水能溶解固体气体和液体吗(水是地球生命的主要介质，可为何大多数制造生物体的分子不是它？)

Posted 2023-05-30

篇首语：没有道路直接通向成功，我们必须用自己的辛勤与汗水，来凝结这条漫长的道路。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了水能溶解固体气体和液体吗(水是地球生命的主要介质，可为何大多数制造生物体的分子不是它？)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

水能溶解固体气体和液体吗(水是地球生命的主要介质，可为何大多数制造生物体的分子不是它？)

文 | 学识说

编辑 | 学识说

«●—【前言】—●○»

水的极性特性，使它能够溶解极性物质，如糖、离子化合物和一些蛋白质。

水不能溶解非极性物质，如油，因为极性分子和非极性分子之间的吸引力，比两个极性分子之间的吸引力更弱。

如上图，显示了水如何溶解离子化合物氯化钠，氯化钠。在你的身体中，离子，如钠和氯离子，对身体功能至关重要，如肌肉收缩和神经系统中冲动的传递。

事实上，溶解或解离的离子存在于生物中发现的所有水溶液中，对维持正常的身体功能很重要

水分子的正区吸引离子化合物的负区，如氯化钠的Cl部分。同样，水分子的负区域吸引了化合物的正区域——氯化钠的Na部分。结果，氯化钠会在水中分解或溶解。

«●—【氢键结合】—●○»

水的极性性质也会导致水分子相互吸引。如下图所示，一个水分子的带正电荷的区域，被吸引到另一个水分子的带负电荷的区域。这种吸引力被称为氢键。

氢键是一个带部分正电荷的氢分子，和另一个带部分或全部负电荷的，原子或分子之间的引力。水中的氢键施加足够强的吸引力，使水“附着”自身和其他物质。

氢键经常形成、断裂和改革。然而，在任何一个时候，都有大量的水分子结合在一起。氢键存在的数量取决于水所处的状态。如果水处于固态，它所有的水分子都是氢键的，不会断裂。

当水液化时，断裂的氢键比形成的氢键更多，直到相同数量的氢键形成和断裂。氢键解释了水的独特特性，其中一些我们将进一步研究。

这些特性包括内聚力和附着力，水吸收相对大量能量的能力，水通过蒸发冷却表面的能力，冰的密度，以及水溶解许多物质的能力。

«●—【粘附】—●○»

水分子由于氢键而相互粘在一起。一种将单一物质的分子结合在一起的吸引力，被称为内聚力。水分子之间的氢键，引起的内聚有助于水从植物根，向叶片向上运动。

与内聚力有关的是水表面张力。由氢键在水中产生的粘聚力导致水表面的分子被向下拉到液体中。因此，水的作用就好像它的表面有一层薄薄的“皮肤”。你可以通过在饮用水中，稍微过度灌满水来观察水的表面张力。

水会凸出玻璃的边缘。表面张力也能使蜘蛛和游水者等小型动物，能够在水面上奔跑而不破坏水面。

粘附是两种不同物质的粒子之间的吸引力，如水分子和玻璃分子。一个相关的特性是毛细作用（KAP-uh-LER-i-tee），它是分子之间的吸引力，当与固体接触时，导致液体表面的上升。

黏附力、内聚力和毛细作用帮助水通过狭窄的管道上升。图中显示了花茎中的导水导管的凝聚力和粘附力。

«●—【温度调节】—●○»

水具有较高的热容，这意味着水可以，以热的形式吸收或释放相对大量的能量，而温度只有轻微的变化。水的这种性质与氢键有关。能量必须被吸收才能打破氢键，当氢键形成时，能量就会以热量的形式释放出来。

水最初吸收的能量会打破分子之间的氢键。只有在这些氢键被打破后，能量才会开始增加水分子的运动，从而提高了水的温度。当水温下降时，氢键会发生改革，从而以热的形式释放出大量的能量。

因此，在炎热的夏天，水可以吸收来自太阳的大量能量，并可以在不大量增加水温的情况下冷却空气。在晚上，逐渐冷却的水会使空气变暖。

通过这种方式，地球上的海洋稳定了全球温度，足以让生命得以存在。水的高热容也使生物体能够在环境温度变化时保持细胞的温度均匀。

当液体蒸发时，残留的液体表面会冷却。在蒸发过程中，水吸收了相对大量的能量，这显著地冷却了剩余液体的表面。

蒸发冷却可以防止陆地上的生物过热。例如，一个人皮肤上的汗液蒸发会释放出身体的热量，防止在炎热的天气或剧烈活动期间过热。

«●—【冰的密度】—●○»

与大多数固体比液体不同，固体水的密度不如液态水。这种性质是由于水分子的形状和氢键。氢原子之间的夹角相当宽。

由于冰晶的结构，冰（固体水）的密度不如液态水。相对于液态水，冰中的水分子以一种相互结合的方式在分子之间创造了大量的开放空间，如图所示。这种开放空间的晶格结构导致冰的密度较低。

因为冰漂浮在水面上，池塘和湖泊等水体从上而下而不是自下而上。冰将下面的水与冷空气隔绝，这使鱼类和其他水生生物能够在冰冷的表面下生存。

«●—【溶液】—●○»

溶液是一种或多种物质均匀分布在另一种物质中的混合物。解决方案可以是液体、固体或气体的混合物。

例如，血浆，即血液中的液体部分，是一种非常复杂的溶液。它由许多类型的离子和大分子，以及溶解在水中的气体组成。

溶质（SAHL-YOOT）是一种溶在溶剂中的物质。组成溶质的粒子可以是离子、原子或分子。

溶剂是溶质溶解的物质。例如，当糖、溶质和溶剂水混合时，就会产生糖水的溶液。虽然糖溶解在水中，但糖分子和水分子都不会发生化学改变。如果水被煮开，糖分子就会保持不变。

溶液可以由给定比例的溶质在给定的溶剂中组成。因此，溶液的浓度可能会有所不同。溶液的浓度是溶解在固定数量的溶液中的溶质的量。

例如，2%的盐水溶液含有2克盐溶解在足够的水中，使100 mL的溶液。溶质溶解得越多，溶液的浓度就越大。饱和溶液是指溶质不再溶解的溶液。

水溶液（AY-kwee-uhs），其中以水为溶剂，对生物普遍很重要。海洋微生物一生都沉浸在海洋中，一种水溶液中。

植物所需要的大多数营养物质，都是在潮湿的土壤中的水溶液中。体细胞存在于细胞间液体的水溶液中，而细胞本身就充满了液体；事实上，发生在体内的大多数化学反应都发生在水溶液中。

«●—【酸碱】—●○»

生命系统最重要的方面是它的酸碱度。当我们使用酸和碱这两个术语时，我们是什么意思？

水的电离，当水分子四处移动时，它们会相互碰撞。其中一些碰撞的强度足以导致化学变化：一个水分子失去一个质子（一个氢核），而另一个获得这个质子。

这种反应确实分两步进行。首先，一个水分子将另一个水分子分开，或解离成两个电荷相反的离子：

OH离子被称为氢氧根离子。游离的H-离子可以与另一个水分子发生反应。如下式所示：

h3o离子被称为水合铵离子。酸度或碱度是测定溶解在溶液中的氢合铵离子和氢氧离子的相对量。

如果溶液中水合氢离子的数量等于氢氧化物离子的数量，则说溶液是中性的。纯水含有相同数量的水合氢离子和氢氧根离子，因此是中性溶液。

«●—【酸】—●○»

如果溶液中，水合氢离子的数量大于氢氧根离子的数量，则溶液为酸。例如，当氯化氢气体盐酸溶解在水中时，其分子解离形成氢离子、H，和氯离子，Cl，如下式所示：

这些游离的氢离子与水分子结合形成水合氢离子，h3o.这种水溶液比氢氧根离子含有更多的氢合离子，使其成为一种酸性溶液。

酸往往有酸味；然而，永远不要尝出一种物质来测试它的酸度。在浓缩形式中，它们对某些材料具有很强的腐蚀性，如下图：

当化石燃料燃烧时产生的二氧化硫，二氧化硫，与大气中的水发生反应，产生酸沉淀。酸沉淀，或酸雨，会使湖泊和河流酸性到无法维持生命，甚至会腐蚀石头，比如这座雕像的表面。

«●—【碱】—●○»

如果氢氧化钠，氢氧化钠，一种固体，溶解在水中，它解离形成钠离子，Na，和氢氧化根离子，OH，如下式所示：

这种溶液比氢离子含有更多的氢氧化物离子，因此被定义为碱。

形容词碱性指的是碱基。碱基有苦味；然而，永远不要尝出一种物质，来测试其碱度。

它们往往感觉很滑，因为羟离子与我们皮肤上的油反应形成肥皂。事实上，商业肥皂是碱和脂肪之间反应的产物。

«●—【PH】—●○»

科学家们已经开发了一种比较溶液中氢铵离子和氢氧化根离子相对浓度的尺度。

这个尺度称为pH尺度，其范围从0到14，如图所示。

pH为0的溶液酸性，pH为7的溶液是中性的，pH为14的溶液非常碱性。

一个解的pH是在对数尺度上测量的。也就是说，一个pH单位的变化反映了酸碱度的10倍的变化。

例如，尿液中pH为6时的H3O离子是pH为7时的水的10倍。

醋，pH为3时的H3O离子是pH为6时尿液的1000倍，pH为7时的H3O离子是水的10000倍。溶液的pH值可以用石蕊纸，或其他不同pH水平，改变颜色的化学指示剂来测量。

«●—【缓冲】—●○»

pH的控制对生命系统很重要。酶只能在一个非常窄的pH范围内起作用。

在生物体中，pH的控制通常是通过缓冲液来完成的。缓冲液是中和溶液中少量的酸或碱的化学物质。内部环境的碱度变化很大。

你的一些体液，如胃酸和尿液，都是酸性的。其他的物质，如肠液和血液，则是碱性的或碱性的。复杂的缓冲系统在一个正常健康的身体中保持pH值

生物化学

所有的生物，就像这张照片中看到的，都是主要由含有碳原子的分子组成的。

【碳化合物】

虽然水是地球上生命的主要介质，但大多数制造生物体的分子都是基于碳元素的。碳形成大而复杂的分子的能力促成了生命的巨大多样性。

«●—【碳键】—●○»

所有的化合物都可以分为两大类：有机化合物和无机化合物。

有机化合物主要由碳原子组成。在生物体中，不是水的大多数物质都是由有机化合物组成的。无机化合物，除了少数例外，都不含碳原子。

直碳链

一个碳原子在其最外层的能级上有四个电子。当大多数原子最外层的能级包含8个电子时，这些原子就会变得稳定。因此，一个碳原子很容易与其他元素的原子形成四个共价键。

参考文献：

[1] 真实溶剂似导体屏蔽模型(COSMO-RS)[J].

[2] 烃-水系统的相平衡及轻烃中溶解水量的计算[J].

[3] 陪孩子“玩”科学——生物角中的科学启蒙教育[J].

[4] 极区航道海冰时空分布及其物理力学性质研究[D].

追根溯源，深刻理解酸、碱、盐的化学性质[J].