Водородни връзки при водата

Ти си говореща торба с вода, която създава инструменти и умее да учи. Добре, това не е напълно така, но е доста близко, тъй като човешкото тяло съдържа от 60 до 70% вода. И не само хората — повечето животни и дори миниатюрните бактерии са изградени предимно от вода${}^1$‍. Водата е ключова съставка за съществуването на живота такъв, какъвто го познаваме. Това може да звучи драматично, но е вярно — и драматичните неща, които са верни, са това, което прави живота интересен! По-голямата част от химичните процеси в клетките и метаболитните процеси в организма протичат във водната среда в клетките – в т.нар. цитозол (цитоплазма).

Водата не само е много често срещана в телата на организмите, но също така има някои необичайни химични свойства, които я правят много добра за поддържането на живота. Тези свойства са важни за биологията на много различни нива, от клетки до организми, до екосистеми. Можеш да научиш повече за животоподдържащите свойства на водата в следните статии:

Водата дължи тези си уникални свойства на полярността на молекулите си и, по-точно, на способността им да изграждат водородни връзки едни с други и с други молекули. По-долу ще разгледаме как работи това водородно свързване.

Ключът към разбирането на химичното поведение на водата е молекулярната ѝ структура. Една водна молекула се състои от два водородни атома, свързани с един кислороден атом, и цялостната ѝ структура е извита. Причината е, че кислородният атом, освен че изгражда връзки с водородните атоми, притежава и две двойки несподелени електрони. Всички електронни двойки — споделени и несподелени — се отблъскват взаимно.

Най-стабилното подреждане е това, при което те се намират най-далеч едни от други: можем да си представим, че кислородният атом е в центъра на въображаем тетраедър, а водородните атоми и несподелените електронни двойки лежат при върховете на тетраедъра. Несподелените електронни двойки отблъскват малко по-силно от двойките електрони в двете връзки, така че ъгълът между $\text{O}-\text{H}$‍ връзките е 104,5°, което е малко по-малко от ъгъла в правилния тетраедър, който е 109° .${}^2$‍

Понеже кислородът е по-електроотрицателен (алчен за електрони) от водорода, кислородният атом привлича електроните повече към себе си и ги държи надалеч от водородните атоми. Ето защо тази част от водната молекула, където е кислородът, има частично отрицателен заряд, докато водородният край има частично положителен заряд. Водата се класифицира като полярна молекула поради полярните си ковалентни връзки и извитата си форма.${}^{2,3}$‍.

Благодарение на полярността си водните молекули радостно се привличат помежду си. Положителният край на едната молекула (водороден атом) се свързва с отрицателния край на друга (кислороден атом).

Тези привличания са пример за водородни връзки, слаби взаимовръзки, които се образуват между един водороден атом с частично положителен заряд и по-отрицателен атом като кислорода. Водородните атоми, които участват във водородните връзки, трябва да са свързани с електроотрицателни атоми като $\text{O}$‍, $\text{N}$‍ или $\text{F}$‍.

Водните молекули се привличат и от други полярни молекули и йони. Едно заредено или полярно вещество, което взаимодейства с и се разтваря във водата, се нарича хидрофилно: хидро означава "вода", а филно означава "обичащо". За разлика от тях неполярните молекули, напр. масла и мазнини, не взаимодействат добре с водата. Те се отделят от нея, а не се разтварят в нея, и се наричат хидрофобни: фобни означава "мразещи". Може би ти е правило впечатление това не-толкова-удобно свойство при салатните дресинги от олио и оцет. Оцетът като цяло е просто вода с малко киселина.