Woda i roztwory wodne.

Nieorganiczne składniki żywych organizmów.

• Żywe komórki nie są wypełnione czystą wodą, lecz roztworem zawierającym kilkanaście nieorganicznych kationów i anionów oraz wiele drobnocząsteczkowych i wielkocząsteczkowych związków organicznych

• Żywe komórki zawierają znaczne ilości następujących kationów

- K⁺, Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺

- HCO₂ ^-, CO₃ ²^-, HPO₄ ³^-, Cl^-, SO₄²^-

Budowa cząsteczki wody.

• Cząsteczka wody (H₂O) składa się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru połączonych wiązaniem kowalencyjnym (kowalencyjnym spolaryzowanym)

• Geometria cząsteczki wody jest narzucona przez kształt orbitali zewnętrznych elektronów atomu tlenu. 

• Cząsteczka wody ma kształt nieregularnego czworościanu z atomem tlenu w środku. Dwa wiązania tlenu z atomami wodoru, są skierowane w stronę dwóch naroży czworościanu oraz niepodzielne pary elektronów na zhybrydyzowanych orbitalach sp³ skierowane w stronę dwóch pozostałych naroży

• Atom tlenu w cząsteczce wody na cztery zhybrydyzowane orbiatle s i p skierowane ku narożom czworościanu foremnego, ale tylko dwa z nich tworzą wiązania kowalencyjne z dwoma atomami H.

• Cząsteczka wody jest elektrycznie obojętna (ma taką samą liczbę elektronów i protonów).

• Polarna, ponieważ podział elektronów tworzących wiązania kowalencyjne między atomem O i H jest asymetryczny. Jądro atomu tlenu przyciąga elektrony silniej niż jądro atomu wodoru. Elektrony, które tworzą polarne wiązanie kowalencyjne częściej przebywają w sąsiedztwie atomu tlenu niż atomu wodoru.

• Nadmierne zagęszczenie elektronów na atomie tlenu wytwarza słabo ujemny obszar w obrębie dwóch kątów czworościanu. W cząsteczce wody powstają dwa dipole elektryczne wzdłuż każdego z wiązań H-O. Atom tlenu uzyskuje częściowy ładunek ujemny (δ^-), a każdy z atomów wodoru częściowy ładunek dodatni (δ⁺).

• Dzięki temu cząsteczki mogą oddziaływać między sobą. W wyniku przyciągania elektrostatycznego między atomem tlenu jednej cząsteczki a atomem wodoru drugiej powstaje wiązanie wodorowe. Każda cząsteczka wody może utworzyć wiązania wodorowe z czterema sąsiednimi cząsteczkami.

Wiązania wodorowe.

• Wiązanie wodorowe tworzy się wówczas, gdy elektrony jednej cząsteczki mogą być częściowo wspólne z atomem wodoru drugiej oraz gdy atom elektroujemny, tlen lub azot, znajdzie się odpowiednio blisko wodoru związanego kowalencyjne z innym elektroujemnym atomem.

• Atomy biorące udział w wiązaniu wodorowym mogą należeć do różnych cząsteczek i tworzyć wiązanie międzycząsteczkowe lub mogą znajdować się w obrębie jednej cząsteczki i tworzyć wiązanie wewnątrzcząsteczkowe.

• Wiązania wodorowe mogą być pojedyncze lub wielokrotne.

• Dipolarna cząsteczka wody może być zarówno donorem jak i akceptorem protonów.

• Wiązania wodorowe tworzą tworzą się między cząsteczkami H₂O jak i grupami funkcyjnymi wielu różnych związków chemicznych.

• Wiązania wodorowe powstają pomiędzy cząsteczkami zawierającymi gr. O-H lub N-H i cząsteczkami w których obecne są at. O lub N z wolnymi parami elektronów. Warunkiem utworzenia wiązań jest takie ustawienie cząsteczki żeby at. H znalazł się między at. N lub N i O.

Hydratacja

• Decyduje o rozpadzie soli w H₂O, dysocjacji elektrolitów na jony.

• Hydratacja to otoczenie jonów, cząsteczek lub części cząsteczek przez cząsteczki H₂O.

• Cząsteczki H₂O są dipolami, więc gdy H₂O znajdzie jon dodatni, to powoduje takie ustawienie cząsteczki H₂O w swoim najbliższym otoczeniu, że ich ujemne końce zostają skierowane w stronę dodatniego jonu i zaczyna działać siła elektrostatyczna utrzymująca dipole H₂O w pobliżu jonu.

• Jest egzotermiczna – dostarcza energię potrzebną do rozrywania cząsteczek elektrolitów na jony w procesie dysocjacji.

• Wyróżniamy procesy egzo- i endoenergetyczne

Hydrofilowe i hydrofobowe grupy w związkach organicznych.

• Grupy hydrofilowe – gr. zawierające at. azotu lub tlenu, tworzące wiązania wodorowe z H₂O. grupy te w roztworach wodnych są otaczane przez dipole H₂O.

• Np. –OH, -COOH, -CONH₂

• Grupy hydrofobowe – węglowodorowe fragmenty związków organicznych. Grupy te unikają kontaktu z H₂O gdy tylko jest to możliwe.

Związki amfifilowe.

• Związki organiczne których cząsteczki zawierają gr. hydrofilowe i hydrofobowe.

• Współdziałanie gr hydrofilowych i hydrofobowych decyduje o powstawaniu wewnątrzkomórkowych struktur bez których życie nie mogłoby istnieć.

• W roztworach wodnych cząsteczki amfifilowe zbliżają się do siebie i ustawiają tak aby gr hydrofobowe nie stykają się z H₂O. Jest to możliwe przez utworzenie warstw dwumolekularnych albo przez utworzenie miceli.

• W strukturach amfifilowych fragmenty hydrofilowe są na zewnątrz w kontakcie z H₂O, a fragmenty hydrofobowe w środku, gdzie H₂O nie ma dostępu.

• Przykładem związków amfifilowych są:

• Sole kwasów tłuszczowych

• Sole amin o długich łańcuchach węglowych

Dysocjacja kwasów w H₂O.

• Dysocjacja elektrolityczna to proces rozpadu cząstek związków chemicznych na jony pod wpływem rozpuszczalnika.

• Kwasy dysocjują wg uproszczonego schematu:

HA ↔ H⁺ + A^­­-

Jednak należy pamiętać, że w wodnych roztworach nie ma jonów wodorowych, czyli wolnych protonów. Protony w H₂O występują tylko w połączeniu z cząsteczkami H₂O, czyli w postaci jonów hydroniowych H₃O⁺

• Dysocjacja kwasów w H₂O polega na powstawaniu jonów hydroniowych, dlatego w dysocjacji bierze udział cząsteczka H₂O, która przyjmuje jony wodorowe, dostarczane przez dysocjację cząsteczkowa kwasu:

HA + H₂O → H₃O⁺ + A^­­-

Miarą zdolności do dysocjacji (siła kwasu) jest stała dysocjacji – jest to stała równowagi reakcji, którą zapisuje się:

K = [H⁺] + [A^­­-] / [AH]

Iloczyn jonowy H₂O i pH.

• Woda w zależności od reakcji z danym reagentem może zachować się jak kwas luz zasada.

• Iloczyn jonowy wody – iloczyn stężenia jonów wodorowych (H⁺, a dokładnie H₃O⁺) i wodorotlenowych (OH^-) w wodzie i roztworach wodnych

Kw = [H⁺] + [OH^­­-] = 10¹^4-

• Zależność pomiędzy stężeniem kationów wodorowych i anionów wodorotlenkowych w wodnych roztworach jest od siebie zależna, (stężenia wodorowych rosną, to stężenia wodorotlenowe maleją, i na odwrót). Wzajemny iloczyn tych jonów nie może być większy od 10¹^4-.

pH

• Wyrażenie stężeń za pomocą liczby 10 jest kłopotliwe więc wprowadzono pH

• pH to ujemny logarytm stężonych jonów wodorowych pH = -log [H⁺]

• Najczęściej spotykane roztwory mają pH w granicach 1-13

pH < 7 odczyn kwaśny

pH = 7 odczyn obojętny

pH > 7 odczyn zasadowy

• pH + pOH = 14

Bufory

• Roztwory w których wartość pH po dodaniu niewielkich ilości mocnych kwasów albo zasad jak i po rozcieńczeniu H₂O prawie się nie zmienia. Roztwór buforowy to mieszanina kwasu i zasady czyli mieszanina protonodawcy i protonobiorcy wg teorii Brönsteda

• Środowisko wartości pH ludzkiej krwi wynosi 7,4 i jest utrzymana w wąskich granicach 7,34-7,45 przez bufor węglanowy i przez hemoglobinę.