Вода як розчинник
Вода - чудовий розчинник для полярних речовин. До них відносяться іонні сполуки, такі як солі, у яких заряджені частинки (іони) діссоціііруют в воді, коли речовина розчиняється, а також деякі неіонні з'єднання, наприклад цукру і прості спирти, в молекулі яких присутні заряджені (полярні) групи (-OH) .
Гідратація іонів у воді
Результати численних досліджень будови розчинів електролітів свідчать, що при гідратації іонів у водних розчинах основну роль грає ближня гідратація - взаємодія іонів з найближчими до них молекулами води. Великий інтерес представляє з'ясування індивідуальних характеристик ближньої гідратації різних іонів, як ступеня зв'язування молекул води в гідратних оболонках, так і ступеня спотворення в цих оболонках тетраедричних льодоподібної структури чистої води - зв'язки в молекулі змінюються на неповний кут. Величина кута залежить від іона.
Що відбувається з розчиненими у воді речовинами?
Коли речовина розчиняється, його молекули або іони отримують можливість рухатися вільніше і, відповідно, його реакційна здатність зростає. З цієї причини в клітці велика частина хімічних реакцій протікає у водних розчинах. Неполярні речовини, наприклад ліпіди, не змішуються з водою і тому можуть розділяти водні розчини на окремі компартаменти, подібно до того, як їх розділяють мембрани. Неполярні частини молекул відштовхуються водою і в її присутності притягуються один до одного, як це буває, наприклад, коли крапельки масла зливаються в більш великі краплі; інакше кажучи, неполярні молекули гідрофобні. Подібні гідрофобні взаємодії грають важливу роль в забезпеченні стабільності мембран, а також багатьох білкових молекул, нуклеїнових кислот та інших субклітинних структур.
Вода - транспорт
Притаманні воді властивості розчинника означають також, що вода служить середовищем для транспорту різних речовин. Цю роль вона виконує в крові, в лімфатичної та екскреторних системах, в травному тракті і у флоеме і ксилемі рослин.
теплоємність води
Велика теплоємність. Питомою теплоємністю води називають кількість теплоти в джоулях, яке необхідно, щоб підняти температуру 1 кг води на 1 ° C. Вода має велику теплоємність (4,184 Дж / г). Це означає, що істотне збільшення теплової енергії викликає лише порівняно невелике підвищення її температури. Пояснюється таке явище тим, що значна частина цієї енергії витрачається на розрив водневих зв'язків, що обмежують рухливість молекул води.
Велика теплоємність води зводить до мінімуму що відбуваються в ній температурні зміни. Завдяки цьому біохімічні процеси протікають в меншому інтервалі температур, з більш постійною швидкістю і небезпека порушення цих процесів від різких відхилень температури загрожує їм не настільки сильно. Вода служить для багатьох кліток і організмів середовищем проживання, для якої характерно досить значне сталість умов.
Теплота випаровування води
Велика теплота випаровування. Прихована теплота випаровування є міра кількості теплової енергії, яку необхідно повідомити рідини для її переходу в пар, тобто для подолання сил молекулярного зчеплення в рідині. Випаровування води вимагає досить значних кількостей енергії (2494 Дж / г). Це пояснюється існуванням водневих зв'язків між молекулами води. Саме в силу цього температура кипіння води - речовини з такими малими молекулами - незвичайно висока.
Енергія, необхідна молекулам води для випаровування, черпається з їх оточення. Таким чином, випаровування супроводжується охолодженням. Це явище використовується у тварин при потовиділенні, при тепловій задишці у ссавців або у деяких рептилій (наприклад, у крокодилів), які на сонці сидять з відкритим ротом; можливо, воно грає помітну роль і в охолоджуванні транспірірующей листя.
Теплота плавлення води
Велика теплота плавлення. Прихована теплота плавлення є міра теплової енергії, необхідної для розплавлення твердої речовини (льоду). Воді для плавлення (танення) необхідно порівняно велика кількість енергії. Справедливо і зворотне: при замерзанні вода повинна віддати велику кількість теплової енергії. Це зменшує ймовірність замерзання вмісту кліток і оточуючої їх рідини. Кристали льоду особливо згубні для живого, коли вони утворюються всередині клітин.
щільність води
Щільність і поведінку води поблизу точки замерзання. Щільність води (максимальна при + 4 ° С) від +4 до 0 ° С знижується, тому лід легше води і у воді не тоне. Вода - єдина речовина, що володіє в рідкому стані більшою щільністю, ніж в твердому, так як структура льоду більш рихла, ніж структура рідкої води. Це - одне з аномальних властивостей води.
Оскільки лід плаває у воді, він утворюється при замерзанні спочатку на її поверхні і лише під кінець в придонних шарах. Якби замерзання ставків йшло в зворотному порядку, від низу до верху, то в областях з помірним або холодним кліматом життя в прісноводих водоймах взагалі не могла б існувати. Та обставина, що шари води, температура яких впала нижче 4 ° С, піднімаються вгору, обумовлює перемішування води в великих водоймах. Разом з водою циркулюють і що знаходяться в ній поживні речовини, завдяки чому водойми заселяються живими організмами на велику глибину.
Після проведення ряду експериментів було встановлено, що зв'язана вода при температурі нижче точки замерзання не переходить в кристалічну решітку льоду. Це енергетично невигідно, так як вода досить міцно пов'язана з гідрофільними ділянками розчинених молекул. Це знаходить застосування в кріомедицини.
Поверхневий натяг води і когезия
Велике поверхневий натяг і когезия. Когезия - це зчеплення молекул фізичного тіла один з одним під дією сил тяжіння. На поверхні рідини існує поверхневе натягнення - результат діючих між молекулами сил когезії, направлених всередину. Завдяки поверхневому натягу рідина прагне прийняти таку форму, щоб площа її поверхні була мінімальною (в ідеалі - форму кулі). З усіх рідин найбільше поверхневе натягнення у води (7,6 · 10-4 Н / м). Значна когезия, характерна для молекул води, грає важливу роль в живих клітинах, а також при русі води по судинах ксилеми в рослинах. Багато дрібних організми витягують для себе користь з поверхневого натягу: воно дозволяє їм утримуватися на воді або ковзати по її поверхні.
Вода як реагент
Біологічне значення води визначається і тим, що вона являє собою один з необхідних метаболітів, тобто бере участь у метаболічних реакціях. Вода використовується, наприклад, в якості джерела водню в процесі фотосинтезу, а також бере участь в реакціях гідролізу.