Woda – właściwości substancji w życiu człowieka i w środowisku

Woda jest bardzo istotną substancją na naszej planecie. Właściwości substancji można wyjaśniać na tle takich dziedzin jak fizyka czy chemia. Oprócz ważności tego związku chemicznego trzeba podkreślić, że jest to najbardziej rozpowszechniona substancja. Najważniejszą właściwością substancji, jest występowanie wody w trzech staniach skupienia. To jedyna substancja występująca w stanie stałym, ciekłym i gazowym.

Woda jako substancja w formie ciekłej i lodu zajmuje 70% powierzchni naszej planety. Zaś w formie pary wodnej jest niezbędnym składnikiem otaczającej nas atmosfery. Woda jest nieodłącznym elementem przyrody. Jest obecna w procesach życiowych organizmów żywych, czyli ludzi i zwierząt, jak i roślin. Woda zwana także cząsteczką wody składa się z pojedynczego atomu tlenu oraz dwóch atomów wodoru, które połączone są wiązaniami kowalencyjnymi, które są polarne.

Właściwości fizykochemiczne wody

Gdy zaczniemy porównywać wodę z innymi cieczami, możemy przekonać się o wielkim znaczeniu i świetności tej substancji. Dlaczego tak jest? Woda i roztwory oparte na wodzie, mają nietypowe właściwości. Właściwości dotyczące fizykochemii, termodynamiki oraz transportu. Te trzy właściwości wody nieodłącznie są związane i zależą od temperatury i ciśnienia. Do bardzo znanych i powszechnych właściwości należą: gęstość maksymalna w 4ºC temperatury, ujemnej objętości topnienia, ściśliwość izotermiczna, której minimalna wartość wynosi 46ºC, topnienie pod dużą ilością ciepła, wrzenie pod wysoką temperaturą oraz wysoka krytyczna temperatura, ciepło parowania dużej ilości, pojemność cieplna przy dużym ciśnieniu stałym, duża stała dielektryczna i podczas wzrostu ciśnienia występująca lepkość, która maleje.

Temperatura, w której woda ulega topnieniu to 0ºC, a temperatura, w której woda poddawana jest wrzeniu to 100ºC. Dlaczego tak się dzieje? Odpowiedzialna za ten stan rzeczy jest sieć wodorowa. Jeśli skupiamy się dalej nad właściwościami wody. Trzeba wspomnieć tutaj, że woda ulega nieznacznej jonizacji. Woda niezawierająca zasad ani też kwasów ulega autodysocjacji w bardzo małym stopniu.

Woda i jej stany skupienia

Jak już wcześniej było wspomniane, woda jako jedyna substancja w przyrodzie, występuje w trzech stanach skupienia. Jest to stan stały w formie lodu, stan ciekły oraz występujący w powietrzu w formie pary – czyli stan gazowy. Kiedy woda występuje w stanie gazowym, odległości między cząsteczkami wody są znaczne, a prawie nie występuje przyciąganie. Przyciąganie jest, jednak w tak małej ilości, że jest ono niezauważalne na pierwszy rzut oka. Tym samym cząsteczki mogą poruszać się w sposób bardzo dogodny dla siebie. Kiedy substancja, jaką jest woda, występuję w stanie ciekłym, wtedy cząsteczki są znacznie bliżej siebie, niż było to w przypadku stanu gazowego. Tak też bardziej wzajemnie na siebie oddziałują.

Zaletą jest też to, że mogą zmieniać miejsce, jednak nie do końca bez ograniczeń. Zmiana miejsc jest ograniczona i ma pewne ramy, których nie są w stanie przekroczyć. Tak też ich kształt może ulegać zmianie i nie jest to trudne. Problemem jest jednak zmiana objętości, to jest o wiele trudniejsze.

Woda jako rozpuszczalnik

Czy jest możliwe, aby woda służyła jako rozpuszczalnik? Co tak naprawdę odpowiada za to, że woda może mieć właściwości rozpuszczalnika. Odpowiedzialna za to jest właściwość polarna substancji, jaką jest woda. Cząsteczki mają polarną naturę. Drugim istotnym aspektem, jest możliwość tworzenia wiązań wodorowych. Woda służy jako rozpuszczalnik dla takich związków, które są zjonizowane lub polarne. Jednak jak w każdym przypadku, musi być coś w drugą stronę. Tak jest i w tym przypadku. Tym samym nie będzie ona rozpuszczalnikiem dla węglowodorów. Dlatego dla tych dwóch przypadków są nazwy o charakterze specjalistycznym. Tak też związki, które mogą i łatwo rozpuszczają się w wodzie, nazywane są związkami hydrofilowymi.

Z drugiej strony związki, które niechętnie lub wcale nie rozpuszczają się w wodzie, nazywane są związkami hydrofobowymi. Jeśli dodamy jakąś substancję do wody, naturalnie substancja zmienia swoją strukturę, właściwości środowiska wodnego. Substancja, która ulega rozpuszczeniu, wymusza porządkowanie cząsteczek w odpowiednim stylu.

Właściwości roztworów z wodą

Dlatego też właściwości różnego rodzaju roztworów różnią się bardzo mocno od czystej wody. Od czego konkretnie to zależy? Zależy to od samej substancji rozpuszczalnej, a konkretniej jej natury. Jednak to nie wszystko. Bardzo ważne w tej kwestii jest także stężenie. Różnice we właściwościach są dość wyraźne. Tak też różnią się obniżeniem punktu zamarzania, temperatura wrzenia, a konkretniej jej wzrost oraz podobnie wzrost ciśnienia osmotycznego roztworów.

Takie oddziaływanie różnego rodzaju roztworów z cząsteczkami wody znane w specjalistycznym gronie jako proces hydratacji. Co jest podstawą pod rozpuszczanie i hydratację substancji? To oddziaływanie między jonem i w przeciwnym przypadku naładowanie biegunem dipolarnej cząsteczki wody. Tak też jony takie jak: Na+ , K+ , Mg2+, Ca2+ i Cl- , w roztworach wodnych nie występują jako związki wolne. Każdy z nich posiada oddzielną powłokę, która złożona jest z cząsteczek wody. Jednak aby uzyskać powłokę na okres stały, jony muszą współdziałać z cząsteczkami wody. Dlatego w związku z tym, trzeba wiedzieć o tym, że woda jest dobrym rozpuszczalnikiem dla prawie wszystkich cząsteczek.

Woda głównym składnikiem ciała człowieka

Organizm ludzki w głównym stopniu składa się z wody. Jej ilość w organizmie zależy od wieku. W płodzie mającym trzy miesiące znajduje się około 90% wody, u noworodka prawie 80%, zaś dorosły człowiek posiada w organizmie od 60 do nawet 75% wody. W prawie każdej żywej komórce woda to około 70% masy. Jest także roztworem zawierającym tysiące różnych substancji takich jak: nieorganiczne jony, związki organiczne o małej masie cząsteczkowej i makrocząsteczki rozpuszczalne. Woda znajduje się we wszystkich cząsteczkach ludzkiego ciała.

Jednak w każdej cząsteczce występuje inaczej, tym samym ilość wody w cząsteczkach jest rozłożona nierównomiernie. Głównie woda występuję w trzech częściach, ośrodkach ciała człowieka. Są to trzy ośrodki takie jak: wewnątrzkomórkowy zwany intercelularnym, ośrodek pozakomórkowy zwany ekstaceluralnym, w tym znajduje się także woda, której miejsce jest w osoczu krwi. Ostatni ośrodek występowania to ciecz śródkomórkowa – znajdująca się między innymi w przewodzie komórkowym. Przestrzenie nie są specjalnie oddzielone. Istnieje między nimi ciągły przepływ dużych ilości cieczy takich jak ślina, sok trzustkowy, czy też sok żołądkowy. Do samego przewodu pokarmowego u człowieka dziennie dostaje się prawie 8 dm 3 cieczy.

Rola wody w czynnościach życiowych organizmu

Woda jest bardzo potrzebna dla utrzymania wszystkich czynności życiowych. Substancja ta jest obecna podczas procesu wchłaniania pożywienia z jelit, podobnie jak podczas odżywiania komórek. Kiedy organizm człowieka zaczyna trawić pokarmy, zostaje doprowadzany do stanu, w którym można rozpuścić pokarm w wodzie i rozłożony na drobne cząstki przenika przez ścianki jelit do krwi i płynu śródkomórkowego, a dalej do pozostałych komórek.

Woda w organizmie ma za zadanie przenosić oraz regulować ciepło. Pochłania jego nadwyżki i wydala je w czasie parowania przez skórę np. w formie potu i drogami oddechowymi. Woda jest obecna we wszystkich biochemicznych reakcjach. Woda pozwala zwilżać błony śluzowe, gałkę oczną oraz zapewnia ruchliwość stawów. Człowiek dorosły bez dostarczenia do organizmu jedzenia, można przeżyć nawet ponad miesiąc. W przypadku wody jest to zaledwie kilka dni. Kiedy w organizmie nie będzie dostatecznej ilości wody, szybko się odwodnimy. Trzeba zdać sobie sprawę z tego, że tracąc 20% wody z ciała, można umrzeć. Dlatego dorosły człowiek dzienne, powinien dostarczać do organizmu 2,5 litra wody.

Substancja wody w środowisku

Źródłem wody w przyrodzie, czerpania tej substancji są wody powierzchniowe. Wody powierzchniowe znajdują się w naturalnych zbiornikach, takich jak jeziora i rzeki. Większość z tych wód swoje źródło ma w głębinach, które są częściowo oczyszczane. Proces oczyszczania to kilka etapów powiązane ze sobą. To między innymi usunięcie cząstek stałych. Metody te nie zapewniają jednak usunięcia substancji rozpuszczonych w wodzie. Tylko niektóre zakłady oczyszczania wody filtruję tę substancję z udziałem węgla aktywnego, który ma zdolność częściowej redukcji zawartości niepożądanych związków organicznych. Oczyszczona woda pomimo tego, że jest bezbarwna i czysta, może mieć cały czas zanieczyszczenia.

Woda z wodociągów bardzo mocno przypomina skład wody powierzchniowej lub podziemnej, z której też pochodzi. Woda może zawierać znaczną ilość soli mineralnych, jednak także inne substancje pochodzące z działalności człowieka. W wodzie z wodociągów, z którą mamy styczność każdego dnia i korzystamy na co dzień, mogą być obecne niewielkiej ilości związków organicznych stanowiących zanieczyszczenia środowiska. Takich jak: węglowodory z ropy naftowej, z paliw, detergentów, produktów rozkładu tworzyw sztucznych, rozpuszczalników.

Woda naturalna bardzo często ma odczyn alkaliczny, a czasem nawet lekko kwaśny. Czemu służy kwasowość wody? Kwasowość jest to efekt występowania rozpuszczonego dwutlenku węgla lub kwasów organicznych pochodzących z ziemi torfowej. Siarczany przenoszą się do wody z deszczu, który spada na teren, który często jest mocno zanieczyszczony przez przemysł. Podczas procesu oczyszczania wody, działanie prowadzące ku spowodowaniu większej czystości powoduje kwasowość wody. Nie trzeba obawiać się, pijąc wodę, o zawartości lekkiej kwasowości, jednak preferowana jest woda o odczynie zasadowym. Woda, z której korzystamy i którą kupujemy, ma zazwyczaj pH ~ 7. Woda skażona bakteryjnie może przenosić choroby. Choroby wirusowe, które przenoszone są przez wodę to między innymi żółtaczka. W wodzie obecne są czasem także pasożyty takie jak: motylica wątrobowa czy ameby.