Zasiedlenie lądu przez rośliny i zwierzęta łączy się ściśle z gospodarzeniem wodą przez poszczególnych osobników. Skomplikowane systemy oszczędnego gospodarowania wodą wykształcają się bardzo powoli, dlatego pierwsze lądowe rośliny i zwierzęta nie mogą jeszcze żyć w suchych strefach (np. na pustyniach). Ich występowanie ogranicza się więc do brzegowych stref mórz, jezior i rzek oraz okolic bagiennych. Z drugiej strony rozwój flory przyczynia się do wilgotnych stref na kontynentach. Gleby czysto mineralne magazynują na ogół bardzo mało wody, podczas gdy próchnica i torf są w stanie długo utrzymać więcej wilgoci. Także rośliny oraz powietrze w przestrzeniach o gęstej szacie roślinnej utrzymują wodę. Wszystkim organizmom lądowym niezbędna jest woda, gdyż wszelkie istotne dla życia procesy zachodzą w roztworach wodnych. Poza pozyskiwaniem niezbędnych dla organizmu substancji przez asymilację, rośliny pobierają jeszcze rozpuszczone w wodzie sole mineralne. Również wiele zwierząt żywi się wyłącznie płynnym pokarmem: niektóre muchy, pluskwy i wszy, cykady, komary, motyle, pszczoły, wiele chrząszczy, roztocza i pająki, pijawki, kolibry, pewne nietoperze itd. We wnętrzu organizmów roślinnych i zwierzęcych woda jest najważniejszym środkiem rozpuszczającym i transportującym. Wiele zwierząt wodnych składa się w 90% do 99% z wody ale ssaki też z 65% do 70%. Woda służy nie tylko do pobierania pożywienia, trawienia, wydalania oraz rozprowadzania substancji po krążących w organizmie sokach życiowych. Wyznaczany przez ilość wody poziom chłonności tkanek decyduje też o wielu czynnościach życiowych m.in. o pracy mięśni. Bilans wodny określa także odporność na nadmierne ciepło lub zimno. Życie wyżej zorganizowane nie jest właściwie możliwe powyżej temperatury 42-56°C. Dlatego niektóre zwierzęta zamieszkujące strefy gorące posługują się regularnym systemem parowania i chłodzenia wody, np. antylopa Oryx, która utrzymuje odpowiednią temperaturę krwiobiegu za pomocą specyficznej "chłodnicy", składającej się z cienkich przegród. Woda jest więc "matką życia".
Woda substancją niezbędną do życia
Woda, zarówno pod względem fizycznym jak chemicznym, jest jedną z najbardziej niesfornych substancji. Właśnie to powoduje, że woda jest nieodzowna dla życia. Zwykle ciecz ochładzana zmniejsza swą objętość, a przechodząc w stały stan skupienia kurczy się dalej. Tymczasem woda ochłodzona do temperatury poniżej 4°C zaczyna się rozszerzać. Mówi się więc o tzw. anomalii wody. Zamrożona w temperaturze poniżej 0°C woda nadal zwiększa swą objętość. Dlatego zamarznięta woda, czyli lód, pływa po powierzchni wody. Wody zamarzają od góry do dołu i dlatego dają w zimie bezpieczne schronienie zwierzętom wodnym. Jeśli woda zachowałaby się tak jak inne ciekłe związki wodoru, to w normalnej temperaturze powinna by mieć postać gazu, przy 90°C - cieczy, a zamarzałaby w temperaturze 0°C. Wówczas nie mogłoby oczywiście w ogóle istnieć życie na Ziemi. Jest jeszcze jedna niezwykle ważna sprzeczność: woda najchętniej pozostaje cieczą i z trudem zmienia temperaturę. Potrzeba wiele energii, by przekształcić ją w lód czy gaz albo zmienić jej ciepłotę. Organizmom żywym, składającym się przecież w większej części z wody, zapewnia to daleko idące uodpornienie się na zmiany temperatury. Z chemicznego punktu widzenia cie-kawe jest, że spośród wszystkich cieczy woda jest zdolna rozpuścić w sobie najwięcej substancji, a także wchodzi w skład licznych związków chemicznych. W przyrodzie ożywionej prowadzi to niekiedy do powstania zadziwiających zjawisk. Płyny ustrojowe ryb morskich zawierają mniej soli niż otaczająca je woda. Dla wyrównania tej różnicy stale tracą one wodę na drodze osmozy. Spadek zawartości wody pociąga za sobą konieczność uzupełnienia jej przez picie, przy czym ryby morskie dysponują własnymi mechanizmami odsalania wody. Odwrotny proces zachodzi u ryb słodkowodnych, które stale pobierają wodę przez skórę, gdyż ich płyny ustrojowe zawierają więcej soli niż słodka woda. Nie potrzebują więc pić i wydalają więcej wody, niż jej pobierają z pożywieniem. Charakter osmotycznych mechanizmów regulujących dzisiejszych zwierząt wskazuje wyraźnie skąd się one wywodzą. Można więc określić, czy ich przodkowie żyli w wodach słodkich czy słonych.
Właściwości fizyczne i chemiczne wody.
Woda jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych związków chemicznych w przyrodzie. Jest cieczą bezbarwną, bez smaku i zapachu, ma interesujące anomalie o dużym znaczeniu biologicznym. Od 4oC, w miarę obniżania temperatury, jej gęstość maleje. Dzięki temu woda w jeziorach i rzekach zamarza na powierzchni, co umożliwia istnienie życia biologicznego w głębi. Cząsteczka wody składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Kąt pomiędzy atomami wodoru wynosi 104o 40'. Dzięki kątowej budowie cząsteczka wody ma moment dipolowy. Cząsteczki wody przyciągają się różnoimiennymi biegunami tworząc asocjat, dzięki czemu temperatura wrzenia wody jest stosunkowo wysoka. Biegunowa budowa cząsteczki wody powoduje dobrą rozpuszczalność w wodzie szeregu związków chemicznych.
Wodę otrzymuje się przez spalanie wodoru w tlenie:
2H2 + O2 = 2H2O
Reakcja spalania wodoru jest jedną z najbardziej egzotermicznych reakcji. Cząsteczka wody jest bardzo trwała i zaczyna dysocjować dopiero powyżej 1800 K. Pomimo dużej trwałości woda jest substancją chemiczną aktywną. Niektóre metale, np. Na, K, Ca reagują z nią w temperaturze pokojowej, wydzielając z wody wodór.
Wiele związków chemicznych przyłącza wodę. W związkach nieorganicznych może być ona związana w różny sposób:
- Woda konstytucyjna nie występuje w związkach chemicznych jako cząsteczka wody, natomiast wydziela się w czasie ich rozkładu. Należy tutaj m.in. Ca(OH)2, KOH, H2SO4, itp. Na przykład pod wpływem ogrzewania:
Ca(OH)2 --> CaO+H2O
- Woda koordynacyjna związana jest z cząsteczką specjalnym wiązaniem koordynacyjnym, np.:
[Cu(NH3)4 (H2O)2]+3, [Cr(H2O)6]+3
- Woda krystalizacyjna jest związana w kryształkach związków jonowych w ilościach stechiometrycznych np. CuSO4.5H2O. Usunięcie jej z takich substancji jest bardzo trudne.
- Woda sieciowa. Podczas ogrzewania związków zawierających wodę sieciową nie obserwuje się powstawania nowych faz. Woda ta zawarta jest pomiędzy warstwami sieci krystalicznej.
Woda w przyrodzie
Woda w przyrodzie nigdy nie jest czysta, lecz zawiera pewną ilość zawiesin, rozpuszczonych związków chemicznych i gazów. Woda z opadów atmosferycznych jest stosunkowo najbardziej czysta. Zawiera jednak zawsze pewne ilości pyłów i rozpuszczonych gazów. Woda rzek i jezior zawiera pewne ilości rozpuszczonych soli, głównie węglanu wapniowego i magnezowego. Woda morska zawiera duże ilości soli przede wszystkim NaCl. W Bałtyku zasolenie jest stosunkowo małe i wynosi 2%.
Twardość wody
Zapotrzebowanie wody dla celów przemysłowych jest duże i wzrasta w dużym tempie. W zależności od celów woda musi być odpowiednio oczyszczona. Duże wymagania stawia się wodzie do zasilania kotłów. Musi być ona pozbawiona soli mineralnych a przede wszystkim węglanu wapnia. W czasie gotowania węglan wapnia osadza się na ściankach tworząc tzw. kamień kotłowy. Kamień kotłowy ma bardzo małe przewodnictwo cieplne, co powoduje duże straty ciepła. Nagłe odpryski kamienia kotłowego mogą doprowadzić do przegrzania wody i wybuchu kotła. Woda używana w przemyśle włókienniczym nie może zawierać soli metali ciężkich. Szczególnie duże wymagania stawia się wodzie do picia. Wprowadzono pojęcie twardości wody. Dotyczy ono zawartości w wodzie związków wapnia, magnezu, żelaza i krzemu. Twardość wody wyraża się w stopniach, np. jeden stopień francuski oznacza zawartość 1 g węglanu wapnia w 100 dcm3 wody. Wprowadza się następujące pojęcia:
- Twardość całkowita, która jest sumą twardości węglanowej i niewęglanowej.
- Twardość węglanowa - spowodowana zawartością Ca(HCO3)2 i Mg(HCO3)2. Można ją usunąć przez zagotowanie wody.
Ca(HCO3)2 = CaCO3 +H2O+CO2
- Twardość niewęglanowa - spowodowana zawartością w wodzie innych soli wapnia i magnezu, jak np. CaSO4, MgSO4, CaCl2 i MgCl2.