odpowiednim dla zachodzenia procesów życiowych, a poza wodą nie ma innej substancji, która stanowiłaby od 60 do 99% masy żywego organizmu i spełniała różnorodne funkcje środowiska życia. Ta nieoceniona biologicznie substancja jest też najbardziej rozpowszechniona na Ziemi. Woda w stanie stałym, w postaci lodu, tworzy olbrzymie pokłady w okolicach podbiegunowych, a także w lodowcach wysokogórskich. Pewną ilość wody chemicznie związanej spotyka się w niektórych substancjach, jak: wodorotlenek wapniowy, kwas siarkowy, azotowy i w innych. Większe lub mniejsze ilości pary wodnej znajdują się zawsze w powietrzu, skąd wydzielać się mogą w postaci opadów atmosferycznych. Źródłem wody atmosferycznej jest parowanie mórz, jezior, rzek, roślinności i całej powierzchni Ziemi, szczególnie z jej wilgotnej gleby. „Paruje” też lód i śnieg przez tak zwaną sublimację ( przechodzenie ciała stałego w stan gazowy z pominięciem fazy ciekłej ) oraz deszcz przed jego spadnięciem na ziemię. Pionowe ruchy ogrzewanego powietrza unoszą parę wodną ku gorze, gdzie temperatura szybko spada – powoduje to skroplenie się pary wodnej, czyli kondensację, najczęściej na mikroskopijnych cząsteczkach ciał stałych zwanych jądrami kondensacji. Jeśli temperatura powietrza odpowiednio obniży się, mikroskopijne kropelki wody łączą się w coraz większe krople, które nie mogą utrzymać się w powietrzu i spadają na ziemię w postaci różnych opadów atmosferycznych: deszczu, krup, śniegu, gradu ( zależy to od temperatury, w której następowała kondensacja ). Część wody deszczowej wsiąka w ziemię i krąży pod nią jako woda gruntowa , czyli podskórna. Płynie ona po nieprzepuszczalnych warstwach gruntu i niekiedy przedostaje się na powierzchnię ziemi jako woda źródlana. Wody gruntowe mogą być także zamknięte między dwiema warstwami nieprzepuszczalnymi. Wówczas znajdują się pod ciśnieniem hydrostatycznym. Jeśli przewiercimy skałę przykrywającą warstwę wodonośną, to woda zazwyczaj wypłynie samoczynnie na powierzchnię ziemi. Studnie takie i znajdujące się w nich wody nazywamy artezyjskimi ( nazwa pochodzi od krainy Artois we Francji, gdzie po raz pierwszy rozpoznano ten gatunek wód ). W gruncie porowatym nadmiar wody wsiąkającej, która nie może być związana przez siły międzycząsteczkowe, porusza się pod wpływem siły ciężkości jako tzw. woda grawitacyjna. Porusza się ona zgodnie z nachyleniem warstwy wodonośnej i może ponownie wydobywać się na powierzchnię ziemi jako woda źródlana, zasilająca potoki i rzeki. Stąd woda ponownie paruje i wraca do atmosfery. W ten sposób zamyka się cykl krążenia wody, który nazywamy obiegiem małym, jeśli woda parująca z powierzchni lądowej z powrotem na nią wraca, zaś obiegiem dużym – gdy woda paruje z oceanu, następnie spada na ląd, spływa rzekami do oceanów i stąd znowu paruje. Ten ustawicznie trwający proces krążenia wody na Ziemi ożywia świat roślinny i zwierzęcy na naszej planecie, nadając mu różnorodne kształty i formy. Jest też przyczyną wielu zjawisk geologicznych i klimatycznych, wpływa na rzeźbę i ukształtowanie terenu, na powstawanie i jakość gleby oraz na wiele dziedzin wiążących się z celową i zamierzoną działalnością człowieka ( budownictwo, przemysł, transport wodny...).