Знамо да је вода извор живота, али зашто? Зашто баш вода, а не нешто друго?
Знамо да живот може да постоји без светла, без кисеоника, па чак и у веома необичним екстремним условима, попут присуства радиоактивног зрачења или велике количине соли, али да ли сте некада чули за живот у простору где не постоји течна вода?
Зашто не?
Верујем да вам је, као и мени, ово објашњено у основној школи. Верујем да вам, као ни мени, у том тренутку није било јасно зашто је толико важно знати о капиларним силама, угловима веза и осталим наизглед беспотребним подацима о овом малом молекулу. Па, хајде да се поново прошетамо основама физике и хемије и откријемо зашто је баш вода неопходна за постојање живота какав познајемо.
Верујем да сте барем једном до сада видели схематски приказ молекула воде (H2O). На њему је кисеоник означен великим црвеним кругом, а два мала бела круга око њега представљају атоме водоника. А да ли сте се икада запитали зашто су ови прикази… савијени? Зашто само не можемо ставити кисеоник у средину, а водонике са његове леве и десне стране, већ молекул воде мора бити „искривљен”?
Као што можете видети на овом приказу, водоник није једино што цртамо поред кисеоника, а знате ли шта су ове четири тачке и зашто су оне довољне да промене облик молекула воде?
Укратко речено, када се атоми водоника и кисеоника везују, они заправо деле своје електроне. Међутим, кисеоник поседује још четири „активна” невезана електрона који се налазе на атому у виду слободних електронских парова, које на слици можемо видети представљене паровима тачака (генерално, електрони се у хемији обележавају тачкама).
Како су и електрони у вези и слободни електронски парови негативно наелектрисани, они ће се међусобно одбијати (да је нека од ових компоненти позитивно наелектрисана, супротности би се привлачиле). Тако добијамо савијену структуру воде, где молекул не може бити „раван” јер слободни електронски парови „гурају” електроне из везе водоник-кисеоник даље од себе.
Уколико погледате плави крст у средини, уочићете да се он не може лепо поклопити тако да подједнако обухвати водонике и слободне парове на кисеонику. Из тога можемо закључити да ове електронске масе не стоје међусобно под правим углом. Разлог иза ове појаве је прилично једноставан: водоници у вези и слободни електронски парови нису исте величине, те не делују истим интензитетом једни на друге. Ова идеја је и експериментално утврђена и данас се зна да је угао између водоникових атома 109,5°, а не 90 као што би се могло помислити.
Зашто је све ово толико битно?
Структура молекула одређује интеракције у које тај молекул може ступити са супстанцама око себе, а значај воде за живи свет потиче управо од чињенице да је сваки њен молекул савијен. Како бисмо могли разумети шта воду чини посебном, можемо је упоредити са свима добро познатим угљен-диоксидом (CO2).
Иако на први поглед делује да би им структура могла бити слична јер су у оба случаја два иста атома везана за трећи, реалност је ипак мало другачија, што је управо последица електронске структуре ова два молекула. Хајде да видимо по чему се они разликују:
Као што можемо видети, кисеоник у оба случаја поред себе има ознаку δ- (делта-минус). То значи да у везама које гради са суседним атомима (водоником у води и угљеником у угљен-диоксиду) кисеоник има већу склоност ка „отимању” електрона из везе у односу на водоник и угљеник. Самим тим, електрони из везе су ближи кисеонику, па можемо закључити да се на кисеонику накупља делимично негативно наелектрисање (због тога постоји ознака δ), а на суседним атомима постоји делимично позитивно наелектрисање (δ+).
Међутим, између ова два молекула постоји јасна разлика у распореду наелектрисања. Док код угљен-диоксида можемо видети да оба кисеоника вуку ка себи електроне истим интензитетом (јер је исти елемент у питању), те се њихови утицаји потиру и распоред електрона је релативно равномеран, код воде видимо да постоји јасно изражен део молекула који је делимично негативан (горе) односно позитиван (доле), због тога што молекул воде није раван као молекул угљен-диоксида и постоји могућност нагомилавања делимичног наелектрисања са једне стране.
Е сад, какве ово везе има са било чиме?
Делимично негативан кисеоник једног молекула воде може ка себи привући делимично позитиван водоник другог молекула воде (као што смо већ рекли, супротности се привлаче). У том случају, кажемо да долази до међумолекулске интеракције коју зовемо водонична веза, а која представља једну од најважнијих интеракција у читавом живом свету. Пре него што се упустимо у детаљнија објашњења, ваљало би напоменути да водоничне везе нису праве хемијске везе (попут оних унутар молекула) већ значајно слабије интеракције, али су тако у почетку назване па се термин одржао до данас.
Сваки молекул воде може везати водоничним везама са четири околна молекула воде: сваки водоник може интераговати са по једним молекулом воде, а кисеонику се могу приближити чак два, због тога што се на њему налазе два слободна електронска пара. Ту долазимо до праве предности водоничних веза – бројности. Иако водонична веза сама по себи није претерано јака, чињеница да у само једној капљици воде постоји непојмљив број интеракција може да нас доведе до претпоставке да постојање водоничних веза ипак има мерљив ефекат на већим, биолошки значајним скалама.
Па, који су то ефекти у питању?
С обзиром на то да су молекули воде због присуства водоничних веза збијени више него што би се могло очекивати, потребно је више енергије да се ови молекули одвоје једни од других него што бисмо претпоставили. То значи да вода има знатно вишу температуру кључања у односу на сличне супстанце. На пример, водоник-сулфид (H2S), који уместо кисеоника има сумпор, нема могућност да гради водоничне везе, јер не постоји довољно велика разлика у расподели електрона. Дакле, иако су ова два молекула истог облика (оба су савијена), неће имати исту тачку кључања, јер ће вода бити стабилизована водоничним везама и моћи да издржи у течном стању до температуре од 100 степени, док је тачка кључања водоник-сулфида на чак -60 степени!
Овакве разлике постоје и код температуре топљења: док вода прелази у лед на 0 степени, чврсти водоник сулфид се формира на 85 степени испод нуле. Приметићете и да течна вода постоји у интервалу од 100 степени Целзијусове скале, док је водоник-сулфид течан у четвороструко мањем распону, а све је то последица управо малих, наизглед безначајних интеракција.
Кад смо већ код температуре, могли бисмо да се мислима упутимо у кухињу и ставимо шерпу са водом на шпорет како бисмо скували себи ручак или кафу. Након два минута на јакој ватри, приметићемо да је шерпа веома врућа, па ћемо проверити температуру воде у њој… и разочарати се.
Следећи пут када се будете жалили како је води потребно сто година да проври, саркастично се захвалите водоничним везама. Вода због својих изузетних структурних одлика има изузетно висок топлотни капацитет, што значи да је потребно уложити много енергије како би се одређена количина воде загрејала. Другим речима, вода може да прихвати велику количину топлоте, а да притом не промени значајно своју температуру, па тако долазимо до чињенице да се вода споро греје и споро хлади, коју сте вероватно чули на часовима географије.
Изузетан топлотни капацитет воде је чини битним играчем у процесу климатских промена. Наиме, светски океан апсорбује чак 90% топлотне енергије која је заробљена на Земљи због ефекта стаклене баште, а температурне промене на копну су много драстичније иако се на њега спустила тек једна десетина топлоте. Наравно, то не значи да не може доћи до загревања океана, већ само да се то загревање дешава знатно спорије него загревање копна. Чињеница да смо Земљу довели у такво стање да је чак и загревање океана озбиљна претња говори о томе колико далеко досеже проблем климатских промена.
Вода је такође и изузетан растварач, управо због могућности да интерагује са околним молекулима. Што више могућности нека супстанца има да оствари интеракцију са водом (пре свега водоничну везу, али и неке друге интеракције које постоје између молекула са делимично или потпуно раздвојеним наелектрисањем), то ће се она боље у њој растварати.
Шећер, на пример, може интераговати са великим бројем молекула воде око себе, па се самим тим одлично раствара у води (чак око пет пута боље него со!). За њега можемо рећи да је хидрофилан („воли воду”). Са друге стране, интеракције које уља граде са водом су значајно слабије него интеракције воде са околним молекулима воде, па зато можемо видети масне капљице, а касније и два потпуно одвојена слоја када помешамо воду и уље, као да је вода „изгурала” молекуле уља јер није могла лепо да интерагује са њима. Уља су, дакле, хидрофобна („плаше се воде”) и не растварају се у води.
Када говоримо о води као растварачу, треба да будемо пажљиви са употребом одређених термина. Веома је важно напоменути да вода није универзални растварач, јер би то значило да има могућност да раствара све супстанце (па и хидрофобне), што би значило да би се пре или касније било који суд у којем држимо воду растворио, а знамо и сами да се чаши неће ништа десити уколико у њој остане мало воде преко ноћи.
Остало нам је још да сазнамо зашто је постојање воде неопходно за опстанак живог света, односно зашто први облици живота нису изумрли са првим смањењем температуре.
Време је да причамо о леду.
На слици изнад можете видети структуру воде (лево) и леда (десно). Јасно је уочљиво да је структура леда правилнија, што би се и очекивало од супстанце која се налази у чврстом стању, али се такође може видети и нешто веома необично.
Лед није гушћи од воде.
Очекивало би се да супстанца у чврстом агрегатном стању буде „гушће напакована” од своје течне варијанте. Међутим, вода из неког разлога не прати ово правило, а разлог се, као и обично, крије у водоничним везама.
Када је вода у течном стању, сваки молекул интерагује са околним молекулима, али се такође и креће релативно независно од осталих. То значи да се водоничне везе стално граде и раскидају, па се њихов број константно мења за сваки молекул воде. Према неким проценама, просечан број водоничних веза по молекулу воде је свега око 2,36 (од могућих 4) на собној температури, мада овај број варира у зависности од модела који се користи за израчунавање. Са друге стране, код леда је ситуација таква да велика већина молекула око себе има 4 водоничне везе, јер нижа температура значи да молекули имају мање енергије за кретање, па се самим тим водоничне везе „боље држе”.
Због правилнијег распореда водоничних веза и кристалне структуре леда, молекули воде се налазе даље једни од других него што би били да је у питању течна вода, па самим тим иста количина воде заузима већу запремину када је у чврстом стању.
Последица ове појаве јесте то што лед плута на површини воде. Када то не би био случај, мора и океани би могли бити потпуно замрзнути на довољно ниској температури, као што се то дешава веома плитким барицама зими. Међутим, због постојања водоничних веза, на површини великих водених маса се ствара слој леда који се ту задржава и служи као делимична изолација дубљим слојевима воде, па дно мора не бива замрзнуто у условима климе на Земљи.
Као што можемо видети, вода има велики број специфичних одлика које је чине јединственом у хемијском смислу. Постоје, наравно, супстанце сличне води по једном или више критеријума (водоник-сулфид је савијен, етанол може градити водоничне везе), али ниједна од њих не поседује сва невероватна својства која вода има.
Структура воде је била кључна за настанак живота на Земљи, како због могућности растварања тако и због температурног опсега у којем се може наћи у течном стању и изразите стабилности када је у питању одржавање температуре. Сви ови разлози наводе нас да претпоставимо да, ако живот ван наше планете постоји, можемо да га нађемо на месту где има воде у течном агрегатном стању.
Међутим, ако сте мислили да је ово све чиме вода може да се похвали, преварили сте се. Интеракције воде са околним молекулима доводе до капиларних појава, главног кривца за постојање дрвећа, о чему ћемо детаљније причати у сутрашњем тексту.
Напомена: како би текст био што једноставнији и доступнији већем броју читалаца, изостављени су одређени технички термини, попут електронегативности и диполног момента. Док су ове дефиниције присутне у готово сваком тексту о води, овај текст има за циљ разумевање особина воде на интуитивном нивоу, а не таксативно навођење појмова. Уколико имате питања у вези са било којим појмом или појавом обрађеном у тексту, можете нам их послати путем контакт форме или их оставити у коментарима, након чега ћемо вам радо доставити сва техничка објашњења и литературу, уколико је потребно.
Извор: Brini, E., Fennell, C. J., Fernandez-Serra, M., Hribar-Lee, B., Luksic, M., & Dill, K. A. (2017). How water’s properties are encoded in its molecular structure and energies. Chemical reviews, 117(19), 12385-12414.
