Страница 122 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

Почему вода играет уникальную роль в жизни человека?

Вода играет уникальную и незаменимую роль в жизни человека благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам, которые делают ее основой всех биологических процессов, а также ключевым ресурсом для цивилизации. Эту роль можно рассмотреть с нескольких сторон.

1. Биологическое значение

Человеческий организм состоит из воды примерно на 60-70%. Вода является средой, в которой протекают все жизненно важные процессы:

• Универсальный растворитель: Молекула воды ($H_2O$) полярна, что позволяет ей растворять множество веществ (соли, сахара, аминокислоты). Кровь, лимфа и цитоплазма клеток — это водные растворы. Благодаря этому свойству вода обеспечивает транспорт питательных веществ к клеткам и вывод продуктов обмена (например, с мочой).
• Участник биохимических реакций: Вода непосредственно участвует во многих химических реакциях, например, в реакциях гидролиза, которые лежат в основе пищеварения (расщепление белков, жиров и углеводов).
• Терморегуляция: Вода обладает высокой теплоемкостью, то есть способна поглощать большое количество тепла при незначительном изменении собственной температуры. Это помогает поддерживать постоянную температуру тела. Также вода обладает высокой теплотой парообразования, что обеспечивает охлаждение организма при потоотделении.
• Структурная и механическая функция: Вода придает объем и упругость клеткам и тканям (тургор). Она является основным компонентом синовиальной жидкости (смазка для суставов) и спинномозговой жидкости (амортизатор для головного и спинного мозга).

2. Уникальные физико-химические свойства

Уникальность воды как вещества определяется строением ее молекулы и наличием водородных связей между молекулами. Эти особенности приводят к аномальным свойствам, критически важным для жизни:

• Полярность молекулы: Атомы водорода и кислорода в молекуле $H_2O$ расположены асимметрично, создавая диполь. Это свойство и делает воду превосходным растворителем для полярных и ионных соединений.
• Высокая теплоемкость: Позволяет организмам и планете в целом избегать резких перепадов температур.
• Высокая теплота парообразования: Эффективное охлаждение за счет испарения — ключевой механизм терморегуляции у человека.
• Высокое поверхностное натяжение: Это свойство важно для капиллярных явлений в живых организмах (например, движение жидкостей в тонких сосудах).
• Аномалия плотности: Лед имеет меньшую плотность, чем жидкая вода, поэтому он плавает на поверхности. Это защищает водоемы от полного промерзания и сохраняет жизнь водных организмов, что косвенно влияет и на человека через пищевые цепи и климат.

3. Роль в цивилизации и хозяйственной деятельности

Помимо биологической роли, вода является фундаментом для развития человеческого общества:

• Сельское хозяйство: Вода необходима для орошения полей, без которого невозможно производство достаточного количества пищи.
• Промышленность: Используется как растворитель, теплоноситель (охлаждающая жидкость), транспортная среда и сырье во многих технологических процессах.
• Энергетика: Гидроэлектростанции вырабатывают значительную часть мировой электроэнергии.
• Быт и гигиена: Вода — основа санитарии и личной гигиены, что является залогом предотвращения эпидемий и поддержания здоровья населения.
• Транспорт: Реки, моря и океаны исторически являются важнейшими транспортными артериями.

Ответ: Уникальная роль воды в жизни человека обусловлена ее незаменимостью как универсального растворителя и среды для всех биохимических процессов в организме, ее исключительными физическими свойствами (высокой теплоемкостью и теплотой парообразования), обеспечивающими терморегуляцию, а также ее фундаментальным значением для сельского хозяйства, промышленности, энергетики и гигиены, что делает воду основой как биологического существования человека, так и всей человеческой цивилизации.

1. Какой воды на Земле больше всего — твёрдой, жидкой или газообразной?

Вода на Земле существует в трёх основных агрегатных состояниях: жидком, твёрдом (лёд) и газообразном (водяной пар). Чтобы определить, какой воды больше всего, необходимо сравнить их объёмы в масштабах всей планеты.

Жидкая вода. Это самая распространённая форма воды на Земле. Подавляющая её часть, около $97,5\%$, — это солёная вода, которая находится в Мировом океане (моря и океаны). Оставшаяся жидкая вода является пресной и включает в себя подземные воды, озёра и реки. В совокупности на долю жидкой воды приходится более $98\%$ от всего её количества на планете.

Твёрдая вода. Вода в твёрдом состоянии представлена в основном ледниками и ледяными покровами Антарктиды и Гренландии, а также вечной мерзлотой и снегом. На долю твёрдой воды приходится около $1,74\%$ от общего объёма воды.

Газообразная вода. Вода в виде водяного пара содержится в атмосфере. Её количество является наименьшим по сравнению с жидкой и твёрдой водой и составляет всего лишь около $0,001\%$ от общего объёма.

Таким образом, сравнение объёмов воды в разных агрегатных состояниях показывает, что на Земле многократно преобладает жидкая вода.

Ответ: На Земле больше всего жидкой воды.

2. Какое из агрегатных состояний воды: а) самое тяжёлое; б) самое лёгкое?

а) самое тяжёлое

Чтобы определить, какое из агрегатных состояний воды является самым тяжёлым для одного и того же объёма, необходимо сравнить плотности воды в трёх состояниях: твёрдом (лёд), жидком (вода) и газообразном (водяной пар). Под "тяжестью" в данном контексте понимают наибольшую плотность.

Плотность ($\rho$) — это физическая величина, равная отношению массы тела ($m$) к его объёму ($V$): $\rho = \frac{m}{V}$.

Жидкое состояние (вода): Вода обладает уникальным свойством — её максимальная плотность достигается не при температуре замерзания, а при температуре около +4 °C и составляет примерно $\rho_{воды} \approx 1000 \text{ кг/м}^3$.

Твёрдое состояние (лёд): При замерзании (переходе из жидкого состояния в твёрдое) вода расширяется, то есть её объём увеличивается. Это связано с формированием упорядоченной кристаллической решётки, в которой молекулы располагаются на большем расстоянии друг от друга, чем в жидкой воде. Поэтому плотность льда меньше плотности жидкой воды. Плотность льда при 0 °C составляет $\rho_{льда} \approx 917 \text{ кг/м}^3$. Именно поэтому лёд плавает на поверхности воды.

Газообразное состояние (водяной пар): В газообразном состоянии молекулы воды находятся на больших расстояниях друг от друга и хаотично движутся, занимая весь предоставленный объём. Вследствие этого плотность водяного пара значительно ниже плотности как жидкой воды, так и льда. Например, плотность насыщенного пара при 100 °C и нормальном атмосферном давлении составляет $\rho_{пара} \approx 0,598 \text{ кг/м}^3$.

Сравнивая значения плотностей, получаем: $\rho_{воды} (1000 \text{ кг/м}^3) > \rho_{льда} (917 \text{ кг/м}^3) > \rho_{пара} (0,598 \text{ кг/м}^3)$.

Следовательно, самым тяжёлым (наиболее плотным) является жидкое состояние воды.

Ответ: самое тяжёлое агрегатное состояние воды — жидкое.

б) самое лёгкое

Самым лёгким агрегатным состоянием является то, которое имеет наименьшую плотность. Как было показано в предыдущем пункте, плотности трёх состояний воды имеют следующие примерные значения: плотность жидкой воды $\rho_{воды} \approx 1000 \text{ кг/м}^3$; плотность льда $\rho_{льда} \approx 917 \text{ кг/м}^3$; плотность водяного пара (при 100 °C) $\rho_{пара} \approx 0,598 \text{ кг/м}^3$.

Из сравнения этих величин очевидно, что наименьшей плотностью обладает водяной пар. Молекулы в газе находятся на значительно больших расстояниях друг от друга по сравнению с жидкостью и твёрдым телом, поэтому в одинаковом объёме масса газа будет наименьшей.

Ответ: самое лёгкое агрегатное состояние воды — газообразное (водяной пар).

3. В чём разница между пресной и дистиллированной водой?

Основное различие между пресной и дистиллированной водой заключается в их химическом составе, а именно в наличии и количестве примесей, что определяет их свойства и области применения.

Пресная вода — это вода, встречающаяся в природе в реках, озерах, ледниках и подземных источниках, с общей минерализацией (содержанием растворенных солей) менее 1 г/л. Она не является химически чистым веществом. В её составе, помимо молекул воды ($H_2O$), всегда присутствуют растворенные минеральные соли (например, ионы кальция $Ca^{2+}$, магния $Mg^{2+}$, натрия $Na^{+}$, гидрокарбонат-ионы $HCO_3^{-}$), газы (кислород, углекислый газ) и различные органические вещества. Именно эти примеси придают воде вкус и делают её способной проводить электрический ток. Пресная вода жизненно необходима для питья, сельского хозяйства и промышленности.

Дистиллированная вода — это вода, прошедшая глубокую очистку методом дистилляции (перегонки). В ходе этого процесса обычную воду нагревают до кипения, превращая в пар. Пар, состоящий практически из чистых молекул $H_2O$, затем охлаждают и конденсируют обратно в жидкость. Все нелетучие примеси — минеральные соли, металлы, органические соединения — остаются в исходной емкости. В результате получается вода, максимально приближенная к химически чистой. Она практически не содержит ионов, поэтому является диэлектриком (очень плохо проводит электрический ток) и имеет «пустой» или «плоский» вкус. Используется в научных лабораториях, медицине, для заправки автомобильных аккумуляторов и в бытовых приборах (утюгах, увлажнителях) для предотвращения образования накипи.

Ответ:

Разница заключается в том, что пресная вода — это природная вода, представляющая собой слабый раствор минеральных солей и других примесей, тогда как дистиллированная вода — это искусственно полученная, практически полностью очищенная от всех примесей вода, по составу близкая к химически чистому веществу $H_2O$.

4. Как вы думаете, полезно ли пить дистиллированную воду?

Вопрос о пользе или вреде дистиллированной воды является предметом дискуссий. Чтобы дать развернутый ответ, необходимо рассмотреть ее свойства и потенциальное влияние на организм человека.

Дистиллированная вода — это вода, очищенная от практически всех примесей, включая растворенные минеральные соли, органические вещества и микроорганизмы, путем процесса дистилляции (перегонки). В результате получается химически чистая вода с формулой $H_2O$.

Потенциальная польза и безопасность

Главным преимуществом дистиллированной воды является ее исключительная чистота. Она гарантированно не содержит вредных загрязнителей, таких как тяжелые металлы, хлор, пестициды или бактерии, которые могут присутствовать в водопроводной воде низкого качества. Поэтому в регионах с загрязненной водой или в особых случаях (например, для некоторых медицинских процедур) ее использование может быть оправдано.

Кратковременное употребление дистиллированной воды, как правило, безопасно для здорового человека. Организм получает основную массу необходимых минералов (кальций, магний, калий) из пищи, а не из воды. При сбалансированном питании отсутствие минералов в воде не вызовет острого дефицита.

Потенциальный вред при длительном употреблении

Несмотря на вышесказанное, постоянное употребление дистиллированной воды в качестве основного источника питья не рекомендуется специалистами по ряду причин:

1. Отсутствие полезных минералов. Обычная питьевая вода вносит вклад в суточное потребление таких важных элементов, как кальций и магний, которые необходимы для здоровья костей, сердца и нервной системы. Полностью лишая себя этого источника, человек повышает риск их недостаточного потребления.
2. Нарушение водно-солевого баланса. Дистиллированная вода не содержит электролитов. По законам осмоса, попадая в организм, она может способствовать вымыванию минеральных солей из клеток и тканей. Это особенно рискованно при значительных физических нагрузках, когда электролиты и так теряются с потом. В крайних случаях это может привести к нарушению баланса электролитов.
3. Вкус и воздействие на пищу. Из-за отсутствия минералов дистиллированная вода имеет "пустой", плоский вкус. При приготовлении пищи на такой воде (например, варке овощей) она может вытягивать из продуктов больше минеральных солей, обедняя их пищевую ценность.

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) также отмечает, что длительное употребление деминерализованной воды может иметь неблагоприятные последствия для здоровья.

Вывод

Пить дистиллированную воду можно, но не следует делать ее основным источником жидкости на постоянной основе. Ее употребление может быть оправдано в краткосрочной перспективе или в ситуациях, когда доступ к качественной питьевой воде ограничен. Для ежедневного потребления лучше подходит качественная фильтрованная, бутилированная или родниковая вода, которая содержит естественный сбалансированный состав минералов.

Ответ: Регулярное и длительное употребление дистиллированной воды в качестве основного напитка не считается полезным. Краткосрочное питье безопасно, но постоянное употребление может привести к недостаточному поступлению в организм важных минералов (кальция, магния) и способствовать нарушению водно-солевого баланса из-за вымывания электролитов. Для поддержания здоровья предпочтительнее пить воду с естественной минерализацией.

5. Какую геометрическую форму имеет молекула воды?

Решение

Молекула воды, имеющая химическую формулу $H_2O$, состоит из одного центрального атома кислорода (O), ковалентно связанного с двумя атомами водорода (H). Геометрическая форма молекулы определяется взаимным расположением этих трех атомов в пространстве.

Согласно теории отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR), форма молекулы зависит не только от связывающих электронных пар, но и от неподеленных (одиночных) электронных пар центрального атома. Атом кислорода имеет на внешней электронной оболочке 6 валентных электронов. Два электрона он использует для образования двух ковалентных связей с атомами водорода, и у него остаются еще 4 электрона, которые образуют две неподеленные электронные пары.

Таким образом, вокруг центрального атома кислорода находятся четыре электронные области (две связывающие пары и две неподеленные). Для минимизации взаимного отталкивания они стремятся расположиться в пространстве по вершинам тетраэдра. Однако форма молекулы описывается положением только атомных ядер. Неподеленные электронные пары занимают больший объем и отталкивают связывающие пары сильнее, чем связывающие пары отталкивают друг друга. В результате этого отталкивания угол между связями O-H сжимается по сравнению с идеальным тетраэдрическим углом ($109.5^\circ$) и составляет приблизительно $104.5^\circ$.

Такое расположение атомов, где атом кислорода находится в вершине угла, а два атома водорода — на его сторонах, придает молекуле воды угловую или согнутую форму.

Ответ: Молекула воды имеет угловую (согнутую) геометрическую форму.

6. Сколько процентов водорода содержит вода:

а) по массе;

б) по числу атомов?

Дано:

Найти:

Процентное содержание водорода ($\text{H}$) в воде ($H_2O$):

а) по массе ($\omega(H)$) - ?

б) по числу атомов - ?

Решение:

а) по массе;

Массовая доля элемента в веществе определяется как отношение суммарной массы атомов этого элемента в молекуле к относительной молекулярной массе всего вещества, выраженное в процентах.

1. Сначала рассчитаем относительную молекулярную массу воды ($Mr(H_2O)$). Она равна сумме относительных атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы:

$Mr(H_2O) = 2 \cdot Ar(H) + 1 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18$

2. Общая масса атомов водорода в одной молекуле воды составляет:

$2 \cdot Ar(H) = 2 \cdot 1 = 2$

3. Теперь можем найти массовую долю водорода ($\omega(H)$) в воде по формуле:

$\omega(H) = \frac{2 \cdot Ar(H)}{Mr(H_2O)} \cdot 100\% = \frac{2}{18} \cdot 100\% = \frac{1}{9} \cdot 100\% \approx 11.11\%$

Ответ: Вода содержит приблизительно 11.11% водорода по массе.

б) по числу атомов?

Процентное содержание по числу атомов определяется как отношение числа атомов данного элемента в молекуле к общему числу атомов в этой молекуле, выраженное в процентах.

1. Из химической формулы воды $H_2O$ видно, что одна молекула содержит:

- 2 атома водорода (H)

- 1 атом кислорода (O)

2. Общее число атомов в одной молекуле воды равно:

$2 \text{ (атома H)} + 1 \text{ (атом O)} = 3 \text{ (атома)}$

3. Рассчитаем долю атомов водорода от общего числа атомов в процентах:

$\text{Процент атомов H} = \frac{\text{Число атомов H}}{\text{Общее число атомов}} \cdot 100\% = \frac{2}{3} \cdot 100\% \approx 66.67\%$

Ответ: Вода содержит приблизительно 66.67% водорода по числу атомов.

7. В каком агрегатном состоянии между молекулами воды больше всего водородных связей?

Решение

Вода ($H_2O$) может существовать в трех основных агрегатных состояниях: твердом (лед), жидком и газообразном (пар). Количество и прочность водородных связей между молекулами воды кардинально различаются в этих состояниях.

• В газообразном состоянии (водяной пар), молекулы воды обладают высокой кинетической энергией, находятся на больших расстояниях друг от друга и движутся хаотично. Из-за этого постоянные водородные связи между ними практически отсутствуют.

• В жидком состоянии молекулы воды расположены гораздо ближе друг к другу. Между ними образуются водородные связи, но они носят временный характер: связи постоянно рвутся и образуются вновь из-за теплового движения молекул. В среднем, каждая молекула воды в жидком состоянии связана с 3-4 соседними молекулами.

• В твердом состоянии (лед), молекулы воды теряют подвижность и образуют упорядоченную кристаллическую структуру. В этой структуре каждая молекула воды формирует максимальное количество водородных связей – четыре – с соседними молекулами, образуя тетраэдрическую сетку. Эти связи стабильны и прочны, они фиксируют положение молекул в пространстве. Именно благодаря этой упорядоченной структуре с максимальным числом водородных связей лед имеет меньшую плотность, чем жидкая вода.

Следовательно, именно в твердом состоянии количество водородных связей на единицу молекул является максимальным.

Ответ: Больше всего водородных связей между молекулами воды в твердом агрегатном состоянии (во льду).

8. Чтобы перевести вещество из жидкого состояния в газообразное, нужно разорвать все связи между молекулами, а для этого — затратить энергию в виде теплоты. Используя этот факт, объясните, почему у воды очень высокая теплота испарения.

Как указано в условии, для испарения жидкости необходимо затратить энергию на разрыв межмолекулярных связей. Величина этой энергии, называемая удельной теплотой парообразования, напрямую зависит от прочности этих связей. У воды это значение аномально высокое из-за особого типа межмолекулярного взаимодействия — водородных связей.

Молекула воды ($H_2O$) является полярной. Атом кислорода, будучи более электроотрицательным, оттягивает к себе общую электронную пару, приобретая небольшой отрицательный заряд ($\delta-$). Атомы водорода, соответственно, приобретают небольшой положительный заряд ($\delta+$). Из-за этого положительно заряженный атом водорода одной молекулы воды сильно притягивается к отрицательно заряженному атому кислорода другой молекулы.

Эта связь, называемая водородной, значительно прочнее, чем обычные межмолекулярные силы (силы Ван-дер-Ваальса), которые действуют между молекулами многих других жидкостей. Каждая молекула воды может образовывать до четырёх таких прочных водородных связей со своими соседями, создавая в объёме жидкости сложную и устойчивую пространственную сетку.

Чтобы молекула покинула жидкость и стала частью пара, ей нужно преодолеть притяжение всех соседних молекул, то есть разорвать эти многочисленные и сильные водородные связи. На это требуется большое количество энергии. Именно поэтому для испарения воды нужно подвести значительно больше теплоты по сравнению с другими веществами со схожей молярной массой, что и выражается в её очень высокой удельной теплоте испарения.

Ответ: У воды очень высокая теплота испарения, потому что её полярные молекулы связаны между собой большим количеством прочных водородных связей. Для разрыва этих многочисленных связей и превращения воды в пар требуется затратить большое количество тепловой энергии.

9. Как вы думаете, почему жизнь появилась в жидкой воде, а не в твёрдой?

Жизнь зародилась и развивалась в жидкой воде, а не в твёрдой (льду), благодаря уникальному сочетанию физических и химических свойств, которыми обладает вода именно в жидком агрегатном состоянии. Эти свойства создали идеальные условия для сложных химических реакций, лежащих в основе жизни.

Вот основные причины:

1. Универсальный растворитель. Жидкая вода является превосходным растворителем для полярных и ионных соединений благодаря полярности своих молекул ($H_2O$). В первичном океане Земли это позволило накопиться большому количеству разнообразных химических веществ в растворённом виде. В этом «первичном бульоне» молекулы могли свободно двигаться, сталкиваться и вступать в реакции, что привело к образованию первых сложных органических молекул (аминокислот, нуклеотидов), а затем и полимеров (белков и нуклеиновых кислот). Во льду же молекулы зафиксированы в кристаллической решётке, их подвижность крайне низка, и химические реакции практически не идут.
2. Транспортная среда и подвижность. Текучесть воды обеспечивает возможность перемещения веществ. Для первых живых организмов (протоклеток) это означало возможность получать питательные вещества из окружающей среды и выводить продукты обмена веществ. Внутри клетки вода также является основной средой для перемещения молекул и органелл. В твёрдой воде транспорт веществ невозможен, что делает метаболизм неосуществимым.
3. Высокая теплоёмкость. Жидкая вода обладает очень высокой удельной теплоёмкостью. Это означает, что для нагрева или охлаждения воды требуется большое количество энергии. Благодаря этому свойству Мировой океан и другие крупные водоёмы действовали как гигантский термостат, сглаживая суточные и сезонные колебания температуры на планете. Стабильная температура создавала благоприятные условия для существования и развития первых, очень хрупких форм жизни, которые не смогли бы выжить при резких температурных скачках.
4. Аномалия плотности. В отличие от большинства других веществ, вода в твёрдом состоянии (лёд) имеет меньшую плотность, чем в жидком (при температуре около $4^\circ C$). Поэтому лёд не тонет, а образует на поверхности водоёмов плавающий слой. Этот слой защищает нижележащие слои воды от дальнейшего замерзания и сохраняет жидкую среду, в которой может продолжаться жизнь даже в холодные периоды. Если бы лёд был тяжелее воды, он бы опускался на дно, и водоёмы промерзали бы полностью, уничтожая всё живое.

Таким образом, именно динамичная, химически активная и термически стабильная среда жидкой воды стала той колыбелью, в которой смогла зародиться и эволюционировать жизнь. Твёрдая вода (лёд) из-за своей неподвижной, кристаллической структуры не предоставляет условий для сложных химических процессов, необходимых для возникновения и поддержания живых систем.

Ответ: Жизнь появилась в жидкой воде, а не в твёрдой, потому что жидкая вода является универсальным растворителем, обеспечивает подвижность молекул для химических реакций и транспорт веществ, а также обладает высокой теплоёмкостью и аномальной плотностью, что создаёт стабильные и благоприятные условия. В твёрдой воде (льду) молекулы неподвижны, что делает невозможными биохимические реакции и процессы жизнедеятельности.