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.$^1$start superscript, 1, end superscript 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 $\text{O}-\text{H}$start text, O, end text, minus, start text, H, end text. Dva volné elektronové páry působí trochu větší odpudivou silou a tak úhel mezi $\text{O}-\text{H}$start text, O, end text, minus, start text, H, end text tedy bude o něco méně než 109°, jak by tomu bylo u pravidelného čtyřstěnu. Je to zhruba 104,5 °.$^2$squared

Kyslík je mnohem více elektronegativní než vodík — vazebné elektrony tráví více času poblíž kyslíku — atom $\text{O}$start text, O, end text si hodně přitahuje elektrony k sobě, pryč od atomů $\text{H}$start text, H, end text. 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.$^{2,3}$start superscript, 2, comma, 3, end superscript

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 $\text{O}$start text, O, end text, $\text{N}$start text, N, end text nebo $\text{F}$start text, F, end text.

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.