Характеристика воды

     Содержание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение

Вода – самое  распространенное соединение в живых организмах; она составляет основную массу тела человека, животных, растений и микроорганизмов. Так, в организме взрослого человека содержится 58-67% воды, что составляет в среднем 2/3 массы его тела.

Суточная потребность  взрослого человека в воде обычно составляет 2,5-3,0 л, или 40 г на килограмм массы его тела, у грудных детей – в 3-4 раза больше. При физической нагрузке или при высокой наружной температуре воздуха потребность в воде повышается до 3,5-5,0 л и более. Потребление воды должно соответствовать его расходу. Потребность организма в воде удовлетворяется различными путями. Так, при употреблении человеком в сутки 2,6 л воды на долю питьевой воды приходится примерно 0,9 л,  воды пищевых продуктов – 1,35 л и воды, образующейся при окислении различных веществ, - 0,35 л.

В организме  человека вода образуется при окислении  различных органических соединений: при окислении 100г белков – 41 мл, углеводов – 55 мл и жиров – 107 мл. Недостаток воды в организме  приводит к усилению вязкости крови, а избыток – к усиленному вымыванию из организма солей, повышению нагрузки на сердце и почки.

В питании человека вода играет роль инертного растворителя и физико-химической среды, в контакте с которой  многие вещества приобретают  коллоидальную форму.

Вода, применяемая  в пищевой промышленности, должна обладать высокими органолептическими характеристиками: быть бесцветной, прозрачной, не иметь посторонних привкусов и запахов. Эти характеристики, определяемые физическими  свойствами воды, должны соответствовать требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01.

1.  Литературный обзор

1.1  Химическая и физическая природа воды

Физические  свойства воды аномальны, что объясняется приведёнными выше данными о взаимодействии между молекулами воды.

Вода  –единственное вещество на Земле, которое  существует в природе во всех трёх агрегатных состояниях – жидком, твёрдом и газообразном.

Плавление льда при атмосферном давлении сопровождается уменьшением объёма на 9%. Плотность  жидкой воды при температуре, близкой  к нулю, больше, чем у льда. При 0⁰С 1 грамм льда занимает объём 1,0905 кубических сантиметров, а 1 грамм жидкой воды занимает объём 1,0001 кубических сантиметров. И лёд плавает, оттого и не промерзают обычно насквозь водоёмы, а лишь покрываются ледяным покровом.

Температурный коэффициент объёмного расширения льда и жидкой воды отрицателен при температурах соответственно ниже - 210⁰ С и + 3,98⁰ С.

Теплоёмкость  при плавлении возрастает почти  вдвое и в интервале от 0⁰ С до 100⁰ С почти не зависит от температуры.

Вода  имеет незакономерно высокие  температуры плавления и кипения в сравнении с другими водородными соединениями элементов   главной подгруппы  VI группы таблицы Менделеева.

Нужно подвести дополнительную энергию, чтобы  расшатать, а затем разрушить  водородные связи. И энергия эта  очень значительна. Вот почему так велика теплоёмкость воды. Благодаря этой особенности вода формирует климат планеты. Геофизики утверждают, что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. Нагреваясь, она поглощает тепло, остывая, отдаёт его. Земная вода и поглощает, и возвращает очень много тепла, и тем самым “выравнивает” климат. Особенно заметно на формирование климата материков влияют морские течения, образующие в каждом океане замкнутые кольца циркуляции. Наиболее яркий пример – влияние Гольфстрима, мощной системы тёплых течений, идущих от полуострова Флорида в Северной Америке до Шпицбергена и Новой Земли. Благодаря Гольфстриму средняя температура января на побережье Северной Норвегии, за Полярным кругом, такая же, как в степной части Крыма, - около 0⁰ С, т. е. повышена на  15 – 20⁰ С. А в Якутии на той же широте, но вдали от Гольфстрима – минус 40⁰ С. А от космического холода предохраняют Землю те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере – в облаках и в виде паров. Водяной пар создаёт мощный “парниковый эффект”, который задерживает до 60% теплового излучения нашей планеты, не даёт   ей охлаждаться. По расчётам М.И.Будыко, при уменьшении содержания водяного пара в атмосфере вдвое средняя температура поверхности Земли понизилась бы более чем на 5⁰ С (с 14,3 до 9⁰ С). На смягчение земного климата, в частности на    выравнивание температуры воздуха в переходные сезоны – весну и осень, заметное влияние оказывают огромные величины скрытой теплоты плавления и испарения воды.

Но не только поэтому мы считаем воду жизненно важным веществом. Дело в том, что тело человека почти на 63 – 68 % состоит из воды. Почти все биохимические реакции в каждой живой клетке – это реакции в водных растворах. С водой  удаляются из нашего тела ядовитые шлаки; вода, выделяемая потовыми железами и испаряющаяся с поверхности кожи, регулирует температуру нашего тела. Представители животного и растительного мира содержат такое же обилие воды в своих организмах. Меньше всего воды, лишь 5 – 7% веса, содержат некоторые мхи и лишайники. Большинство обитателей земного шара и растения состоят более чем на половину из воды. Например, млекопитающие содержат 60 – 68 %; рыбы – 70 %; водоросли – 90 – 98 % вод

В растворах  же (преимущественно водных) протекает  большинство технологических процессов на предприятиях химической промышленности, в производстве лекарственных препаратов и пищевых продуктов.

В природных  водах содержится в среднем около 0,016% тяжёлой воды. Тяжёлая вода внешне похожа на обычную воду, но по многим физическим свойствам отличается от неё. Точка кипения тяжёлой воды 101,4⁰ С, точка замерзания + 3,8⁰ С. Тяжёлая вода на 11% тяжелее обычной. Удельный вес тяжёлой воды при температуре 25⁰ С равен 1,1. Она хуже ( на 5 – 15% ) растворяет различные соли. В тяжёлой воде скорость протекания некоторых химических реакций иная, чем в обычной воде.

И в  физиологическом отношении тяжёлая  вода воздействует на живое вещество иначе: в отличие от обычной воды, обладающей живительной силой, тяжёлая  вода совершенно инертна. Семена растений, если  их поливать тяжёлой водой, не прорастают; головастики, микробы, черви, рыбы в тяжёлой воде не могут существовать; если животных поить одной тяжёлой водой, они погибнут от жажды. Тяжёлая вода – это мёртвая вода.

Имеется ещё один вид воды, отличающийся по физическим свойствам от обычной воды, - это омагниченная вода. Такую воду получают с помощью магнитов, вмонтированных в трубопровод, по которому течет вода. Омагниченная вода изменяет свои физико–химические свойства: скорость химических реакций в ней увеличивается, ускоряется кристаллизация растворённых веществ, увеличивается слипание твёрдых частиц примесей и выпадение их в осадок с образованием крупных хлопьев          (коагуляция). Омагничивание успешно применяется на водопроводных станциях  при большой мутности забираемой воды. Она позволяет также быстро осаждать загрязненные промышленные стоки.

 Из  химических свойств воды особенно важны способность её молекул диссоциировать (распадаться) на ионы и способность воды растворять вещества разной химической природы.

Роль  воды как главного и универсального растворителя определяется прежде всего  полярностью её молекул и, как  следствие, её чрезвычайно высокой  диэлектрической проницаемостью. Разноимённые электрические заряды, и в частности  ионы, притягиваются друг к другу в воде в 80 раз слабее, чем   притягивались бы в воздухе. Силы взаимного притяжения между молекулами или атомами погружённого в воду тела также слабее, чем в воздухе. Тепловому движению в этом случае легче разбить молекулы. Оттого и происходит растворение, в том числе многих трудно-растворимых веществ: капля камень точит.

Однако, приведённое уравнение условное: не может существовать в водной среде  лишённый электронной оболочки протон Н⁺. Он сразу соединяется с молекулой воды, образуя ион гидроксония Н₃О⁺, который в свою очередь объединяется с одной, двумя или тремя молекулами воды в Н₃О⁺ , Н₅О₂⁺ , Н₇О₃⁺ .

Электролитическая диссоциация воды – причина гидролиза  солей слабых кислот и  (или) оснований. Степень электролитической диссоциации  заметно возрастает при повышении температуры.

При низких температурах в отсутствии катализаторов происходит крайне медленно, но скорость реакции резко возрастает при повышении температуры, и при 550⁰ С она происходит со взрывом. При понижении давления и повышении температуры равновесие сдвигается влево.

Под действием  ультрафиолетового излучения происходит фотодиссоциация воды на ионы Н⁺ и ОН^- .

Ионизирующее  излучение вызывает радиолиз воды с  образованием Н₂ ; Н₂О₂  и свободных радикалов: Н^* ;  ОН^* ;  О^* .

При взаимодействии с F₂  образуется НF, а также   О₂ ;О₃ ; Н₂О₂ ; F₂О  и другие соединения.

При обычных  условиях с водой взаимодействует  до половины растворённого в ней  СI₂  и значительно меньшие количества  Br₂  и   J ₂.

При пропускании  паров воды через раскалённый уголь она разлагается и образуется так называемый водяной газ.

При повышенной температуре в присутствии катализатора вода реагирует с   СО; СН₄  и другими углеводородами.

Фосфор  при нагревании с водой под  давлением  в присутствии катализатора окисляется в метафосфорную кислоту

Вода  взаимодействует со многими металлами  с образованием  Н₂  и сответствующего гидроксида. Со щелочными и щелочно-земельными металлами ( кроме Мg )  эта реакция протекает уже при комнатной температуре. Менее активные металлы разлагают воду  при повышенной температуре, например, Мg  и   Zn – выше 100⁰ С;  Fe – выше  600⁰ С.

При взаимодействии с водой многих оксидов образуются кислоты или основания.

Вода  может служить катализатором, например, щелочные металлы и водород реагируют с CI₂  только в присутствии следов воды.

Иногда  вода – каталитический яд, например, для железного катализатора при  синтезе  NH₃.

Способность молекул воды образовывать трёхмерные сетки водородных связей позволяет  ей давать с инертными газами, углеводородами, СО₂ , CI₂ , (CH₂)₂O , CHCI₃   и многими другими веществами газовые гидраты. 

2. Содержание  воды в пищевых продуктах. Формы связи воды

Общая влажность  продукта указывает на количество влаги  в нем, но не характеризует ее причастность к химическим, биохимическим и микробиологическим изменениям в продукте. В обеспечении его устойчивости при хранении важную роль играет соотношение свободной и связанной влаги.

   Связанная влага- эта ассоциированная вода, прочно связанная с различными компонентами – белками, липидами и углеводами за счет химических и физических связей.

   Свободная влага – это влага, не связанная полимером и доступная для протекания биохимических, химических и микробиологических реакций.

Например, при  влажности зерна 15 – 20% связанная  вода составляет 10 – 15%. При большей влажности появляется свободная влага, способствующая усилению биохимических процессов (например, прорастанию зерна).

Плоды и овощи  имеют влажность 75 – 95%. В основном, это свободная вода, однако примерно 5% влаги удерживается клеточными коллоидами в прочно связанном состоянии. Поэтому овощи и плоды легко высушить до 10 – 12%, но сушка до более низкой влажности требует применения специальных методов.

Большая часть  воды в продукте может быть превращена в лед при       -5°С, а вся – при -50°С  ниже. Однако определенная доля прочно связанной влаги не замерзает даже при температуре -60°С.

«Связывание воды»  и «гидратация» - определения, характеризующие  способность воды к ассоциации с  различной степенью прочности с  гидрофильными веществами. Размер и сила связывания воды или гидратация зависит от таких факторов, как природа неводного компонента, состав соли, рН, температура.

Связанная влага:

• Характеризует равновесное влагосодержание образца при некоторой температуре и низкой относительной влажности;
• Не замерзает при низких температурах (-40°С и ниже);
• Не может служить растворителем для добавленных веществ;
• Дает полосу в спектрах протонного магнитного резонанса;
• Перемещается вместе с макромолекулами при определении скорости седиментации, вязкости, диффузии;
• Существует вблизи растворенного вещества и других неводных веществ и имеет свойства, значительно отличающиеся от свойств всей массы воды в системе.