Изучение гидрологии как научной дисциплины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Харьковский национальный университет городского хозяйства им. А.Н. Бекетова

Контрольная работа

з дисциплины гидрология

Изучение гидрологии как научной дисциплины

Подготовила:

Проверил:

ст. гр. Еко 2016-1

Склянко Э.В.

канд. техн. наук ст. преп.

Душкин С. С.

Харьков - 2018

1. Использование подземных вод человеком

Подземные воды - это часть водных ресурсов Земли; общие запасы подземных вод суши составляют более 600 млн.км ^3. На них приходится 4% от общего объема гидросферы планеты. Прогнозные ресурсы подземных вод в Украине, пригодных для бытового и хозяйственного использования, составляют 21 км ³ / год. Они имеют большое значение в природе и хозяйственной деятельности человека. Это важнейший источник питания рек и озер; обеспечивают растения влагой и растворенными в ней веществами. Широко используются человеком для хозяйственно-бытовых, промышленных и сельскохозяйственных целей. С термальных вод получают много различных химических веществ (йод, глауберовую соль, борную кислоту, различные металлы). Тепловую энергию подземных вод используют для обогрева домов, теплиц, получения энергии; подземные воды применяют для лечения целого ряда заболеваний человека.

Подземные воды - это воды верхней части земной коры (до глубины 12-16 км).

Они находятся в порах и полостях горных пород в жидком, твердом или парообразном состоянии. Образуются главным образом от утечки в глубину атмосферных осадков во время дождей или таяния снега и льда. Часть подземных вод возникает в результате конденсации водяного пара, который попадает в земную кору из атмосферы или выделяется из магмы. На равнинах, сложенных осадочными горными породами, конечно чередуются слои различной водопроницаемости. Одни из них легко пропускают воду (пески, гравий, галечники) и называются водопроницаемыми, другие задерживают воду (глины, кристаллические сланцы) и называются водонепроницаемыми. На водонепроницаемых породах вола задерживается, заполняет промежутки между частицами водопроницаемой породы и образует водоносный горизонт. Таких горизонтов на одной и той же местности может быть несколько, иногда 10-15.

По условиям залегания подземные воды подразделяются на заправилы и, грунтовые и между пластовые, или артезианские. Верховодных - это подземные воды, залегающие на незначительной глубине и распространяются недалеко. их мощность обычно составляет 0,4- 1,0 м, иногда достигает 2-5 м. Они распространены в районах с многолетней мерзлотой, также образуются на территориях городов и промышленных площадях, речных террасах и тому подобное.

Грунтовые - это воды первого от поверхности земли водоносного горизонта, залегающие на водонепроницаемом слое. Это безнапорные воды: после раскопки грунта их уровень устанавливается на той же глубине, на которой они были обнаружены. Легкодоступные и широко используются колодцы в сельской местности, но через неглубокое залегание легко загрязняются.

Межпластовые воды - подземные воды, залегающие в водоносных горизонтах между водонепроницаемыми слоями пород в пределах больших геологических структур (синклиналей, моно-клиналей). Такие структуры, которые содержат один или несколько водоносных горизонтов на больших площадях, называются артезианскими бассейнами (от названия франц. Провинции Artcsium, где в XII в. Впервые в Европе была построена колодец, из которого брали напорную воду). Напорные воды поднимаются выше уровня залегания, а при сильном напоре выливаются на поверхность или даже фонтанируют.

Подземные воды делятся на пресные (до 1 г / л, или 1% с), солоноватые (1-10% с), соленые (10- 35, или 10-50 ‰) и рассолы (более 35-50% 6). За температурой разделяют на переохлажденные (ниже 0 ° С), холодные (от Одо 20 ° С) и термальные (выше 20 ° С).

Подземная водная - это полезное ископаемое, особенно ценна тем, что имеет свойство восстанавливаться в естественных условиях и в процессе эксплуатации. Количество подземных вод оценивается их запасами - количеством воды, которая может быть получена из водоносного горизонта, источники в сутки. В зависимости от качества вода питьевая и техническая.

Источник (ключ) - естественный выход подземных водная поверхность суши или под водой, на дне рек, озер, морей. Источник появляется там, где водоносный горизонт пересекается земной поверхностью (в понижениях рельефа, на склонах оврагов, балок и т.д.).

Гейзер (исландское geysir, от geysa - хлынуть) - источник, который периодически выбрасывает фонтаны горячей воды и пара. Гейзерськ их источников во Исландии, на Камчатке, в Новой Зеландии, США.

Рациональное использование подземных вод является наиболее ценным, а в некоторых районах и единственным источником питьевого водоснабжения. Благодаря естественной защищенности от поверхностного загрязнения они имеют стратегическое значение для крупных городов и промышленных центров как источник чистой питьевой воды при экологических катастрофах.

Мероприятия по рациональному использованию и охране подземных вод от истощенности и загрязнения подразделяются на профилактические и специальные, на общие и конкретные.

К профилактическим мерам относят следующие:

- тщательный выбор места расположения строящегося объекта, при котором антропогенное воздействие на подземные воды будет минимальным,

- соответственное оборудование зон санитарной охраны (ЗСО) и соблюдение режима хозяйственной деятельности в их пределах,

- учет степени защищенности при использовании наземных вод,

- соблюдение режима эксплуатаций, который определен нормативными документами и экспертизой государственной комиссии по запасам (ГКЗ),

- организация и ведение мониторинга подземных вод.

Специальные меры по рациональному использованию и охране подземных вод от загрязнения направлены на изоляцию источников и очагов загрязнения, перехват загрязненных вод. При истощении вод применяются меры искусственного пополнения и увеличения питания подземных вод, необходимо: утилизация шахтных и дренажных вод, которые в случае сбрасываются без применения уменьшения использования пресных вод на технические нужды, бережное расходование воды, уменьшение потерь при её транспортировке и распространении.

Таким образом, и охрана поверхностных вод, и рациональное использование и охрана подземных вод включает практически одинаковые общие (строгое соблюдение законодательных актов, уменьшение промышленных отходов, создание безотходного производства) и конкретные меры (многократное использование вод, строительство очистных сооружений, соблюдение правил при разведки подземных вод, строительстве и эксплуатации водозаборов). Важным элементом рационального использования и охраны водных ресурсов планеты является мониторинг.

Водные ресурсы различают по степени пригодности их использования. К самому высокому классу относят подземные воды верхних водоносных горизонтов. Существует меньшая опасность их загрязнения сточными водами, бытовыми и промышленными отходами. К менее ценным относят водные ресурсы поверхностного стока.

В артезианских бассейнах равнинного Крыма, как считают ученые, находится до 75% эксплуатационных запасов пресных вод. Наиболее обширны здесь Северо-Сивашский, Белогорский и Альминский артезианские бассейны. Они представляют собой гигантские прогибы в земной коре, в которых число и толщина слоев горных пород, в том числе и водоносных, как правило, увеличивается.

Для сохранения объема и качества особо ценных для человека подземных вод требуется, с одной стороны, добиваться сокращения их использования для орошения и технических потребностей, а с другой - разработать оптимальные нормы орошения и строго их соблюдать в процессе эксплуатации ирригационных систем.

2. Опишите хозяйственное значение рек и виды антропогенного влияния на них

Люди используют реки в качестве:

- Значение и роль рек в качестве источника пресной воды

Реки являются основным источником пресной воды в хозяйственной деятельности человека. На долю рек, озер и других пресноводных водоемов приходится всего 1% от запасов всей пресной воды на планете, остальная же вода «законсервирована» в ледниках или «замурована» в подземных водах. Но вследствие возобновляемости водных ресурсов, этого достаточно для снабжения водой всей планеты. Реки в определенный момент времени содержат всего 1,2 тыс. км³, однако годовой сток воды всей планеты составляет 41,8 тыс. км³.

Экологически безопасным считается изъятие водных ресурсов в размере, не превышающем 20% величины естественного стока реки. Для некоторых рек эта величина составляет 5%. Таким образом, из 4,3 тыс. км³ общероссийского годового речного стока без вреда для экологии могут быть использованы лишь 1,28 тыс. км³ воды. Однако, в ряде рек фактический отбор воды уже превышает допустимые уровни, тем самым ставя под удар устойчивое развитие и существование экосистем речных бассейнов, а также бесперебойное снабжение водой населения и хозяйственной деятельности.

- Значение и роль рек для добывания пищи

Рыболовство - это добыча рыб и низших водных животных. Рыбы, добываемые с промышленной целью, называются промысловыми. Промысловые рыбы делятся на морских (постоянно живущих в море), проходных (часть жизни проводящих в реках, например, при икрометании) и пресноводных (живущих всю жизнь в реках, озерах и т.д).

Самыми важными с промысловой точки зрения являются рыбы, относящиеся к семейству сельдевых и тресковых.

Рыболовство издавна и по сей день является очень важной составляющей жизни многих людей как в развивающихся, так и в развитых странах. Однако бесконтрольный вылов рыбы, строительство плотин, осушение болот, обезвоживание, нарушение экосистем, загрязнение окружающей среды - все это привело к существенному снижению объема рыбных ресурсов внутренних вод.

- Значение и роль рек в транспортных целях

Речной транспорт - транспорт, который по внутренним водным путям производит перевозку пассажиров и грузов.

Благодаря низкой себестоимости перевозок, этот вид транспорта занимает значительное место в мировой транспортной системе. Даже несмотря на то, что для речного транспорта характерны низкие скорости и сезонность.

Речной транспорт подразделяется на:

Грузовые судна. Вследствие низкой скорости (10-20 км/ч) перевозят в основном грузы, не требующие скорой доставки (уголь, кокс, песок, зерно и т.п.). Также речные грузовые судна используются для перевозки нефти и нефтепродуктов.

Пассажирские судна. Чаще всего используются в туристическом бизнесе при организации круизов по рекам, а также при перевозке пассажиров в труднодоступные районы, где отсутствует автомобильное и железнодорожное сообщение. Известны и так называемые «речные трамваи», используемые в качестве общественного транспорта.

Суда специального назначения. К таким судам относят плавучие мастерские, плавучие магазины, суда для дноуглубительных работ, а также паромы.

- Значение и роль рек в качестве защитной меры и разграничения территорий государства

По рекам издавна проходили границы государств. Это было очень удобно с оборонительной позиции - реки выступали надежной защитой от внешних врагов. Государственная граница по судоходным рекам проходит либо по середине фарватера, либо по линии тальвега. Если река небольшая, то граница проводится по середине русла или главного рукава.

- Значение и роль рек в качестве источника неисчерпаемой (возобновляемой) энергии

Возобновляемая энергия - это энергия из неисчерпаемых источников.

Именно такого рода энергию вырабатывают реки, перенося огромные массы воды. Человечество издавна пыталось использовать энергию рек - было изобретено водяное колесо, вращающее жернова водяных мельниц. Но в общенациональных масштабах энергию рек стали использовать только в двадцатом веке, когда научились строить такие монументальные сооружения, как плотины гидроэлектростанций.

- Значение и роль рек для орошения сельскохозяйственных угодий, купания

В засушливых районах планеты, где естественное орошение полей недостаточно для полноценного разведения сельскохозяйственных культур, используется искусственное орошение, т.е. подвод воды на поля из пресноводных водоемов. С помощью орошения восполняется недостаток влаги в почве и увеличивается ее плодородие. Искусственное орошение полей развито также и в других странах мира, таких как США, Мексика, Афганистан, ряде стран Африки и др.

- Значение и роль рек в качестве средства избавления от отходов.

В мире широко распространена практика избавления от бытовых и промышленных отходов путем выброса их в реки. Тысячи тонн мусора и декалитры жидких отходов предприятий, фабрик выносятся реками в Мировой океан. Это грозит серьезной экологической катастрофой, однако человечество не спешит заняться этой проблемой всерьез. Самой загрязненной рекой на планете считается река Цитарум (о. Ява, Индонезия). Она настолько заполнена мусором, что не видно даже воды. Для этой реки экологическая катастрофа уже разразилась.

Антропогенные факторы влияния

Хозяйственное значение рек заключается в том, что во многих регионах мира реки это главные источники используемых в хозяйстве вод. Основными водопотребителями являются промышленность, тепловая и атомная энергетика, коммунальное хозяйство, орошаемое земледелие.

Главными водопользователями являются гидроэнергетика, речной транспорт, рыбное хозяйство, рекреация.

Влияние хозяйственной деятельности на реки можно подразделить на две группы.

Первая группа включает такие виды хозяйственной деятельности, которые связаны с изъятием, перераспределением и регулированием, то есть прямым воздействием на речной сток. Это забор вод на орошение, промышленное и коммунальное водоснабжение, регулирование речного стока с помощью водохранилищ, переброска вод из других бассейнов, нерациональное использование природных вод, их загрязнение.

Вторая группа хозяйственных мероприятий косвенно влияет на сток рек через изменение элементов водного баланса (главным образом, испарения) и через изменение условий стекания вод со склонов в речных бассейнах. Это вырубка леса и его восстановление, осушение болот, агротехнические мероприятия (вспашка, распашка целины, снегозадержание и т. д.) и урбанизация территории.

Совокупное влияние всех видов хозяйственной деятельности сказывается на общем снижении величины годового речного стока. Во всем мире сток уменьшается и соответственно возрастает испарение. Это создает угрозу водного голода для человечества, необходимость принятия мер по экологической оптимизации водопользования.

Взаимодействие города и природы во многом зависит от следующих факторов: свойств ландшафтов, структуры расселения, расстояний между городами, плотности транспортной сети и др. Если зоны антропогенного воздействия на природу городов сливаются друг с другом, то можно говорить о сильном воздействии города на природу, ведущем к формированию обширных геотехнических систем с интенсивными прямыми и обратными связями. В регионах с островным размещением городов природные ландшафты в пределах межгородских территорий деформируются значительно слабее. В рамках городских агломераций и систем расселения взаимопроникновение города и природы приводит к формированию селитебных ландшафтов, которые обладают признаками как естественных, так и городских ландшафтов.

Если на первых этапах урбанизации территории были характерны локальные, местные формы взаимодействия городов с геосистемами, то сейчас эти взаимодействия усложняются и переходят на региональный уровень. Ареалы повышенной концентрации поселений разных порядков не только усиливают степень нарушающего воздействия на окружающую среду, но и способствуют увеличению антропогенной нагрузки на межселитебные территории. Хозяйственная деятельность населения в условиях природной среды городов формирует селитебные ландшафты с сильно измененными нарушениями природными процессами. Основой взаимодействия селитебных участков с компонентами природной среды выступают производственные функции. Селитебный ландшафт находится в постоянном изменении пространственных характеристик под действием строительных и эксплуатационных нагрузок, которые по вызываемым ими последствиям делятся на положительные и отрицательные. Положительные нагрузки обеспечивают формирование городского ландшафта в заданном проектном направлении. Отрицательные нагрузки обусловлены проявлением нежелательных последствий преобразования исходного ландшафта, а также результатами функционирования городских систем.

Для определения антропогенной нагрузки бассейна рек используют показатели селитебности территории, структуры и плотности населения. Все эти показатели в обычных статистических сборниках указываются по административно-территориальным единицам.

Таким образом, рассматривая влияние антропогенных факторов на загрязнения бассейна рек можно отметить следующие условия:

во-первых, антропогенное воздействие на речные бассейны приводит к более интенсивному перераспределению вещества и энергии, чем это происходит при естественных сукцессиях ландшафтов (за исключением эндогенных, катастрофических явлений и процессов);

во-вторых, любое антропогенное вмешательство в природную среду приводит к тем или иным сдвигам во всей структуре ландшафта, в его внутри- и межландшафтных взаимосвязях;

в-третьих, антропогенное воздействие на естественные ПТК всегда имеет целенаправленный или случайный характер. В первом случае формируется «культурный ландшафт», во втором -- антропогенно-нарушенный ландшафт, являющийся ареной развития процессов деградации земель. При этом случайные нарушения могут быть следствием непосредственной эксплуатации природно-ресурсного потенциала территории или побочным результатом целенаправленных изменений естественных геосистем при создании их культурных модификаций;

в-четвертых, негативные физико-географические процессы являются результатом функционирования биологически или техногенно-биологических составляющих геосистем, созданных человеком (например, отвалы, свалки мусора, скопление биогенных отходов у животноводческих ферм и т.д.).

3. Что вы знаете о биологических свойствах воды?

Свойства воды и ее биологическая роль

Вода - уникальное вещество и все её аномальные свойства: высокая температура кипения, значительная растворяющая и диссоциирующая способность, малая теплопроводность, высокая теплота испарения и другие обусловлены строением её молекулы и пространственной структурой. У отдельно взятой молекулы воды есть качество, которое проявляется только в присутствии других молекул: способность образовывать водородные мостики между атомами кислорода двух оказавшихся рядом молекул, так, что атом водорода располагается на отрезке, соединяющем атомы кислорода. Свойство образовывать такие мостики обусловлено наличием особого межмолекулярного взаимодействия, в котором существенную роль играет атом водорода. Это взаимодействие называется водородной связью. Каждая из присоединённых к данной молекул воды сама способна к присоединению дальнейших молекул. Этот процесс можно называть "полимеризацией". Если только одна из двух возможных связей участвует в присоединении следующей молекулы, а другая остаётся вакантной, то "полимеризация" приведёт к образованию либо зигзагообразной цепи, либо замкнутого кольца.

Вода - превосходный растворитель для полярных веществ. К ним относятся ионные соединения, такие как соли, у которых заряженные частицы (ионы) диссоциируют в воде, когда вещество растворяется, а также некоторые неионные соединения, например сахара и простые спирты, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы (-OH).Присущие воде свойства растворителя означают также, что вода служит средой для транспорта различных веществ. Эту роль она выполняет в крови, в лимфатической и экскреторных системах, в пищеварительном тракте и во флоэме и ксилеме растений.

Удельной теплоёмкостью воды называют количество теплоты в джоулях, которое необходимо, чтобы поднять температуру 1 кг воды на 1° C. Вода обладает большой теплоёмкостью (4,184 Дж/г). Это значит, что существенное увеличение тепловой энергии вызывает лишь сравнительно небольшое повышение её температуры. Объясняется такое явление тем, что значительная часть этой энергии расходуется на разрыв водородных связей, ограничивающих подвижность молекул воды. Большая теплоёмкость воды сводит к минимуму происходящие в ней температурные изменения. Благодаря этому биохимические процессы протекают в меньшем интервале температур, с более постоянной скоростью и опасность нарушения этих процессов от резких отклонений температуры грозит им не столь сильно. Вода служит для многих клеток и организмов средой обитания, для которой характерно довольно значительное постоянство условий [Коробкин, 2000, с. 52-60].

Скрытая теплота испарения есть мера количества тепловой энергии, которую необходимо сообщить жидкости для её перехода в пар, то есть для преодоления сил молекулярного сцепления в жидкости. Испарение воды требует довольно значительных количеств энергии (2494 Дж/г). Это объясняется существованием водородных связей между молекулами воды. Именно в силу этого температура кипения воды - вещества со столь малыми молекулами - необычно высока.

Скрытая теплота плавления есть мера тепловой энергии, необходимой для расплавления твёрдого вещества (льда). Воде для плавления (таяния) необходимо сравнительно большое количество энергии. Справедливо и обратное: при замерзании вода должна отдать большое количество тепловой энергии. Это уменьшает вероятность замерзания содержимого клеток и окружающей их жидкости. Кристаллы льда особенно губительны для живого, когда они образуются внутри клеток.

Плотность воды (максимальна при +4° С) от +4 до 0° С понижается, поэтому лёд легче воды и в воде не тонет. Вода - единственное вещество, обладающее в жидком состоянии большей плотностью, чем в твёрдом, так как структура льда более рыхлая, чем структура жидкой воды.

Когезия - это сцепление молекул физического тела друг с другом под действием сил притяжения. На поверхности жидкости существует поверхностное натяжение - результат действующих между молекулами сил когезии, направленных внутрь. Благодаря поверхностному натяжению жидкость стремится принять такую форму, чтобы площадь её поверхности была минимальной (в идеале - форму шара). Значительная когезия, характерная для молекул воды, играет важную роль в живых клетках, а также при движении воды по сосудам ксилемы в растениях. Многие мелкие организмы извлекают для себя пользу из поверхностного натяжения: оно позволяет им удерживаться на воде или скользить по её поверхности.Биологическое значение воды определяется и тем, что она представляет собой один из необходимых метаболитов, то есть участвует в метаболических реакциях. Вода используется, например, в качестве источника водорода в процессе фотосинтеза, а также участвует в реакциях гидролиза.

Вода, ее значение, свойства и особенности строения молекул

Вода - неорганическое вещество, молекулы которого состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Количество воды неодинакова в разных организмах. Больше всего воды содержит тело медуз (95-98%), водоросли (более 80%), меньше всего ее у насекомых (40-50%), слоевища лишайников (5-7%). В теле млекопитающих в среднем 75% воды, в том числе у человека - 60-65% массы тела. Количество воды неодинакова и в различных тканях и органах одного и того же организма. Например, у человека содержание воды в тканях и органах таков: кровь (83,0%), почки (82,7%), сердце (79,2%), легкие (79,0%), мышцы (75 6%), мозг (74,8%), кожа (72,0%), скелет (22,0%), жировая ткань (10,0%).

Большая часть воды (70% объема) находится в клетках тела в свободном и связанном виде, меньшая часть (30% объема) - перемещается во внеклеточном пространстве организма и находится в свободном состоянии. Связанная вода (4 5%) бывает осмотически связанной (вода в связях с ионами и низкомолекулярными соединениями), коллоидно связанной (вода в связях как с внутренними, так и с расположенными на поверхности химическими группами высокомолекулярных соединений) и структурно свя связанной (вода в замкнутом пространстве высокомолекулярных биополимеров сложной структуры). Свободная вода (95-96%) является универсальным растворителем.

Значение воды. Количественно вода занимает первое место среди химических соединений любой которой клетки. Наличие воды является обязательным условием жизнедеятельности организмов. Какие же функции выполняет в биосистемах эта самая распространенная на Земле вещество?

* Вода - универсальный растворитель для ионных и многих ковалентных соединений, обеспечивает протекание химических реакций, транспорт веществ в клетку и из клетки.

* Вода - реагент, при участии которого в клетках происходят реакции гидролиза и гидратации, окислительно-восстановительные и кислотно-основные реакции.

* Вода - теплорегулятор, поддерживает оптимальный тепловой режим организмов и обеспечивает равномерное распределение тепла в живых системах.

* Вода - осморегулятора, что обеспечивает форму клеток, транспорт неорганических веществ.

* Вода - опора, обеспечивает упругий состояние клеток (тургор), выступает амортизатором от механических воздействий на организм, выполняет функцию гидроскелет у многих животных.

* Вода - средство транспорта, осуществляет связь в клетках, между клетками, тканями, органами и обеспечивает гомеостаз и функционирование организма как единого целого.

* Вода - среда обитания для водных организмов, в нем осуществляются пассивное движение, внешнее оплодотворение, распространение семян, гамет и личиночных стадий наземных организмов.

* Вода - конформатор, имеет большое значение в организации пространственной структуры (конформации) биополимеров.

Свойства воды. Роль воды в биосистемах определяется ее физико-химическими свойствами.

¦ Для чистой воды характерны прозрачность, отсутствие вкуса, цвета, запаха. Природная вода всегда содержит различные примеси: растворенные вещества в виде ионов, нерастворенные вещества - в виде суспензии. Вода - единственное вещество на Земле, которая одновременно и в большом количестве встречается в жидком, твердом и газообразном состояниях.

¦ Плотность воды при температуре 4 ° С является максимальной и составляет 1 г / см3. С понижением температуры плотность уменьшается, поэтому лед плавает на поверхности воды.

¦ Вода имеет аномально высокие удельную теплоемкость (4,17 Дж / ГК), теплоту испарения (при температуре 100 ° С - 2253 Дж / г), теплоту таяния (при температуре 0 ° С - 333,98 Дж / г).

¦ Воде свойственный исключительно большое поверхностное натяжение за счет мощных сил сцепления (когезии), связанных с образованием водородных связей между молекулами.

¦ Для воды характерное свойство прилипания (адгезии), которая проявляется в случае поднятия ее против гравитационных сил.

¦ Воде в жидком состоянии свойственна текучись, нестискуванисть, чем обусловлены явления осмоса и тургора.

¦ Вода обладает амфотерными свойствами, то есть проявляет свойства как кислоты так и основы и участвует в кислотно-основных реакциях.

¦ Вода способна выступать и как восстановитель, и как окислитель, осуществляя биологически важные окислительно-восстановительные реакции обмена веществ.

¦ Молекулы воды полярны, благодаря чему участвуют в реакциях гидратации, обеспечивая растворения многих химических соединений.

¦ Вода участвует в биологически важных реакциях разложения - реакциях гидролиза.

¦ Молекулы воды способны диссоциировать на ионы: Н2О = Н + + ОН.

Особенности строения молекул воды. Уникальные свойства воды определяются структурой ее молекул.

В молекуле воды каждый атом водорода содержится у атома кислорода ковалентной связью, энергия которого почти 110 ккал / моль. Благодаря этому вода является очень стойкой химическим соединением. Водяной пар начинает разлагаться на О, и Н, при температуре, выше 1000 ° С.

В молекуле воды две пары электронов из четырех образованные ковалентной связью и смещены к одной из сторон молекулы с формированием двух положительно заряженных полюсов. А две другие пары остаются неразделенными и смещены относительно ядра атома кислорода к противоположной стороне, где образуют два отрицательно заряженные полюса.

Итак, молекулы воды являются полярными.

Благодаря полярности соседние молекулы воды могут взаимодействовать между собой и с молекулами полярных веществ с образованием водородных связей, обуславливающих уникальные физические свойства и биологические функции воды. Энергия этой связи, по сравнению с энергией ковалентной связи, невелика. Она составляет всего 4,5 ккал / моль, и благодаря тепловому движению эти связи между молекулами воды постоянно возникают и разрываются. Водородные связи - это связи между двумя ковалентно связанными атомами с большим значением электроотрицательности ( О, N , F ) посредством атома водорода Н. Обычно водородная связь обозначают тремя точками и этим отмечают, что он намного слабее; чем ковалентная связь ( примерно в 15-20 раз).

Водородные связи играют определяющую роль в образовании специфической квази и кристаллической структуры воды. Согласно современным представлениям, основой строения воды является кристаллическая решетка с размытой тепловым движением частью молекул свободной воды. Для воды в твердом состоянии характерные молекулярные кристаллические решетки, поскольку кристаллы строятся из молекул, связанных друг с другом водородными связями. Именно наличием элементов кристаллической решетки, а также дипольнистю молекул воды и обусловлено очень большое значение относительной диэлектрической проницаемости воды.

Молекулы жидкой воды способны к полимеризации или ассоциации с образованием ассоциатов (Н2О) n. Образование плотных ассоциатов происходит +4 С, чем и объясняется большое плотность воды при этой температуре. При нагревании водородные связи разрушаются и ассоциаты начинают расщепляться, поскольку энергия теплового движения становится больше от энергии этих связей. Разрыва связей требует много энергии, откуда и высокие температура кипения и удельная теплоемкость воды. Это имеет существенное значение для организмов во время колебаний температуры среды обитания.

Рентгеноструктурный анализ воды установлено, что и в жидкой воде остаются фрагменты структуры льда. При температуре 20 ° С около 70% молекул находится в воде в виде агрегатов, содержащих в среднем по 57 молекул в каждом. Такие агрегаты называют кластерами. Молекулы воды, входящих в состав кластера, скованные и метаболически инертные. Активная роль в реакциях обмена веществ принадлежит только свободным молекулам воды. Если кластеров много, то это приводит к иммобилизации воды, то есть к исключению свободной воды, ограничения ферментативных процессов и к снижению функциональной активности клетки.

БИОЛОГИЯ + При диссоциации определенных электролитов, в том числе и воды, образуются ионы Н + и ОН - , от концентрации которых зависит кислотность или основность растворов и, соответственно, структурные особенности и активность многих биомолекул и жизненных процессов. Эту концентрацию измеряют с использованием водородного показателя - рН. pH - отрицательный десятинный логарифм концентрации

Образование водородной связи

Молекула воды ионов Н +

В чистой воде эта концентрация составляет 1-10-7 моль / л (-log 10 -7 = 7). Поэтому нейтральной реакции воды соответствует pH 7, кислой-pH <7 и основной -pH> 7. Протяженность шкалы pH - от 0 до 14. Значение pH в клетках слабощелочная. Изменение его на одну-две единицы губительна для клетки. Постоянство pH в клетках поддерживается за счет буферных систем, которые содержат смесь электролитов. Они состоят из слабой кислоты (донора Н +) и сопряженной с ней основы (акцептора Н +), которые в соответствии связывают ионы H + и боны ОН -, благодаря чему реакция pH внутри клетки почти не меняется.

Гидрофильные и гидрофобные соединения. В молекул воды две пары совместных электронов смещены к кислорода, поэтому электрический заряд внутри молекул распределен неравномерно: протоны Н + обусловливают положительный заряд на одном полюсе, а пары электронов кислорода - отрицательный заряд на противоположном полюсе. Эти заряды равны по величине и расположены на определенном расстоянии друг от друга. Итак, молекула воды - это постоянный диполь, который может взаимодействовать с носителями положительных и отрицательных зарядов. Наличием полюсов в молекулах воды объясняется способность воды к химическим реакциям гидратации.

Благодаря своей полярности молекулы воды могут присоединяться к молекулам или ионов растворимых в воде веществ с образованием гидратов (соединений воды с растворенным веществом). Эти реакции являются экзотермическими и, в отличие от реакций гидролиза, гидратация не сопровождается образованием водородных или гидроксильных ионов.

При взаимодействии молекул воды с молекулами полярных веществ притяжения молекул воды к розчинюванои вещества превышать энергию притяжения между молекулами воды. Поэтому молекулы или ионы таких соединений встраиваются в общую систему водородных связей воды. Гидрофильные вещества -это полярные вещества, которые способны хорошо растворяться в воде. Это растворимые кристаллические соли, моносахариды, определенные аминокислоты, нулеинови кислоты и др.

В случае взаимодействия молекул воды с молекулами неполярных веществ энергия притяжения молекул воды в них будет меньше, чем энергия водородных связей. Неполярные молекулы пытаются изолироваться от молекул воды, они группируются между собой и вытесняются из водного раствора. Гидрофобные вещества - это неполярные вещества, которые не растворяются в воде. Это нерастворимые минеральные соли, липиды, полисахариды, определенные белки и др. Некоторые органические молекулы имеют двойные свойства: на одних их участках сосредоточены полярные группы, на других - неполярные. Таковы многие белки, фосфолипиды. их называют амфифильных веществами.

Распределение молекул воды вокруг аниона и катиона

подземный вода река загрязнение антропогенный

Размещено на Allbest.ru