Portál:Otázky z biochemie (1. LF UK, VL, ÚLB)/Voda a její fyzikální a chemické vlastnosti, význam v organismu
Fyzikální a chemické vlastnosti
Voda je dvouprvková sloučenina kyslíku a vodíku se sumární vzorcem H2O. Je biologicky nejdůležitějším polárním rozpouštědlem a nejrozšířenější sloučeninou na Zemi. Pokrývá 70,7 % zemského povrchu. Je nezbytná pro všechny živé organismy. Voda v živých organismech zaujímá více než polovinu (cca 60–99 %) jejich objemu v závislosti na druhu organismu. Podílí se na termoregulaci, přenosu látek, udržuje pH, odstraňuje zplodiny metabolismu a figuruje jako reakční prostředí. V lidském organismu je podstatnou složkou např.: krve, potu, moči, žaludeční a střevní šťávy.
Voda se vyskytuje ve 3 skupenstvích:
- Kapalné – největší zastoupení (oceány, moře, řeky...)
- Plynné (vodní pára) – výskyt v atmosféře
- Pevné (led, sníh, kroupy...)
Při změně tlaku a teploty může dojít ke změnám skupenství – podmínka koloběhu vody v přírodě.
Fyzikální vlastnosti
Voda je bezbarvá, čirá kapalina bez chuti a bez zápachu. Bod tání vody je 0 °C, bod varu je 100 °C , z čehož i vyplývá Celsiova teplotní stupnice. Hustota vody se od 0 °C do 3,98 °C zvyšuje, poté s vzrůstající teplotou klesá. Při snižování teploty dochází opět k poklesu hustoty nepřímo úměrně ke zvyšujícímu se objemu. Z tohoto důvodu led plave na vodě (má menší hustotu než voda). Na rozdíl od všech běžných látek, kde platí pravidlo, že při zvyšování teploty se objem zvětšuje a při snižování teploty zmenšuje ve všech teplotních intervalech. Nejvyšší hustota vody (1 g/cm3) je při 3,98 °C. Tento jev se nazývá anomálie vody. Má význam pro vodní živočichy tím, že na povrchu vody se vytvoří vrstva ledu, která brání dalšímu promrzání.
Led má větší objem než kapalná voda. Při tání svůj objem zmenšuje, při tuhnutí zvětšuje. Krystalová struktura ledu obsahuje kanálky, kam odtéká tající voda, když dochází k rozrušení krystalové struktury. Neuspořádanost molekul kapalné vody v kanálcích způsobí menší objem než by byl v případě uspořádáné krystalové mřížky. Relativní zvětšení objemu je 9 %. Zvětšování objemu má negativní vliv zejména při zamrznutí ve štěrbinách → rozrušování skal, praskání zdiva apod.
Viskozita vody klesá se zvyšováním teploty. Od hodnoty viskozity se odvozuje rychlost filtrace vody pískem nebo sedimentace v čistírnách odpadních vod. (Při 0 °C: 1,78 mPa.s, při 100 °C: 0,28 mPa.s )
Povrchové napětí klesá s vzrůstající teplotou. Povrchové napětí vody je druhé největší z běžných látek. Toto je důležité v kapilárních jevech. Je snižováno chemickými pracími prostředky. (Při 0 °C: 75,6 mN/m, při 100 °C: 58,9 mN/m)
Voda má velice malou tepelnou vodivost, což zabraňuje zamrzání vody do větších hloubek. Elektrická vodivost závisí na obsahu iontů ve vodě. Čistá voda je velice málo elektricky vodivá. S přidáním iontů se elektrická vodivost vody výrazně zvyšuje. Měrná tepelná kapacita je u vody poměrně vysoká (4184 J⋅kg−1⋅K−1 při 20 °C). Jevu je využíváno v ústředním topení. Voda má také specificky vysoké výparné teplo, což má velký význam pro odvádění tepla z povrchu těla pocením.
Chemické vlastnosti
Voda z hlediska reaktivity patří mezi nejstálejší sloučeniny. Na vodík a kyslík se rozkládá až za vysokých teplot. Tvarem molekuly vody je čtyřstěn s úhlem 105°. Tvar je dán 2 volnými elektronovými páry na kyslíku. Kyslík nese částečný (parciální) záporný náboj a vodíky parciální kladný náboj. Za nerovnoměrné rozmístění elektronové hustoty mezi vodíky a kyslíkem může elektronegativita. Přítomnost vodíků umožňuje tvorbu vodíkových můstků. Ovlivňují chemické i fyzikální vlastnosti a to zejména polaritu, teplotu tání, teplotu varu a skupenství. Molekula H2O obsahuje 2 kovalentní sigma (σ) vazby.
Celá molekula je polární, a to díky polaritě vazeb mezi kyslíkem a vodíkem a dipólovému momentu. Je tedy významným polárním rozpouštědlem – rozpouští látky:
- polární, s iontovou vazbou – ve vodě se štěpí za vzniku hydratovaných iontů (elektrolytická disociace)
- plynné (NH3, CO2, O2, halogenvodíky,..)
- nepolární (cukry, alkoholy)
V přírodě se voda nevyskytuje čistá, ale s určitým množstvím rozpuštěných látek. Dle obsahu rozpuštěných látek ji dělíme:
- Slaná x sladká
- Minerální
- Tvrdá x měkká
- Destilovaná – chemicky čistá
Hydráty jsou krystalické látky obsahující vázané molekuly vody. Například : Modrá, bílá nebo zelená skalice. Destilovaná voda má pH 7. Dle rozpuštěných látek se pH mění. Voda v reakcích může být:
- Reaktantem reakce : H2O + SO2→H2SO3
- Produktem reakce (neutraliazce): HCl + NaOH→NaCl+H2O
- Reakčním prostředím (hydrolýza) : CN– + H2O↔HCN+OH-
Tvrdost vody
Tvrdost vody je častou překážkou v běžném užívání vody. Je způsobena některými rozpustnými solemi vápníku a hořčíku. Rozlišujeme dva typy tvrdosti vody. Tvrdost přechodnou a trvalou.
Přechodná tvrdost vody je většinou způsobena hydrogenuhličitany a dá se odstranit varem. Ca(HCO3)2 → CaCO3 + H2O + CO2 Usazenina CaCO3 se nazývá kotelní kámen.
Trvalá tvrdost vody je způsobena hlavně sírany a chloridy. Dá se odstranit přídavkem změkčovadla ( Na2CO3–soda)
CaSO4 +Na2CO3 → Na2SO4 +CaCO3
Význam vody v organismu
Vodu v organismu dělíme na volnou vodu, která slouží k rozpouštění látek; hydratační vodu, která je vázána na hydrofilní koloidy. Molekuly volné a hydratační vody se neustále vyměňují a jsou v rovnováze. A poslední – oxidační voda vznikne při spalování tuků, bílkovin, atp.
Člověk bez vody vydrží 6–8 dní, pak přijde o více než 11 % vody ze svalů nebo tukové tkáně a zemře.
Metabolismus vody
Metabolismus vody je v organismu velmi úzce spřažen s metabolismem Na+. Schopnost organismu skladovat vodu a rozdělit ji do příslušných kompartmentů je dána množstvím částic v ní rozpuštěných, tedy tzv. osmolalitou.
| Prostor | H2O (v l) | H2O (% těl. hmotnosti) | H2O (% celkové vody) |
| ICT | 28 | 40 | 65 |
| ECT | 14 | 20 | 35 |
| * IST | 11 | 15 | 25 |
| * plazma | 3 | 5 | 10 |
| celkem | 42 | 60 | 100 |
U dětí je obsah vody v organismu vyšší (70−80 %), rovněž podíl ICT a ECT je odlišný (u novorozence je objem ECT dokonce vyšší než ICT). Poruchy v metabolismu vody jsou poruchami v osmoregulaci. Normální osmolalita plazmy se pohybuje v rozmezí 275–295 mmol/kg. Při vzestupu nad hodnotu 278 mmol/kg začne sekrece antidiuretického hormonu (ADH). K dalšímu postupnému zvyšování sekrece ADH dochází tak, jak se zvyšuje osmolalita v plasmě – maxima je dosaženo při hodnotě 298 mmol/l. Další patologické zvýšení osmolality už nevede k dalšímu zvýšení sekrece ADH. Jiným stimulem sekrece ADH je pokles cirkulujícího objemu o 10–20 % nebo pokles krevního tlaku o 5 %. Podobný efekt může mít úzkost, bolest, některé drogy (opiáty, barbituráty, též chlorpropamid, acetaminofen).
