Chuong 3 Nuoc va su song

Nhiệt độ bay hơi của nước cao là tính chất mới xuất hiện gây ra bởi các liên kết hydro, trong đó cần phải phá vỡ các liên kết giữa các phân tử nước trước khi có chúng có[r]

1

3.1 Phân cực phân tử nước, khái niệm liên kết hydro

3.2 Bốn đặc tính bật nước góp phân tạo nên sống Trái Đất

3.3 Tính axit bazo ảnh hưởng tới sống sinh vật

PHÂN TỬ HỖ TRỢ TOÀN BỘ SỰ

SỐNG

hư nhà thiên văn học nghiên cứu hành tinh phát quanh quanh xa, họ hy vọng tìm thấy chứng nước thiên thể xa xôi, nước chất tạo sống biết Trái Đất Tất sinh vật quen thuộc với hoạt động chủ yếu nhờ nước Nước môi trường sinh học Trái Đất, có hành tinh khác điều tốt

Ba phần tư bề mặt trái đất chìm nước (Hình 3.1) Mặc dù hầu trạng thái lỏng, nước Trái Đất dạng băng Nước chất thông thường tồn môi trường tự nhiên ba trạng thái vật chất: rắn, lỏng, khí Sự phong phú nước lý tạo nên sống Trái Đật Trong sách cổ có tên: Sự thích hợp mơi trường, nhà sinh thái học Lawrence Henderson nhấn mạnh tầm quan trọng nước sống Trong thừa nhận sống thích nghi với mơi trường thơng qua chọn lọc tự nhiên, Lawrence Hénderson nhấn mạnh

rằng môi trường tồn nơi, mơi trường phải nơi thích hợp

Cuộc sống Trái Đất bắt đầu nước phát triển tỉ năm trước lan rộng vào đất Cuộc sống đại, mặt đất chí đất sống cịn gắn liền với nước Một sinh vật sống cần nhiều nước so với chất khác Ví dụ, người sống sót vài tuần mà khơng có thức ăn, sống tuần lâu nến khơng có nước Phân tử nước tham gia nhiều phản ứng hóa học cần thiết để trì sống Hầu hết tế bào bao quanh nước, thân tế bào chứa khoảng 75% nước

Những thuộc tính có phải cho phép dễ dàng thực chức hỗ trợ cho tất sinh vật ? Trong chương này, bạn tìm hiểu cấu trúc phân tử nước mà cho phép tương tác với phân tử khác, bao gồm phân tủ nước khác Khả dẫn đến hình thành tính chất độc đáo hỗ trợ trì thể sống hành tinh

3.1

PHÂN CỰC TRONG PHÂN TỬ NƯỚC,

KHÁI NIỆM VỀ LIÊN KẾT HYDRO

Nước trở nên phổ biến điều làm dễ dàng bị bỏ qua thực tế cho chất đặc biệt với nhiều tính chất phi thường Kết thúc chương đặc tính ra, phát cấu trúc N

CÁC KHÁI NIỆM CHÍNH

TỔNG QUAN

 Hình 3.1:Tại phong phú nước

cho phép sống tồn Trái Đất?

KHÁI NIỆM

`ˆÌi`Ê܈̅Ê̅iÊ`i“œÊÛiÀȜ˜ÊœvÊ

˜vˆÝÊ*ÀœÊ*Ê`ˆÌœÀÊ /œÊÀ i“œÛiÊ̅ˆÃʘœÌˆVi]ÊۈÈÌ\Ê

2

đặc biệt nước tương tác phân tử

Nghiên cứu cách ly, phân tử nước có cấu trúc thật đơn giản Đó giống hình chữ V rộng với hai nguyên tủ hydro liên kết với nguyên tử oxi liên kết cộng hóa trị Nguyên nhân độ âm điện oxi cao hydro, electron liên kết hóa trị lệch phía oxi nhiều hydro, nói cách khác chúng liên kết cộng hóa trị phân cực ( xem hình 2.13) Do phân bố không đồng điều điện tử làm cho phân tử nước bị phân cực, có nghĩa hai đầu phân tử nước có tích điện: Đầu oxi phân tử nước tích điện âm (-), phân tử hydro phân tử nước tích điện dương (+) Các tính chất đặc biệt phân tử nước phát sinh tử hấp dẫn phân tử nó: hydro phân tử nước tích điện dương hút oxi mang điện tích âm phân tử gần

Hai phân tử nước liên kết với liên kết hydro ( hình 3.2) Khi nước trạng

thái lỏng, nước hình thành liên kết hydro, liên kết hydro nước dễ bị gãy , lực liên kết 1/20 lực liên kết cộng hóa trị Các liện kết hydro hình thành từ phá vỡ liên kết lại vởi tần số lớn Mỗi liên kết kéo dài phần ngàn tủ giây, phân tử nước liên tục hình thành liên kết hydro với loạt phân tử khác Vì vậy, sau đo phần lớn phân tử nước lại liên kết hydro với phân tử xung quanh Những tính chất độc đáo nước từ liên kết phân tử lớn so với trình tự cấu tạo

BỐN ĐẶC TÍNH NỔI BẬT CỦA NƯỚC

GÓP PHẦN TẠO NÊN SỰ SỐNG TRÊN

TRÁI ĐẤT

Chúng ta tìm hiểu bốn thuộc tính đặc trưng nước đóng góp vào phù hợp cho môi trương sống Trái Đất: khả gắn kết, có nhiệt độ ổn định, tan chảy sau bị đóng băng linh hoạt dung môi

Khả gắn kết

Các phân tử nước gần kết liên kết hydro Mặc dù xếp phân tử mẫu nước dạng lỏng thay đổi liên tục, thời điểm nào, phân tử nước có nhiều liên kết hydro trái dấu

Hình: 3.2: Liên kết trái dấu phân

tử nước. Những nơi tích điện phân tử nước phân cực hút phần điện trái dấu phân tử xung quanh Mỗi phân tử liên kết với nhiều phân tử khác liên kết hydro kết hợp thay đổi liên tục

3

Nhưng liên kết làm cho nước có cấu trúc so với hầu hết chất lỏng khác Nói chung, liên kết hydro giữ cho chất liên kết lại với nhau, tượng gợi liên kết Nhờ gắn kết liên kết hydro góp phần vào việc vận chuyển nước chất dinh dưỡng hịa tan chống lại trọng lực thực vật (hình 3.3) Nước vận chuyển từ rễ lên nhờ mạng lưới tế bào dẫn nước Khi nước bay từ lá, liên kết hydro gây lực kéo mạnh lên phân tử nước có gân lá, phân tử xa kéo mước lên qua hoạt động tế bào nhờ đường rễ Độ dính bám, đeo bám chất khác, đóng vai trị quan trọng Sự bám dính phân tử nước lên thành tế bào liên kết hydro giúp chống lại hút lại lực hấp dẫn ( xem hình 3.3)

Sự gắn kết liên quan đến sức căng bề mặt, phương pháp khó để kéo dài phá vỡ bề mặt chất lỏng Nước có sức căng bề mặt lớn so với hầu hết chất lỏng khác Nơi tiếp xúc không khí

và nước xếp có trật tự phân tử nước, liên kết hydro gắn kết phân tử nước xung quanh phân tử nước phía Điều làm cho nước thể phủ lớp màng Bạn quan sát sức căng bề mặt nước Một số ví dụ sinh học, số lồi động vaakt đứng, bộ, chạy mặt nước mà không làm vỡ sức căng bề mặt

Sự điều hũa nhiệt độ

Nước điều hũa nhiệt độ khụng khớ cỏch hấp thụ nhiệt độ cao khụng khớ giải phỳng nỳng lưu trữ để làm mỏt khụng khớ Nước cỳ hiệu nhà chứa nhiệt vỡ nỳ cỳ thể hấp thụ tỏa lượng nhiệt tương đối lớn thay đổi nhỏ nhiệt độ riờng nỳ Để hiểu chức nước, trước hết chỳng ta phải xem xột nỳng nhiệt độ thời gian ngắn

Sự nóng và nhiệt độ

Bất vật di chuyển tạo động năng, dạng lượng chuyển động Nguyên tử phân tử có lượng động chúng vật ln chuyển động cho dù khơng cần thiết phải theo hướng cụ thể Phân tử chuyển động nhanh động

Hình: 3.3: Vận chuyển nước Sự bay từ kéo nước lên từ rễ nhờ tế bào thực Bởi tính chất gắn kết, bám dính Cây cao cần vận chuyển nước lên 100m, khoảng ¼ chiều cao tòa nhà Empire thành phố New York

4

năng cao Nhiệt dạng lượng Đối với vật vật chất, lượng nhiệt thước đo lượng động lực vấn đề chuyển động phân tử, nhiệt phụ thuộc phần vào khối lượng vật chất Mặc dù nóng có liên quan đến nhiệt độ, chúng khơng phải điều giống Nhiệt độ cách đại diện cho cường độ lượng trung bình động phân tử khối lượng nào, Khi nước đun nóng máy pha cà phê, tốc độ trung bình phân tử tăng lên nhiệt kết ghi lại điều thể gia tăng nhiệt độ chất lỏng Nhiệt lượng tăng lên trường hợp Lưu ý, bình cà phế có nhiệt độ cao nhiều so với bể bơi nhiên ta nói rằng: bể bơi có chứa nhiều nhiệt khối lượng lớn nhiều

Khi ta cho hai vật có nhiệt độ khác đưa gần nóng truyền từ ấm sáng vật mát hai vật có nhiệt độ cúng Các phân tử vật mát tăng tốc độ nhờ sử dụng động vật âm Một cục đá làm mát đồ uống cách thêm lạnh vào chất lỏng, mà cách hấp thụ nhiệt từ chất lỏng để làm tan chảy

Trong sách này, dùng thước đo độ C cho biết nhiệt độ ( nhiệt độ celciu viết tắt o C ) Mức nước biển, nước đóng băng 0oC sơi 100oC Nhiệt độ trung bình thể người 37.5oC nhiệt độ dễ chịu phòng 20-25oC

Một đơn vị nhiệt khác thuận tiện sử dụng sách calorie (calo) Calo lượng nhiệt mà cần để tăng nhiệt độ 1g nước lên 1oC Ngược lại, lượng calo lượng nhiệt mà g làm nguội 1oC kilocalo (kcalo) = 1000 calo, lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ 1kg nước nên 1oC ( Đơn vị ‘calo’ bao bì thực phẩm thực tế kilocalo) Một đơn vị lượng khác dùng sách Jun (J)

Jun(J) = 0.239 calo ; calo = 4.184 Jun(J)

Nhiệt dung riêng của nước cao

Khẳ nước để điều hòa nhiệt độ bắt nguồn từ nhiệt dung riêng tương đối cao Nhiệt dung riêng chất định nghĩa lượng nhiệt cần thiết phải hấp thụ 1g chất để làm thay đổi nhiệt độ đến 1oC Chúng xác định nhiệt dung riêng nước chúng tơi xác định lượng calo lượng nhiệt cần thiết để gây thay đổi nhiệt độ lên 1oC Vì vậy, nhiệt dung riêng nước 1calo gam chất 1oC viết tắt 1calo/g/oC So với hầu hết chất khác nước có nhiệt dung riêng cao hẳn Ví dụ, rượu, loại đồ uống có cồn có nhiệt dung riêng cụ thể 0.6 calo/g/oC, có nghĩa cần 0.6 gam lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ 1g cồn lên 1oC

Do nhiệt dung nước ảnh hưởng đến chất khác, nhiệt độ nước thay đổi hấp thụ làm lượng nhiệt định Lý bạn bị bỏng ngón tay bạn chạm vào bề mặt nồi kim loại bếp, nước nồi cịn ấm nhiệt dung nước lớn gấp 10 lần so với

sắt Nói cách khác, cùng lượng nhiệt làm tăng nhiệt độ 1g sắt nhanh nhiều so với nhiệt độ 1g nước Nhiệt dung riêng coi cách tốt giúp chống lại thay đổi nhiệt đổi nhiệt độ chất hấp thụ giải phóng nhiệt Nước chống lại thay đổi nhiệt độ, nước thay đổi nhiệt độ

Hình 3.5: Ảnh hưởng lớn nước đến

5

cách hấp thụ vào hay làm lượng nhiệt tương đối lớn mức độ thay đổi

Chúng tơi biết nhiệt dung riêng nước caonhư nhiều đặc tính khác nó, liên kết hydro Phải hấp thụ nhiệt để phá vỡ liên kết hydro, lượng nhiệt cần để hình thành liên kết hydro Một calo nhiệt gây biến đổi tương đối nhỏ biến đổi nhiệt độ nước, phần lớn nhiệt sử dụng để phá vỡ liên kết hydro trước phân tử nước bắt đầu di chuyển nhanh Và nhiệt độ nước giảm xuống chút, nhiều liên kết hydro tạo lượng đáng kể dạng nhiệt

Nhiệt dung riêng liên quan tới sống Trái đất gi? Một lượng nước lớn hấp thụ lưu trữ lớn lượng nhiệt từ mặt trời vào mùa hè ban ngày nhiệt độ nóng lên có vài độ Và vào ban đêm suốt mùa đơng, nước bị lạnh từ từ làm cho khơng khí dần ấm Đây lý khu vực ven biển thường có khí hậu ơn hịa so với lục địa ( hình 3.5) Nhiệt dung riêng nước có xu hướng giữ ổn định nhiệt độ đại dương, tạo môi trường thuận lợi cho sinh vật biển Như vậy, nước có nhiệt dung riêng cao, mà nước bao bọc phần lớn bề mặt Trái Đất nên nước giữu ổn định dao động nhiệt đất liền nước giới hạn định để tồn sống Ngoài ra, sinh vật làm việc chủ yếu nhờ nước, chúng có nhiều khả chống lại thay đổi nhiệt độ thể chúng cấu tạo từ chất lỏng có nhiệt dung riêng thấp

Làm mát bằng bay hơi

Các phân tử chất lỏng gần chúng liên kết với Các phân tử chuyển động nhanh để vượt qua sức hút để rời khỏi chất lỏng nhập vào khơng khí chất khí Q trình chuyển đổi từ dạng lỏng sang dạng khí gọi bốc bay Nhớ lại tốc độ chuyển động phân tử làm thay đổi nhiệt độ động trung bình phân tử Ngay nhiệt độ thấp, phân tử chuyển động

nhanh bay vào khơng khí Bay xảy nhiệt độ bất kỳ, ví dụ: cốc nước nhiệt độ phịng ci bay Nếu chất lỏng đun nóng, động trung bình phân tử tăng chất lỏng bốc nhanh Nhiệt độ bay lượng nhiệt chất lỏng phải hấp thụ 1g nước chuyển từ thể lỏng sang thể khí Cùng với lý nước có nhiệt dung riêng cao, nước có nhiệt độ bay cao hầu hết chất lỏng khác Để bay 1g nước 25o C, cần khoang 580 calo nhiệt đủ, gần gấp đôi sô lượng nhiệt cần để bốc 1g rượu amoniac Nhiệt độ bay nước cao tính chất xuất gây liên kết hydro, cần phải phá vỡ liên kết phân tử nước trước có chúng thoát khỏi chất lỏng

Số lượng cao cần thiết để làm bay tạo loại hiệu ứng Ví dụ, Trên trái đâí điều hịa hậu Một số lượng lớn nhiệt từ mặt trời bị hấp thụ vùng biển nhiệt đới tiêu hao trình bay nước bề mặt Sau khơng nhiệt đới lưu thơng dần cực giải phóng nhiệt ngưng tụ lại tạo thành mưa Ở thể sinh vật, nhiệt độ nước cao tạo bay nguyên nhân gây vết bỏng nước nghiêm trọng Những vết bỏng gây tụ thành nước bề mặt da Như chất lỏng bay hơi, bề mặt chất lỏng lại mát xuống Làm mát bay xảy phân tử “ nóng nhất”, phân tử có động lớn tạo thành Cũng hàng trăm người chạy nhanh trường Đại học chuyển sang trường khác tốc độ trung bình học sinh cịn lại trường bị giảm

6

của nước khơng khí tạo ức chế bay mồ hôi từ thể

Sự cách nhiệt khối nước

những tảng băng.

Nước chất dạng đơng đặc chất rắn dạng lỏng Nói cách khác, nước đá trôi nước lỏng Trong chất khác co rút lại chúng đông đặc cịn nước dãn Ngun nhân kỳ lạ lại lần liên kết hydro Ở nhiệt độ 4oC, nước hoạt động chất lỏng khác, nở bị nóng lên co lại nguội đi, nước bắt đầu đóng băng phân tử khơng chuyển động mạnh mẽ đủ để phá vỡ liên kết hydro chúng Khi nhiệt độ xuống oC, nước trở nên bị khóa chặt vào mạng tinh thể, phân tử nước liên kết hydro với bốn phân tử xung quanh (hình 3.6) liên kết hydro phân tử “ duỗi tay” tạo khoảng cách đủ xa để làm nước đá dày đặc 10 % ( 10% số phân tử khối lượng) so với nước dạng lỏng 4oC Khi băng hấp thụ đủ nhiệt cho nhiệt độ vượt lên 0oC, liên kết hydro phân tử bị

gián đoạn Khi tinh thể bị phá vỡ, băng tan, phân tử tự di chuyển lại gần Nước đạt đến độ phân tử lớn nhiệt độ 4oC sau lan rộng ra, phân tử chuyển động nhanh Tuy nhiên, nhớ lúc nước dạng lỏng, nhiều phân tử gắn với liên kết hydro, du thoáng qua liên kết hydro liên tục bị phá vỡ hình thành

Khả băng dãn rộng nước đơng đặc yếu tố vô quan trọng với thích hợ mơi trường

Nếu băng chìm, sau ao , hồ chí đại dương cuối tất bị đóng băng rắn, làm cho sống biết không tồn Trái Đất Trong suốt mùa hè, vài inch bề mặt đại dương tan băng Thay vào đó, khối nước sâu để làm mát, băng cách ly nước lỏng bên ngăn khơng cho đóng băng cho phép tồn sống bề mặt đóng băng, thể hình 3.6

Những dung mơi sống

Một viên đường hình lập phương đặt ly nước bị hòa tan Trong ly nước chứa hỗn hợp đồng

Hình 3.6: Băng: Cấu trúc tinh thể lớp

chắn Trong băng phân tử nước liên kết hydro với phân tử nước xung quanh mạng tinh thể ba chiều Bởi tinh thể rộng, băng có nhiều phân tử so với chất lỏng khối lượng Nói cách khác nước đá nhẹ nước lỏng Băng trở thành lớp

ngăn để bảo vệ nước bên không bị lạnh từ khơng khí Sinh vật biển biến đến lồi tơm gọi lồi nhuyễn thể

7

đường nước, nống độ đường hòa tan nơi hỗn hơp Một chất lỏng hỗn hợp hoàn toàn đồng hai hay nhiều chất gọi dung dich Những chất hòa tan dung dich dung môi, chất bị hòa tan gọi chất tan Trong trường hợp này, nước dung mơi cịn đường chất tan Một dung dich hịa tan nhờ dung mơi nước Các nhà luyện đan thời tring cổ cố gắng tim thây dung môi tổng quát mà hịa tan chất Họ cho khơng có hịa tan tốt nước Tuy nhiên, nước dung mơi tổng qt; nó, hịa tan thùng chứa đựng nó, bao gồm tế bào Nhưng nước lại dung môi linh hoạt, chất lượng để chúng tơi biết phân cực phân tử nước

Ví dụ, giả sử cho thìa muối ăn, hợp chất ion clorua (NaCl), vào nước ( Hình 3.7) bề mặt hạt tinh thể muối, ion natri clorua tiếp xúc với dung môi Nhưng ion phân tử nước có liên hệ với hút điện tích xung

quanh Phía oxi phân tử nước tích điện âm nên chúng bám vào cation Natri Các phía nguyên tử hydro tích điện dương nên hút anion clorua Kết là, phân tử nước bao quanh tách riêng natri Clo liên kết với chúng từ ion khác Bề mặt cầu phân tử nước xung quanh ion hòa tan gọi hydrat hóa Tác động vào xâu bên bề mặt tinh thể muối, nước hòa tan hết tất ion Kết hòa tan hai chất, cation natri anion clorua đồng hịa tan dung mơi nước Hợp chất ion khác hịa tan nước Ví dụ, nước biển có chứa nhiều ion hịa tan, giúp cho tế bào sống Một hợp chất khơng thiết phải ion hịa tan nước, có nhiều hợp chất tạo thành phân tử khơng phân cực đường hịa tan nước Hợp chất hòa tan phân tử nước bao lấy chất tan hình thành nên liên kết hydro với chúng Ngay phân tử lớn protein hịa tan nước chúng có phần ion vùng cực bề mặt chúng ( hình 3.8) Nhiều chất khác hợp chất phân cực ( với iom) hòa tan nước chất lỏng máu, nhựa cây, chất lỏng khác tế bào Nước dung môi sống

Chất ưa nước và chất kỵ nước

Bất kỳ hợp chất có lực với nước cho ưa nước hydrophilic ( từ “hydro” tiếng Hy Lạp có nghĩa nước từ “philios” có nghĩa ưa thích) Trong số trường hợp, chất thấm nước khơng thực bị hịa tan Ví dụ, số phân tử tế bào lớn mà nước khơng thể hịa tan Thay vào đó, chúng lơ lửng dung dịch chất lỏng tế bào Hỗn hợp dung dịch keo ví dụ, Các hạt treo định chất lỏng Một ví dụ khác chất ưa nước khơng hịa tan bơng, sản phẩm Côt-tông bao gồm nhiêu phân tử xelulozo không lồ, hợp chất chứa nhiều vùng mà tích điện âm tích cực phần hình thành liên kết hydro với nước Nước bám chặt vào sợi xenlulozo Như vậy,

Hình 3.7:Muối hịa tan nước Bề mặt cầu phân tử nước gọi vỏ hydrat hóa, bao quanh ion chất tan

8

khăn làm công việc tuyệt vời làm khô thể, khơng bị hịa tan máy giặt Xenlulozo có mặt thành tế bào dẫn nước thực vật, bạn đọc trước biết nước bám dính vào thành thấm nước cho phép vận chuyển nước xảy

Tất nhiên, có chất khơng có lực với nước Các chất không chứa ion không phân cực ( lý mà khơng thể hình thành liên kết hydro) thực tế dường chúng đẩy nước, chất gọi chất kỵ nước hydrophobic ( Từ “phobic” Hy Lạp, có nghĩa sợ) Ví dụ, sản phẩm bếp dầu thực vật, bạn biết chúng không kết hợp ổn định với nước chất giấm Các hành vi kỵ nước phân tử dầu kết tỉ lệ tương đối liên kết không phân cực, trường hợp iên kết cacbon hydro chúng chia sẻ điện tích gần Các phân tử kỵ nước có liên quan đế loại dầu thành phần chinh màng tế bào (Thử tưởng tượng xảy cho màng tế bào chúng bị hòa tan!)

Nồng độ chất hòa tan

nước

Sinh hóa hóa học “ẩm ướt” Hầu hết chất phản ứng sinh vật liên quan đến chất hòa tan nước Để hiểu phản

ứng đó, phải biết làm nhiều nguyên tử phân tử tham gia tính tốn nồng độ chất tan dung dich (số lượng phân tử chất tan thể tích dung dịch)

Khi thực thí nghiệm, chúng tơi sử dụng khối lượng để tính tốn số lượng phân tử Chúng ta biết khối lượng nguyên tử tring phân tử lớn nhất, chúng tơi tính tốn khối lượng phân tử chúng, mà đơn giản tổng khối lượng tất nguyên tử phân tử Ví dụ, tính tốn khối lượng đường sacazo, có cơng thức phân tử C12H22O11 Trong đơn vị

dalton, khối lượng nguyên tử C 12, khối lượng nguyên tử H khối lượng nguyên tử oxi 16 Như vậy, sacazo có khối lượng phân tử 342 dalton Tất nhiên, lượng phân tử nhỏ không thiết thực cho lý này, thường lường chất đơn vị mol Cũng tá ln ln có nghĩa 12 vật, mol đại diện cho số chình xác đại lượng x 1023 cịn gọi số Avogadro Bởi mà số Avogadro đơn vị dalton ban đầu xác định có x 1023 dalton 1g Điều có ý nghĩa quan trọng xác định phân tử khối phân tử saccazo , mol sacazo ( điều gọi khối lượng phân tử ) Để hiểu mol saccazo phịng thí nghiệm, trước chúng tơi cân 342g

Ưu điểm thực tế đo lường số lượng hóa chất mol điều mol chất có xác số lượng phân tử 1mol chất khác Nếu khối lượng

Hình 3.8: Một loại protein tan nước

9

phân tử chất A 342 dalton chất B 10 daton, 342g chất A có số lượng phân tử 10g chất B Một mol rượu etilic (C2H6O) có chứa 6,02 x 1023 phân tử

nhưng khối lượng 46g khối lượng phân tử rượu etilic số phân tử phân tử sacazo Sự đo lường mol làm cho thuận tiện với nhà khoa hoc làm phịng thí nghiệm kết hợp chất tỉ lệ cố định phân tử

Làm chúng ta cho lit (l) dung dịch sacazo bao gồm mol sacazo hòa tan nước? Chúng ta lấy 342 g sau cho thêm nước, khuấy đường hịa tan hồn tồn Sau thêm nước đủ để có tổng khối lượng dung dịch lên tới lít Tại thời điểm đó, chúng có mol (M) dung dịch sacazo Nồng độ số mol cửa chất tan lit dung dịch đơn vị thường nhà sinh học sử dụng cho dung dịch hịa tan

TÍNH AXIT VÀ BAZO ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỜI SỐNG CỦA SINH VẬT

Đôi khi, Một nguyên tử hydro tham gia vào liên kết hydro phân tử nước chuyển từ phân tử sang phân tử khác Khi điều xảy ra, nguyên tử hydro để lại phía sau điện tích thực tế chuyển hydro (H+), proton với điện tích (1+) Các phân tử nước bị

một proton hydroxit (OH-), proton chuyển liên kết với phân tử nước khác tạo phân tử ion oxoni ( H3O+) Chúng

ta hình dung phản ứng hóa học theo cách này:

Như nêu mũi tên đôi,

phản ứng thuận nghịch đạt đến trạng thái cân động phân tử nước phân tách mức tương đối mà chúng hình thành H+ OH- Tại thời điểm cân bằng, nồng độ phân tử nước vượt qua nhiều nồng độ H+ OH- Trong nước tinh khiết, có phân tử nước tất 554 triệu phân tử điện ly Nồng độ ion phân tử nước tình khiết 10-7 M (25 oC) Điều có nghĩa mười phân triệu mol ion hydro cho lít nước tinh khiết số lượng ion hydroxit

Mặc dù, phân ly phân tử nước bị đảo ngược thơng qua thống kê gặp, quan trọng hóa học sống H+ OH- họat tính Những thay đổi nồng độ mạnh ảnh hưởng đến protein tế bào phân tử phức tạp khác Như thấy, nồng độ H+ OH- bình đẳng nước tinh khiết, thêm số loại chất hịa tan, gọi axit bazo phá vỡ cân Các nhà sinh học sử dụng gọi pH để mơ tả tính axit hay bazo ( đối ngược với tính axit) dung dịch Trong phần cịn lại chương bạn tìm hiểu tính axit, bazo pH, lý thay đổi độ pH ảnh hưởng bất lợi đến sinh vật

Ảnh hưởng sự thay đổi nồng độ

pH

Trước thảo luận độ pH, xem axit bazo làm chúng tương tác với nước

Tính Axit bazo

10

Điều xảy dung dịch nước cân nồng độ H+ OH-? Khi axit hòa tan nước, chúng làm tăng thêm H+ cho dung dịch Một axit chất làm tăng nồng độ ion hydro cho dung dịch Ví dụ, axit clohidric (HCl) cho vào nước, ion phân tách từ ion clorua:

Đây nguồn gốc H+ (phân ly nước nguồn góc khác) kết dung dịch có tính axit, có nồng độ H+ nhiều nồng độ OH- Một chất làm giảm ion hydro dung dịch gọi bazo Một số bazo làm giảm nồng độ H+ trực tiếp cách nhận ion H Ví dụ, amoniac ( NH3) hoạt động

một bazo gặp điện tử không chia vỏ hóa trị Nito hút hydro từ dung dịch , kết tạo ion NH4+:

Bazo làm giảm nồng độ H+ cách gián tiếp cách tách để tạo nhiều ion hydroxit, kết hợp với ion hydro để tạo thành nước Một số bazo dung dịch natri hydroxit (NaOH), mà nước chúng phân ly cacion nó:

Trong hai trường hợp, bazo làm giảm nồng độ H+ Dung dịch có nồng độ OH- cao nhiều so với H+ gọi dung dịch bazo Một dung dịch nồng độ H+ OH- đượng gọi dung dịch trugn hòa

Chú ý mũi tên chiều sử dụng cho phản ứng HCl NaOH Những hợp chất phân ly hoàn toàn trộn với nước gọi axit clohydric (axit mạnh) dung dịch hydroxit bazo mạnh Các mũi tên hai chiều phản ứng amoniac liên kết giải phóng ion hydro phản ứng thuận nghịch Mặc dù trạng thái cân

bằng có tỉ lệ cố định NH4+ tới NH3

Ngồi ra, cịn có axit yếu, khơng giải phóng chấp nhận lại ion hydro Một ví dụ axit cacbonic:

Cân chuyển dịch bên trái axit cacbonicđược cho vào nước, có 1% phân tử liên kết thời gian cụ thể Tuy nhiên, đủ để thay đổi cân H+ OH- trạng thái trùng hòa

Thang pH

Trong dung dịch nước 25oC, nồng độ sản phẩm H+và OH- khơng đổi 10-14 điều viết:

[H+][OH-] = 10-14

Trong phương trình thế, khung cho thấy nồng độ phân tử dung dịch trung hòa phân tử nhiệt dộ phịng (25oC), [H+] = 10-7 [OH-] =10-7, trường 10-14 sản phẩm 10-7 x 10-7 Nếu axit đủ thêm vào dung dịch để tăng [H+] = 10-5 M, sau sản phẩm [OH-] giảm lượng tương đương [OH-] = 10-9 ( l u ý 0- 5x 0- 9= 0- mối quan hệ liên quan đế sản phẩm axit bazo hoạt động dung dịch nước Một axit không bổ sung sản phẩm ion hydro đến mức độ, mà loại sản phẩm ion hydroxit xu hướng cho H+ kết hợp với OH- tạo thành nước Bazo có tác dụng ngược lại, tăng [OH-] mà cịn giảm [H+] nước hình thành nước Nếu đủ để thêm bazo vào để nâng cao [OH-] = 10-14 M, làm cho [H+] giảm xuống 10-10 M Bất biết nồng độ hai [OH-] hay [H+] dung dịch, suy nồng độ ion khác Bởi [H+] [OH-] dung dịch khác nhân tố 100 nghìn tỉ nhiều hơn, nhà khoa học tìm cách để thể biến đổi thuận tiện so với mol/l Thang pH ( hình 3.9) chuyển phạm vi [H+] [OH-] sử dụng số lô-ga-rit HCL  H+ + Cl-

NH3 + H+  NH4+

NaOH  Na+ + OH-

H2CO3  HCO3 + + H+

11

Độ pH dung dịch định nghĩa logarit âm ( 10 sở ) nồng độ ion hydro:

pH = - log [H+]

Đối với dung dịch nước trung tính [ H+] =10-7M, cho chúng tôi:

- log 10-7 = - (-7) =

Chú ý sụt giảm pH [H+] tăng nồng độ Thông báo, thang pH dựa nồng độ H +, có nghĩa OH- trung hịa Một dung dịch pH = 10 có nồng độ ion H+ từ 10-10M có [OH-] = 10-4 M

Độ pH dung dịch nước trung hòa 25oC 7, trung điểm thang pH Một giá trị nhỏ biểu thị dung dịch có tính axit, số lượng thấp dung dịch có tính axit mạnh Độ pH cho dung dịch Hầu hết

là dịch sinh học pham vi pH 6-8 Tuy nhiên, có vài ngoại lệ bao gồm dịch vị tiêu hóa mạnh mẽ có tính axit dạy dày người, có độ pH =2

Hãy nhớ đơn vị pH đại diện cho khác biệt mười lần [H+] [OH-] Đây tính tốn học làm cho thang pH nhỏ gọn Một dung dịch có pH=3 khơng phải lần có tính axit dung dịch có pH=6 mà ngàn lần có tính axit mạnh Khi pH dung dịch thay đổi nồng độ thực tế H+ OH- dung dịch thay đổi đáng kể

Dung dịch đệm

Độ pH bên tế bào gần đến Ngay thay đổi nhỏ độ pH làm haik, q trình hòa học tế bào nhạy với mồng độ H+ OH- Độ pH máu người gần 7.4 gần bazo chút Một người sống nhiều vài phút độ pH máu giảm xuống tăng lên 7.8 chế hóa học tồn máu trì độ pH ổn định bạn thêm 0.01 mol axit mạnh với nước tinh khiết dộ pH giảm xuống 7.0 – 2.0 Tuy nhiên, lượng axit thêm vào lít máu độ pH giảm 7.4 – 7.3 Tại việc bổ sung thêm axit lại có nhiều tác dụng độ pH máu độ pH nước? Sự diện chất gọi dung dịch đệm cho phép ổn định tương đôi độ pH dịch sinh học cho dù việc bổ sung axit bazo Dung dịch đệm chất giảm thiểu thay đổi pH nồng độ H+ OH- dung dịch Chúng thực cách hấp thụ ion hydro từ dung dịc chúng vượt cho ion hydro chúng bị thiếu Hầu hết dung dịch đệm chứa lượng axit yếu bazo tương ứng nó, chúng kết hợp thuận nghịch với ion hydro Có số dung dịch đệm đóng góp cho ổn định pH máu người nhiều dung dịch sinh học khác Một số axit cacbonic (H2CO3),

hình thành CO2 phản ứng với nước có

trong huyết tương Như đề cập trên, phân ly axit cacbonic mang lại ion bicacbonnic ( HCO3-) ion H+:

Hình 3.9: Thang giá trị pH độ pH

12

Cân hóa học axit cacbonic ion bicacbonic điều chỉnh pH, phản ứng chuyển sang trái sang phải phản ứng khác dung dịch cách cho thêm thải bớt ion H+ Nếu nồng độ H+ máu bắt đầu giảm ( có nghĩa , tăng độ pH) thu phản ứng thuận phân ly axit cacbonic hơn, bổ sung thêm ion H+ Nhưng [H+] tăng lên độ pH lại giảm xuống, ta thu phản ứng nghịch, với HCO3- ( bazo) thu H+ từ dung dịc để hình

thành H2CO3 Vì axit cacbonic -

đicacbonat tạo dung dịch đệm bao gồm phần axit phần bazo cân với Hầu hết dung dịch đệm khác cặp axit – bazo

Mối đe dọa đến nguồn nước trên

Trái Đất.

Xem xét phụ thuộc sống nước, ô nhiễm sông, hồ, mưa axit vấn đề nghiêm trọng Nhiều mối đe dọa đến chất lượng nguồn nước gây hoạt động người Xem xét ví dụ, việc đốt nhiên liệu hóa thạch( than, dầu, khí) Việc làm tăng lên kể từ cách mạng công nghiệp năm 1800, thải chất độc vào khí quyển, bao gồm lượng khổng lồ khí CO2,

phản ứng hóa học hợp chất với nước tạo thay đổi cân tinh tế điều kiện sống Trái Đất cách ảnh hưởng đến độ pH nước nhiệt độ

Việc đốt nhiên liệu hóa thạch yếu tố tạo oxit lưu huỳnh nito oxit Những chất phản ứng với nước khơng khí để tạo thành axit mạnh, rơi xuốngTrái Đất trời mưa tuyệt rơi Mưa axit mưa, tuyết rơi hay sương mù với độ pH thấp ( ax it yếu) h n so vớ i pH ( Mưa khơng chứa axit có độ pH khoảng 5.6 có tính axit, hình thành axit cacbonic từ khí cacbonic nước) Nhà máy điện đốt tạo số lượng oxit cao nguồn khác Gió mang theo

các chất ô nhiễm gây mưa axit xa hàng trang kilomet từ trung tâm công nghiệp Trong đường phố Pennsylvannia New York độ pH lượng mưa tháng 12 năm 2011 trung bình 4.3, có tính axit mạnh khoảng 20 lần so vói lượng mưa trung bình thường Mưa axit xuất nhiều khu vực khác nhau, bao gồm phía đơng Canada, dãy núi Cascade vùng Tây Bắc Thái Bình Dương, phần châu Âu châu Á (hình 3.10)

Mưa axit gây hại cho sống hồ suối Ngoài ra, mưa axit rơi đất ảnh hưởng đến thành phần hóa học đất gây thiệt hại số khu rừng Bắc Mỹ châu Âu (xem hình 3.10) Tuy nhiên, nghiên cứu phần lớn thiệt hại đáng kể rừng Bắc Mỹ mưa axit, phần tái sinh vào năm 1990 đời Đạo luật khơng khí

Cacbondioxit, sản phẩm q trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch gây nhiều vấn đề Nó thải vào khí quyển, tăng tăng gấp đôi vào năm 2065, tương đối so với năm 1880 Khoảng nửa lượng CO2

thải lại khí đóng vai trị chắn phản xạ ánh sáng hành tinh khác ngăn xạ nhiệt vào khơng gian bên Điều gây “hiệu ứng nhà kính” có ảnh hưởng H2CO3 

sự tăng pH

sự giảm pH HCO3

+

+ H+

cho H+ Nhận H+ ion hydro (axit) (bazo)

Hình 3.10: Mưa axit ảnh hưởng

13

vấn đề liên quan đến thảo luận chương 55 Một phần CO2 đưa

lên sinh vật khác trình quang hợp đề cập chương Phần lại khoảng 30% hấp thụ đại dương Mặc dù khối lượng lớn nước đại dương, nhà khoa học lo lắng hấp thụ CO2 nhiều gây tổn hại

cho sinh vật biển hệ sinh thái

Khi CO2 tan nước biển, phản ứng

với nước H2O để tạo thành axit cacbonic

H2CO3 Các axit cacbonic phân ly,

proton tạo hình thành trạng thái cân ion cacbonat HCO3- cacbonat

CO32- Khi nước biển axit bị hóa proton

tăng làm thay đổi cân CO3 ,

làm giảm nồng độ CO32- Nhiều nghiên

cứu cho thấy sản phẩm canx i cacbo nat ( CaCO3 tạo vơi

hóa từ san hô sinh vật khác bị ảnh hưởng nồng độ CO32- Bất kỳ lượng CO3

2-giảm mối quan tâm lớn canxi hóa chiếm phần lớn hình thành rạn san hô vùng biển nhiệt đới Những hệ sinh thái nhạy cảm cho hoạt động trú ẩn đa dạng sinh học

Có lẽ nghiên cứu biến đến lâu đời canxi hóa rạn san hơ thực nhà khoa học Trung tâm hệ sinh thái Ariwna gọi sinh – trung tâm bao gồm hệ thống rạn san hô nhân tạo nhiệt độ chất hóa học kiểm tra điều khiển Chris Langdon đồng sử dụng hệ thống đển kiểm tra tác động thay đổi nồng độ CO32- tốc độ canxi hóa

trong san hơ (Hình 3.11) Cùng với, kết luận từ nghiên cứu khác, kết dẫn họ đến dự đoán cho lượng khí CO2 thải

tăng gấp đơi vào năm 2065 dẫn đến làm giảm 40% q trình canxi hóa ran san hơ Mặc dù, nhà khoa học khơng đồng ý tỉ lệ phần trăm xác, hầu hết học tán thành quan tâm nghiên cứu khác vấn đề nghiêm trọng

14

những thành tựu nghiên cứu q trình cân hóa học tinh tế đại dương cấu trúc khác nước Tiếp tục phát triển đến từ hành động người quan tâm chất lượng mơi trường Điều địi hởi hiểu biết vai trò quan trọng nước mà nước thích hợp mơi trường sống cho sống Trái Đất

Sự phân cực phân tử nước kết

quả liên kết hydro ( trang 46 – 47).

Một liên kết hydro hình thành nguyên tử oxi phân tử nước tích điện âm hút nguyên tử hydro phân tử nước khác tích điện dương gần Liên kết hydro

giữa phân tử nước sở để hình thành nên tính chất đặc biệt nước

Bốn đặc tính nước góp phần

tạo nên sự thích hợp cho sống trên

Trái Đất ( trang 47 - 52 )

Sự gắn kết Liên kết hydro giữ phân tử nước gần gắn kết giúp kéo nước lên tế bào nhỏ thực thực vật Liên kết hydro có vài trị sức căng bề mặt nước

Điều hóa nhiệt độ Nước hấp thụ nhiệt độ cao cụ thể: nhiệt hấp thụ liên kết hydro bị phá vỡ giải phóng nhiệt hình

thành liên kết hydro trái dấu Điều giữu nhiệt độ tương đối ổn định giới hạn cho phép sống Làm mát bay dựa nhiệt độ bay nước cao Sự mát bay phân tử nước giàu lượng làm mát bề mặt

Băng để cách nhiệt cấu trúc nước Băng

vì khơng dày đặc nước lỏng Điều cho phép sống tồn bề mặt

đóng băng hồ vùng biển Bắc Cực

Các dung môi sống Nước dung môi đặc biệt linh hoạt phân tử phân cực bị hút vào chất tích điện cực

có khả hình thành liên kết hydro Chất ưa nước chất có lực với nước cịn chất kỵ nước khơng Nồng độ mol số mol chất tan lít dung dịch, sử dụng cơng cụ để đo nồng độ chất tan dung dịch Mol số lượng phân tử định chất Khối lượng mol mol chất tan 1g khối lượng phân tử dalton

Điều kiện môi trường axit và bazo ảnh hương đến sinh vật sống

3.1 Khái niêm

3.2 Khái niêm

3.3 Khái niêm

`ˆÌi`Ê܈̅Ê̅iÊ`i“œÊÛiÀȜ˜ÊœvÊ

˜vˆÝÊ*ÀœÊ*Ê`ˆÌœÀÊ /œÊÀ i“œÛiÊ̅ˆÃʘœÌˆVi]ÊۈÈÌ\Ê

15

Ảnh hưởng thay đổi pH Nồng độ H+ biểu

thị qua độ pH, độ pH =-log[H+] Dung dịch đệm sinh học chống lại thay đổi độ pH Một dung dịch đệm bao gồm cặp bazo thích hợp

kết hợp thuận nghịch với ion hydro

Mối đe dọa đến chất lượng nước Trái

Đất Việc đốt nhiên liệu hóa thạch thải vào khơng khí oxit ( dẫn đến mưa axit) tăng lượng CO2 Một lượng CO2 hòa tan

trong đại dương làm giảm độ pH có khả ảnh hưởng đến tốc độ canxi hóa rạn san hơ

TRẮC NGHIỆM THÔNG MINH

1 Nhiều loại động vật điều hịa thân nhiết cách mồ Tính chất nước trực tiếp chụi trách nhiệm khả tốt mồ để giảm nhiệt độ thể?

A Thay đổi mật độ nước ngưng tụ B Nước có khả hịa tan phân tử khơng khí

C Phát nhiệt hình thành liên kết hydro

D Sự hấp thụ nhiệt cách phá vỡ liên kết hydro

E Sức căng bề mặt nước

2 Một lát bánh pizza có 500 kcal Nếu đốt cháy pizza sử dụng hết toàn nhiệt lượng để làm ấm 50l nước lạnh Nhiệt độ nước thay đổi khoảng bao nhiêu? (chú ý, 1l nước lạnh nặng 1kg)

A 50oC D 100oC

B 5oC E 1oC

C 10oC

Liên kết trái đấu bị đứt phân tử nước bay

A Liên kết ion trái dấu

B Liên kết hydro trái dấu phân tử nước

C Liên kết cộng hóa trị trái dấu nguyên tử phân tử nước

D Liên kết trái dấu cộng hóa trị phân cực E Liên kết trái dấu cộng hóa trị khơng phân cực

4 Những chất sau chất kyh nước?

A Giấy D Đường

B Muối ăn E Mì

C Sáp

5 Chúng ta chắn mol đường ăn mol vitamin C giống

A Khối lượng dalton B Khối lượng gram C Số lượng phân tử D Số lượng nguyên tử E Khối lượng

6 Cần có gam axit axetic ( C2H4O2) để pha 10l dung dịch axit axetic 0.1 M? ( Cho biết, khối lượng mol ( dalton): C 12, H 1, Oxi 16)

A 10,0g D.60,0g

B 0,1g E 0.6g

E 6.0g

7 Các phép đo độ pH hồ nước 4.0 Nồng độ ion hydro hồ là?

A 4.0M D.104M

B 10-10M E 4%

C 10-4M

8 Nồng độ ion hydroxit câu hỏi là?

A 10-7M D 10-14M

B 10-4M E 10M

C 10-10M

Vẽ hình: Vẽ phân tử nước, sử dụng mơ hình khơng gian lấp đầy gắn cho nguyên tử Vẽ đường vững để liên kết cộng hóa trị nét mảnh cho liên kết hydro Ghi thích cho phù hợp

Đáp án trắc nghiệm phần phụ lục A

LIÊN QUAN CỦA SỰ TIẾN HÓA

10 Bề mặt Hỏa có nhiều đặc điểm bật khung cảnh

ở gợi nhớ đến nước chảy bề mặt Trái đất, bao gồm kênh uốn khúc

16

bởi vệ tinh Cơ Hội NASA điều cho nước lỏng xuất bề mặt Hỏa Ví dụ, hình ảnh ( trên, bên trái ) cho thấy đa giác đứt gãy đá Đứt gãy tượng tự đất bề mặt Trái Đất (trên, bên phải) tương ứng với xuất nước Băng tồn hai đầu cực hỏa, số nhà khoa học nghi có nhiều nước xuất bề mặt Hỏa Tại có nhiều quan tâm đến diện nước Hóa? Sự xuất nước Hỏa có nhiều khả tồn sống? Những nhân tố vật lý quan khác gì?

KHOA HỌC YÊU CẦU

11 Thiết kế thí nghiệm kiểm sốt để kiểm tra giả thuyết mưa axit ức chế tăng trưởng Eloda, thủy sinh ( hình 2.19)

12 Tại khu vực nơng nghiệp nông dân ý đến dự báo thời tiết Ngay trước đài báo khơng khí lạnh vào đêm, nông dân phun nước trồng để bảo vệ thực vật Sử dụng thuộc tính nước để giải thích phương pháp có lợi trồng Hãy quan tâm đến lý liên kết hydro có vai trị phương pháp

KHOA HỌC, CÔNG NGHỆ VÀ XÃ HỘI

`ˆÌi`Ê܈̅Ê̅iÊ`i“œÊÛiÀȜ˜ÊœvʘvˆÝÊ*ÀœÊ*Ê`ˆÌœÀ