Том 1 (Р. Эккерт - Физиология животных - механизмы и адаптации в 2-х томах), страница 9

Такое расположение молекул лежит в основекристаллической структуры наиболее распространенной формы льда (рис. 2-11).Рис. 2.11. Кристаллическая структура льда. (Loewy, Siekevitz, 1969.)2322 :: 23 :: Содержание24 :: Содержание2.3.2. Свойства водыОбразованная с участием водородных связей структура воды оченьнеустойчива-время жизни водородной связи в жидкой воде составляет всегооколо 10 -10-10-11 с. Это обусловлено тем, что водородная связь принадлежит ккатегории относительно слабых связей. Чтобы разорвать ее, требуется энергиявсего лишь 4,5 ккал/моль, тогда как энергия ковалентной связи О-Н в молекулеводы составляет 110 ккал/моль.

В результате любое конкретное распределениесвязей между молекулами Н2О сохраняется лишь очень непродолжительноевремя, какой-то миг, однако при постоянной температуре доля молекул,связанных водородными связями со своими соседями, постоянна во времени изза статистического усреднения.Несмотря на свою относительную слабость, водородные связи увеличиваютполную энергию (т.е.

количество тепла), которую необходимо затратить наотделение индивидуальной молекулы от остальной массы. По этой причинетемпературы плавления и кипения и теплота парообразования у воды гораздовыше, чем у других простых гидридов разных элементов, выступающих в роликислорода (например, NH3, HF, H 2S). Из всех простых гидридов только у водыточка кипения (100°С) лежит значительно выше тех температур, которыехарактерны для поверхности Земли. Статистический, лабильный характерсвязывания между собой молекул воды является также причиной того, что водаимеет необычайно высокие когезионную способностьи коэффициентповерхностного натяжения.Рис. 2.72.

А. Внутренняя структура кристаллической решёткихлористого натрия.Б. Структура, построенная с учетом относительных размеров ионов Na+ и Сl-.(Mohan, 1966.)Мало кто сомневается в том, что моря и озера являли бы собой сплошныетолщи льда, исключая тонкий слой воды на поверхности, если бы лед былплотнее (а стало быть, тяжелее) воды и нарастал снизу вверх, а не сверху вниз.Лед имеет меньшую плотность по сравнению с водой, потому что обладаетрыхлой кристаллической структурой, тогда как у воды в силу ее менееупорядоченной молекулярной организации молекулы расположены в среднемближе друг к другу, т.е. упакованы плотнее.2424 :: Содержание24 :: 25 :: 26 :: Содержание2.3.3. Вода как растворительАлхимики средневековья, которые искали универсальный растворитель, таки не смогли найти растворителя более эффективного и более "универсального",чем вода.

Этой своей способности вода в значительной степени обязана тому,что она обладает большой диэлектрической проницаемостью 1, которая служитвыражением электростатической полярности ее молекул. Наиболее убедительноэто демонстрируют ионные соединения, или электролиты, которые могутпредставлять собой соли, кислоты и основания и которые обладаютспособностью диссоциировать на ионы при растворении в воде. (Вещества,которые при растворении не диссоциируют на ионы и, следовательно, неувеличиваютпроводимостираствора,называются неэлектролитами.Типичными представителями неэлектролитов являются сахара, спирты и масла.)На рис. 2-12 показана упаковка ионов Na+ и Сl- в кристалле хлористогогде f - сила (в динах) взаимодействия двух электрических зарядов q1 и q2 (вединицах СГСЭ), d- расстояние (в сантиметрах) между этими зарядами, εдиэлектрическая проницаемость.24Рис.

2.13. Гидратация соли в воде. Атомы кислородав молекулах воды притягиваются к катионам, а атомы водорода-к анионам. (Biology Today, 1972.)натрия. Такая высокоупорядоченная кристаллическая структура прочноудерживается силами электростатического притяжения между положительнозаряженными ионами натрия и отрицательно заряженными ионами хлора.Жидкость, состоящая из неполярных молекул, например молекул гексана, неможет растворить этот кристалл, потому что в неполярном растворителе неттакого источника энергии, с помощью которого можно было бы оторвать ион отостальной части кристалла. Вода, однако, способна растворить кристалл NaCl,равно как и большинство других ионных соединений (в том числе соли,кислоты, основания), поскольку биполярные молекулы воды способныпреодолеть силы электростатического взаимодействия между ионами, как этопоказано на рис.

2-13. Дробный отрицательный заряд на атоме кислородаобусловливает слабое электростатическое связывание последнего сположительно заряженным катионом (Na+ в данном случае), а дробныйположительный заряд на атоме водорода - образование слабойэлектростатической связи между водородом и отрицательно заряженныманионом (СГ). Явление группирования молекул воды вокруг каждого отдельногоиона или полярной молекулы называют сольватацией или гидратацией.Молекулы воды вокруг ионов ориентируются таким образом, что ихположительные полюсы направлены к анионам, а отрицательные-к катионам,что еще более ослабляет электростатическое притяжение между раствореннымикатионами и анионами ионного соединения.

В определенном смысле молекулыН2О действуют как изолятор. Первая оболочка из молекул воды притягивает ксебе другие млекулы воды, ориентированные в противоположном направлении,которые образуют, таким образом, вторую оболочку из молекул воды;связывание здесь слабее, чем в предыдущем случае. Вторая оболочка можетдаже притянуть еще какие-то молекулы воды в третью оболочку. Такимобразом, каждый ион может нести значительное количество гидратаиионнойводы.

При одном и том же заряде эффективный диаметр гидратированного ионасвязан обратной зависимостью с диаметром иона. Например, ионные радиусыNa+ и К+ равны соответственно 0,095 и 0,133 нм, а эффективные радиусы ихгидратных оболочек составляют соответственно 0,24 и 0,17 нм. Наличиеобратной зависимости в данном случае объясняется тем, что силаэлектростатического взаимодействия между ядром соответствующего иона ибиполярной молекулой воды резко убывает с увеличением расстояния междуними (рис.

2-14). Таким образом, ион меньших размеров сильнеевзаимодействует с молекулами воды, вследствие чего связывает больше такихмолекул.Вода растворяет также некоторые органические вещества (например,спирты и сахара), не диссоциирующие на ионы в растворе, но обладающие темне менее свойством полярности. Напротив, абсолютно неполярные соединениятипа жиров и масел вода не растворяет и не смешивается с ними, поскольку онане может образовывать с этими соединениями водородные связи. Однако водачастично реагирует с амфифильными соединениями, у которых есть и полярная,и неполярная группы. Хорошим примером может служить "мыльная" молекула(рис.

2-15), одна часть которой представляет собой гидрофильную(водолюбивую)полярнуюголовку,адругая- гидрофобный(водоотталкивающий) неполярный "хвост". Если в воду добавить натриевуюсоль олеиновой кислоты и потрястд эту смесь, вода разобьет этот второйкомпонент на мельчайшие капли. Молекулы натриевой соли олеиновой кислотыв такой капле, или мицелле, располагаются так, как это показано на рис.

2-16: ихгидрофобные, неполярные хвостовые группы обращены к центру, агидрофильные, полярные головки располагаются по периметру, т. е. обращенынаружу, что позволяет им взаимодействовать с водой. Точно так же ведут себямолекулы фосфолипидов, которые тоже состоят из гидрофобных игидрофильных групп. Такое свойство воды-содействовать образованию мицелламфифильнымимолекулами-имеетважноезначениедляпроцессаформирования биологических мембран; оно могло лежать в основе созданияпервых, напоминающих клетку, структур в богатых органикой мелких морях.Как полагают, именно25Рис.

2.14. Зависимость от расстояния силы взаимодействия между ионом и носителем заряда. Какпоказано на рисунке, сила f электростатического взаимодействия между ионом и носителем зарядапротивоположного знака обратно пропорциональна расстоянию d между ними, возведенному внекоторую степень а. А. Для точечного заряда, или монополя, показатель степени равен 2, т.е. силаобратно пропорциональна квадрату расстояния. Б.

Для диполя, например молекулы воды, величина аможет достигать 4. В. Характер убывания силы электростатического взаимодействия с расстоянием дляэтих двух значений а. Для воды и положительного точечного заряда а ближе к 3.в таких морях жизнь делала свои первые шаги на пути эволюционного развития.261 Диэлектрическаяпроницаемость - это величина, характеризующая уменьшение(по сравнению с вакуумом) силы электростатического взаимодействия междудвумя зарядами, находящимися в данной диэлектрической среде. Сила в этомслучае определяется (в системе СГСЭ) выражением24 :: 25 :: 26 :: Содержание26 :: 27 :: 28 :: Содержание2.4.

Растворы и их коллигативныесвойстваВ химии количество любого чистого вещества принято выражать в молях.Эта единица определяется как такое количество вещества, масса которого вграммах численно равна молекулярной массе вещества. Таким образом, 12 гчистого нуклида 12С-это то же самое, что 1 моль 12С или 6,022-1023 (числоАвогардо) атомов углерода. И наоборот, в 2 г (т. е.

1 моль) Н2, или в 28 г (1 моль)N2, или в 32 г (1 моль) О2 содержится 6,022-1023 молекул.Рис. 2.15. Структурная формула полярной молекулы липидаолеата натрия-и ее условное обозначение.Рис. 2.16. Поведение полярных липидных молекул в полярном растворителе (например, в воде).Гидрофобные концы молекулы, стремясь избежать контакта с полярным растворителем, группируютсявнутри мицеллы. (Lehninger, 1975.)26В некоторых случаях требуется выразить количество растворенноговещества в единицах моляльности, которая представляет собой число молейвещества, растворенного в 1000 г растворителя (не раствора). Если 1 мольрастворимого вещества (например, 342,3 г сахарозы) растворен в 1000 г воды, тополученный раствор будет называться одномолялънъм.

Хотя 1 л водыэквивалентен по весу 1000 г, суммарный объем раствора, содержащего 1000 гводы плюс 1 моль вещества, будет несколько больше или меньше 1 л на какуюто непредсказуемую величину. Поэтому, когда речь идет о концентрации,моляльностью, как правило, не пользуются. Более удобной мерой концентрации,используемой в физиологии, служит молярностъ. Одномолярный (1 М) растворэто такой раствор, в котором 1 моль растворенного вещества вместе срастворителемдает общий конечный объем 1 л. Такая концентрациязаписывается как 1 моль/л, или 1 М. В лабораторных условиях 1 М растворприготовляют, просто добавляя воду к 1 молю вещества до конечного объема 1л.

Миллимолярный раствор (мМ) содержит 1/1000 моль/л, а микромолярный(мкМ)-10-6 моль/л. Если раствор содержит эквимолярные концентрации двухкомпонентов, то в единице объема число молекул одного компонента равночислу молекул другого.Суммарную концентрацию всех растворенных веществ в растворе иногдаполучают путем измерения коллигативных свойств раствора (измеряя,например, понижение точки замерзания). Концентрации, полученные такимобразом, выражают в осмолях или миллиосмолях.