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教学探索 | 石家庄二中张立杰:《从水的性质理解水的存在形式和作用》
发布时间:2021-10-11 16:02:41 点击次数:204

石家庄二中生物奥赛金牌教练,河北省少年儿童发明优秀辅导教师,市骨干教师、市学科名师

参编《2021河北省普通高中水平考试及选择性考试指南》、《高中生物奥赛指导》等多部教辅资料

从水的性质

理解水的存在形式和作用

高中生物必修一第2章第2节谈到细胞中的无机物,其中水的存在形式有两种,一部分为结合水,一部分为自由水。在教学中,学生非常难理解结合水,而自由水的作用的认知仅仅停留在感官认知层次,无法深入理解。

LOOK #1 · 水的氢键

水,化学式H2O,其中O为8号元素,核外电子排布为 ,最外层电子稳定时为8个电子。H为1号元素,核外电子只有1个,最稳定时核外电子应该为2个,因此通过共用电子对,O和2个H形成水,都达到稳定状态。水分子本身为电中性,由于O有8个质子,H只有1个质子,因此O对核外电子吸引力大于H,造成相关电子出现在O附近概率增大,令O偏电负性,H偏电正性。水中的氧原子和相邻水分子H之间存在静电作用,称这种作用为氢键。

LOOK #2 · 教材解疑

什么是结合水

解答:糖类的-OH为极性结构,氨基酸的-NH2和-COOH,在水中会电离形成-NH3+和-COO-,核酸的磷酸基团可以带负电,同时有机物中的有机物结构中存在-NH-或者-OH结构,具有极性,通过静电作用把水吸附在周围。这种被静电作用下吸附起来的水称为束缚水,即结合水。

水是细胞内的良好溶剂,许多物质溶解在这部分水中

学生针对这句话的理解一直停留在平时看到的溶液比如化学很多试剂、生活中的盐水、糖水、医院的生理盐水,这种感性认知上。水为何是良好溶剂?能够让哪类物质溶解在水中呢?

解答:多数生物分子为带电分子或者极性分子,因此易溶于水中。例如NaCl在水中形成Na+和Cl-,两种离子将水结合在周围,增强了单个离子存在的稳定性,同时削弱了Na+和Cl-之间的静电作用,阻止聚合倾向,这就是NaCl溶于水的原理。

同理,带电生物大分子和结合了各种功能团的化合物溶解途径与此类似。比如蛋白质有-NH2和-COOH,在水中会电离形成-NH3+和-COO-,同理很多物质都会有类似基团或者性质。这类物质会通过氢键把水吸附在有机物附近,这种状态阻碍了溶质分子与溶质分子的接触,屏蔽溶质分子之间的氢键,令其保持溶解状态。因此带电物质或者极性物质易溶于水,而生活中用到很多物质都是都可以形成带电状态或者体现极性,所以很多物质都能够溶解在水中,因此水是良好的溶剂。

水在生物体内流动,可以把营养物质运送到各个细胞,同时把各个细胞在新陈代谢中产生的废物,运送到排泄器官或者直接排出体外

解答:大部分带电物质和极性物质很容易溶于水,进而通过水运输。不带电也不是极性的物质怎么运输?以人体重要的气体为例,生物体重的重要气体O2和CO2为非极性气体,导致很难溶解在水中。O2会通过与水溶性载体蛋白结合,进而在体内运输,CO2通过与水结合以电离出H+和HCO3-,然后以HCO3-形式转运。

结合水与自由水和植物抗逆性关系

随着温度下降,植物面临低温零下结冰破坏细胞膜的危险,因此在温度逐步下降过程中,植物吸水减少,进而减少自由水,同时合成大量亲水物质,令结合水增多。由于结合水不易结冰因此有利于植物抗寒。当干旱逐渐来临时,植物通过分泌大量的脯氨酸、甜菜碱等亲水性物质,强烈的与水结合,以此保留水分。因此结合水比值相对越高,植物抗寒抗旱能力越强。同时当自由水比值大时,有更多的水可以参与物质运输和化学反应,进而提高生物代谢。

通过了解以上原理学生就很容易去分析水的含量与生物代谢和抗逆性关系,理解生活中动植物在旱生和水生环境下的物质含量特点,理解生物随发育和外界环境变化如何维持自身水分的稳态。

生物学科承担的教育责任不仅仅是学生识记教材中的一些结构或功能,更应当通过生物学现象培养学生的科学思维、合作探究,激发学生挖掘知识背后的原理,提升对自然学科热情,立志成为对国家和社会发展有用的自然科学工作者。

审核 | 梁健 崔媛媛

编辑 | 刘宁


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