Vandeniliniai Ryšiai ir Vandens Virimo Temperatūra: Gyvybės Pagrindas
Vanduo, esminis gyvybės elementas, sudaro 70-90% visų gyvų organizmų. Pirmosios ląstelės atsirado vandenyje, ir vanduo toliau vaidina lemiamą vaidmenį aplinkoje, kurioje vyksta gyvybiniai procesai. Tai vienintelė medžiaga, natūraliai egzistuojanti trimis būsenomis: skysta, kieta (ledas) ir dujinė (garai). Nors iš pirmo žvilgsnio vandens molekulė (H₂O) atrodo paprasta, jos unikalios savybės, įskaitant virimo temperatūrą, yra gyvybiškai svarbios gyvybės egzistavimui. Vanduo yra trečia labiausiai paplitusi medžiaga visatoje (po vandenilio ir anglies dioksido), gausiausia medžiaga žemėje ir vienintelis natūraliai atsirandantis neorganinis skystis. Spalvos, tačiau visos gyvybės formos nuo jo priklausomos.
Vandens Molekulės Struktūra ir Poliškumas
Didelė vandens įtaka organizmui priklauso nuo jo molekulės struktūros, fizikinių ir cheminių savybių. Vandens molekulę sudaro du vandenilio atomai, susijungę su vienu deguonies atomu stipriais kovalentiniais ryšiais. Vandens formavimasis iš jį sudarančių elementų, išskiria daug energijos, 572 kJ. 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]. Tačiau dėl deguonies atomo didesnio elektroneigiamumo (3,5) palyginti su vandeniliu (2,1), elektronai kovalentinėse jungtyse yra labiau pritraukiami prie deguonies. Dėl šios priežasties deguonies atomas įgauna dalinį neigiamą krūvį, o vandenilio atomai - dalinį teigiamą krūvį. Šis krūvių pasiskirstymas daro vandens molekulę poline.
Dėl polinės struktūros vandens molekulės traukia vienos kitas, suformuodamos silpnus vandenilinius ryšius. 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]. Kiekviena vandens molekulė gali suformuoti iki keturių vandenilinių ryšių su gretimomis molekulėmis, sukurdama trimatį tinklą.
Vandenilinių Ryšių Įtaka Vandens Savybėms
Vandeniliniai ryšiai, nors ir silpnesni už kovalentinius ryšius, yra atsakingi už daugelį unikalių vandens savybių, įskaitant jo aukštą virimo temperatūrą.
Aukšta virimo temperatūra: Vandenilinis ryšys svarbus tuo, kad neleidžia molekulėms lengvai išsilaisvinti iš vandens paviršiaus. Tai sumažina garų slėgį. Vanduo nepradeda virti, kol garų slėgis nesusilygina su išoriniu slėgiu. Norint paversti skystą vandenį dujomis (garais), reikia nutraukti šiuos vandenilinius ryšius. 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. Vandenilio ir deguonies atomai vandens molekulėje yra susijungę kampu. Dėltokio teigiamų vandenilio H ir neigiamo deguonies O atomų išsidėstymo, dėl skirtingo jų elektrinio neigiamumo molekulė polinė. Taigi, vandens virimo temperatūra yra neįprastai aukšta, palyginti su kitomis panašaus dydžio molekulėmis. Vandens atveju tai įvyksta aukštesnėje temperatūroje [2].
Taip pat skaitykite: Kaip kepti blynus su bananais
Didelė šiluminė talpa: Skysto vandens temperatūra kyla ir krinta lėčiau nei ddaugelio 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 ttemperatūra krinta lėčiau negu kitų skysčių. Ši vandens savybė yra svarbi ne tik vandenyje gyvenantiems, bet ir visiems kitiems organizmams. Vandeniliniai ryšiais aiškinamos ir daugelis ypatingų vande.ns savybių, jų priklausomybė nuo aplinkos sąlygų.
Tankio anomalija: 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.
Paviršiaus įtempimas: Vanduo pasižymi didele paviršiaus įtemptimi (72,75 mJ/m2 esant 20°C). Ant lašo paviršiaus gali išsilaikyti net smulkios uolienos dalelės. Taip yra dėl didelės paviršiaus įtempties. Paviršiaus tempimo jėga nusakoma pagal tai, kiek jos reikia skysčio paviršiui suardyti. Vandens paviršiaus didelę itemptį, kaip ir koheziją lemia vandeniliniai ryšiai. Yra netgi vabzdžių, kurie gali bėgioti vandens telkinių paviršiumi nesuardydami jo plėvelės, pavyzdžiui vandeniniai čiuožikai [5]. Paviršiaus įtempimas yra vandens paviršiaus plėvelės stiprumo matas. Molekulių tarpusavio sąveika sukuria stiprią plėvelę, kurią tarp panašių skysčių pralenkia tik gyvsidabris. Paviršiaus tempimas leidžia ant vandens išsilaikyti ir plaukti net už vandenį sunkesniems kūnams. Paviršiaus įtempimas būtinas energijos perdavimui iš vėjo vandeniui, kad sukelti bangas.
Kohezija ir Adhezija: Vandens molekulės pasižymi didele kohezija ir adhezija ((sukibimu ir prilipimu). Vandens molekulės jungiasi tarpusavy. Ši sąveika vadinama kohezija. Vanduo taip pat sąveikauja ir su kitais junginiais. Tai vadinama adhezija. Kohezija yra akivaizdi, kai vanduo teka- jo molekulės neišsisklaido kas sau. Jas sukibusias laiko vandeniliniai ryšiai. Kadangi vandens molekulės yra poilškos- turi teigiamą ir neigiamą polių- jos limpa prie paviršių, ypač prie polinių, taigi turi adhezinių savybių. Kohezija ir adhezija labai svarbios maisto medžiagoms augaluose išnešioti.
Vanduo kaip Tirpiklis
Vanduo yra universalus tirpiklis, sudarantis palankias salygas cheminėms reakcijoms tiek negyvojoje gamtoje, tiek gyvosiose sistemose. Vanduo dėl molekulės poliškumo yra puikus tirpiklis. Medžiagos, esančios vandens tirpale, turi vandens apvalkalėlį, kuris susidaro dipolinių molekulių sąveikos su makromoloekulėmis ar jonais metu. Kuo didesnis medžiagos vandens aapvalkalėlis, tuo labiau tirpi medžiaga. Visi neorganiniai ir organiniai junginiai, kurie disocijuoja į jonus, visi biologiniai monomerai (aminorūgštys, sacharidai, ir pn.), turintys polines grupes, difunduoja vandens terpėje ir ištirpsta. Molekulės, neturinčios polinių jungčių ar grupių, blogai tirpsta vandenyje. Atsižvelgiant į tai, kaip molekulės elgiasi vandenyje, jos gali būti vadinamos hidrofilinėmis (tirpsta vandenyje) ir hidrofobinėmis (netirpsta vandenyje, pvz. Svarbi savybė- deguonies tirpumas vandenyje. Druskos, tokios kaip natrio chloridas, vandenyje disocijuoja į jonus. Ši disociacija vyksta dėl vandens savybės sudaryti hidratacijos gardeles apie krūvį turinčius atomus ir molekules. Hidratacijos gardeles vanduo gali sudaryti ne tik apie jonus, bet ir apie polines molekules Pavyzdžiui cukrūs turi silpnai polines hidroksilo funkcines grupes -OH, su kuriomis vanduo sudaro gardeles [9]. Pagrindinis vandenį jungiantis veiksnys yra jonas- dipolis sąveika. Jos metu apie joną susidaro vienas ar daugiau vandens dipolinių molekulių sluoksnių. Reiškinys vadinamas hidratacija, o vandens molekulių skaičius, kurį jungia vienas jonas- hidratacijos skaičiumi. Kuo mažesnis jonas ir didesnis jo krūvis, tuo daugiau mlekulių jis sujungia.
Taip pat skaitykite: Vištos kepimo patarimai Kamado Bono kepsninei
Vandenilio Jonų Koncentracija ir pH
Žinome, kad vieniems tirpalams budingos rūgštinės, kitiems - bazinės savybės, t. y. vienuose tirpaluose yra vandenilio jonų H+, o kituose - hidroksido jonų OH-. Bandymas. Į mėgintuvėlį su natrio hidroksido tirpalu įmerkite lakmuso popierėlį. Hidroksido jonai OH-, esantys tirpale, keičia violetinę lakmuso spalvą į mėlyną. Tą tirpalą supilkite į cheminę stiklinę ir į ją atsargiai pilkite druskos rūgšties tirpalą (9.1 pav.). Netrukus pamatysite, kad lakmusas atgavo pirminę violetinę spalvą. Daug cheminių reakcijų vyksta tirpaluose. Svarbus tirpalo rodiklis yra jo kon¬centracija. Tačiau daug patogiau tirpalo koncentraciją išreikšti moliais litre (arba dm3) t. y. Tirpalo molinė koncentracija rodo. Žinant tirpalo koncentraciją, galima apskaičiuoti, kiek vienų ar kitų dalelių yra tirpale, pavyzdžiui, kiek yra vandenilio ar hidroksido jonų (kokia šių jonų koncen¬tracija). Tačiau vandenilio jonų koncentraciją, išreikštą mol/1, ne visada patogu naudo¬ti. pH rodiklis nusako vandenilio jonų koncentraciją tirpale. Vandenilio jonų rodiklio pH vertė apskaičiuojama žinant vandenilio jonų koncentraciją tirpale. Kol kas prisiminkite, kad rūgščių tirpalų pH < 7, o bazinių pH > 7. Kuo pH mažesnis, tuo tirpalas rūgštesnis, kuo pH didesnis, tuo tirpalas baziškesnis. Paprastai tirpalo rūgštingumas svyruoja nnuo pH = 6 (silpnai rūgštinio) iki pH = O (stipriai rūgštinio). Kita pH skalės pusė rodo bazines savybes, kintančias nuo pH = 8 (silpnai bazinio) iki pH = 14 (stipriai bazinio). Neutralus tirpalo pH = 7. Rūgštinio tirpalo pH < 7. Vandeniniuose tirpaluose visada esti ir H+, ir OH- jonų. Pilant į vandenį rūgšties, didėja H+ jonų koncentracija, dalis šių jonų susijungia su OH- jonais ir sumažina jų koncentraciją. Rūgš¬tiniuose tirpaluose H+ jonų yra daugiau negu OH- jonų. Pilant į vandenį šarmo, pvz., natrio hidroksido tirpalo, didėja OH- jonų koncent¬racija ir mažėja H+ jonų koncentracija. Tirpalo pH galime nustatyti indikatoriais pa¬gal jų spalvos pokytį. Dažniausiai vartojamas universalusis indikatorius (indikatoriniai popie¬rėliai), kurį sudaro įvairių indikatorių mišinys. Indikatorinį popierėlį sudrėkinus tiriamuoju tir¬palu, jis nusidažo tam tikra spalva, rodančia konkrečią pH vertę (ją sužinosime palyginę nu¬sidažiusio popierėlio spalvą su etalonine spalvų skale). Pabandykime užlašinti ant indi¬katorinio popierė¬lio lašą citrinos sul¬čių arba vandens iš čiaupo (10.5 pav.). Nustatykime, koks šių tirpalų pH. Vandenilio jonų rodikliu naudojasi ne tik chemi¬kai, bet ir biologai, medikai, agrochemikai. Tiek vandenyje, tiek dirvožemyje vykstantys cheminiai ir biologiniai procesai yra labai jautrūs H+jonų skaičiaus kitimui. Tirpale indikatoriai nusidažo ir iš spalvos spren¬džiama apie jo pH. Tam tikra indikatoriaus spalva atitinka tam tikrą vandenilio jonų rodiklio vertę. Mikroorganizmai, augalai, gyvūnai ir žmogus jautriai reaguoja į vandens rūgš¬tingumo pasikeitimą. Ypač jautrios aplinkos pH pokyčiams žuvys. Dirvos tirpalo vandenilio jonų rodiklis yra vienas tų veiksnių, nuo kurių pri¬klauso kurios nors rūšies kultūrinių augalų derlingumas. Rūgščią dirvą mėgsta rūgštynės, rododendrai, bruknės.
Mpemba Efektas
Vanduo nepaprasta medžiaga. Ir dar vandeniui būdingas keistasis Mpembos efektas, pavadintas smalsaus studento iš Tanzanijos vardu. Jis praėjusio amžiaus septintame dešimtmetyje kulinarijos pamokose pastebėjo, kad karštas valgomųjų ledų mišinys užšąla greičiau už šaltą. Tiesa, vargu ar Mpemba nusipelnė efekto pavadinimo jo vardu garbės, mat tą patį kur kas anksčiau buvo pastebėję ir Aristotelis, ir Francis Baconas, ir René Descartes, ir dar daugybė kitų mokslininkų. Mpembos efektas - tai praktiškai stebimas reiškinys, kuomet karštas vanduo šaltoje aplinkoje į ledą sušąla greičiau nei šaltas. Šis reiškinys daugybę kartų matuotas ir įvairiai aiškintas. Vienas iš paaiškinimų - kad šilti indai sudaro geresnį šiluminį kontaktą su šaldikliais ir efektyviau mainosi energija, todėl indo turinys ir ataušta greičiau. Kitas paaiškinimas - kad šiltas vanduo labiau garuoja, o kadangi garavimas yra endoterminis procesas, jis prisideda prie šaldiklio poveikio ir vanduo bendromis pajėgomis sušaldomas greičiau. Bet nė vienas iš šių paaiškinimų nėra labai įtikinamas, taigi, mokslininkai ir toliau ieškojo atsakymo į tūkstantmečių senumo klausimą. Labai įtikinamą atsakymo variantą visai neseniai pateikė Singapūro Nanyang technologijų universiteto mokslininkas Xi Zhangas su keliais kolegomis. Jie tikina, kad Mpembos paradoksas kyla dėl skirtingų jungčių, kuriomis tarpusavy sąveikauja vandens molekulės, unikalių savybių. Kuo gi ypatingos vandens molekulių jungtys? Vieną vandens molekulę sudaro santykinai didelis deguonies ir du maži vandenilio atomai, kurie prie deguonies jungiasi „standartiniais“ kovalentiniais ryšiais. Bet vienoje vietoje esant didesniam kiekiui vandens molekulių ne mažiau svarbūs pasidaro ir vandeniliniai ryšiai, užsimezgantys vienos molekulės deguonies atomui priartėjus prie kitos molekulės vandenilio. Vandeniliniai ryšiai yra silpnesni už kovalentinius, bet stipresni už Van der Vaalso jėgas, lemiančias gekonų gebėjimą laipioti sienomis. Vandenilinių ryšių svarba mokslininkams buvo žinoma jau seniai. Pavyzdžiui, vandens virimo temperatūra yra gerokai aukštesnė nei panašių molekulių, nes jas tarpusavy laiko vandeniliniai ryšiai. Tačiau pastaraisiais metais vandenilinių ryšių svarba chemiją tyrinėjantiems mokslininkams tampa vis didesne. Pavyzdžiui, vandens molekulės siauruose kapiliaruose išsirikiuoja į grandines, kuriose vandenilinės jungtys atlieka grandžių vaidmenį. Tai yra labai svarbu medžiams ir kitiems augalams, kuriuose vandens išgarinimas per lapų membranas kapiliarais traukia vandenį nuo pat šaknų. X. Zhangas su kolegomis tikina, kad vandeniliniai ryšiai yra ir Mpembos efekto pagrindas. Jų idėjos esminė dalis - kad vandeniliniai ryšiai vandens molekules suartina, o kai taip nutinka, natūralu molekulių tarpusavio stūma ištempia kovalentinius deguonies ir vandenilio ryšiuose - šioje deformacijoje saugoma energija. Tačiau skysčiams kaistant molekulės pradeda aktyviau judėti, išsitempia vandeniliniai ryšiai, o pavienės molekulės nutolsta viena nuo kitos. Dėl to kovalentiniai ryšiai grįžta į įprastinę būseną, atpalaiduodamos energiją. Svarbu tai, kad procesas, kurio metu kovalentinės jungtys atpalaiduoja energiją, yra ekvivalentiškas aušimui. Kovalentinių jungčių ištempimo energijos atpalaidavimo efektas sumuojasi su įprastiniu aušimu. Todėl šiltas vanduo turėtų suledėti greičiau už šaltą, sako mokslininkai. Savo žodžius chemikai pagrindė teoriniais skaičiavimais - kiek karštas vanduo padidina sušalimo greitį - ir išsiaiškino, kad jis tiksliai atitinka eksperimentuose stebėtus suledėjimo greičio skirtumus. Tačiau nors X. Zhango bei kolegų idėja skamba įtikinamai, tai dar nėra nepaneigiamas teorinis įrodymas, kuris patenkintų daugumą fizikų. Taip yra dėl to, kad naujoji teorija nepasižymi gebėjimu prognozuoti - bent jau publikuotame mokslo darbe tai neaprašoma. X. Zhangas su kolegomis dar turės pritaikius savo naująją teoriją prognozuoti naujas vandens savybes, kurių nenumato ligšiolinės žinios. Pavyzdžiui, pakitęs kovalentinių jungčių ilgis gali tapti kokios nors išmatuojamos vandens savybės, kuri nėra stebima kitokiomis sąlygomis priežastimi. Jeigu tokia savybė būtų atrasta ir išmatuota, tai būtų pagrindinė teoriją patvirtinanti vinis. Taigi, labai tikėtina, kad Mpembos efekto mįslė jau įminta, tačiau norint įminimą patvirtinti teks dar šiek tiek paplušėti.
Vandens Reikšmė Gyvybei
Dėl savo unikalių savybių, nulemtų vandenilinių ryšių, vanduo atlieka daugybę svarbių funkcijų gyvose sistemose:
- Terpė cheminėms reakcijoms: Vanduo ląstelėse sudaro tą terpę, kur vyksta medžiagų pernaša, fermentų katalizuojamos metabolinės reakcijos, cheminės energijos pernaša ir kt. Todėl visi gyvosios ląstelės struktūriniai elementai turi prisitaikyti prie fizikinių ir cheminių vandens savybių.
- Termoreguliacija: Didelė vandens šiluminė talpa padeda organizmams palaikyti stabilią kūno temperatūrą. Gyvūnams prakaituojant perteklinė kūno šiluma naudojama prakaitui ggarinti- ir kūnas vėsta.
- Medžiagų pernaša: Vanduo kaip medžiagų apykaitoje dalyvaujantis junginys ir pernašai tinkama terpė. Daugelyje ląstelėse vykstančių reakcijų vanduo arba suvartojamas, arba susidaro. Pavyzdžiui, jis vartojamas vykstant fotosintezei, o susidaro ląstelėms kvėpuojant. Vanduo kaip terpė tinka medžiagoms pernešti tiek ląstelėje, tiek organizme. Gyvūnų organizme daugelį ištirpusių medžiagų perneša kraujas ir limfa. Augaluose vanduo yra gyvybiškai svarbus medžiagoms pernešti medienos ir karnienos indais.
- Struktūrinė funkcija: Vandeniliniai ryšiai padeda palaikyti baltymų ir nukleorūgščių struktūrą, kas yra būtina jų biologinei funkcijai.
Taip pat skaitykite: Kaip kepti lašišą keptuvėje
tags: #vandeniliniai #ryšiai #vandens #virimo #temperatūra