Woda

Nie ma życia bez wody



Zasiedlenie lądu przez rośliny i zwierzęta łączy się ściśle z gos-podarzeniem wodą przez poszcze-gólnych osobników. Skomplikowane systemy oszczędnego gospoda-rowania wodą wykształcają się ba-rdzo powoli, dlatego pierwsze lą-dowe 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 roz-wój flory przyczynia się do wilgot-nych 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. Wszyst-kim organizmom lądowym nie-zbędna jest woda, gdyż wszelkie istotne dla życia procesy zachodzą w roztworach wodnych. Poza pozyskiwaniem niezbędnych dla organizmu substancji przez asymila-cję, rośliny pobierają jeszcze rozpuszczone w wodzie so-le mineralne. Również wiele zwie-rząt żywi się wyłącznie płynnym pokarmem: niektóre muchy, plus-kwy i wszy, cykady, komary, mo-tyle, pszczoły, wiele chrząszczy, roztocza i pająki, pijawki, kolibry, pewne nietoperze itd. We wnętrzu organizmów roślinnych i zwierzę-cych woda jest najważniejszym środkiem rozpuszczającym i trans-portującym. Wiele zwierząt wod-nych składa się w 90% do 99% z wody ale ssaki też z 65% do 70%. Woda służy nie tylko do pobierania pożywie-nia, trawienia, wydalania oraz rozprowadzania substancji po krążących w organizmie sokach życiowych. Wyznaczany przez ilość wody poziom chłonności tka-nek decyduje też o wielu czynnoś-ciach życiowych m.in. o pracy mię-śni. Bilans wodny określa także odporność na nadmierne ciepło lub zimno. Życie wyżej zorganizo-wane nie jest właściwie możliwe powyżej temperatury 42-56C. Dlatego niektóre zwierzęta zamie-szkujące strefy gorące posługują się regularnym systemem parowania i chłodzenia wody, np. antylopa Oryx, która utrzymuje odpowied-nią temperaturę krwiobiegu za po-mocą 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 powodu-je, że woda jest nieodzowna dla życia. Zwykle ciecz ochładzana zmniejsza swą objętość, a prze-chodząc w stały stan skupienia kurczy się dalej. Tymczasem woda ochłodzona do tempera-tury poniżej 4C zaczyna się rozszerzać. Mówi się więc o tzw. anomalii wody. Zamrożona w temperaturze poniżej 0C woda nadal zwiększa swą ob-jętość. Dlatego zamarznięta woda, czyli lód, pływa po po-wierzchni wody. Wody zama-rzają od góry do dołu i dlatego dają w zimie bezpieczne schro-nienie zwierzętom wodnym. Je-śli woda zachowałaby się tak jak inne ciekłe związki wodoru, to w normalnej temperaturze powinna by mieć postać gazu, przy 90C - cieczy, a zamarzała-by w temperaturze 0C. Wów-czas nie mogłoby oczywiście w ogóle istnieć życie na Ziemi. Jest jeszcze jedna niezwykle wa-żna sprzeczność: woda najchęt-niej 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 wię-kszej części z wody, zapewnia to daleko idące uodpornienie się na zmiany temperatury. Z che-micznego punktu widzenia cie-kawe jest, że spośród wszyst-kich cieczy woda jest zdolna rozpuścić w sobie najwięcej sub-stancji, a także wchodzi w skład licznych związków chemicz-nych. W przyrodzie ożywionej prowadzi to niekiedy do po-wstania zadziwiających zja-wisk. Płyny ustrojowe ryb mor-skich zawierają mniej soli niż otaczająca je woda. Dla wyrów-nania tej różnicy stale tracą one wodę na drodze osmozy. Spa-dek zawartości wody pociąga za sobą konieczność uzupełnienia jej przez picie, przy czym ryby morskie dysponują własnymi mechanizmami odsalania wo-dy. Odwrotny proces zachodzi u ryb słodkowodnych, które stale pobierają wodę przez skó-rę, gdyż ich płyny ustrojowe zawierają więcej soli niż słodka woda. Nie potrzebują więc pić i wydalają więcej wody, niż jej pobierają z pożywieniem. Cha-rakter osmotycznych mechaniz-mów regulujących dzisiejszych zwierząt wskazuje wyraźnie skąd się one wywodzą. Można więc określić, czy ich przodko-wie 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.