Rola wody w przyrodzie w szczególnym uwzględnieniu jako rozpuszczalnika

Woda jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych związków chemicznych na Ziemi, a zarazem związkiem podstawowym, decydującym o istnieniu życia na naszej planecie. Stanowi główny składnik organizmów roślinnych i zwierzęcych oraz jest niezbędna dla prawidłowego funkcjonowania organizmu, np. do oddychania, regulacji temperatury ciała u zwierząt, umożliwia przemianę pożywienia w energię i przyswajanie substancji odżywczych, usuwa zbędne produkty przemiany materii itp. Ciało człowieka zawiera około 60 % wody (woda we krwi stanowi 78 - 84% jej ciężaru, w mięśniach 75 - 80%, w szkielecie 22 – 34 %). Utrata 3% wody u człowieka powoduje uczucie zmęczenia, ból i zawroty głowy, może wywołać poważne zaburzenia funkcjonowania organizmu. Przy utracie 10% wody objawy odwodnienia zagrażają życiu. Dzienne zapotrzebowanie dorosłego człowieka na wodę wynosi od 2 - 12 litrów, zależnie od temperatury środowiska i rodzaju wysiłku fizycznego. Zaś kiełkowanie, wzrost i rozwój roślin są bez niej niemożliwe, dlatego niektórzy nazywają ją matką urodzaju.
Człowiek wykorzystuje wodę w celach spożywczych, higienicznych i sanitarnych oraz w gospodarstwie domowym. Bez niej niemożliwe byłoby mycie, kąpiel, pranie i zmywanie. Woda regeneruje siły fizyczne i psychiczne, koi nerwy, zaspokaja potrzeby estetyczne i lecznicze.
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 4C zaczyna się rozszerzać. Mówi się, więc o tzw. anomalii wody. Zamrożona w temperaturze poniżej 0C 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 90C - cieczy, a zamarzałaby w temperaturze 0C. 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 ciekawe 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.

Woda jest cieczą bezbarwną, bez smaku i zapachu, 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,

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.



Jest ona głównym rozpuszczalnikiem dla „pierwiastków życia” występujących w biosferze. Pełni też rolę czynnika transportującego związki do wszystkich komórek ciała.

Wraz z innym związkami chemicznym służy ona do produkcji substancji niezbędnych do rozwoju roślin. Woda transportuje składniki pokarmowe pomiędzy korzeniami i liśćmi. Dzięki ciśnieniu wody w komórkach rośliny zachowują jędrność- turgor. Bez wody więdną.
Rośliny pobierają zwykle wodę korzeniami, a wydalają przez tak zwane aparaty szparkowe liści. Rośliny występujące w suchym klimacie, sukulenty, gromadzą ją w grubych, mięsistych liściach lub pędach. Często mają ciernie lub liście pokryte woskową powłoką zapobiegającą szybkiemu parowaniu wody.,

Organizm składa się przeciętnie w 70 do 80% z wody. W cytoplazmie woda stanowi fazę rozpraszającą koloidu,a w niej zawieszona jest faza rozproszona.
Woda występuje w płynach tkankowych, płynach ustrojowych, w naczyniach limfatycznych i krwionośnych. Płyny te zapewniają komórkom właściwe środowisko życia, umożliwiają komunikacje miedzy komórkami.
Woda jest substratem w wielu procesach np. w fotosyntezie i trawieniu, lub produktem, np. w oddychaniu tlenowym.

Uwodnienie wielu organizmów oraz poszczególnych tkanek i narządów może nawet znacznie odbiegać od przeciętnej zawartości wody w organizmie.
Odwodnienie organizmu powoduje poważne zaburzenia czynności życiowych. Niedobór wody ogranicza rozwój. 20% odwodnienia jest śmiertelne dla człowieka.
Silne odwodnienie nie zawsze jest katastrofa dla organizmu. Dla wielu stanowi szanse przetrwania niekorzystnych warunków środowiskowych. Często łączy się to z powstaniem form przetrwalnikowych.

Ograniczenie procesów biochemicznych a tym samym czynności życiowych, na skutek odwodnienia nosi nazwę życia utajonego, jego skrajna forma, kiedy utrata wody jest maksymalna nosi nazwę anabiozy.

Woda posiada olbrzymie zasoby energii. Od zarania świata drążyła doliny, przecinała góry i formowała cale obszary ladowe. Te sile wody można ujarzmiać i wykorzystywać.
Energie z wody wytwarza sie w elektrowniach wodnych. Na swiecie istnieje niewiele takich elektrowni. Powodem tego jest trudnosc w wyborze dogodnych miejsc u wybrzezy (aby nie niszczyc przy tym nadmiernie przyrody), gdyz róznica poziomów przyplywu i odplywu musi byc odpowiednio duza (by oplacal sie naklad sil i srodków). Idea wykorzystania przyplywów i odplywów do wytwarzania energii nie jest nowa. Juz przed 900 laty, glównie w Anglii, budowano mlyny wykorzystujace w ten sposób energie fal.


Bibliografia:
„Encyklopedia Oxford” tom 4
“Ilustrowany Słownik Szkolny -Biologia”
„Biologia” M. Kłyś