நீர் — அமைப்பும் உயிர்-தாங்கும் பண்புகளும்
ஏன் இது முக்கியம்? நீர் இல்லாமல் உயிர் இல்லை — இது வெறும் கவிதை மட்டுமல்ல, வேதியியல் உண்மை. உங்கள் இரத்தம் ஓடுவதும், செல்களுக்குள் வினைகள் நடப்பதும், உடல் வெப்பம் கட்டுக்குள் இருப்பதும் நீரின் தனித்துவமான பண்புகளால் மட்டுமே சாத்தியம்.
நீர் மூலக்கூறில் O−H பிணைப்பு முனைவுடையது (O எதிர், H நேர்) என்பதால் மூலக்கூறுகளுக்கிடையே ஹைட்ரஜன் பிணைப்புகள் உருவாகின்றன — இந்த பிணைப்புகளே நீரின் அனைத்து அற்புதமான பண்புகளுக்கும் காரணம்: அதிக கொதிநிலை, அதிக வெப்பத்தாங்கு, மேற்பரப்பு இழுவிசை.
- நீர் மூலக்கூறின் முனைவுத் தன்மையையும் (polarity) ஐதரசன் பிணைப்பையும் (hydrogen bond) விளக்குதல்.
- நீரின் நான்கு உயிர்-தாங்கும் பௌதிகப் பண்புகளை விபரித்தல்.
- ஒவ்வொரு பண்பையும் அதன் உயிரியல் தொழிலுடன் (உ+ம்: கொண்டுசெல்லல், வெப்பத் தாங்கல்) தொடர்புபடுத்துதல்.
1. நீரின் வேதியியல் அமைப்பு
Angular structure of the water molecule (H₂O)
Wikipedia → · CC
நீர் (water, H₂O) ஒரு சிறிய, முனைவுள்ள (polar), கோணமான (angular) மூலக்கூறு ஆகும். ஒரு மூலக்கூறினுள் காணப்படும் ஏற்றங்களின் சமமற்ற பரம்பலே முனைவுத் தன்மை (polarity) எனப்படும். நீர் மூலக்கூறில் ஒட்சிசன் (oxygen) அணு சிறிதளவு மறை ஏற்றத்தையும் (δ−), ஐதரசன் (hydrogen) அணுக்கள் சிறிதளவு நேர் ஏற்றத்தையும் (δ+) கொண்டிருக்கின்றன.
ஒரு நீர் மூலக்கூறின் சிறிதளவு முனைவுள்ள ஐதரசன் அணுவுக்கும், அயலிலுள்ள மற்றொரு நீர் மூலக்கூறின் சிறிதளவு முனைவுள்ள ஒட்சிசன் அணுவுக்கும் இடையே ஏற்படும் நலிந்த கவர்ச்சி ஐதரசன் பிணைப்பு (hydrogen bond) எனப்படும். நீர் திரவ நிலையில் இருக்கும்போது இப்பிணைப்புகள் மிக நலிந்தவை; அவை அதிக அலைவெண்ணில் உருவாகி, உடைந்து, மீண்டும் உருவாகின்றன. இந்த ஐதரசன் பிணைப்புகளே நீரின் அனைத்துப் பண்புகளையும் பேணுவதில் முக்கிய பங்கு வகிக்கின்றன.
2. நீரின் நான்கு உயிர்-தாங்கும் பண்புகள்
Hydrogen bonds in water (3D model)
Wikipedia → · CC
புவியில் உயிர் பேணுவதற்கு நீரின் நான்கு முக்கிய பண்புகள் காரணமாக அமைகின்றன:
- பிணைவுக்குரிய நடத்தை (Cohesive behaviour)
- வெப்பநிலையை மிதமாக்கும் ஆற்றல் (Ability to moderate temperature)
- உறையும்போது விரிவடைதல் (Expansion upon freezing)
- பல்பதார்த்தக் கரைப்பானாகச் செயற்படல் (Versatility as a solvent)
2.1 பிணைவுக்குரிய நடத்தை (Cohesive behaviour)
Water droplet showing cohesion and surface tension
Wikipedia → · CC
ஐதரசன் பிணைப்பினால் நீர் மூலக்கூறுகளிடையே ஏற்படும் கவர்ச்சி பிணைவு (cohesion) எனப்படும். நீர் மூலக்கூறுகளுக்கும் ஏனைய பதார்த்தங்களுக்கும் இடையிலான கவர்ச்சி ஒட்டற்பண்பு (adhesion) எனப்படும். இவ்விரு பண்புகளும் நீரைக் கொண்டுசெல்லல் ஊடகமாக (transport medium) செயற்படச் செய்கின்றன.
நீர் மூலக்கூறுகளிடையே காணப்படும் பிணைவு காரணமாக, நீரும் அதில் கரைந்துள்ள போசணைப்பொருள்கள், கனியுப்புகள் போன்ற பதார்த்தங்களும் புவியீர்ப்புக்கு எதிராக ஒரு தொடர்ச்சியான நீர்த்தம்பமாகக் காழின் (xylem) ஊடாக மேல்நோக்கிக் கொண்டுசெல்லப்படுகின்றன. நீர் மூலக்கூறுகளுக்கும் கலச்சுவருக்கும் இடையிலான ஒட்டற்பண்பும் நீரையும் கரைந்த பதார்த்தங்களையும் கடத்துவதில் உதவுகின்றது.
நீருக்கு உயர்வான மேற்பரப்பிழுவிசை (surface tension) உண்டு; இது நீர் மூலக்கூறுகளிடையே காணப்படும் பிணைவின் காரணமாகவே கிடைக்கின்றது. நீர்த்தொகுதி ஒன்றில் மேற்பரப்பிலுள்ள நீர் மூலக்கூறுகள் அவற்றின் கீழே உள்ள மூலக்கூறுகளால் கவரப்படுவதால் மேற்பரப்பில் ஒரு நீர்ப்படலம் (water film) தோற்றுவிக்கப்படும். இதனால் ஒரு குளத்தின் மேற்பரப்பில் நீர்ச்சறுக்கி (water skater) போன்ற சிறிய பூச்சிகள் நடக்கக் கூடியதாக இருக்கும்.
2.2 வெப்பநிலையை மிதமாக்கும் ஆற்றல் (Temperature moderation)
நீரானது அதன் வெப்பநிலையில் சிறிதளவு மாற்றத்தை மட்டும் ஏற்படுத்தி, சார்பளவில் உயர்வான வெப்பசக்தியை உறிஞ்சவோ வெளிவிடவோ கூடியது. இதற்குக் காரணம் நீரின் உயர்வான தன்வெப்பம் (specific heat) ஆகும். புவியில் வெப்பநிலை ஏற்றத்தாழ்வுகள் ஏற்படும்போது, நீரின் உயர் தன்வெப்பம் காரணமாக உயிர்த்தொகுதிகள் மற்றும் நீர்நிலைகளில் நீர் ஒரு வெப்பத் தாங்கியாக (thermal buffer) செயற்படுகின்றது.
நீரின் உயர்வான ஆவியாதல் வெப்பம் (heat of vaporization) காரணமாக, ஒரு அங்கி குறைந்தளவு நீரிழப்புடன் அதிகளவு வெப்பசக்தியை வெளிவிட முடியும்; இதனால் உடல் மேற்பரப்பு குளிர்ச்சியாகப் பேணப்பட்டு மிகைச் சூடேற்றத்திலிருந்து (overheating) தடுக்கப்படுகின்றது. உ+ம்: மனிதத் தோலில் இருந்து வியர்வை ஆவியாதல் உடல் வெப்பநிலையை மாறா மட்டத்தில் பேணுகின்றது; தாவரங்களின் ஆவியுயிர்ப்பு (transpiration) தாவர உடல் மேற்பரப்பைச் சூரிய ஒளியில் மிகைச் சூடாவதிலிருந்து தடுக்கின்றது.
2.3 உறையும்போது விரிவடைதல் (Expansion upon freezing)
Ice — less dense than water, floats on surface
Wikipedia → · CC
பொதுவாக, ஒரு பதார்த்தத்தின் வெப்பநிலை அதிகரிப்பு அதன் அடர்த்தியைக் (density) குறைக்கும்; வெப்பநிலைக் குறைவு அடர்த்தியை அதிகரிக்கும். ஆனால் நீரின் வெப்பநிலை 4 °C ஐ விடக் குறையும்போது அது உறையத் தொடங்கி பளிங்குச் சாலகத்தை (crystalline lattice) — அதாவது பனிக்கட்டியை — உருவாக்குகின்றது. எனவே நீருக்கு 4 °C யில் அதிகபட்ச அடர்த்தி (maximum density) காணப்படுகின்றது. இதன் காரணமாகப் பனிக்கட்டி நீர்நிலைகளின் மேற்பரப்பில் மிதந்து காணப்படும்.
இது துருவப் பிரதேசங்களில் (polar regions) நீரின் முக்கியமான பண்பாக விளங்குகின்றது; மிதக்கும் பனிக்கட்டி அடியில் உள்ள நீரை வெப்பப் பிரிக்கையாக்கி (insulation), குளிர்காலங்களில் நீர்நிலைகளில் வாழும் அங்கிகள் தப்பிப்பிழைக்க உதவுகின்றது.
2.4 பல்பதார்த்தக் கரைப்பானாகச் செயற்படல் (Versatility as a solvent)
நீரின் முனைவுத் தன்மை காரணமாகவே இந்த ஆற்றல் நீருக்குக் கிடைக்கப்பெற்றுள்ளது. முனைவுள்ள மூலக்கூறுகள் (உ+ம்: குளுக்கோசு / glucose), அயன் சேர்வைகள் (உ+ம்: NaCl), முனைவு மற்றும் அயன் இரு பகுதிகளையும் கொண்ட மூலக்கூறுகள் (உ+ம்: இலைசோசைம் / lysozyme) ஆகியன நீரில் கரையக் கூடியன. நீர் மூலக்கூறுகள் ஒவ்வொரு கரைபொருள் மூலக்கூறையும் சூழ்ந்து அவற்றுடன் ஐதரசன் பிணைப்புகளை உருவாக்குகின்றன.
3. ஒப்பீட்டு அட்டவணை — பண்பு / காரணம் / உயிரியல் முக்கியத்துவம்
| பண்பு (Property) | காரணம் (Basis) | உயிரியல் முக்கியத்துவம் |
|---|---|---|
| பிணைவு + ஒட்டற்பண்பு | ஐதரசன் பிணைப்பு | காழின் ஊடாக நீர்த்தம்பம் மேல்நோக்கிக் கொண்டுசெல்லல் |
| மேற்பரப்பிழுவிசை | பிணைவு | நீர்ச்சறுக்கி போன்ற பூச்சிகள் மேற்பரப்பில் நடத்தல் |
| உயர் தன்வெப்பம் | ஐதரசன் பிணைப்பு | வெப்பத் தாங்கி; வெப்பநிலை நிலைப்பாடு |
| உயர் ஆவியாதல் வெப்பம் | ஐதரசன் பிணைப்பு | வியர்வை / ஆவியுயிர்ப்பால் குளிரூட்டல் |
| 4 °C யில் அதிகபட்ச அடர்த்தி | பளிங்குச் சாலக அமைப்பு | பனிக்கட்டி மிதந்து நீர்வாழ் அங்கிகளைப் பாதுகாத்தல் |
| பல்பதார்த்தக் கரைப்பான் | முனைவுத் தன்மை | உயிர்வேதியியல் தாக்கங்களுக்கான ஊடகம் |
The Unexpected Truth About Water
Crash Course Biology
- நேர்க்கோட்டானது / Linear
- கோணமானது (angular) / Angular
- சதுரகோணமானது / Tetrahedral
- வட்டமானது / Circular
- தட்டையானது / Planar square
பதில் / Answer
- சம ஏற்றப் பரம்பல் / Even charge distribution
- மூலக்கூறினுள் ஏற்றங்களின் சமமற்ற பரம்பல் / Uneven charge distribution within a molecule
- ஐதரசன் இழப்பு / Loss of hydrogen
- அயன் உருவாக்கம் / Ion formation
- மின்னோட்டம் / Electric current
பதில் / Answer
- சிறிதளவு நேர் (δ+) / Slightly positive
- சிறிதளவு மறை (δ−) / Slightly negative
- முழு நேர் / Full positive
- முழு மறை / Full negative
- ஏற்றமற்றது / Neutral fully
பதில் / Answer
- சகப்பிணைப்பு / Covalent bond
- ஐதரசன் பிணைப்பு (hydrogen bond) / Hydrogen bond
- அயனிப் பிணைப்பு / Ionic bond
- உலோகப் பிணைப்பு / Metallic bond
- பெப்டைட் பிணைப்பு / Peptide bond
பதில் / Answer
- அதிக மூலக்கூறு நிறை / High molecular mass
- ஐதரசன் பிணைப்பு / Hydrogen bonding
- அதிக கொதிநிலை / High boiling point
- சிறிய அளவு / Small size
- நிறமின்மை / Colourlessness
பதில் / Answer
- நிலையானவை, உடையாதவை / Permanent, never break
- அதிக அலைவெண்ணில் உருவாகி, உடைந்து, மீளுருவாகின்றன / Form, break and reform frequently
- ஒருபோதும் உருவாகா / Never form
- திண்மத்தில் மட்டும் / Only in solid
- ஆவியில் மட்டும் / Only in vapour
பதில் / Answer
- ஒட்டற்பண்பு (adhesion) / Adhesion
- பிணைவு (cohesion) / Cohesion
- மேற்பரப்பிழுவிசை / Surface tension
- கரைதிறன் / Solubility
- ஆவியாதல் / Evaporation
பதில் / Answer
- பிணைவு / Cohesion
- ஒட்டற்பண்பு (adhesion) / Adhesion
- ஐதரசன் பிணைப்பு / Hydrogen bond
- முனைவு / Polarity
- கரைதிறன் / Solubility
பதில் / Answer
- பிணைவு + ஒட்டற்பண்பு / Cohesion + adhesion
- ஆவியாதல் வெப்பம் / Heat of vaporization
- தன்வெப்பம் / Specific heat
- அடர்த்தி / Density
- முனைவின்மை / Non-polarity
பதில் / Answer
- உரியம் (phloem) / Phloem
- காழ் (xylem) / Xylem
- புறணி / Cortex
- மென்மரம் / Pith
- எபிடேர்மிஸ் / Epidermis
பதில் / Answer
- ஒட்டற்பண்பு / Adhesion
- பிணைவு (cohesion) / Cohesion
- அயன் தன்மை / Ionic nature
- அதிக அடர்த்தி / High density
- ஆவியாதல் / Evaporation
பதில் / Answer
- குறைந்த அடர்த்தி / Low density
- உயர் மேற்பரப்பிழுவிசை + நீர்ப்படலம் / High surface tension forming a film
- உயர் தன்வெப்பம் / High specific heat
- முனைவின்மை / Non-polarity
- ஆவியாதல் / Evaporation
பதில் / Answer
- குறைந்த தன்வெப்பம் / Low specific heat
- உயர் தன்வெப்பம் (high specific heat) / High specific heat
- குறைந்த அடர்த்தி / Low density
- முனைவின்மை / Non-polarity
- குறைந்த கொதிநிலை / Low boiling point
பதில் / Answer
- கரைப்பான் மட்டும் / Solvent only
- வெப்பத் தாங்கி (thermal buffer) / Thermal buffer
- மின்கடத்தி / Conductor
- அமிலம் / Acid
- ஒட்சியேற்றி / Oxidant
பதில் / Answer
- உயர் ஆவியாதல் வெப்பம் (heat of vaporization) / High heat of vaporization
- குறைந்த தன்வெப்பம் / Low specific heat
- உயர் அடர்த்தி / High density
- முனைவு / Polarity
- மேற்பரப்பிழுவிசை / Surface tension
பதில் / Answer
- நடுக்கம் மட்டும் / Shivering only
- வியர்வை ஆவியாதல் / Evaporation of sweat
- இரத்தம் உறைதல் / Blood clotting
- ஆவியுயிர்ப்பு / Transpiration
- பனிக்கட்டி உருவாதல் / Ice formation
பதில் / Answer
- ஒளிச்சேர்க்கை / Photosynthesis
- ஆவியுயிர்ப்பு (transpiration) / Transpiration
- சுவாசம் / Respiration
- ஒடுக்கல் / Condensation
- உறைதல் / Freezing
பதில் / Answer
- 0 °C
- 4 °C
- 100 °C
- −4 °C
- 25 °C
பதில் / Answer
- ஆவி / Vapour
- பளிங்குச் சாலகம் (பனிக்கட்டி) / Crystalline lattice (ice)
- கரைசல் / Solution
- நீர்ப்படலம் / Water film
- குமிழ் / Bubble
பதில் / Answer
- பனிக்கட்டி நீரை விட அடர்த்தி கூடியது / Ice is denser
- பனிக்கட்டி நீரை விட அடர்த்தி குறைவானது / Ice is less dense than water
- பனிக்கட்டி முனைவற்றது / Ice is non-polar
- பனிக்கட்டி சூடானது / Ice is warm
- பனிக்கட்டி கரைப்பான் / Ice is a solvent
பதில் / Answer
- அடியில் உள்ள நீரை வெப்பப் பிரிக்கையாக்கி அங்கிகளைப் பாதுகாத்தல் / Insulates water below and protects organisms
- நீரை வெப்பமாக்கல் / Heats the water
- ஒளிச்சேர்க்கையைத் தடுத்தல் / Stops photosynthesis
- நீரைக் கரைத்தல் / Dissolving water
- -
பதில் / Answer
- முனைவின்மை / Non-polarity
- முனைவுத் தன்மை (polarity) / Polarity
- அதிக அடர்த்தி / High density
- மேற்பரப்பிழுவிசை / Surface tension
- தன்வெப்பம் / Specific heat
பதில் / Answer
- கொழுப்பு / Fat
- குளுக்கோசு (glucose) / Glucose
- மெழுகு / Wax
- எண்ணெய் / Oil
- ரப்பர் / Rubber
பதில் / Answer
- முனைவு மூலக்கூறு / Polar molecule
- அயன் சேர்வை (ionic compound) / Ionic compound
- முனைவின்மை / Non-polar
- உலோகம் / Metal
- வாயு / Gas
பதில் / Answer
- குளுக்கோசு / Glucose
- NaCl
- இலைசோசைம் (lysozyme) / Lysozyme
- மெழுகு / Wax
- ஐதரசன் / Hydrogen
பதில் / Answer
- அதை ஒட்சியேற்றி / By oxidising it
- ஒவ்வொரு கரைபொருள் மூலக்கூறையும் சூழ்ந்து ஐதரசன் பிணைப்பு உருவாக்கி / By surrounding it and forming hydrogen bonds
- அதை உறையச்செய்து / By freezing it
- ஆவியாக்கி / By vaporising it
- -
பதில் / Answer
- அயன் தன்மை / Ionic nature
- முனைவுத் தன்மை (polarity) / Polarity
- நிறம் / Colour
- நிறை / Mass
- வடிவம் / Shape
பதில் / Answer
- எண்ணெய் / Oil
- நீர்க் கரைசல் (aqueous solution) / Aqueous solution
- வாயு / Gas phase
- திண்மம் / Solid
- மெழுகு / Wax
பதில் / Answer
- பிணைவுக்குரிய நடத்தை / Cohesive behaviour
- வெப்பநிலை மிதமாக்கல் / Temperature moderation
- உறையும்போது விரிவடைதல் / Expansion on freezing
- மின்கடத்துத்திறன் / Electrical conductivity
- பல்பதார்த்தக் கரைப்பான் / Versatile solvent
பதில் / Answer
- நீரை வெப்பமாக்கி / By heating water
- நீர் மூலக்கூறுகள் கலச்சுவருடன் ஒட்டுவதால் / Water molecules cling to cell walls
- நீரை உறையச்செய்து / By freezing water
- நீரைக் கரைத்து / By dissolving water
- -
பதில் / Answer
- நீர் மூலக்கூறு ஏன் முனைவுள்ளது என்பதையும் ஐதரசன் பிணைப்பு எவ்வாறு உருவாகின்றது என்பதையும் விளக்குக. / Explain why a water molecule is polar and how a hydrogen bond forms. (3)
- பிணைவுக்கும் ஒட்டற்பண்புக்கும் இடையிலான வேறுபாட்டைக் கூறுக. / State the difference between cohesion and adhesion. (2)
- நீரின் உயர் தன்வெப்பம் உயிர்த்தொகுதிகளுக்கு எவ்வாறு பயனளிக்கின்றது? / How does the high specific heat of water benefit living systems? (2)
- பனிக்கட்டி நீரின் மேற்பரப்பில் மிதப்பதன் உயிரியல் முக்கியத்துவத்தைக் கூறுக. / State the biological importance of ice floating on water. (3)
மாதிரி விடை / Model answer
(ஆ) பிணைவு = நீர்–நீர் மூலக்கூறுகளுக்கிடையேயான கவர்ச்சி; ஒட்டற்பண்பு = நீருக்கும் வேறு பதார்த்தங்களுக்கும் (கலச்சுவர்) இடையிலான கவர்ச்சி. (2)
(இ) உயர் தன்வெப்பத்தால் நீர் வெப்பநிலையில் சிறு மாற்றத்துடன் அதிக வெப்பத்தை உறிஞ்சும்/வெளிவிடும் → வெப்பத் தாங்கியாகச் செயற்பட்டு உயிர்த்தொகுதி வெப்பநிலையை நிலைப்படுத்தும். (2)
(ஈ) 4 °C க்குக் கீழே பனிக்கட்டி பளிங்குச் சாலகமாக விரிவடைந்து அடர்த்தி குறைகின்றது → மிதக்கின்றது. இது அடியில் உள்ள நீரை வெப்பப் பிரிக்கையாக்கி, துருவப் பிரதேசக் குளிர்காலத்தில் நீர்வாழ் அங்கிகளைப் பாதுகாக்கும். (3)
நீரின் நான்கு உயிர்-தாங்கும் பண்புகளை, ஒவ்வொன்றுக்கும் அதன் அடிப்படைக் காரணத்தையும் உயிரியல் முக்கியத்துவத்தையும் கூறி விபரிக்க. / Describe the four life-supporting properties of water, giving the basis and biological importance of each.
விடைக் குறிப்புகள் / Answer outline
• வெப்பநிலை மிதமாக்கல்: உயர் தன்வெப்பம் → வெப்பத் தாங்கி; உயர் ஆவியாதல் வெப்பம் → வியர்வை/ஆவியுயிர்ப்பால் குளிரூட்டல்.
• உறையும்போது விரிவடைதல்: 4 °C யில் அதிகபட்ச அடர்த்தி; பனிக்கட்டி மிதந்து நீர்வாழ் அங்கிகளைப் பாதுகாத்தல்.
• பல்பதார்த்தக் கரைப்பான்: முனைவுத் தன்மை → குளுக்கோசு, NaCl, இலைசோசைம் கரைத்தல்; உயிர்வேதியியல் தாக்கங்களுக்கு ஊடகம்.
பதில் / Show answer
- நீர் முனைவுள்ள மூலக்கூறு → ஐதரசன் பிணைப்பு.
- பண்புகள்: ஒட்டுறவு, பிடிப்புறவு, உயர் தன்வெப்பம், சிறந்த கரைப்பான்.
- பனிக்கட்டி நீரைவிட அடர்த்தி குறைவு → மிதக்கும்.