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]
Trang 13.1 Phân cực trong phân tử nước, khái niệm
về liên kết hydro
3.2 Bốn đặc tính nổi bật của nước góp phân
tạo nên sự sống trên Trái Đất
3.3 Tính axit và bazo ảnh hưởng tới sự sống
của sinh vật
PHÂN TỬ HỖ TRỢ TOÀN BỘ SỰ
SỐNG
hư các nhà thiên văn học nghiên cứu
hành tinh mới được phát hiện quanh
quanh các ngôi sao ở xa, họ hy vọng
sẽ tìm thấy bằng chứng của nước trên các thiên
thể xa xôi, nước là chất tạo ra sự sống như
chúng ta đã biết về nó trên Trái Đất Tất cả các
sinh vật quen thuộc với chúng ta hoạt động
được chủ yếu là nhờ nước Nước là môi trường
sinh học trên Trái Đất, và có thể có trên các
hành tinh khác là một điều rất tốt
Ba phần tư bề mặt của trái đất chìm trong
nước (Hình 3.1) Mặc dù hầu hết nước đều ở
trạng thái lỏng, nhưng nước trên Trái Đất còn
ở dạng băng và hơi Nước là chất thông thường
chỉ tồn tại trong môi trường tự nhiên ở cả ba
trạng thái của vật chất: rắn, lỏng, khí Sự
phong phú của nước là một trong những lý do
chính tạo nên sự sống trên Trái Đật Trong một
cuốn sách cổ có tên: Sự thích hợp của môi
trường, nhà sinh thái học Lawrence Henderson
nhấn mạnh tầm quan trọng của nước đối với sự
sống Trong khi thừa nhận rằng sự sống thích
nghi với môi trường của nó thông qua chọn lọc
tự nhiên, Lawrence Hénderson nhấn mạnh
rằng môi trường tồn tại ở mọi nơi, môi trường phải là nơi thích hợp nhất
Cuộc sống trên Trái Đất bắt đầu trong nước
và phát triển trong 3 tỉ năm trước khi lan rộng vào đất Cuộc sống hiện đại, trên mặt đất thậm chí cả ở trong đất cuộc sống vẫn còn gắn liền với nước Một sinh vật sống cần nhiều nước hơn so với bất kỳ chất nào khác Ví dụ, con người có thể sống sót trong một vài tuần mà không có thức ăn, nhưng chỉ có thể sống trong một tuần hoặc lâu hơn nến không có nước Phân tử nước tham gia trong nhiều phản ứng hóa học cần thiết để duy trì sự sống Hầu hết các tế bào được bao quanh bởi nước, và bản thân các tế bào đó chứa khoảng 75% là nước
Những thuộc tính đó có phải cho phép nó dễ dàng thực hiện các chức năng như là sự hỗ trợ cho tất cả các sinh vật ? Trong chương này, bạn sẽ tìm hiểu cấu trúc của một phân tử nước như thế nào mà cho phép nó tương tác với các phân tử khác, bao gồm cả các phân tủ nước khác Khả năng này dẫn đến hình thành các tính chất độc đáo hỗ trợ và duy trì cơ thể sống trên hành tinh của chúng ta
3.1
PHÂN CỰC TRONG PHÂN TỬ NƯỚC, KHÁI NIỆM VỀ LIÊN KẾT HYDRO
Nước đã trở nên rất phổ biến điều đó làm nó
dễ dàng bị bỏ qua thực tế cho rằng nó là một chất đặc biệt với nhiều tính chất phi thường Kết thúc chương này thì các đặc tính sẽ hiện
ra, chúng ta có thể phát hiện ra các cấu trúc
N
CÁC KHÁI NIỆM CHÍNH
TỔNG QUAN
Hình 3.1: Tại sao sự phong phú của nước cho phép sự sống tồn tại được trên Trái Đất?
KHÁI NIỆM
Trang 2đặc biệt của nước và sự tương tác giữa các
phân tử của nó
Nghiên cứu ở sự cách ly, các phân tử nước
có cấu trúc thật đơn giản Đó là một cái gì đó
giống hình chữ V rộng với hai nguyên tủ hydro
liên kết với các nguyên tử oxi bằng liên kết
cộng hóa trị Nguyên nhân là do độ âm điện
của oxi cao hơn của hydro, các electron của
các liên kết hóa trị lệch về phía oxi nhiều hơn
hydro, nói cách khác là chúng liên kết cộng
hóa trị phân cực ( xem hình 2.13) Do sự phân
bố không đồng điều của các điện tử làm cho
phân tử nước bị phân cực, có nghĩa là hai đầu
của phân tử nước có sự tích điện: Đầu oxi của
phân tử nước tích điện âm (-), và phân tử
hydro của phân tử nước tích điện dương (+)
Các tính chất đặc biệt của các phân tử nước
phát sinh tử sự hấp dẫn giữa các phân tử của
nó: hydro trong phân tử nước tích điện dương
hút oxi mang điện tích âm của các phân tử gần
đó
Hai phân tử nước liên kết với nhau bằng một
liên kết hydro ( hình 3.2) Khi nước ở trạng
thái lỏng, nước hình thành các liên kết hydro, các liên kết hydro của nước rất dễ bị gãy , lực liên kết chỉ bằng 1/20 lực liên kết cộng hóa trị Các liện kết hydro hình thành từ sự phá vỡ và liên kết lại vởi tần số rất lớn Mỗi liên kết chỉ kéo dài một phần ngàn tủ trên một giây, nhưng các phân tử nước liên tục hình thành các liên kết hydro với một loạt các phân tử khác Vì vậy, ngay sau đo phần lớn các phân tử nước lại liên kết hydro với các phân tử xung quanh Những tính chất độc đáo của nước đã hiện ra
từ liên kết giữa các phân tử lớn hơn so với trình tự cấu tạo của nó
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 của nước đóng góp vào sự phù hợp cho môi trương sống trên Trái Đất: khả năng gắn kết,
có nhiệt độ ổn định, tan chảy sau khi bị đóng băng và linh hoạt như một dung môi
Khả năng gắn kết
Các phân tử nước ở gần nhau là một kết quả của liên kết hydro Mặc dù sự sắp xếp các phân
tử trong một mẫu nước ở dạng lỏng luôn thay đổi liên tục, tại bất kỳ thời điểm nào, trong phân tử nước có nhiều liên kết hydro trái dấu
Hình: 3.2: Liên kết trái dấu giữa các phân
tử nước Những nơi tích điện của phân tử
nước phân cực sẽ hút các phần điện trái dấu
của các phân tử xung quanh Mỗi phân tử có
thể liên kết với nhiều phân tử khác bằng liên
kết hydro và sự kết hợp này thay đổi liên tục
KHÁI NIỆM 3.2
Trang 3Nhưng mỗi liên kết này làm cho nước có cấu
trúc hơn so với hầu hết các chất lỏng khác Nói
chung, liên kết hydro giữ cho các chất liên kết
lại với nhau, hiện tượng đó gợi là sự liên kết
Nhờ sự gắn kết của liên kết hydro đã góp
phần vào việc vận chuyển nước và chất dinh
dưỡng hòa tan có thể chống lại được trọng lực
ở trong thực vật (hình 3.3) Nước vận chuyển
từ rễ lên lá nhờ một mạng lưới các tế bào dẫn
nước Khi nước bay hơi từ lá, các liên kết
hydro gây ra một lực kéo rất mạnh lên các
phân tử nước có trong gân lá, các phân tử xa và
kéo mước lên trên qua hoạt động của các tế
bào nhờ các con đường ở rễ Độ dính bám, sự
đeo bám của một chất khác, cũng đóng vai trò
quan trọng Sự bám dính của các phân tử nước
lên thành tế bào bằng liên kết hydro giúp
chống lại sự hút lại của lực hấp dẫn ( xem hình
3.3)
Sự gắn kết liên quan đến sức căng bề mặt,
một phương pháp khó làm sao để có thể kéo
dài và phá vỡ bề mặt của một chất lỏng Nước
có sức căng bề mặt lớn hơn so với hầu hết các
chất lỏng khác Nơi tiếp xúc giữa không khí
và nước là một sự sắp xếp có trật tự các phân
tử nước, liên kết hydro gắn kết các phân tử nước xung quanh và các phân tử nước ở phía dưới Điều này làm cho nước như thể được phủ một lớp màng Bạn có thể quan sát sức căng bề mặt của nước Một số ví dụ sinh học, một số loài động vaakt có thể đứng, đi bộ, chạy trên mặt nước mà không làm vỡ sức căng bề mặt
Nước điều hũa nhiệt độ khụng khớ bằng cỏch hấp thụ nhiệt độ cao trong khụng khớ và giải phỳng hơi nỳng lưu trữ để làm mỏt khụng khớ Nước cỳ hiệu quả như một nhà chứa nhiệt bởi vỡ nỳ cỳ thể hấp thụ hoặc tỏa ra một lượng nhiệt tương đối lớn trong sự thay đổi nhỏ nhiệt
độ riờng của nỳ Để hiểu được chức năng này của nước, trước hết chỳng ta phải xem xột sự nỳng và nhiệt độ trong một thời gian ngắn
Sự nóng và nhiệt độ
Bất cứ vật gì khi di chuyển sẽ tạo ra động năng, dạng năng lượng trong chuyển động Nguyên tử và phân tử có năng lượng động năng vì chúng là vật luôn chuyển động cho dù không cần thiết phải theo một hướng cụ thể nào Phân tử nào chuyển động nhanh hơn động
Hình: 3.3: Vận chuyển nước trong cây Sự
bay hơi từ lá kéo nước lên từ rễ nhờ các tế bào
thực hiện Bởi vì các tính chất gắn kết, bám
dính Cây cao cần vận chuyển nước lên hơn
100m, khoảng ¼ chiều cao của tòa nhà Empire
tại thành phố New York
Hình: 3.4: Đi bộ trên nước Sức căng bề mặt
là kết quả từ liên kết hydro trong phân tử nước
cho phép Nhện nước có thể đi bộ trên ao
Trang 4năng của nó cao hơn Nhiệt là một dạng năng
lượng Đối với một vật của vật chất, lượng
nhiệt là thước đo năng lượng động lực của vấn
đề do chuyển động của các phân tử, do đó
nhiệt phụ thuộc một phần vào khối lượng của
vật chất Mặc dù sự nóng có liên quan đến
nhiệt độ, chúng không phải là điều giống nhau
Nhiệt độ là một cách đại diện cho cường độ
năng lượng trung bình động năng của các phân
tử bất cứ ở một khối lượng nào, Khi nước được
đun nóng trong máy pha cà phê, tốc độ trung
bình của các phân tử tăng lên và nhiệt kết ghi
lại điều này thể hiện sự gia tăng nhiệt độ của
chất lỏng Nhiệt lượng cũng tăng lên trong
trường hợp này Lưu ý, mặc dù bình cà phế có
nhiệt độ cao hơn nhiều so với trong bể bơi tuy
nhiên ta vẫn nói rằng: bể bơi có chứa nhiều
nhiệt hơn vì khối lượng của nó lớn hơn rất
nhiều
Khi ta cho hai vật nào có nhiệt độ khác nhau
đưa gần nhau thì sự nóng truyền từ ấm hơn
sáng các vật mát hơn cho tới khi hai vật có
nhiệt độ cúng nhau Các phân tử trong vật mát
hơn tăng tốc độ nhờ sử dụng động năng của
các vật âm hơn Một cục đá làm mát một đồ
uống không phải bằng cách thêm cái lạnh vào
chất lỏng, mà bằng cách hấp thụ nhiệt từ chất
lỏng để làm tan chảy nó
Trong cuốn sách này, chúng tôi sẽ dùng
thước đo độ C cho biết nhiệt độ ( nhiệt độ celciu
viết tắt là o C ) Mức nước biển, nước đóng băng
tại 0oC và sôi ở 100oC Nhiệt độ trung bình của
cơ thể người là 37.5oC và nhiệt độ dễ chịu
trong phòng là 20-25oC
Một đơn vị nhiệt khác thuận tiện được sử
dụng trong cuốn sách này là calorie (calo)
Calo là lượng nhiệt mà nó cần để tăng nhiệt độ
của 1g nước lên 1oC Ngược lại, lượng calo
cũng là lượng nhiệt mà 1 g làm nguội đi 1oC
1 kilocalo (kcalo) = 1000 calo, là lượng nhiệt
cần thiết để có thể tăng nhiệt độ của 1kg nước
nên 1oC ( Đơn vị ‘calo’ trên bao bì thực phẩm
trên thực tế là kilocalo) Một đơn vị năng
lượng khác dùng trong cuốn sách này là Jun
(J)
1 Jun(J) = 0.239 calo ; 1 calo = 4.184
Jun(J)
Nhiệt dung riêng của nước cao
Khẳ năng của nước để điều hòa nhiệt độ bắt nguồn từ nhiệt dung riêng của nó tương đối cao Nhiệt dung riêng của một chất được định nghĩa là lượng nhiệt cần thiết phải được hấp thụ hoặc mất đi ở 1g chất để làm thay đổi nhiệt
độ đến 1oC Chúng tôi đã xác định nhiệt dung riêng của nước bởi vì chúng tôi đã xác định được lượng calo là lượng nhiệt cần thiết để gây thay đổi nhiệt độ lên 1oC Vì vậy, nhiệt dung riêng của nước là 1calo trong 1 gam chất trong
1oC viết tắt là 1calo/g/oC So với hầu hết các chất khác nước có nhiệt dung riêng cao hơn hẳn Ví dụ, rượu, các loại đồ uống có cồn có nhiệt dung riêng cụ thể là 0.6 calo/g/oC, có nghĩa là chỉ cần 0.6 gam là lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của 1g cồn lên 1oC
Do nhiệt dung của nước ảnh hưởng đến các chất khác, nhiệt độ của nước thay đổi ít hơn khi nó hấp thụ hoặc làm mất một lượng nhiệt nhất định Lý do bạn có thể bị bỏng ngón tay của bạn khi chạm vào bề mặt của một nồi kim loại trên bếp, khi nước trong nồi vẫn còn ấm thì nhiệt dung của nước lớn gấp 10 lần so với
sắt Nói cách khác, cùng cùng một lượng nhiệt
sẽ làm tăng nhiệt độ của 1g thanh sắt nhanh hơn nhiều so với nhiệt độ của 1g nước Nhiệt dung riêng có thể được coi như là một cách tốt như thế nào đó giúp chống lại sự thay đổi nhiệt đổi nhiệt độ của một chất khi nó hấp thụ hoặc giải phóng nhiệt Nước chống lại sự thay đổi nhiệt độ, khi nước thay đổi nhiệt độ bằng
Hình 3.5: Ảnh hưởng lớn của nước đến phân bố khí hậu Bằng cách hấp thụ hoặc tỏa
nhiệt, đại dương điều hòa khí hậu ven biển Đây là một ví dụ, một ngày trong tháng 8 ở miền Nam California, đại dương làm giảm nhiệt độ làm không khí tương đối mát mẻ bằng
cách hấp thụ nhiệt
Trang 5cách hấp thụ vào hay làm mất đi một lượng
nhiệt tương đối lớn ở mỗi mức độ của sự thay
đổi đó
Chúng tôi có thể biết được nhiệt dung riêng
của nước caonhư nhiều đặc tính khác của nó,
liên kết hydro Phải hấp thụ bao nhiêu nhiệt để
có thể phá vỡ liên kết hydro, và lượng nhiệt
cần để hình thành một liên kết hydro Một calo
nhiệt gây ra sự biến đổi tương đối nhỏ trong sự
biến đổi nhiệt độ của nước, vì phần lớn nhiệt
được sử dụng để phá vỡ các liên kết hydro
trước khi các phân tử nước có thể bắt đầu di
chuyển nhanh hơn Và khi nhiệt độ của nước
giảm xuống một chút, nhiều liên kết hydro tạo
ra một lượng đáng kể dưới dạng nhiệt
Nhiệt dung riêng liên quan tới sự sống trên
Trái đất là gi? Một lượng nước lớn có thể hấp
thụ và lưu trữ rất lớn lượng nhiệt từ mặt trời
vào mùa hè và ban ngày trong khi nhiệt độ
nóng lên chỉ có vài độ Và vào ban đêm và
trong suốt mùa đông, nước bị lạnh từ từ làm
cho không khí dần ấm hơn Đây là lý do vì sao
khu vực ven biển thường có khí hậu ôn hòa
hơn so với trong lục địa ( hình 3.5) Nhiệt dung
riêng của nước có xu hướng giữ ổn định nhiệt
độ đại dương, tạo ra một môi trường thuận lợi
cho sinh vật biển Như vậy, bởi vì nước có
nhiệt dung riêng cao, mà nước bao bọc phần
lớn bề mặt Trái Đất nên nước giữu ổn định sự
dao động nhiệt trên đất liền và trong nước ở
giới hạn nhất định để tồn tại sự sống Ngoài ra,
do các sinh vật làm việc được chủ yếu nhờ
nước, chúng có thể có nhiều khả năng chống
lại những thay đổi nhiệt độ cơ thể mình hơn
nếu như chúng được cấu tạo từ một chất lỏng
có nhiệt dung riêng thấp hơn
Làm mát bằng bay hơi
Các phân tử của chất lỏng ở gần nhau được
bởi vì chúng được liên kết với nhau Các phân
tử chuyển động nhanh để vượt qua sức hút để
có thể rời khỏi chất lỏng và nhập vào không
khí như một chất khí Quá trình chuyển đổi từ
dạng lỏng sang dạng khí gọi và sự bốc hơi
hoặc bay hơi Nhớ lại rằng tốc độ chuyển động
của các phân tử làm thay đổi nhiệt độ đó là
động năng trung bình của các phân tử Ngay cả
ở nhiệt độ thấp, các phân tử chuyển động
nhanh có thể bay vào không khí Bay hơi xảy
ra ở một nhiệt độ bất kỳ, ví dụ: một cốc nước ở nhiệt độ phòng cuôi cùng sẽ bay hơi Nếu một chất lỏng được đun nóng, động năng trung bình của các phân tử tăng và chất lỏng bốc hơi nhanh hơn Nhiệt độ bay hơi là lượng nhiệt một chất lỏng phải hấp thụ để cho 1g nước được chuyển từ thể lỏng sang thể khí Cùng với một lý do rằng nước có nhiệt dung riêng cao, nước cũng có nhiệt độ bay hơi cao hơn hầu hết các chất lỏng khác Để bay hơi 1g nước tại 25o C, cần khoang 580 calo nhiệt là
đủ, gần gấp đôi sô lượng nhiệt cần để bốc hơn 1g rượu hoặc amoniac 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 thể thoát khỏi chất lỏng
Số năng lượng cao cần thiết để làm bay hơi tạo ra một loại các hiệu ứng Ví dụ, Trên trái đâí nó điều hòa khi hậu Một số lượng lớn nhiệt từ mặt trời bị hấp thụ tại các vùng biển nhiệt đới và được tiêu hao trong quá trình bay hơi nước ở bề mặt Sau đó khi không khi ở nhiệt đới lưu thông dần về cực nó giải phóng nhiệt và ngưng tụ lại tạo thành mưa Ở thể sinh vật, nhiệt độ nước cao tạo sự bay hơi là nguyên nhân gây ra những vết bỏng hơi nước nghiêm trọng Những vết bỏng này được gây ra bởi sự nhưng tụ thành nước trên bề mặt da Như là một chất lỏng bay hơi, bề mặt của chất lỏng ở lại sẽ mát xuống Làm mát do bay hơi xảy ra ở các phân tử “ nóng nhất”, nhưng phân tử có động năng lớn nhất có thể tạo thành hơi Cũng như là nếu hàng trăm người chạy nhanh nhất của một trường Đại học chuyển sang trường khác thì tốc độ trung bình của học sinh còn lại trong trường đó sẽ bị giảm
Làm mát do bay hơi của nước cũng góp phần cho sự ổn định nhiệt độ trong hồ, ao và cung cấp một cách ngăn ngừa ảnh hưởng quá nóng từ mặt đất lêncác sinh vật Ví dụ, bốc hơi nước từ lá cây giúp cho các mô trong lá không trở nên quá nóng dưới ánh sáng mặt trời Sự bay hơi của mồ hôi từ da người giúp giải phóng nhiệt của cơ thể và giúp ngăn sự quá nóng vào một ngày nóng hoặc khi nhiệt thừa
do hoạt động vất vả Độ ẩm cao vào một ngày nóng làm tăng sự khó chịu bởi vì nồng độ cao
Trang 6của hơi nước trong không khí tạo ức chế sự
bay hơi của mồ hôi từ cơ thể
những tảng băng.
Nước là một trong những chất ít ở dạng
đông đặc như một chất rắn hơn là ở dạng lỏng
Nói cách khác, nước đá trôi nổi trong nước
lỏng Trong khi các chất khác đều co rút lại khi
chúng đông đặc còn nước thì dãn ra Nguyên
nhân của sự kỳ lạ này lại một lần nữa do liên
kết hydro Ở nhiệt độ trên 4oC, nước hoạt động
như các chất lỏng khác, nở ra khi nó bị nóng
lên và co lại khi nó nguội đi, nước bắt đầu
đóng băng khi các phân tử của nó không còn
chuyển động mạnh mẽ đủ để phá vỡ liên kết
hydro giữa chúng Khi nhiệt độ xuống
dưới 0 oC, nước trở nên bị khóa chặt vào một
mạng tinh thể, mỗi phân tử nước liên kết hydro
với bốn phân tử xung quanh (hình 3.6) các liên
kết hydro giữa các phân tử “ duỗi tay” tạo
khoảng cách đủ xa để làm nước đá ít dày đặc
hơn 10 % ( ít hơn 10% số phân tử ở cùng khối
lượng) so với nước ở dạng lỏng tại 4oC Khi
băng hấp thụ đủ nhiệt cho nhiệt độ của nó vượt
lên trên 0oC, liên kết hydro giữa các phân tử bị
gián đoạn Khi tinh thể bị phá vỡ, băng tan, các phân tử tự do có thể di chuyển lại gần nhau hơn Nước đạt đến mất độ phân tử lớn nhất ở nhiệt độ 4oC và sau đó lan rộng ra, các phân tử chuyển động nhanh hơn Tuy nhiên, hãy nhớ ngay cả lúc nước ở dạng lỏng, nhiều phân tử được gắn với nhau bởi liên kết hydro, du chỉ thoáng qua nhưng các liên kết hydro liên tục bị phá vỡ và hình thành
Khả năng băng nổi vì sự dãn rộng của nước đông đặc là một yếu tố vô cùng quan trọng trong với sự thích hợ của môi trường
Nếu băng chìm, sau đó các ao , hồ thậm chí
cả đại dương cuối cùng tất cả sẽ bị đóng băng rắn, làm cho sự sống như chúng ta biết sẽ không tồn tại trên Trái Đất Trong suốt mùa hè, chỉ vài inch trên bề mặt của đại dương sẽ tan băng Thay vào đó, là cả một khối nước sâu để làm mát, băng nổi cách ly nước lỏng bên dưới ngăn không cho nó đóng băng và cho phép tồn tại sự sống dưới bề mặt đóng băng, như thể hiện trong hình 3.6
Những dung môi trong cuộc sống
Một viên đường hình lập phương được đặt trong một cái ly nước sẽ bị hòa tan Trong ly nước đó sẽ chứa một hỗn hợp đồng nhất của
Hình 3.6: Băng: Cấu trúc tinh thể và lớp
chắn nổi Trong băng mỗi phân tử nước liên
kết hydro với 4 phân tử nước xung quanh
trong một mạng tinh thể ba chiều Bởi vì tinh
thể rộng, trong băng có nhiều phân tử hơn so
với trong chất lỏng ở cùng một khối lượng
bằng nhau Nói cách khác nước đá nhẹ hơn
nước lỏng Băng trở thành một lớp
ngăn để bảo vệ nước bên dưới không bị lạnh từ không khí Sinh vật biển được biến đến ở đây là một loài tôm được gọi và loài nhuyễn thể
Nếu nước không hình thành các liên kết hydro Điều gì sẽ xảy ra đối với môi trường sống của tôm?
Trang 7đường và nước, nống độ đường hòa tan sẽ như
nhau ở mọi nơi trong hỗn hơp Một chất lỏng
đó là một hỗn hợp hoàn toàn đồng nhất của hai
hay nhiều chất được gọi là dung dich Những
chất hòa tan trong một dung dich là dung môi,
và các chất bị hòa tan gọi là chất tan Trong
trường hợp này, nước là một dung môi còn
đường là một chất tan Một dung dich hòa tan
được nhờ dung môi là nước Các nhà luyện
đan thời tring cổ đã cố gắng tim thây một dung
môi tổng quát mà có thể hòa tan được bất cứ
chất gì Họ đã cho rằng không có gì có thể hòa
tan tốt hơn nước Tuy nhiên, nước không phải
là một dung môi tổng quát; nếu là nó, nó sẽ
hòa tan mọi thùng chứa đựng nó, và bao gồm
cả các tế bào trong chúng ta Nhưng nước lại là
một dung môi rất linh hoạt, chất lượng để
chúng tôi có thể biết được sự phân cực của
phân tử nước
Ví dụ, giả sử cho một thìa muối ăn, hợp
chất ion clorua (NaCl), vào trong nước ( Hình
3.7) ở bề mặt của mỗi hạt hoặc tinh thể muối,
các ion natri và clorua được tiếp xúc với dung
môi Nhưng ion và các phân tử nước có liên hệ
với nhau do sự hút giữa các điện tích xung
quanh Phía oxi của phân tử nước được tích điện âm nên chúng bám vào cation Natri Các phía của nguyên tử hydro tích điện dương nên hút được các anion clorua Kết quả là, các phân
tử nước bao quanh tách riêng natri và Clo và liên kết với chúng từ những ion khác Bề mặt cầu của các phân tử nước xung quanh mỗi ion hòa tan được gọi là vở của sự hydrat hóa Tác động vào xâu bên trong bề mặt của các tinh thể muối, nước hòa tan hết tất cả các ion Kết quả
là hòa tan được cả hai chất, các cation natri và anion clorua đồng nhất hòa tan trong dung môi nước Hợp chất ion khác cũng hòa tan trong nước Ví dụ, nước biển có chứa rất nhiều các ion hòa tan, giúp cho các tế bào sống được Một hợp chất không nhất thiết phải là ion hòa tan được trong nước, có nhiều hợp chất tạo thành các phân tử không phân cực như đường cùng hòa tan được trong nước Hợp chất này khi hòa tan các phân tử nước bao lấy mỗi chất tan hình thành nên các liên kết hydro với chúng Ngay cả các phân tử lớn như protein có thể hòa tan trong nước nếu chúng có phần ion
và vùng cực trên bề mặt của chúng ( hình 3.8) Nhiều chất khác trong các hợp chất phân cực ( cùng với các iom) được hòa tan trong nước của các chất lỏng như máu, nhựa cây, mọi chất lỏng khác trong tế bào Nước là một dung môi của sự sống
Chất ưa nước và chất kỵ nước
Bất kỳ hợp chất có ái lực với nước được
cho là ưa nước hydrophilic ( từ “hydro” tiếng
Hy Lạp có nghĩa là nước và từ “philios” có
nghĩa là ưa thích) Trong một số trường hợp, các chất có thể thấm nước nhưng không thực
sự bị hòa tan Ví dụ, một số phân tử trong tế bào là quá lớn mà nước không thể hòa tan Thay vào đó, chúng vẫn còn lơ lửng trong dung dịch chất lỏng của tế bào Hỗn hợp dung dịch keo là một ví dụ, Các hạt min được treo ổng định trong một chất lỏng Một ví dụ khác của một chất ưa nước không hòa tan là cây bông, một sản phẩm của cây bông Côt-tông bao gồm nhiêu các phân tử xelulozo không lồ, một hợp chất chứa rất nhiều các vùng mà một tích điện âm tích cực và một phần có thể hình thành các liên kết hydro với nước Nước bám chặt vào các sợi xenlulozo Như vậy, một chiếc
Hình 3.7: Muối hòa tan trong nước Bề mặt
cầu của các phân tử nước được gọi là vỏ
hydrat hóa, bao quanh mỗi ion chất tan
? Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn đun nóng thí
nghiệm này trong một thời gian dài?
Trang 8khăn bông làm công việc tuyệt vời là làm khô
cơ thể, nhưng không bị hòa tan trong máy giặt
Xenlulozo cũng có mặt trong thành của các tế
bào dẫn nước ở thực vật, bạn đã đọc trước đó
đã biết nước bám dính như thế nào vào thành
thấm nước cho phép vận chuyển nước xảy ra
Tất nhiên, có các chất không có sự ái lực với
nước Các chất không chứa ion và không phân
cực ( hoặc vì một lý do nào đó mà không thể
hình thành các liên kết hydro) trên thực tế
dường như chúng đẩy nước, các chất đó được
gọi là chất kỵ nước hydrophobic ( Từ “phobic”
Hy Lạp, có nghĩa là sợ) Ví dụ, một sản phẩm
trong bếp lá dầu thực vật, như bạn đã biết
chúng không kết hợp ổn định với nước trên
nền các chất như giấm Các hành vi kỵ nước
của phân tử dầu là kết quả của một tỉ lệ tương
đối liên kết không phân cực, trong trường hợp
này các iên kết cacbon và hydro chúng chia sẻ
điện tích là gần như bằng nhau Các phân tử kỵ
nước có liên quan đế các loại dầu là thành
phần chinh của màng tế bào (Thử tưởng
tượng những gì sẽ xảy ra cho màng tế bào nếu
chúng bị hòa tan!)
Nồng độ các chất hòa tan trong
nước
Sinh hóa là hóa học “ẩm ướt” Hầu hết các
chất phản ứng trong sinh vật liên quan đến chất
hòa tan trong nước Để hiểu được các phản
ứng đó, chúng ta phải biết làm thế nào nhiều nguyên tử và phân tử đang tham gia và có thể tính toán nồng độ của các chất tan trong dung dich (số lượng các phân tử chất tan trong một thể tích dung dịch)
Khi thực hiện thí nghiệm, chúng tôi sử dụng khối lượng để tính toán số lượng phân tử Chúng ta biết khối lượng của mỗi nguyên tử tring một phân tử lớn nhất, vì vậy chúng tôi có thể tính toán khối lượng phân tử của chúng, mà đơn giản chỉ là tổng khối lượng của tất cả các nguyên tử trong một phân tử Ví dụ, chúng ta hãy tính toán khối lượng đường sacazo, có công thức phân tử là C12H22O11 Trong đơn vị dalton, khối lượng của một nguyên tử C là 12, khối lượng của một nguyên tử H là 1 và khối lượng của nguyên tử oxi là 16 Như vậy, sacazo có khối lượng phân tử là 342 dalton Tất nhiên, trong lượng của các phân tử nhỏ là không thiết thực cho lý do này, chúng ta thường do lường chất trong một đơn vị là mol Cũng như một tá luôn luôn có nghĩa là 12 vật, một mol đại diện cho số chình xác của đại lượng 6 x 1023 còn được gọi là số Avogadro Bởi vì thế mà số Avogadro và các đơn vị trong dalton ban đầu được xác định là có 6 x 1023 dalton trong 1g Điều này có ý nghĩa quan trọng bởi vì khi chúng ta xác định phân tử khối của phân tử saccazo , hoặc 1 mol sacazo ( điều này đôi khi được gọi là khối lượng phân tử )
Để có thể hiểu được 1 mol saccazo trong phòng thí nghiệm, trước đó chúng tôi đã cân 342g
Ưu điểm thực tế của đo lường một số lượng hóa chất trong mol điều này là 1 mol của một chất có cùng chính xác số lượng phân tử như ở bất kỳ 1mol chất nào khác Nếu khối lượng
Hình 3.8: Một loại protein tan trong nước
Hình ảnh này cho thấy lizozim ở người, một
loại protein tìm thấy trong nước mắt và nước
bọt và có độ kháng khuẩn
Trang 9phân tử là của chất A là 342 dalton và chất B là
10 daton, thì 342g chất A sẽ có cùng số lượng
phân tử như trong 10g chất B Một mol rượu
etilic (C2H6O) có chứa 6,02 x 1023 phân tử
nhưng khối lượng của nó chỉ là 46g vì khối
lượng của 1 phân tử của rượu etilic ít hơn số
phân tử trong 1 phân tử sacazo Sự đo lường
trong mol làm cho nó thuận tiện với các nhà
khoa hoc làm trong phòng thí nghiệm khi kết
hợp các chất trong tỉ lệ cố định của các phân
tử
Làm thế nào chúng ta chúng ta có thể cho 1
lit (l) của dung dịch sacazo bao gồm 1 mol của
sacazo hòa tan trong nước? Chúng ta sẽ lấy
342 g và sau đó dần dần cho thêm nước, khuấy
đều cho đến khi đường được hòa tan hoàn
toàn Sau đó chúng ta sẽ thêm nước đủ để có
được tổng khối lượng của 1 dung dịch lên tới 1
lít Tại thời điểm đó, chúng ra sẽ có 1 mol (M)
dung dịch sacazo Nồng độ số mol cửa chất tan
mỗi lit dung dịch là đơn vị thường được các
nhà sinh học sử dụng cho dung dịch hòa tan
TÍNH AXIT VÀ BAZO ẢNH HƯỞNG
ĐẾN ĐỜI SỐNG CỦA SINH VẬT
Đôi khi, Một nguyên tử hydro tham gia vào
một liên kết hydro giữa các phân tử nước
chuyển từ phân tử này sang phân tử khác Khi
điều này xảy ra, các nguyên tử hydro để lại ở
phía sau điện tích của nó và những gì thực tế
chuyển là một hydro (H+), một proton duy nhất
với điện tích (1+) Các phân tử nước bị mất đi
một proton là một hydroxit (OH-), trong đó một proton chuyển đi liên kết với phân tử nước khác tạo ra phân tử ion oxoni ( H3O+) Chúng
ta có thể hình dung ra phản ứng hóa học theo cách này:
Như đã nêu ra bởi các mũi tên đôi, đây là
phản ứng thuận nghịch đạt đến trạng thái cân bằng khi động năng của các phân tử nước phân tách ở mức tương đối mà chúng hình thành được H+ và OH- Tại thời điểm cân bằng, nồng
độ của phân tử nước vượt qua rất nhiều nồng
độ của H+ và OH- Trong nước tinh khiết, chỉ
có 1 phân tử nước trong tất cả 554 triệu phân
tử điện ly Nồng độ của mỗi ion trong 1 phân
tử nước tình khiết là 10-7 M (25 oC) Điều này
có nghĩa là chỉ trong mười phân triệu của 1 mol của các ion hydro cho mỗi lít nước tinh khiết và số lượng bằng nhau của các ion hydroxit
Mặc dù, sự phân ly của phân tử nước có thể bị đảo ngược và thông qua các thống kê hiếm gặp, nó là cực kỳ quan trọng trong hóa học của sự sống H+ và OH- là rất họat tính Những thay đổi về nồng độ mạnh có thể ảnh hưởng đến các protein của tế bào và phân tử phức tạp khác Như chúng ta đã thấy, nồng độ của H+ và OH- là bình đẳng trong nước tinh khiết, nhưng thêm một số loại chất hòa tan, được gọi là axit hoặc bazo thì sẽ phá vỡ sự cân bằng này Các nhà sinh học sử dụng một cái gì
đó gọi là thanh pH để mô tả tính axit hay bazo ( đối ngược với tính axit) trong một dung dịch Trong phần còn lại của chương này bạn sẽ tìm hiểu về tính axit, bazo và pH, lý do tại sao thay đổi độ pH ảnh hưởng bất lợi đến sinh vật
pH
Trước khi thảo luận về độ pH, chúng ta hãy xem những gì axit và bazo và làm thế nào chúng tương tác được với nước
Tính Axit và bazo
KHÁI NIỆM 3.3
Trang 10Điều gì sẽ xảy ra khi dung dịch nước mất
cân bằng nồng độ H+ và OH-? Khi axit hòa tan
trong nước, chúng làm tăng thêm H+ cho dung
dịch Một axit là một chất làm tăng nồng độ
ion hydro cho dung dịch Ví dụ, khi axit
clohidric (HCl) được cho vào nước, các ion
phân tách ra từ các ion clorua:
Đây là nguồn gốc của H+ (phân ly trong nước
là nguồn góc khác) kết quả là trong dung dịch
có tính axit, có nồng độ H+ nhiều hơn nồng độ
OH- Một chất làm giảm ion hydro của dung
dịch được gọi là một bazo Một số bazo làm
giảm nồng độ H+ trực tiếp bằng cách nhận các
ion H Ví dụ, amoniac ( NH3) hoạt động như
một bazo khi gặp điện tử không được chia sẽ
trong vỏ hóa trị của Nito hút một hydro từ
dung dịch , kết quả là tạo ra ion NH4+:
Bazo làm giảm nồng độ H+ một cách gián
tiếp bằng cách tách ra để tạo nhiều các ion
hydroxit, kết hợp với ion hydro để tạo thành
nước Một trong số những bazo là dung dịch
natri hydroxit (NaOH), mà trong nước chúng
phân ly cacion của nó:
Trong cả hai trường hợp, bazo đều làm giảm
nồng độ của H+ Dung dịch có nồng độ OH-
cao hơn nhiều so với H+ được gọi là dung dịch
bazo Một dung dịch trong đó nồng độ H+ và
OH- bằng nhau đượng gọi là dung dịch trugn
hòa
Chú ý rằng các mũi tên một chiều sử dụng
cho các phản ứng HCl và NaOH Những hợp
chất phân ly hoàn toàn khi trộn với nước thì
được gọi là axit clohydric (axit mạnh) và dung
dịch hydroxit một bazo mạnh Các mũi tên hai
chiều trong phản ứng của amoniac chỉ sự liên
kết và giải phóng của các ion hydro là phản
ứng thuận nghịch Mặc dù ở trạng thái cân
bằng sẽ có một tỉ lệ cố định của NH4+ tới NH3 Ngoài ra, còn có các axit yếu, không giải phóng và chấp nhận ở lại các ion hydro Một ví
dụ là axit cacbonic:
Cân bằng chuyển dịch về bên trái khi axit cacbonicđược cho vào nước, chỉ có 1% của các phân tử liên kết tại bất kỳ một thời gian cụ thể Tuy nhiên, đó là đủ để có thể thay đổi cân bằng của H+ và OH- ở trạng thái trùng hòa
Thang pH
Trong bất kỳ dung dịch nước nào ở 25oC, nồng độ sản phẩm H+và OH- là không đổi và bằng 10-14 điều đó có thể được viết:
[H+][OH-] = 10-14 Trong phương trình như thế, khung cho thấy nồng độ phân tử trong một dung dịch trung hòa phân tử ở nhiệt dộ phòng (25oC), [H+] = 10-7 và [OH-] =10-7, vì vậy trong trường này 10-14 là sản phẩm của 10-7 x 10-7 Nếu axit
đủ được thêm vào một dung dịch để tăng [H+]
= 10-5 M, sau sản phẩm [OH-] sẽ giảm một lượng tương đương [OH-] = 10-9 ( l ư u ý
1 0- 5x 1 0- 9= 1 0- 1 4 mối quan hệ này liên quan đế các sản phẩm của axit và bazo hoạt động trong một dung dịch nước Một axit không chỉ bổ sung sản phẩm là các ion hydro đến một mức độ, mà còn loại sản phẩm là các ion hydroxit vì xu hướng cho H+ kết hợp với
OH- tạo thành nước Bazo có tác dụng ngược lại, tăng [OH-] mà còn giảm [H+] của nước bởi
sự hình thành nước Nếu đủ để thêm bazo vào
để nâng cao [OH-] = 10-14 M, nó sẽ làm cho [H+] giảm xuống còn 10-10 M Bất cứ khi nào chúng ta biết nồng độ của một trong hai [OH-] hay [H+] trong dung dịch, chúng ta có thể suy
ra được nồng độ của các ion khác Bởi vì [H+]
và [OH-] của các dung dịch có thể khác nhau bởi một nhân tố của 100 nghìn tỉ hoặc nhiều hơn, các nhà khoa học đã tìm ra một cách để thể hiện biến đổi thuận tiện hơn so với các mol/l Thang pH ( hình 3.9) chuyển phạm vi của [H+] và [OH-] bằng sử dụng số lô-ga-rit
HCL H+ + Cl-
NH3 + H+ NH4+
NaOH Na+ + OH-
H2CO3 HCO3 + + H+
(cacbonic) (bicacbonate) (hydrogen ion)