Вода

Вода абсолютно необходима для всех форм жизни на Земле. Это среда, в которой живые организмы, скорее всего, впервые эволюционировали, и она повсеместно присутствует во всех клетках. Вполне уместно, что греческий первобытный бог воды, Гидрос, как одно из первых существ, не имеющее предшественников, привел Землю, Гею, к существованию.

Вода настолько важна в биологии, что весь этот раздел посвящен этой структурно простой молекуле.

Молекула воды

Мы уже кратко обсуждали молекулярную структуру воды (H₂O) в предыдущем разделе об атомных взаимодействиях. Одна молекула состоит из двух атомов водорода, ковалентно связанных с атомом кислорода. Высокая электроотрицательность кислорода создает полярность внутри молекулы, поэтому на атоме кислорода возникает частичный отрицательный заряд, а на атомах водорода — частичные положительные заряды. На рисунке показаны разные способы изображения структуры молекулы воды.

Состояния воды

Вода, как и другие вещества, может находиться в разных агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Эти состояния в значительной степени определяются числом водородных связей, которые молекулы воды образуют друг с другом. В жидком состоянии водородные связи постоянно разрываются и снова возникают. При более низких температурах возрастает доля молекул, связанных водородными связями, из-за чего структура становится более упорядоченной и вещество затвердевает; при более высоких температурах водородные связи разрушаются, и молекулы воды легче расходятся друг от друга.

Гидрофильность и гидрофобность

Полярность молекулы - это важная химическая характеристика. Полярные молекулы, такие как вода, притягиваются друг к другу, в то время как неполярные молекулы, такие как углеводороды, объединяются между собой. Напротив, полярные и неполярные молекулы отталкиваются друг от друга. Поскольку вода является такой важной и вездесущей средой, полярные вещества называют гидрофильными, а неполярные соединения - гидрофобными. Агрегация гидрофобных молекул также усиливается гидрофобными взаимодействиями, например, с помощью "сил Ван-дер-Ваальса".

Растворимость в воде

Растворимость разных веществ в воде определяется их полярностью. Ионы, такие как Na⁺ и Cl⁻ (NaCl, поваренная соль), или полярные (гидрофильные) молекулы, например этанол, растворимы в воде, тогда как липиды, будучи гидрофобными, — нет. В растворе молекулы воды образуют гидратные оболочки вокруг растворимых молекул или ионов. В частности, ионы при этом отделяются друг от друга, как показано здесь.

В следующем разделе речь пойдёт о кислотах и основаниях — очень важных соединениях, которые диссоциируют в водном растворе.