Definicja pojęcia:

woda

Woda, tlenek wodoru, oksydan (H₂O) – trwały nieorganiczny związek chemiczny zbudowany z dwóch atomów wodoru przyłączonych do atomu tlenu za pomocą pojedynczych wiązań kowalencyjnych spolaryzowanych, stanowiący najbardziej rozpowszechnioną substancję na kuli ziemskiej i jedyną występującą w przyrodzie we wszystkich trzech stanach skupienia materii – stanie ciekłym, stałym (jako lód) i gazowym (jako para wodna). Woda w warunkach standardowych jest przezroczystą cieczą o lekkim jasnoniebieskim zabarwieniu, pozbawioną smaku i zapachu, wrzącą w temperaturze 100°C i ulegającą krzepnięciu w temperaturze 0°C.
  1. Występowanie wody na kuli ziemskiej
  2. Budowa i właściwości chemiczne wody
  3. Właściwości fizyczne wody
  4. Znaczenie biologiczne wody

Woda (H₂O) ma budowę polarną, wynikającą z nierównomiernego rozmieszczenia ładunków elektrycznych w jej cząsteczce (przesunięcia elektronów wiązań kowalencyjnych w kierunku tlenu o większej elektroujemności). Wiązania wodorowe tworzące się pomiędzy polarnymi cząsteczkami wody warunkują jej wysokie ciepło właściwe, duże ciepło parowania i ciepło topnienia, nietypową rozszerzalność temperaturową, dużą stałą dielektryczną, właściwości kohezyjne oraz wysokie napięcie powierzchniowe. Woda, dzięki polarnej budowie cząsteczek i zdolności tworzenia wiązań wodorowych, jest uniwersalnym rozpuszczalnikiem dla jonów oraz innych substancji polarnych. Stanowi podstawowy składnik strukturalny organizmów żywych; obecna jest w ich komórkach, tkankach, narządach oraz płynach ustrojowych. Bierze udział w większości procesów metabolicznych, transporcie substancji odżywczych, zbędnych produktów przemiany materii, hormonów i enzymów oraz regulacji równowagi wewnętrznej (homeostazy) organizmu. Wody wchodzące w skład hydrosfery są środowiskiem życia dla licznych organizmów żywych (bakterii i archeowców, protistów, grzybów, roślin i zwierząt).

Występowanie wody na kuli ziemskiej

Woda (H₂O) jest nieorganicznym związkiem chemicznym stanowiącym jedną z najbardziej rozpowszechnionych substancji na kuli ziemskiej oraz jedyną występującą w przyrodzie we wszystkich trzech stanach skupienia materii – stanie stałym (jako lód), stanie ciekłym i stanie gazowym (jako para wodna). Wody wchodzące w skład wodnej powłoki Ziemi (hydrosfery) obejmują wody powierzchniowe (morza, oceany, rzeki, jeziora, bagna, mokradła, lodowce kontynentalne i górskie), wody podziemne (wody infiltracyjne, wody kondensacyjne, wody juwenilne, wody reliktowe), wodę występującą w atmosferze (para wodna w troposferze, woda ciekła w dolnych partiach chmur i kryształki lodu w górnych partiach chmur), górnej warstwie litosfery, pedosferze (para wodna w przestworach glebowych, roztwór glebowy, lód gruntowy) oraz biosferze (woda biologiczna stanowiąca podstawowy składnik wszystkich organizmów żywych wchodzący w skład ich komórek i płynów ustrojowych).

Przeważającą większość wód hydrosfery stanowią wody słone – morza i oceany (ok. 96,5%), pozostałą część wodnej powłoki kuli ziemskiej stanowią wody słodkie, woda biologiczna, para wodna w atmosferze i pedosferze oraz wody występujące w postaci lodowców, lodu gruntowego oraz stałej pokrywy śnieżnej (ok. 3,5%). Woda nieustannie krąży w przyrodzie pomiędzy środowiskami wodnymi i lądowymi oraz atmosferą zapewniając im stały dopływ zasobów wodnych. Obieg wody na kuli ziemskiej, zwany cyklem hydrologicznym, obejmuje parowanie wody z powierzchni wód i gleby oraz transpirację roślin lądowych, przenoszenie pary wodnej w atmosferze, kondensację pary wodnej, tworzenie się chmur i powstawanie opadów atmosferycznych (deszczu, śniegu), odpływ powierzchniowy i odpływ podziemny. Woda występuje w przyrodzie również w stanie związanym w postaci wody konstytucyjnej (wchodzącej w skład związków chemicznych, np. wodorotlenków, hydroksysoli, kwasów tlenowych), wody krystalizacyjnej (wbudowanej w sieć krystaliczną hydratów) oraz wody zeolitowej (występującej w postaci niezwiązanych cząsteczek H₂O w wolnych przestrzeniach sieci krystalicznej uwodnionych minerałów glinokrzemianowych – zeolitów).
Woda stanowi jedną z najbardziej rozpowszechnionych substancji na kuli ziemskiej. Źródło: shutterstock

Budowa i właściwości chemiczne wody

Woda (H₂O), zwana także tlenkiem wodoru bądź oksydanem, jest trwałym nieorganicznym związkiem chemicznym zbudowanym z dwóch atomów wodoru przyłączonych do jednego atomu tlenu za pośrednictwem pojedynczych wiązań kowalencyjnych spolaryzowanych. Cząsteczka wody jest cząsteczką nieliniową; atomy wodoru położone są po jednej stronie atomu tlenu, a kąt pomiędzy wiązaniami H-O-H wynosi 104,5° (dla wody w stanie ciekłym). Długość wiązania kowalencyjnego łączącego atom wodoru z atomem tlenu (wiązania H-O) wynosi ok. 0,096 nm. Woda ma budowę polarną (dwubiegunową) i wykazuje elektryczny moment dipolowy o wartości 6,15 ∙ 10–30 C ∙ m (1,83 D), co jest wynikiem nierównomiernego rozmieszczenia ładunków elektrycznych w jej cząsteczce. Elektrony wiązań kowalencyjnych przesunięte są w stronę bardziej elektroujemnego atomu tlenu, czyli atomu cechującego się większym powinowactwem do elektronów niż jądra atomu wodoru. Skutkiem polaryzacji tych wiązań jest obecność regionu tlenu o częściowym ładunku ujemnym (δ-) oraz regionu wodoru posiadającego częściowy ładunek dodatni (δ+). Polarne cząsteczki wody łączą się ze sobą w większe zespoły cząsteczkowe (asocjaty) za pomocą wiązań wodorowych (mostków wodorowych) powstających wskutek elektrostatycznego przyciągania lekko ujemnego atomu tlenu jednej cząsteczki przez lekko dodatni atom wodoru drugiej cząsteczki wody. W stanie ciekłym zespoły cząsteczkowe są strukturami nietrwałymi wskutek nieustannego tworzenia się i rozrywania delikatnych wiązań wodorowych między cząsteczkami wody; w stanie stałym natomiast każda cząsteczka wody związana jest mostkami wodorowymi z czterema innymi cząsteczkami tworząc luźną sieć cząsteczkową o stosunkowo dużej trwałości.
Budowa cząsteczki wody. Źródło: shutterstock

Woda jest związkiem chemicznym o charakterze amfoterycznym (ściślej amfiprotycznym), który zgodnie z teorią Brønsteda (teorią kwasów i zasad Brønsteda-Lowry’ego) w reakcjach zachodzących w roztworze wodnym może wykazywać właściwości kwasu, czyli substancji zdolnej do odłączenia protonów z cząsteczki (donora protonów) bądź zasady, czyli substancji zdolnej do przyłączenia protonów do swej cząsteczki (akceptora elektronów). Amfoteryczne właściwości wody przejawiają się w procesie dysocjacji elektrolitycznej (autodysocjacji wody, autoprotolizy wody):

H₂O + H₂O ⇆ H₃O⁺ + OH⁻

w którym każda cząsteczka wody może pełnić funkcję donora protonów, czyli wykazywać zdolność do odłączenia jonu wodorowego (H⁺), przechodząc w jon wodorotlenkowy (OH⁻):

H₂O → H⁺ + OH⁻

i funkcję akceptora protonów, czyli wykazywać zdolność do przyłączenia jonu wodorowego (H⁺), przechodząc w jon hydroniowy (H₃O⁺):

H+ + H₂O → H₃O⁺

Woda, dzięki polarnej budowie swych cząsteczek i zdolności tworzenia wiązań wodorowych, stanowi uniwersalny rozpuszczalnik związków jonowych (np. soli, kwasów, zasad) i polarnych związków drobnocząsteczkowych (np. cukrów prostych, dwucukrów, alkoholi); w wodzie rozpuszczają się również związki wielkocząsteczkowe posiadające na swej powierzchni hydrofilowe regiony jonowe i polarne (np. białka, wielocukry). Właściwość ta ma istotne znaczenie w transporcie składników odżywczych (np. cukrów, soli mineralnych, witamin) w sokach roślinnych bądź płynach ustrojowych zwierząt. Rozpuszczanie związków jonowych (np. chlorku sodu, NaCl) w wodzie polega na elektrostatycznym przyciąganiu jej polarnych cząsteczek przez jony wykazujące zdolność tworzenia z nimi wiązań wodorowych. Regiony tlenowe cząsteczki wody posiadające częściowy ładunek ujemny (δ-) przyciągane są przez dodatnio naładowane kationy sodowe (Na⁺); regiony wodorowe mające częściowy ładunek dodatni (δ+) przyciągane są przez ujemnie naładowane aniony chlorkowe (Cl⁻). W wyniku tych oddziaływań pojedyncze kationy sodu i aniony chlorkowe otaczane są przez powłoki hydratacyjne utworzone z cząsteczek wody. Jony te są następnie sukcesywnie usuwane z sieci krystalicznej soli do momentu całkowitego rozpuszczenia jej kryształu, czyli powstania jednorodnego roztworu kationów sodu i anionów chlorkowych rozpuszczonych w wodzie.
Rozpuszczanie chlorku sodu w wodzie. Źródło: shutterstock

Właściwości fizyczne wody

Woda występuje w przyrodzie w trzech stanach skupienia materii – stanie stałym (jako lód), stanie ciekłym (jako woda) oraz stanie gazowym (jako para wodna), które współistnieją przy temperaturze wynoszącej 0,01°C i ciśnieniu wynoszącym 611,73 Pa w stanie równowagi termodynamicznej (w tzw. punkcie potrójnym wody). Woda w warunkach standardowych jest przezroczystą cieczą o lekkim jasnoniebieskim zabarwieniu (w grubszych warstwach przyjmuje zielononiebieską barwę); pozbawioną smaku i zapachu, wrzącą (przechodzącą w gaz, czyli parę wodną) w temperaturze 100°C i ulegającą krzepnięciu (przechodzącą w ciało stałe, czyli lód) w temperaturze 0°C. Wiązania wodorowe pomiędzy polarnymi cząsteczkami wody warunkują jej właściwości kohezyjne i wysokie napięcie powierzchniowe (71,99 ∙ 10⁻³ N/m), wysokie ciepło właściwe (4184 J/kg ∙ K), duże ciepło parowania (2257 kJ/kg) i ciepło topnienia (333,7 kJ/kg), nietypową rozszerzalność temperaturową w przedziale temperatur od 0 do 4°C oraz dużą stałą dielektryczną (względną przenikalność elektryczną w stałym polu elektrycznym) (78,4). Czysta chemicznie woda o odczynie obojętnym (pH = 7,0) zawierająca równoważne stężenia jonów hydroniowych (H₃O⁺) i wodorotlenkowych (OH⁻) bardzo słabo przewodzi prąd elektryczny i wykazuje niską przewodność elektryczną (0,055 μS/cm); woda morska zawierająca duże ilości kationów sodu(Na⁺), potasu (K⁺), magnezu (Mg²⁺) i wapnia (Ca²⁺) oraz anionów chlorkowych (Cl⁻), siarczanów (HSO₄⁻, SO₄²⁻) i węglanów (HCO₃⁻, CO₃²⁻) lepiej przewodzi prąd elektryczny i cechuje się wyższą wartością przewodności elektrycznej (0,1 – 10 mS/cm). Do najważniejszych właściwości fizycznych wody umożliwiających życie na kuli ziemskiej należą jej właściwości kohezyjne, wysokie ciepło właściwe i ciepło parowania oraz nietypowa zależność gęstości wody od temperatury (rozszerzanie podczas zamarzania).

Cząsteczki wody przyciągają się i utrzymują blisko siebie dzięki tworzącym się pomiędzy nimi wiązaniom wodorowym; oddziaływania te odpowiedzialne są także za przyleganie cząsteczek wody do powierzchni innych substancji (polarnych bądź zawierających hydrofilowe regiony jonowe i polarne). Zjawiska te, określane odpowiednio mianem kohezji i adhezji, umożliwiają transport wody wraz z rozpuszczonymi składnikami odżywczymi w tkankach przewodzących roślin wbrew sile grawitacji (od korzeni do łodyg i liści). Wysoka wartość ciepła właściwego wody oznacza, że do wzrostu jej temperatury o 1°C niezbędna jest absorpcja znacznej ilości ciepła wykorzystywanej do zerwania wiązań wodorowych; każdy spadek temperatury o 1°C wiąże się natomiast z uwalnianiem dużych ilości ciepła podczas tworzenia się nowych wiązań wodorowych. Wysokie ciepło parowania także wynika z konieczności absorpcji znacznej ilości energii cieplnej wykorzystywanej do zerwania wiązań wodorowych między jej cząsteczkami, co umożliwia tym cząsteczkom przejście do stanu gazowego. Parowanie obniża temperaturę powierzchni wody, gdyż opuszczają ją cząsteczki posiadające największą energię kinetyczną (cząsteczki o najwyższej temperaturze). Właściwości te zapewniają utrzymanie względnie stałej temperatury zbiorników wodnych (mórz, oceanów, jezior); wpływają na łagodniejszy klimat obszarów przybrzeżnych i stanowią mechanizm zabezpieczający organizmy lądowe przed przegrzaniem (m.in. dzięki transpiracji roślin, ewaporacji potu z powierzchni skóry).

Woda charakteryzuje się również nietypową rozszerzalnością temperaturową, wynikającą ze specyficznej zależności jej gęstości od temperatury. W przedziale temperatur od 0 do 4°C wraz ze wzrostem temperatury wiązania wodorowe utrzymujące cząsteczki wody w sieci krystalicznej lodu ulegają rozerwaniu, dzięki czemu przesuwają się one bliżej siebie. Gęstość wody wzrasta osiągając maksymalną wartość w temperaturze 4°C (1 g/cm³); powyżej 4°C woda zachowuje się jak inne substancje – wraz ze wzrostem energii kinetycznej cząsteczek zaczyna się rozszerzać, czyli zmniejsza swą gęstość. W przedziale temperatur od 4°C do 0°C woda zaczyna zamarzać; rozszerza się, zmniejszając przy tym swą gęstość. Cząsteczki, wraz ze spadkiem temperatury, nie poruszają się wystarczająco energicznie, by rozrywać łączące je wiązania wodorowe. Kiedy temperatura osiąga wartość 0°C zostają całkowicie zamknięte w sieci krystalicznej lodu, gdzie każda z nich połączona jest z czterema innymi cząsteczkami wody. Wiązania wodorowe utrzymują cząsteczki na tyle daleko od siebie, że objętość lodu jest większa od objętości tworzącej go wody, zaś jego gęstość wynosi 0,9167 g/cm³, czyli jest około 10% mniejsza niż gęstość wody w temperaturze 4°C. Dzięki tej właściwości lód może unosić się na powierzchni wody tworząc izolacyjną powłokę termiczną, która chroni głębsze warstwy wody przed zamarznięciem i umożliwia przetrwanie organizmom zasiedlającym jeziora i morza polarne.
Lód ma mniejszą gęstość niż woda; może więc unosić się na jej powierzchni. Źródło: shutterstock

Znaczenie biologiczne wody

Woda stanowi podstawowy składnik strukturalny środowiska wewnętrznego organizmów żywych; wchodzi w skład ich komórek, tkanek, narządów, soków roślinnych oraz płynów ustrojowych zwierząt (hemolimfy bezkręgowców, krwi i limfy kręgowców). Zawartość wody w organizmie może przekraczać 90% masy ciała – w komórkach roślinnych woda stanowi główny składnik cytoplazmy podstawowej (60-90%) i soku komórkowego wypełniającego wakuole (ok. 90%); w komórkach zwierzęcych woda jest głównym składnikiem osocza krwi (90%) i komórek mózgowych (85%). Najbardziej uwodnionymi zwierzętami są żebropławy (Ctenophora) (ok. 99% masy ciała) oraz meduzy parzydełkowców (Cnidaria) (95% masy ciała); dla porównania woda stanowi ok. 70% ciała człowieka. Woda stanowi środowisko większości procesów metabolicznych; jest substratem niektórych reakcji enzymatycznych (np. reakcji katalizowanych przez hydrolazy i hydratazy); stanowi uniwersalny rozpuszczalnik związków chemicznych obecnych w komórkach roślinnych i zwierzęcych, sokach roślinnych i płynach ustrojowych zwierząt (np. krwi). Uczestniczy w transporcie substancji odżywczych, zbędnych produktów przemiany materii, hormonów i enzymów w organizmie. Woda pełni istotną funkcję w utrzymywaniu równowagi wewnętrznej (homeostazy) organizmu przez regulację temperatury ciała, pH krwi i płynów ustrojowych oraz ciśnienia osmotycznego.

Wody hydrosfery stanowią jeden z głównych składników przyrody kształtujących środowisko bytowania organizmów żywych i mających istotny wpływ na strukturę, funkcjonowanie oraz rozmieszczenie ekosystemów i biomów na kuli ziemskiej. Wody mórz i oceanów wywierają ogromny wpływ na globalne warunki klimatyczne i lokalne wzorce pogodowe; woda parująca z ich powierzchni stanowi główne źródło opadów atmosferycznych (deszczu); występujące w ich wodach fotoautotroficzne prokarionty (np. sinice) oraz protisty (np. eugleniny, okrzemki, bruzdnice, zielenice) wytwarzają w procesie fotosyntezy większość zasobów tlenu na kuli ziemskiej, pochłaniając przy tym ogromne ilości atmosferycznego dwutlenku węgla. Wody powierzchniowe hydrosfery stanowią środowisko życia dla wielu organizmów żywych, jak m.in. cyjanobakterie (sinice), protisty (np. okrzemki, bruzdnice, złotowiciowce, brunatnice, krasnorosty, zielenice, orzęski, otwornice, promienice), rośliny wodne (np. rzęsa, rogatek, pływacz, rdestnica, grzybienie białe), bezkręgowce (np. gąbki, parzydełkowce, żebropławy, wstężnice, wrotki, ryjkogłowy, wieloszczety, sikwiaki, nitnikowce, skorupiaki, głowonogi, małże, niesporczaki, mszywioły, szkarłupnie) oraz kręgowce (wszystkie ryby, grzbietorody, żółwie słodkowodne i morskie, węże morskie, walenie).
Woda stanowi środowisko życia dla wielu organizmów żywych. Źródło: shutterstock

Bibliografia

  1. Eldra Pearl Solomon, Linda R. Berg, Diana W. Martin, Claude A. Villee; “Biologia ”; Multico Oficyna Wydawnicza, Warszawa 1996.;
  2. Aulay Mackenzie, Andy S. Ball, Sonia R. Virdee; “Ekologia. Krótkie wykłady”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2015.;
  3. Grażyna Łabno; “Ekologia. Słownik encyklopedyczny ”; Wydawnictwo Europa, Warszawa 2006;
  4. Zdzisława Otałęga (red. nacz.); “Encyklopedia biologiczna T. XI”; Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 2000;
  5. Elżbieta Bajkiewicz-Grabowska, Zdzisław Mikulski; “Hydrologia ogólna”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2011;
  6. Jane B. Reece, Lisa E. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson; “Biologia Campbella”; Dom Wydawniczy Rebis, Poznań 2020;
  7. Zdzisława Otałęga (red. nacz.); “Encyklopedia biologiczna T. V, VII, XI”; Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 1998-2000;
  8. Philip Ball; “Life's Matrix: A Biography of Water”; University of California Press 2001. ;
  9. K.-H. Lautenschlager, W. Schroter, A. Wanninger; “Nowoczesne kompendium chemii”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016.;
  10. Frank R. Spellman; “The Science of Water: Concepts and Applications”; CRC Press 2020. ;
Legenda. Pokaż objaśnienia oznaczeń i skrótów
Szukaj
Oceń stronę
Ocena: 4.7
Wybór wg alfabetu:
a b c ć d e f g h i j k l ł m n o q p r s ś t u v w x y z ż ź
Pasaż zakupowy