Vodíková (hydrogenová) vazba a její vlastnosti

 Co způsobuje, že voda má tak specifické chemické vlastnosti a je tak nezbytná pro život?  Je to právě vodíková vazba (neboli hydrogenová vazba, vazba vodíkových můstků) mezi jednotlivými molekulami vody a dalšími látkami, která umožňuje existenci života.

Obr. Vodíková vazba  Atom vodíku může být sdílený dvěma různými atomy, v tomto případě 2 atomy kyslíku ze 2 molekul vody; tento druh vazby je slabý a snadno se štěpí, ale hraje významnou roli při interakcích molekul v živých organismech; molekuly vody na obrázku jsou znázorněny způsobem, který zohledňuje trojrozměrný tvar oblastí, ve kterých se vyskytují obíhající elektrony

Zdroj: Postlethwait et al., 1991

 Vzpomeňte si, že voda je polární molekula s pozitivním a negativním koncem. Když pozitivně nabitý konec jedné molekuly přitahuje negativně nabitý konec molekuly druhé, tvoří se vodíkové vazby. Proto jsou v tekuté vodě jednotlivé molekuly propojeny v rozsáhlé shluky. Tyto vazby vysvětlují několik důležitých vlastností vody, které se týkají teploty.

Obr. Kovalentní vazba a) když se atomy vodíku přiblíží k sobě, překryjí se jejich elektronové orbity a vytvoří se kovalentní vazba; protože je rozdělení náboje v této molekule symetrické, říkáme ji nepolární kovalentní vazba a molekula je elektricky neutrální  b) v molekule vody jádro atomu kyslíku s 6 protony přitahuje 2 elektrony atomů vodíku silněji než jejich vlastní jádra; díky tomu sdílené elektrony stráví při oběhu více času na straně kyslíku a ten pak získává slabý záporný náboj, vodíky vykazují slabý náboj kladný; tento typ vazby se nazývá polární kovalentní vazba protože určité oblasti (póly) molekuly mají slabý pozitivní či negativní náboj

Zdroj: Postlethwait et al., 1991

 Voda je v rozsahu většiny teplot na naší zeměkouli v tekutém skupenství, protože odolává zahřívání – její teplota stoupá pomalu; voda má vysoký bod varu (100⁰ C) a nízký bod tuhnutí (0⁰ C).  

Tab. Srovnání vlastností hydridů kyslíku (vody) a  prvků blízkých v  periodické soustavě

 Zdroj: Hutchinson, 1957

To je způsobeno tím, že tepelná energie dodaná vodě při ohřívání musí nejprve přetrhat vodíkové vazby mezi jejími molekulami dříve než může zvýšit rychlost pohybu jednotlivých molekul vody a tak zvýšit její teplotu.
Schopnost vody odolávat zahřívání je důležitá pro živé organismy, protože pomáhá udržovat relativně stabilní externí i interní prostředí, které potřebují. Oceány, velká jezera a řeky mění svou teplotu jen pomalu, takže se vodní organismy nemusí potýkat s rychlými změnami svého životního prostředí. Skutečnost, že i samotné organismy jsou z 50-90% tvořeny vodou znamená, že se teplota jejich těl – zejména u velkých druhů – také mění pomalu.
Protože teplota vody stoupá pomalu, vyžaduje vypařování (změna tekutého skupenství na plynné) velké množství tepelné energie. Jak se voda vypařuje, absorbuje ze svého okolí teplo a tak je ochlazuje. Tato vlastnost umožňuje ochlazování živých organismů a také vysvětluje, proč mnoho savců - včetně nás samotných - má potní žlázy.
Konečně, voda má tendenci zůstávat tekutá i proto, že složitá struktura pevné fáze - ledu – vyžaduje nejprve pevnou organizaci hydrogenových vazeb a to je možné teprve, když teplota klesne na nebo pod 0⁰ C.
Vodíková vazba také vysvětluje mechanické vlastnosti vody, které jsou také nezbytné pro život.
Molekuly vody vykazují kohezi – tendenci podobných molekul přilnout k sobě navzájem. Tato vzájemná přilnavost molekul vody vytváří na styku se vzduchem povrchové napětí, jehož výsledkem je elastická blanka na povrchu vodních kapek, na vodní hladině kde umožňuje pohyb vodních organismů (např. bruslařek a jiného hmyzu), a také např. vlhký povrch vnitřních struktur plic.
Vlastností molekul vody je i adheze – tendenci nepodobných molekul přilnout k sobě (např. voda a papír, půda, sklo nebo buněčná stěna rostlinné buňky). Adheze spolu s kohezí odpovídají za kapilaritu – tendenci tekutin stoupat v úzkých prostorech, jako v případě vody, stoupající v  kapilárách ve stoncích rostlin

Obr. Kapilarita:  Vodní molekuly přilnou ke stěnám kapilár nad sebou a k ostatním molekulám vody pod sebou.

Zdroj: Postlethwait et al., 1991

Vodíková vazba přispívá k tvorbě poměrně rigidní a otevřené molekulární struktury ledu, jejímž důsledkem má led menší hustotu než voda a plave na jejím povrchu. V zimě tak izoluje spodní vrstvy vodních toků a nádrží, které zůstávají tekuté a umožňují přežití vodních organismů.

Obr.  Krystalická struktura ledu: vodíkové vazby uspořádané v otevřené mřížce ledu a málo uspořádané v kapalině.

Zdroj: Postlethwait et al., 199 

Vodíková vazba rovněž pomáhá vysvětlovat její nejdůležitější chemickou vlastnost – schopnost rozpouštět jiné látky a působit tak jako solvent. S některými rozpuštěnými látkami vytváří voda vodíkové vazby – to je případ cukru, rozpouštěného v šálku čaje. U jiných rozpuštěných látek – např. solí - je úloha vody ještě podstatnější. Ionty, tvořící soli, ve vodě disociují a každá z nich je obklopena orientovaným shlukem vodních molekul.

Látky, které se ve vodě snadno rozpouštějí, se nazývají hydrofilní.

Obr.  Hydrofilní molekuly: ionty jako sodík nebo chlór jsou rozpustné, protože molekuly vody jsou přitahovány jejich pozitivním nebo negativním nábojem; polární molekuly, jako např. močovina, se rozpouštějí, protože jejich molekuly tvoří s okolními molekulami vody vodíkovou vazbu

Zdroj: htpp://www.essentiacellbiology.com

 Na druhou stranu, látky jako olej, vosk nebo plastické hmoty se snadno nerozpouštějí a nazýváme je hydrofobními. Snaha vody vypudit ze svého středu molekuly hydrofobní látky je tak značná, že ji označujeme jako hydrofobní sílu. Navenek se projevuje tak, jako by se hydrofobní látky aktivně k sobě přitahovaly. Ve skutečnosti však jde o projev vypuzovací tendence vody.

Obr.  Hydrofobní molekuly: molekuly, které obsahují převážnou část nepolárních vazeb (jako např. uhlovodíky s mnoha C-H vazbami) se obvykle ve vodě nerozpouštějí, protože nepřitahují vodní molekuly, které by je obklopily a převedly do roztoku

Zdroj:  http://www.essentiacellbiology.com