Тема: Функции воды в жизнедеятельности организмов.

10 класс.

Цели урока:

• Обучающая - Повторить физические и химические свойства воды, строение воды. Дать понятие об аномальных свойствах воды. На основе строения воды объяснить ее свойства. Повторить механизм образования водородной связи. Разобрать механизм образования кристаллогидратов и их свойств.

• Развивающая - Сообщить и углубить знания учащихся, полученные при изучении курсов химии, географии, биологии, о воде. Продолжить формирование мировоззрения учащихся, что строение вещества определяет его свойства. Повторить правила техники безопасности при работе с химическим оборудованием.

• Воспитательная - Продолжить развитие культуры проведения химического эксперимента, общения, умения высказывать свои взгляды суждения.

Задачи: Интегрировать ретроспективные знания о значении воды в природе из курсов природоведения, географии, физики.

Систематизировать знания о физических свойствах воды, развивать знания о химических свойствах воды, о типах химической связи на примере водородной связи.

Раскрыть роль воды в зарождении, развитии живых организмов на Земле.

Тип урока: Интегрированный урок (биология-химия).

Методы используемые на уроке: Лекция с элементами беседы и проблемного обучения. Демонстрация.

Оборудование

План урока:

1. Организационный момент.

2. Вода в природе.

3. Физические свойства воды.

4. Строение молекулы воды.

5. Химические свойства воды.

   1. Образование кристаллогидратов.

6. Итог.

7. Домашнее задание.

Ход урока.

1. 1. Организационный момент.

Приветствие класса.

Сегодня у нас с вами не совсем обычный урок биологии. Я бы скорее его назвала биолого-, химико-, физический урок. Такие уроки носят название интегрированных, т.к. помогают объединить знания всех наук для создания целостного представления об изучаемом объекте. Мы сегодня будем изучать необычное по свойствам вещество планеты, обладающее парадоксальными свойствами и, безусловно, важнейшее для всего живого - это вещество вода. Тема нашего урока "Функции воды в живых организмах»".

В ходе урока нам предстоит выяснить, какие свойства воды позволяют ей выполнять многочисленные функции в живых организмах ?

Эпиграфом к нашему уроку я выбрала слова Леонардо да Винчи:

"Воде была дана волшебная власть стать соком жизни на Земле".

Воде посвящаются стихи поэтов, картины художников, скульптурные композиции.

Она - величайшее вещество на планете.

В кружева будто одеты

Деревья, кусты, провода.

И кажется сказкою это,

А в сущности только вода.

Безбрежная ширь океана

И тихая заводь пруда,

Струя водопада и брызги фонтана,

И всё это - только вода.

Вы уже неоднократно и в жизни, и на уроках школьного курса сталкивались с веществом - вода. Целью этого урока является обобщение и углубление знаний о воде, ее строении и свойствах. По ходу урока вы ответите на многочисленные мои вопросы.

2. Фронтальная беседа.

ВОДА - стихийная жидкость, ниспадающая в виде дождя и снега, образующая на земле родники, ручьи, реки и озера, а в смеси с солями, - моря. (определение воды в словаре Даля)

Вопрос: Что вы знаете о воде?

Вода - одно из самых распространенных на Земле соединений. Молекулы воды обнаружены в межзвездном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет Солнечной системы и их спутников. Количество воды на поверхности Земли оценивается в 1,39 ^. 10¹⁸т. Общий объем воды на Земле составляет около 1500000000 куб.км. Если эту воду равномерно распределить по поверхности Земли, то толщина ее слоя составила бы почти 4 км.

Вопрос: Из чего же складывается этот запас?

Большая часть воды - 97 % находится в океанах и морях. Объем воды в океане оценивается в 1370000000 куб.км. Лишь 3 % воды находится на континентах. В реках и озерах земного шара содержится примерно 400000 куб.км. пресной воды. Большая часть пресных вод (68,7 %) сосредоточена в ледниках и залегающем снежном покрове, основные запасы которых находятся в Антарктиде. Ледяной щит включает около 25000000 куб.км. воды. Масса ледников Арктики, Антарктики и высокогорных районов - 2,4 ^. 10¹⁶т. Значительное количество воды содержится в земной коре (подземные воды). Общие запасы подземных вод составляют примерно 8 млн.куб.км. В атмосфере находится 1,3 ^. 10¹³т воды. В каждый момент времени в ней содержится 13000 куб.км воды. Если бы атмосферная вода вдруг стала жидкостью и равномерно растеклась по поверхности Земли, то слой осадков составил бы всего 24 мм.

Вопрос: Вспомните из курсов природоведения, ботаники, зоологии, анатомии где содержится еще вода?

Вода входит в состав многих минералов и горных пород, присутствует в почве и во всех организмах.

Как вода распределяется в организме человека? Тело взрослого человека на 65 % состоит из воды. Вода входит в состав всех его органов и тканей: в сердце, легких, почках ее около 80 %, крови - 83 %, в костях - 30 %, в зубной эмали - 0,3 %, в биологических жидкостях организма (слюне, желудочном соке, моче и т.д.)- 95 - 99 %.

Тело рыб содержит 80 % воды, водорослей - 90 %. Подсчитано, что содержание воды в тканях живых организмов примерно в шесть раз превышает ее во всех реках земного шара.

Ученые подсчитали и вес воды, имеющейся на нашей планете - 2000000000 млн.т. Здесь учитывается вся вода: морей, океанов, вода в виде пара в атмосфере, и в виде льда, вода находящаяся в твердой оболочке Земли и наконец, сосредоточенная в биологических объектах.

Вода является необходимым условием существования всех живых организмов на Земле. "Вода дороже золота" - утверждали бедуины всю жизнь кочевавшие в песках. Они знали, что никакие богатства не спасут путника в пустыне, если иссякнут запасы воды. В живом организме вода - это среда, в которой осуществляются химические реакции. Процессы пищеварения и усвоения пищи человеком и животными связаны с переводом питательных веществ в раствор. Вода вымывает из клеток отработанные продукты обмена веществ и играет важную роль в регуляции температуры тела. Исключение ее из организма может привести к смерти уже через несколько дней.

А как получают живые организмы воду? Какие способы вы знаете?

(Ответ учащихся.)

Пути поступления воды в организм очень разнообразны:

а) через поверхность тела - у одноклеточных организмов, низших растений, личинок некоторых насекомых, лягушек, рыб и других водных организмов;

б) с пищей и питьем - у большинства животных;

в) есть животные, которые почти не пьют или пьют крайне мало. Это оказывается возможным за счет: метаболической воды, т.е. воды, образующейся в организме при окислении, главным образом, жиров (при окислении 1 г жира образуется 1,1 г воды); экономного расходования воды, которое у одних обеспечивается наличием водонепроницаемых покровов, у других - высокой концентрацией мочи (так, например, у верблюдов моча в 8 раз концентрированнее плазмы); запасов воды (например, у личинок);

г) растения поглощают воду из почвы с помощью корневых волосков;

д) необычные способы получения воды имеют: эпифиты - растения, поселяющиеся, главным образом на стволах, ветвях других деревьев - поглощают воду из воздуха; многие зонтичные растения задерживают влагу в чашевидных влагалищах листьев, откуда она постепенно всасывается через эпидермис.)

II ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Многочисленные биологические функции, выполняемые водой, обеспечиваются ее уникальными свойствами, а уникальность свойств воды определяется структурой ее молекулы.

1 Строение молекулы и свойства воды (МПС с химией.)

1. Вспомните известные вам из курса химии особенности строения молекулы воды.

(Ответ учащихся. В молекуле воды (эмпирическая формула H2O) один атом кислорода ковалентно связан с двумя водородными атомами. Молекула имеет форму треугольника, в одной из вершин которого находится атом кислорода, а в двух других - по атому водорода.)

Вода имеет полярную молекулу. Кислород как более электроотрицательный атом оттягивает на себя общую с атомом водорода электронную плотность к себе и потому несет частичный отрицательный заряд; атомы водорода, от которых электронная плотность смещена, несут частичный положительный заряд. Таким образом, молекула воды представляет собой диполь, т.е. имеет положительно и отрицательно заряженные участки. (слайд)

2. Каков характер ковалентной связи между атомом кислорода и атомами водорода?

(Ответ учащихся. Связь между атомом кислорода и атомами водорода полярная, т.к. кислород притягивает электроны сильнее, чем водород.)

Комментарий учителя. Действительно, атом кислорода в силу своей большей электроотрицательности притягивает электроны сильнее, чем атомы водорода. Следствием этого является полярность молекулы воды. В целом молекула воды электронейтральна, но электрический заряд внутри молекулы распределяется неравномерно, и в области атомов водорода преобладает положительный заряд, а в области, где расположен кислород, - отрицательный заряд .Поэтому такая молекула является электрическим диполем.

Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы воды притягивает положительно заряженные атомы водорода двух других молекул, поэтому молекулы воды оказываются связанными друг с другом водородными связями. С понятием водородной связи вы уже знакомы (слайд).

Водородные связи.

Молекулы воды образуют друг с другом водородные связи. Они обусловлены силами притяжения между несущим частичный отрицательный заряд атомом кислорода одной молекулы и несущим частичный положительный заряд атомом водорода другой молекулы.

В жидкой воде эти слабые связи быстро образуются и так же быстро разрушаются при беспорядочных столкновениях молекул. Именно благодаря способности молекул воды связываться друг с другом при помощи водородных связей, вода обладает рядом свойств, имеющих важное значение для жизни и в первую очередь - ее свойства как растворителя.

Работа в группах

Сейчас мы и рассмотрим свойства, которыми обладает вода. Для этого я предлагаю разделить класс на 4 группы, каждая из которых, используя заранее приготовленное оборудование, работает по инструктивной карточке, содержащей задание.

Задание 1-й группе

Вам предложен ряд веществ: поваренная соль, этиловый спирт, сахароза, растительное масло, парафин. Попытайтесь последовательно растворить эти вещества в воде. Какие из предложенных веществ растворяются в воде, а какие нет? Попытайтесь объяснить, почему одни вещества в воде растворяться могут, а другие не могут. С каким свойством воды вы при этом познакомились?

Отчет 1-й группы

В воде из предложенных веществ растворяются: поваренная соль, этиловый спирт, сахароза (тростниковый сахар). Не растворяются: растительное масло и парафин. Из полученных результатов можно сделать вывод, что вещества с ионной химической связью (поваренная соль), а также неионные соединения (сахара, спирты), в молекулах которых, наверное, присутствуют заряженные (полярные) группы, в воде растворяются. Вода является одним из наиболее универсальных растворителей: практически все вещества растворяются в ней, хотя бы в следовых количествах.

Комментарий учителя. Если энергия притяжения между молекулами воды и молекулами какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами воды, то вещество растворяется. Растворимые в воде вещества называются гидрофильными (соли, щелочи, кислоты и др.). Неполярные (не несущие заряда) соединения в воде практически не растворяются. Их называют гидрофобными (жиры, жироподобные вещества, каучук и др.).

Задание 2-й группе

В пробирку с белыми хлопьями нерастворимого яичного белка, нагретую на водяной бане до 37 °С, добавьте желудочный сок. Что вы наблюдаете? Какая реакция произошла и благодаря какому ферменту желудочного сока? С каким свойством воды вы познакомились?

Отчет 2-й группы

Нерастворимые хлопья яичного белка под действием пепсина желудочного сока растворяются. Имеет место реакция ферментативного гидролиза (расщепления) белков на аминокислоты с присоединением молекулы воды при разрыве каждой пептидной связи. Подобные реакции протекают в желудочно-кишечном тракте человека и животных:

Таким образом, вода может вступать в химические реакции, т.е. является реагентом.

Комментарий учителя. Вода способна вступать в реакции гидролиза, т.е. реакции, при которых к свободным валентностям различных молекул присоединяются группы ОН- или Н+ воды. В результате образуются новые вещества с новыми свойствами.

Задание 3-й группе

Опустите кусочки льда в стакан с водой. Что вы наблюдаете? Что вы можете сказать о плотности воды и льда? Конкретные сведения о плотности воды и льда можно получить из «Справочника по элементарной физике» (Енохович). С какими особенностями воды вы познакомились?

Кусочки льда не тонут в воде. Это происходит благодаря тому, что плотность льда меньше плотности жидкой воды. По справочнику мы определили, что плотность воды равна 1 г/см3, а плотность льда равна 0,92 г/см3. Таким образом, лед легче воды и может плавать на ее поверхности.

Комментарий учителя. Действительно, плотность воды и поведение вблизи точки замерзания у этого вещества особые. Максимальной плотностью вода обладает при температуре +4 °С, а плотность воды в твердом состоянии оказывается меньшей, чем в жидком.

Задание 4-й группе

Вам известно, что вода закипает и переходит в парообразное состояние при температуре 100 °С. Используя «Справочник по элементарной физике», сравните температуру кипения воды с температурой кипения других жидкостей. Попытайтесь объяснить полученные результаты.

Отчет 4-й группы

Из данных, приведенных в справочнике, следует, что температура кипения воды одна из самых высоких среди жидкостей. Например, температура кипения этилового спирта 78 °С, эфира 34,5 °С. Мы думаем, что высокая температура кипения воды объясняется способностью ее молекул образовывать друг с другом водородные связи. Для того, чтобы заставить молекулы воды двигаться со скоростью, достаточной для разрыва водородных связей, требуется затратить много тепловой энергии. Кстати, температуры на поверхности Земли редко достигают точки кипения воды.

Комментарий учителя. Вы верно назвали причину относительно высокой температуры кипения воды. Закипая, вода испаряется, т.е. переходит в газообразное состояние. На испарение также расходуется много тепла. Эта энергия тратится на разрыв водородных связей.

Задание 5-й группе

Попытайтесь налить воду в стакан «с верхом». Почему это возможно? В стакан с водой медленно опустите стеклянную трубку малого диаметра. Что вы наблюдаете? Объясните результаты опыта. С каким свойством воды вы познакомились?

Отчет 5-й группы

Нам удалось налить воду в стакан «с верхом». Поверхность воды как бы покрыта «кожицей», так как молекулы воды, находящиеся на поверхности, удерживаются за счет водородных связей, возникающих между ними и молекулами, находящимися внутри. Таким образом, вода обладает большим поверхностным натяжением.

По тонкой стеклянной трубке вода поднялась на высоту, превышающую ее уровень в стакане с водой. Думаем, что она удерживается на этой высоте из-за притяжения молекул воды стенками стеклянной трубки. Итак, молекулы воды способны «слипаться» между собой и с другими веществами.

Комментарий учителя. Способность молекул воды «слипаться» друг с другом благодаря водородным связям получила название когезии. А способность воды «слипаться» с другими веществами называется адгезией. Именно адгезией объясняются капиллярные свойства воды - ее способность подниматься по тонкой стеклянной трубке, что вы и наблюдали в опыте.

Выполняя эти несложные опыты и другие задания, мы познакомились с основными физическими свойствами воды, которые объясняются малыми размерами и полярностью ее молекул, т.е. особенностями молекулярного строения. Теперь, исходя из свойств воды, дадим характеристики ее биологическим функциям.

Биологические функции воды

Самостоятельная работа:

Исходя из физических свойств воды, опираясь на знания строения и функционирования растительных и животных организмов, пользуясь текстом учебников стр. 15-16 заполните таблицу.

Свойства воды

Биологические функции воды

1. Способность растворять в себе вещества

• вступает в реакции гидролиза

• источник водорода в процессе фотосинтеза (фотолиз воды)

• в цикле Кребса вода тратится на окисление углерода

2.Вода как реагент

• биохимические реакции протекают в водных растворах

• среда для транспорта различных веществ

• обеспечение осмоса, тургора, движения устьиц

3. Большая теплота испарения

-среда обитания для клеток и организмов

-основа внутриклеточных жидкостей

-охлаждение тела животных и растений

4. Плотность и поведение воды вблизи точки замерзания

• защита среды обитания водных организмов от перемерзания

• перемещение питательных веществ в водоемах

5.Большое поверхностное натяжение, когезия и адгезия

• определение физических свойств клетки

• передвижение воды вверх по стеблям растений

• удержание на поверхности мелких организмов

• подъем влаги по почвенным порам

3. Вода как растворитель.

По отношению к воде все практически вещества можно разделить на две группы:

1. Гидрофильные (от греч. "филео" - любить, имеющие положительное сродство к воде). Эти вещества имеют полярную молекулу, включающую электроотрицательные атомы (кислород, азот, фосфор и др.). В результате отдельные атомы таких молекул также обретают частичные заряды и образуют водородные связи с молекулами воды. Примеры: сахара, аминокислоты, органические кислоты.

2. Гидрофобные (от греч. "фобос" - страх, имеющие отрицательное сродство к воде). Молекулы таких веществ неполярны и не смешиваются с полярным растворителем, каковым является вода, но хорошо растворимы в органических растворителях, например, в эфире, и в жирах. Примером могут служить линейные и циклические углеводороды. в т.ч. бензол.

Среди органических веществ встречаются также соединения, одна часть молекулы которых неполярна и проявляет гидрофобные свойства, а другая - полярна и, следовательно, гидрофильна.

Такие вещества называются амфипатическими.

Молекула фосфотидилсерина (одного из фосфолипидов плазматической мембраны клеток, справа) может служить примером амфипатических соединений.

Вода как растворитель в живых организмах.

По образному выражению, все мы - "живые растворы". Действительно, практически все процессы как в клетках организма, так и в межклеточной среде организма протекают именно в водных растворах. Кроме того, со свойством воды как растворителя прямо связана транспортная функция внутренних жидкостей как у многоклеточных животных (кровь, лимфа, гемолимфа, целомическая жидкость), так и у многоклеточных растений.

Вода как реагент.

Важное значение воды связано также с ее химическими свойствами - как обычного вещества, вступающего в химические реакции с другими веществами. Наиболее важными являются расщепление воды под действием света (фотолиз) в световой фазе фотосинтеза, участие воды как необходимого реагента в реакциях расщепления сложных биополимеров (такие реакции не случайно называются реакциями гидролиза). И, наоборот, при реакциях образования биополимеров, полимеризации, происходит выделение воды.

Вопрос 4. Какую неточность в последней фразе исправил бы химик?

. Высокая удельная теплоемкость.

Вода имеет высокую теплоемкость (в 10 раз большую, чем железо, и в 3300 раз большую, чем воздух). В сочетании с высокой теплопроводностью это делает водную среду достаточно комфортной для обитания живых организмов.

(Вспомните из курса физики, что такое удельная теплоемкость. Среди физических характеристик среды, важных для существования в ней живых организмов, существенную роль играют также выталкивающая сила и вязкость, но их роль мы пока не рассматриваем.)

Благодаря высокой теплоемкости и теплопроводности водная среда, в отличие от воздушной, менее подвержена перепадам температур (как суточным, так и сезонным), что облегчает адаптацию животных и растений к этому абиотическому фактору.

Вопрос 1. Каково значение этой физической характеристики для внутриклеточных процессов? (Для ответа на вопрос вспомните из курса химии понятия экзотермических и эндотермических реакций).

2. Несжимаемость.

Вода практически несжимаема. Это позволяет многим беспозвоночным животным использовать заполненные водой полости тела в качестве внутренней опоры организма при передвижении (т.н. гидростатический скелет).

Вопрос 2. Представители каких типов животных имеют гидростатический скелет?

3. Высокая температура кипения.

Близкие по молекулярной массе вещества - метан и аммиак - при н.у. являются газами. Вода же - жидкость и остается ею при нагревании до 100оС. Аномально высокая температура кипения - результат того, что молекулы воды связаны между собою водородными связями. (Вспомните?) Именно на разрыв этих связей и тратится большое количество энергии.

Для обитателей водной среды это также важно. Диапазон температур на планете (средняя + 7оС) практически не достигает верхней границы, точки кипения воды.

4. Высокая удельная теплота парообразования.

Эта характеристика, также как и высокая температура кипения, обусловлена наличием водородных связей между молекулами воды.

(Вспомните из курса физики, что такое удельная теплота парообразования. Кстати, чтобы выпарить, к примеру, воду из чайника, тепла потребуется в 5,5 раза больше, чем для того, чтобы вскипятить его).

Благодаря высокой теплоте парообразования живые организмы (не только животные, но и растения) получили возможность избавляться от избытков тепла в организме, испаряя воду с поверхности тела или его участков. В отличие от других способов теплообмена живых организмов с окружающей средой (излучения, конвекции, теплопередачи) испарение позволяет охлаждать тело даже в том случае, когда температура окружающей среды выше, чем температура тела.

Таким уникальным свойством обладают очень немногие вещества. Это (и другие свойства воды) позволило герою Андрея Битова сказать:

"Вода! - вот что изобличает в творении творца, в творце - художника. Как там она расширяется и сжимается, кипит и замерзает единственным и противоречивейшим способом из всех жидкостей? ... Из воды и вышла жизнь, что всем известно. Так вот не жизнь изумительна, а - вода! Она есть подвиг творца, преступившего гармонию во имя жизни. Не нам себе представлять, чего это ему стоило. Вот что он воистину создал! Воду... От ее капли до нас с тобой меньшее расстояние, чем от неживой материи до воды. Эволюция - это всего лишь роман с неизбежной развязкой; возможно, мы и закроем всю книгу... "

Аномальные свойства воды.

Это свойство воды обусловлено ее огромной теплоемкостью. Охладив 1 куб.м воды на 1^оС, можно нагреть на 3^оС 1000 м воздуха. Это одно из аномальных свойств воды.

По сравнению с другими жидкостями вода обладает еще одним важным аномальным качеством - высокой скрытой теплотой плавления. Чтобы расплавить, например, 1 кг льда надо затратить тепла в два раза больше, чем на расплавление стали и в 15 раз больше, чем на расплавление свинца. Это свойство воды спасает нас от катастрофических весенних наводнений. Из-за медленного таяния льда и снега почва вбирает в себя достаточное количество влаги и тем самым предотвращает в некоторых случаях гибель растений во время засухи.

Вода, в отличие от других веществ при замерзании не уплотняется, а расширяется. Молекулы льдоподобной воды расположены таким образом, что между ними возникают большие пустоты, а поэтому лед рыхлообразный, то есть легче, чем жидкая вода. Представим себе на минуту, что вода не обладала бы этим чрезвычайно редким свойствам. Что могло бы произойти? В этом случае жизнь на нашей планете не могла бы даже возникнуть. Лед, едва появившись на поверхности водоема, тут же погружался бы на дно. Не только пруды и реки, но и океаны промерзли бы насквозь.

При охлаждении плотность воды, как и других веществ, увеличивается. Но это происходит только до определенного предела, до +4^оС. При охлаждении воды от +4^оС до 0^оС плотность ее уменьшается. Такое ненормальное поведение воды имеет огромное значение для жизни. Осенью, при первых заморозках, когда резко падает температура воздуха, охлаждается и вода в водоемах. Охлаждение начинается сверху. Охладившаяся вода опускается вниз до тех пор, пока температура всего водоема не снизится до +4^оС. При такой температуре сохраняется жизнь в водоемах. В случае дальнейшего охлаждения воды водоем покрывается тонким слоем льда, защищающим воду от дальнейшего охлаждения.

Любопытна и еще одна закономерность, которая происходит в природе. Холодная вода опускаясь, обеспечивает снабжение кислородом глубинных слоев океанов, морей, озер и рек. В свою очередь теплые слои воды, поднимаясь вверх, выносят растворы солей и другие пищевые вещества в верхние слои. Все это способствует развитию жизни. Благодаря этому удивительному свойству воды жизнь в океанах и морях никогда не может исчезнуть.

Причины таких аномальных свойств в строении молекул воды.