Vodíkové vazby ve vodě

Víš, že jsi vlastně takový mluvící, chodící a učící se sáček vody? No dobře, to asi není úplně přesné, ale není to tak úplně daleko od pravdy, protože lidské tělo je ze 60 až 70 % složeno z vody. A netýká se to jen lidí - většina zvířat i maličkých bakterií je tvořena především vodou.${}^1$‍ Voda je pro existenci života tak, jak ho známe, naprosto klíčová! Asi to zní trochu přehnaně, je to ale pravda! A navíc je díky takovým zjištěním život tak fascinující! Většina chemických dějů uvnitř organismů - většina metabolických procesů - probíhá v takovém vodnatém „cosi“ uvnitř buněk, kterému se odborně říká cytosol (vnitrobuněčná tekutina).

Nejenže se voda naprosto běžně vyskytuje v tělech organismů, zároveň má také mnoho zvláštních chemických vlastností, díky kterým je skvělá právě pro uchování života. Tyto vlastnosti jsou pro biologii důležité, a to na různých úrovních - od buněk, přes organismy, až k ekosystémům. O těchto zázračných vlastnostech vody se můžeš dočíst víc v následujících článcích:

Všechny tyto unikátní vlastnosti má voda díky polaritě svých molekul a díky jejich schopnosti utvářet vodíkové vazby s vlastními a s ostatními molekulami. Níže se podíváme na to, jak tyto vodíkové vazby fungují.

Klíčem k porozumění chemickému chování vody je její struktura na úrovni molekul. Molekula vody se skládá ze dvou atomů vodíku a ty jsou dvěma vazbami navázány na jeden atom kyslíku. Tyto dvě vazby svírají úhel, mluvíme o lomeném tvaru molekuly. Je to tím, že atom kyslíku, kromě toho, že utváří vazby s atomy vodíku, také nese dva volné elektronové páry. A všechny elektronové páry se navzájem odpuzují.

Nejstabilnější je taková struktura, kdy jsou tyto elektronové páry od sebe co nejvzdálenější, tedy když směřují každý do jednoho vrcholu pomyslného pravidelného čtyřstěnu a tedy do dvou vrcholů míří i dvě vazby $\text{O}-\text{H}$‍. Dva volné elektronové páry působí trochu větší odpudivou silou a tak úhel mezi $\text{O}-\text{H}$‍ tedy bude o něco méně než 109°, jak by tomu bylo u pravidelného čtyřstěnu. Je to zhruba 104,5 °.${}^2$‍

Kyslík je mnohem více elektronegativní než vodík — vazebné elektrony tráví více času poblíž kyslíku — atom $\text{O}$‍ si hodně přitahuje elektrony k sobě, pryč od atomů $\text{H}$‍. Díky tomu je na atomu kyslíku částečný záporný náboj, zatímco na straně, kde jsou vodíky má částečný kladný náboj. Vodu proto řadíme mezi polární molekuly, protože má polární kovalentní vazby a lomený tvar.${}^{2,3}$‍

Molekuly vody se díky své polaritě výrazně přitahují. Kladný konec - atom vodíku - se spojí se záporným - atomem kyslíku.

Tyto vazby jsou příkladem vodíkových vazeb, slabých interakcí, ke kterým dochází mezi vodíkem s částečným kladným nábojem a více elektronegativním atomem, například kyslíkem. Atomy vodíku zapojené do vodíkové vazby musí být připojeny k elektronegativním atomům, tedy například k $\text{O}$‍, $\text{N}$‍ nebo $\text{F}$‍.

Molekuly vody jsou také přitahovány k polárním molekulám a k iontům. Nabité či polární látce, která se přitahuje s vodou a rozpouští se v ní, se říká hydrofilní: hydro znamená "voda" a filní znamená "milující". Naopak nepolární molekuly jako tuky a oleje s vodou neinteragují tak dobře jako mezi sebou. Oddělují se od ní, místo aby se v ní rozpouštěly, a říkáme jim hydrofobní: fobní znamená, že mají "strach". Možná sis všiml/a, když sis připravoval/a dressing na salát, že si olej a ocet tak úplně nerozumí. Ocet je vlastně voda s trochou kyseliny.