Водородные связи между молекулами воды

Рассмотрим, например, человека и проведём ассоциацию с контейнером, наполненным водой. Это сравнение не совсем точное, но близкое, поскольку человеческий организм на 60—70% состоит из воды. Это же утверждение справедливо не только для людей. Большинство животных и даже самых крошечных бактерий в основном состоят из воды$^1$start superscript, 1, end superscript. Вода — основа жизни на нашей планете. Это может показаться драматичным, но это так, а правдивая драма делает жизнь интереснее! Внутриклеточные реакции и метаболизм большинства организмов протекают во внутриклеточной жидкости, — в цитозоли.

Вода — не просто самое распространённое вещество в живых организмах, она также обладает рядом необычных химических свойств, позволяющих ей поддерживать жизнь на Земле. Эти свойства играют важную роль в биологических процессах на разных уровнях: от клеток до организмов и целых экосистем. Вы можете узнать больше о свойствах воды в следующих статьях:

Уникальные свойства воды обусловливаются полярностью её молекул, и в частности — способностью образовывать водородные связи как друг с другом, так и с другими молекулами. Ниже мы рассмотрим водородную связь более подробно.

Чтобы понять особенности химического поведения воды, нужно посмотреть, как устроена её молекулярная структура. Молекула воды состоит из двух атомов водорода, связанных с атомом кислорода. Её изогнутая форма объясняется наличием у атома кислорода, помимо связей с атомами водорода, ещё и двух свободных пар электронов. Эти электронные пары, как свободные, так и участвующие в связи, отталкиваются друг от друга.

Наиболее устойчивая форма та, в которой атомы отдалены друг от друга: это тетраэдр, в котором $\text{O}-\text{H}$start text, O, end text, minus, start text, H, end text образуют две из четырех «ножек»-связей. Свободные пары электронов «отталкиваются» сильнее, чем электроны, образующие связи, поэтому угол между связями $\text{O}-\text{H}$start text, O, end text, minus, start text, H, end text немного меньше 109° идеального тетраэдра, около 104,5°.$^2$squared

Поскольку кислород более электроотрицательный, более «жадным» до электронов, чем водород, атом $\text{O}$start text, O, end text притягивает электроны и удерживает их вдали от атомов $\text{H}$start text, H, end text. Поэтому на кислороде образуется частичный отрицательный заряд, в то время как со стороны атомов водорода – частичный положительный заряд. Вода классифицируется как полярная молекула из-за ее ковалентных полярных связей и изогнутой формы $^{2,3}$start superscript, 2, comma, 3, end superscript.

Благодаря своей полярной природе молекулы воды хорошо притягиваются друг к другу. Положительно заряженный конец одной молекулы – атом водорода – притягивается к отрицательно заряженному концу другой молекулы – к атому кислорода.

Такое притяжение называется водородной связью — это слабое взаимодействие между частично положительно заряженным водородом и другим более электроотрицательным атомом, например, кислородом. Атомы водорода, участвующие в водородной связи, притягиваются к таким электроотрицательным атомам как $\text{O}$start text, O, end text, $\text{N}$start text, N, end text или $\text{F}$start text, F, end text.

Кроме того, молекулы воды также притягиваются к другим полярным молекулам и ионам. Заряженное или полярное вещество, которое взаимодействует с водой, растворяясь в ней, называется, гидрофильным, от греческих слов гидро — «вода» и филия — «любовь». Напротив, неполярные молекулы, например, масла и жиры, плохо взаимодействуют с водой и не растворяются в ней, стараясь от неё отделиться. Они не смешиваются, не растворяются в ней, поэтому называются гидрофобными: от греческого слова фобос — «боязнь, страх». Вы могли наблюдать этот эффект, если заправляли салат растительным маслом и уксусом, из которых сложно получить однородную смесь. Уксус — это по сути вода с небольшим количеством кислоты.