Вопрос№30. Вода. Строение молекулы. Свойства воды. Роль воды в биологических объектах.

Вода – это самое распространенное в природе соединение. Ее молекула состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Молекула воды образована по типу ковалентной полярной связи.

Вода – это бесцветная, прозрачная жидкость, без запаха и вкуса, температура кипения 100 ⁰С, температура замерзания 0 ⁰С, плотность 1г/см³.

Вода – это единственное соединение, которое в природных условиях существует в трех агрегатных состояниях: твердом (лед), жидком, газообразном (пар). Эти состояния взаимнопереходные.

Химические свойства:

1. Взаимодействие воды с активными металлами. Эти реакции относятся к ОВР. При комнатной температуре реагируют лишь наиболее активные – щелочные и щелочноземельные металлы:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂

2. Вода взаимодействует с растворимыми кислотными оксидами с образованием соответствующей кислоты:

3H₂O + P₂O₅ = 2H₃PO₄

3. При взаимодействии воды с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов образуются растворимые или малорастворимые в воде гидроксиды:

Na₂O + H₂O = 2NaOH

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

4. Вода взаимодействует со сложными веществами:

Ca₃P₂ + 3H₂O = 3CaO + 2PH₃

Содержание воды в пищевых продуктах колеблется в широких пределах: от 3-5% в сухом молоке до 95% в плодах и овощах. От содержания воды в пищевых продуктах зависят свойства и стойкость продуктов при хранении. Она является средой, в которой происходят физические и химические взаимодействия. Вода непосредственно участвует в биохимических реакциях и диффузионных процессах. Она может создавать условия, которые способствуют развитию микроорганизмов. Она влияет на физическое состояние продукта.

Свойства воды в продуктах и биологических объектах отличаются от обычной питьевой воды. Для описания состояния воды введены понятия свободная и связанная вода. Свободная вода характеризуется тем, что её образуют в продукте (биологическом объекте) структуру, близкую к структуре обычной питьевой воды. Связанная вода характеризуется тем, что её молекулы соединены с молекулами белков и других растворённых веществ, а так же с ионами или другими заряженными частицами. Её пространственная структура деформирована. Связанной воды в живых клетках больше, чем в мембранах, а в продуктах животного происхождения больше, чем в растительных.

Вопрос№31. Растворы. Их характеристика. Гидратная теория растворов. Сольваты и гидраты, кристаллогидраты. Роль водных растворов в биологических системах.

Раство́р — гомогенная (однородная) смесь, образованная не менее чем двумя компонентами, один из которых называется растворителем, а другой растворимым веществом, это также система переменного состава, находящаяся в состоянии химического равновесия. Химический раствор — это смесь одной или нескольких кислот с водой.

Раствор — однофазная система переменного состава, состоящая из двух или более компонентов. Растворы — гомогенные (однородные) системы, то есть каждый из компонентов распределён в массе другого в виде молекул, атомов или ионов.

Растворитель — компонент, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора. В случае же растворов, образующихся при смешении газа с газом, жидкости с жидкостью, твёрдого вещества с твёрдым, растворителем считается компонент, количество которого в растворе преобладает.

Образование того или иного типа раствора обусловливается интенсивностью межмолекулярного, межатомного, межионного или другого вида взаимодействия, то есть, теми же силами, которые определяют возникновение того или иного агрегатного состояния. Отличия: образование раствора зависит от характера и интенсивности взаимодействия частиц разных веществ.

По сравнению с индивидуальными веществами по структуре растворы сложнее.

Растворы бывают газовыми, жидкими и твёрдыми.

Гидраты — продукты присоединения воды к неорганическим и органическим веществам.

Этот термин раньше широко применялся для всех соединений, выделяющих воду при нагревании. Так NaOH называли гидратом окиси натрия. Однако сейчас гидратами называют только соединения, в которых молекула воды присутствует в виде отдельной структурной единицы. Джон Доу в своей книге «Гидраты природного газа» даёт следующее определение гидратов, которое применяется в нефтегазовой промышленности: «гидратами» называют вещества, которые при комнатной температуре обычно находятся в газообразном состоянии. В число таких веществ входят метан, этан, двуокись углерода и сероводород. Отсюда возник термин «газовые гидраты», а также одно из широко распространённых заблуждений, связанных с этим видом соединений. Многие ошибочно полагают, что неводные жидкости неспособны к гидратообразованию, однако на самом деле гидраты могут образовываться и другими жидкостями. В качестве примера вещества, которое при комнатных условиях находится в жидком состоянии, но всё же образует гидрат, можно назвать дихлордифторметан (фреон-12)". Причину образования гидратов Дж. Кэрролл объясняет так: "способность воды образовывать гидраты объясняется наличием в ней водородных связей. Водородная связь заставляет молекулы воды выстраиваться в геометрически правильные структуры. В присутствии молекул некоторых веществ эта упорядоченная структура стабилизируется и образуется смесь, выделяемая в виде твёрдого осадка. Молекулы воды в таких соединениях называются «хозяевами», а молекулы других веществ, стабилизируюшие кристаллическую решётку — «гостями» (гидратообразователями). Кристаллические решётки гидратов имеют сложное, трёхмерное строение, где молекулы воды образуют каркас, в полостях которого находятся заключённые молекулы-гости. Считается, что стабилизация кристаллической решётки в присутствии молекул-гостей обусловлена ван-дер-ваальсовыми силами, которые возникают из-за межмолекулярного притяжения, не связанного с электростатическим притяжением. Ещё одна интересная особенность газовых гидратов заключается в отсутствии связей между молекулами-гостями и хозяевами. Молекулы-гости могут свободно вращаться внутри решёток, образованных молекулами-хозяевами. Таким образом, данные соединения лучше всего описать как твёрдые растворы.

Кристаллогидраты — кристаллы, содержащие молекулы воды и образующиеся, если в кристаллической решётке катионы образуют более прочную связь с молекулами воды, чем связь между катионами и анионами в кристалле безводной соли. При низких температурах вода в кристаллогидратах может быть связана как с катионами, так и с анионам солей. Многие соли, а также кислоты и основания выпадают из водных растворов в виде кристаллогидратов.