Розділ «Тема 4. НЕОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ В ОРГАНІЗМАХ»

Отже, молекули води є полярними.

Завдяки полярності сусідні молекули води можуть взаємодіяти між собою і з молекулами полярних речовин з утворенням водневих зв'язків, які обумовлюють унікальні фізичні властивості та біологічні функції води. Енергія цього зв'язку, порівняно з енергією ковалентного зв'язку, невелика. Вона становить лише 4,5 ккал/ моль, і завдяки тепловому рухові ці зв'язки між молекулами води постійно виникають і розриваються. Водневі зв'язки – це зв'язки між двома ковалентно зв'язаними атомами з великим значенням електронегативності (О, N, F) за посередництвом атома Гідрогену Н. Зазвичай водневий зв'язок позначають трьома крапками і цим зазначають, що він набагато слабкіший; ніж ковалентний зв'язок (приблизно в 15–20 разів).

Водневі зв'язки відіграють визначальну роль в утворенні специфічної кваз і кристалічної структури води. Згідно з сучасними уявленнями, основою будови води є кристалічна ґратка з розмитою тепловим рухом частиною молекул вільної води. Для води у твердому стані характерні молекулярні кристалічні ґратки, оскільки кристали будуються з молекул, зв'язаних одна з одною водневими зв'язками. Саме наявністю елементів кристалічних ґраток, а також дипольністю молекул води і зумовлене дуже велике значення відносної діелектричної проникності води.

Молекули рідкої води здатні до полімеризації або асоціації з утворенням асоціатів (Н2O)n. Утворення найщільніших асоціатів відбувається за +4 *С, чим і пояснюється найбільша густина води за цієї температури. Під час нагрівання водневі зв'язки руйнуються й асоціати починають розщеплюватися, оскільки енергія теплового руху стає більшою від енергії цих зв'язків. Розривання зв'язків потребує багато енергії, звідки й високі температура кипіння та питома теплоємність води. Це має істотне значення для організмів під час коливань температури середовища існування.

Рентгеноструктурним аналізом води встановлено, що й у рідкій воді залишаються фрагменти структури льоду. За температури +20 °С близько 70% молекул перебуває у воді у вигляді агрегатів, які містять у середньому по 57 молекул у кожному. Такі агрегати називають кластерами. Молекули води, що входять до складу кластера, сковані й метаболічно інертні. Активна роль у реакціях обміну речовин належить тільки вільним молекулам води. Якщо кластерів багато, то це призводить до іммобілізації води, тобто до виключення вільної води, обмеження ферментативних процесів і до зниження функціональної активності клітини.

БІОЛОГІЯ+ При дисоціації певних електролітів, у тому числі й води, утворюються йони Н+ і ОН-, від концентрації яких залежить кислотність або основність розчинів, і відповідно, структурні особливості та активність багатьох біомолекул та життєвих процесів. Цю концентрацію вимірюють з використанням водневого показники – рH. pH – від'ємний десятинний логарифм концентрації

Утворення водневого зв'язку

Молекула води

іонів Н+. У чистій воді ця концентрація становить 1-10-7 моль/л (-log 10-7=7). Тому нейтральній реакції рідини відповідає pH 7, кислій-pH <7 і основній -pH > 7. Протяжність шкали pH – від 0 до 14. Значення pH у клітинах слабколужна. Зміна його на одну- дві одиниці згубна для клітини. Сталість pH у клітинах підтримується за рахунок буферних систем, які містять суміш електролітів. Вони складаються зі слабкої кислоти (донора Н+) і спряженої з нею основи (акцептора Н+), які відповідно зв'язують йони H+ та бони ОН-, завдяки чому реакція pH усередині клітини майже не змінюється.

Гідрофільні й гідрофобні сполуки. У молекул води дві пари спільних електронів зміщені до Оксигену, тому електричний заряд всередині молекул розподілений нерівномірно: протони Н+ обумовлюють позитивний заряд на одному полюсі, а пари електронів Оксигену – негативний заряд на протилежному полюсі. Ці заряди є рівними за величиною і розташовані на певній відстані один від одного. Отже, молекула води – це постійний диполь, який може взаємодіяти з носіями позитивних і негативних зарядів. Наявністю полюсів у молекулах води пояснюється здатність води до хімічних реакцій гідратації.

Завдяки своїй полярності молекули води можуть приєднуватися до молекул або йонів розчинних у воді речовин з утворенням гідратів (сполук води з розчиненою речовиною). Ці реакції є екзотермічними і, на відміну від реакцій гідролізу, гідратація не супроводжується утворенням водневих чи гідроксильних йонів.

При взаємодії молекул води з молекулами полярних речовин притягання молекул води до розчинюваної речовини перевищуватиме енергію притягання між молекулами води. Тому молекули або йони таких сполук вбудовуються в загальну систему водневих зв'язків води. Гідрофільні речовини – це полярні речовини, які здатні добре розчинятися у воді. Це розчинні кристалічні солі, моносахариди, певні амінокислоти, нулеїнові кислоти та ін.

У разі взаємодії молекул води з молекулами неполярних речовин енергія притягання молекул води до них буде меншою, ніж енергія водневих зв'язків. Неполярні молекули намагаються ізолюватися від молекул води, вони групуються між собою і витісняються з водного розчину. Гідрофобні речовини – це неполярні речовини, які не розчиняються у воді. Це нерозчинні мінеральні солі, ліпіди, полісахариди, певні білки та ін. Деякі органічні молекули мають подвійні властивості: на одних їхніх ділянках зосереджені полярні групи, на інших – неполярні. Такими є багато білків, фосфоліпіди. їх називають амфіфільними речовинами.

Розподіл молекул води навколо аніона і катіона

Де Карбон, там різноманітність органічних речовин, де Карбон, там найрізноманітніші за молекулярною архітектурою конструкції.

Енциклопедія юного хіміка