Hidrogénkötések a vízben

Gondolom, senki előtt nem titok, hogy a víz nélkülözhetetlen az élethez. A legtöbb biológiai, sőt a testünk összes jelentős biológiai folyamata függ a víztől, és valószínűleg vízben megy végbe. Ha a tested sejtjeire gondolsz, a citoplazma a sejtjeidben nagyrészt víz. Sőt én is, aki most hozzád beszélek, 60-70 %-ban vízből állok. Úgy is vehetnéd, mintha valami nagy, vízzel teli zsák volnék, aki épp videót készít. Nemcsak az embereknek van szüksége vízre. Az élet az általunk ismert formájában szintén függ a víztől. Ezért van az, hogy amikor az élet jeleit keressük más bolygókon, mindig a víz nyomait keressük. Az élet talán másféle anyagokban is testet ölthet, de az általunk ismert élethez létfontosságú a víz. Hogy megértsük, miért is oly különleges a víz, lássunk hozzá, hogy megértsük a szerkezetét, és a benne működő kölcsönhatásokat. A vízmolekula, amint valószínűleg már tudod, egy oxigénatomból és két hidrogénatomból áll. Ezért H₂O a képlete. Ezeket kovalens kötés köti össze. Mindegyik kovalens kötést egy-egy pár elektron alkotja, amelyek mindkét atomhoz tartoznak. Itt van ez a két pár. Közbeszólhatnál: miért rajzoltam mindkét hidrogént erre az oldalra? Miért nem egymással szemben, az oxigén két oldalára? Ennek az az oka, hogy az oxigénnek van két nemkötő elektronpárja is. Ezek taszítják egymást. Az elektronok taszítják egymást, így valójában, három dimenzióban nézve, az oxigénatom kötései tetraéderesen rendeződnek el. Megpróbálom lerajzolni. Ez itt tehát az oxigén. Ez itt az egyik nemkötő elektronpár, ezt egy kis zöld körrel jelölöm. Ez itt hátul egy másik nemkötő elektronpár. Aztán itt a kovalens kötés. Ez a kovalens kötés az egyik hidrogénatomhoz tartozik, ez a másik kovalens kötés pedig a másik hidrogénatomhoz. Így alakul ki ez a tetraéderes alakzat. Egészen olyan, mint egy tetraéder. De a lényeg az, hogy a hidrogének a molekula egyazon oldalára kerülnek. És ez, amint látni fogjuk, nagyon-nagyon fontos azoknak a különleges tulajdonságoknak a kialakításához, amelyek a vizet egyedivé teszik. Fontos azt is tudni, hogy a kémiában ezeket az elektronokat nagyon szépen, pontokkal jelöljük, szépen megrajzoljuk a kovalens kötéseket, de a valóságban ez nem így van. Az eletronok szüntelenül ide-oda ugrálnak, nyüzsögnek. Valójában ez inkább valamiféle valószínűsége annak, hogy hol találhatók. Tehát ahelyett, hogy úgy vennénk, hogy ezek pontosan itt vannak, vagy ezekben a kötésekben, valójában inkább egyfajta felhőt alkotnak az atomok körül. Ebben a felhőben vannak, amely úgyszólván a megtalálási valószínűségüket jelképezi, ahogy ide-oda nyüzsögnek és ugrálnak. A vízben az a különleges, hogy az oxigénnek rendkívül magas az elektronegativitása. Ez itt az oxigén. Az elektronegativitása az egyik legnagyobb az ismert elemek között. A hidrogénhez képest különösen magas. Kérdezhetnéd, hogy: na és, mit jelent az, hogy elektronegativitás? Nos az elektronegativitás egy jól csengő kifejezés arra, hogy erősen vonzza az elektronokat. Igyekszik magánál tartani az elektronokat. Vonzza az elektronokat ... ezt jelenti. Az oxigén szereti, ha az elektronok inkább körülötte tartózkodnak, mint a kötésben részt vevő partnere körül. Tehát még ezekben a kovalens kötésekben is, ahol osztozni kellene az elektronokon, az oxigén így szól: „Rendben, de azért én mégiscsak szeretném, ha velem kicsit több időt töltenének.” Így aztán az elektronok tényleg többet vannak a hidrogénekkel ellentétes oldalon, mint a hidrogének körül. Sejtheted, hogy ebből mi következik. Részlegesen negatív töltés alakul ki a hidrogénekkel ellentétes oldalon, ami a rajzom felső részén van. A görög delta betű a részleges töltés jele, ez pedig itt egy részlegesen negatív töltés, mivel az elektronok töltése negatív. Itt pedig, az enyhe elektronhiány miatt, mivel azok oly sok időt töltenek az oxigén körül, részlegesen pozitív töltés alakul ki. Egyetlen vízmolekulát elnézve mindez nem tűnik túl érdekesnek. De roppant érdekessé válik, amint az összekapcsolódó vízmolekulák sokaságát együtt vizsgáljuk. Iderajzolok egy másik vízmolekulát. Itt az oxigén, meg a két hidrogén, és a közöttük lévő kötések. Itt részlegesen negatív töltés van, a másik végén részlegesen pozitív töltés. Ahogyan sejtheted, a részlegesen negatív töltésű oldal vonzódik a részlegesen pozitív töltésű oldalhoz. A kettőjük közötti vonzóerőt hidrogénkötésnek nevezzük. Ez itt tehát a hidrogénkötés. Ez a víz viselkedésének a kulcsa. Ezzel még találkozunk a későbbi videókban. Látni fogjuk, hogy a hidrogénkötések hányféle egyedi tulajdonsággal ruházzák fel a vizet. A hidrogénkötések gyengébbek, mint a kovalens kötések, de elég erősek ahhoz, hogy biztosítsák a víz kellemesen folyékony jellegét, ami normál hőmérsékleten és nyomáson jellemzi. Ez a kellemes folyékony jelleg biztosítja, hogy a részecskék között működjön a vonzóerő, azaz a kohézió, de fel is szakadjon és újjáalakuljon, amint elmozdulnak. Lássunk egy újabb hidrogénkötést egy másik vízmolekulával. Itt vannak a hidrogének, a kötések, a részlegesen negatív töltések, és a részlegesen pozitív töltések. A későbbi videókban látni fogjuk, hogy a hidrogénkötés a víz folyékony jellegének kulcsa. Ezzel magyarázható a víz hőelnyelő képessége, a hőszabályozó képessége, az, hogy a tavak miért nem fagynak be fenékig, és sok egyéb tulajdonsága, a párolgás hűtő hatása és a felületi feszültség, az adhézió és a kohézió, amint majd látni fogjuk. Valószínűleg a legfontosabb, bár ezeket a dolgokat nehéz rangsorolni, hogy a biológiai rendszerekben a vízmolekula polaritása és a hidrogénkötések kulcsfontosságúak abban, hogy a víz egy jó oldószer, abban, hogy a víz képes feloldani a poláris molekulákat. Ezzel is foglalkozunk majd a későbbi videókban.