ΟΜΟΙΟΠΟΛΙΚΟΙ ΔΕΣΜΟΣ -
ΔΕΣΜΟΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ

Ο σχηματισμός του μορίου του νερού (H₂O)μπορεί να εξηγηθεί με βάση την ηλεκτρονιακή του δομή. Καθένα από τα δύο άτομα του υδρογόνου έχει ένα ηλεκτρόνιο (1e^-) .στην εξωτερική του στιβάδα (Κ). Το άτομο του οξυγόνου έχει έξι ηλεκτρόνια (6e^-) στην εξωτερική του στιβάδα (L), η οποία χρειάζεται οκτώ ηλεκτρόνια (8e^-), για να είναι συμπληρωμένη. Όταν τα άτομα αυτά συνδυαστούν για τη συγκρότηση ενός μορίου νερού, έχουμε αμοιβαία συνεισφορά ηλεκτρονίων της εξωτερικής τους στιβάδας. Σχηματίζονται έτσι ζεύγη ηλεκτρονίων, που ανήκουν ταυτόχρονα και στα δύο άτομα.

Με τον τρόπο αυτό το άτομο του οξυγόνου συμπληρώνει την εξωτερική του στιβάδα με 8e^-, ενώ κάθε άτομο υδρογόνου συμπληρώνει τη δική του (Κ στιβάδα) με 2e^-. Ο τρόπος αυτός σύνδεσης των ατόμων, με αμοιβαία συνεισφορά ηλεκτρονίων, λέγεται ομοιοπολικός δεσμός.

Τα κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων έλκονται και από τους τρεις πυρήνες. Επειδή όμως ο πυρήνας του οξυγόνου, λόγω των περισσότερων πρωτονίων, έλκει πιο ισχυρά τα ζεύγη των ηλεκτρονίων, το άτομο αποκτά αρνητικό φορτίο (δ^-). Αντίστοιχα, τα άτομα του υδρογόνου αποκτούν θετικό φορτίο(δ⁺). Αυτό έχει ως συνέπεια να εμφανίζονται στο μόριο του νερού δύο πόλοι ή, με άλλα λόγια, το μόριο του νερού να συμπεριφέρεται ως ηλεκτρικό δίπολο.

Σχηματισμός του μορίου του νερού.

ΝΕΡΟ:
ΔΙΑΔΕΔΟΜΕΝΟ ΚΑΙ ΙΔΙΟΡΡΥΘΜΟ

Νερό, τo πιο διαδεδομένο υγρό του πλανήτη μας. Υπάρχει στα ποτάμια και «τρέχει» να συναντήσει τη θάλασσα, παίρνοντας κάποιες φορές τη μορφή καταρράκτη.

Κάθε προσπάθεια των επιστημόνων να ανακαλύψουν αν υπάρχει ζωή σε έναν πλανήτη ξεκινά από το ερώτημα αν ο πλανήτης αυτός έχει νερό. Το γεγονός ότι το ερώτημα αυτό τίθεται πριν από κάθε άλλο αντανακλά την απλή αλήθεια ότι η ζωή, τουλάχιστον όπως τη γνωρίζουμε, δε θα μπορούσε να δημιουργηθεί και να διατηρηθεί χωρίς την ύπαρξη νερού.

Για ποιους λόγους όμως αυτό το μικρό μόριο έχει τόσο μεγάλη σημασία; Το νερό, αν και είναι το πιο διαδεδομένο υγρό του πλανήτη (τα 3/4 του πλανήτη μας καλύπτονται από νερό), είναι ταυτόχρονα και το πιο ιδιόρρυθμο. Στις ιδιόρρυθμες μάλιστα φυσικοχημικές ιδιότητες του, που είναι συνέπεια της πολικότητας και της ικανότητας των μορίων του να συνδέονται με δεσμούς υδρογόνου, κρύβεται η μεγάλη βιολογική σημασία του.

Ποιες είναι λοιπόν οι ιδιότητες του νερού που το καθιστούν συστατικό αναπόσπαστα συνδεδεμένο με τη ζωή ;

2. Αναπτύσσει ισχυρές δυνάμεις συνοχής και συνάφειας και έχει μεγάλη επιφανειακή τάση.

Αν αφήσεις με προσοχή ένα ξυραφάκι στην ελεύθερη επιφάνεια ενός ποτηριού με νερό, θα παρατηρήσεις ότι αυτό επιπλέει. Μπορείς επίσης εύκολα να διαπιστώσεις ότι δύο αντικειμενοφόρες πλάκες ανάμεσα στις οποίες έχει παρεμβληθεί νερό δύσκολα αποχωρίζονται. Τα δύο αυτά φαινόμενα είναι αποτέλεσμα των ισχυρών δυνάμεων που ασκούνται μεταξύ των μορίων του νερού. Οι ίδιες δυνάμεις εμφανίζονται και μεταξύ των μορίων του νερού και μορίων άλλων χημικών ενώσεων, που έχουν υδρόφιλο χαρακτήρα.

Πράγματι τα μόρια του νερού, χάρη στον πολικό χαρακτήρα τους, έλκονται μεταξύ τους με ισχυρές δυνάμεις, που ονομάζονται δυνάμεις συνοχής. Λόγω των σχετικά ισχυρών δυνάμεων συνοχής το νερό ανθίσταται στην παραμόρφωση της ελεύθερης επιφάνειάς του, δηλαδή παρουσιάζει μεγάλη επιφανειακή τάση. Η μεγάλη επιφανειακή τάση του νερού εξηγεί το γεγονός ότι μερικά έντομα περπατούν στην επιφάνειά του χωρίς να βυθίζονται.

Οι δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ των μορίων του νερού και των μορίων άλλων σωμάτων (π.χ. νερό - γυαλί) λέγονται δυνάμεις συνάφειας. Χάρη σ' αυτές διατηρούνται υγρές οι επιφάνειες των κυτταρικών μεμβρανών, τα σπέρματα απορροφούν νερό και βλαστάνουν κ.ά. Με το συνδυασμό των δυνάμεων συνοχής' και συνάφειας (τριχοειδή φαινόμενα) επιτυγχάνεται η ανύψωση του νερού από τη ρίζα στο βλαστό και στα φύλλα των φυτών.

3. Έχει μεγαλύτερη πυκνότητα στην υγρή απ' όση στη στερεή κατάσταση.

Όλα τα υγρά παρουσιάζουν ελάττωση του όγκου τους με την ψύξη. Το νερό όμως παρουσιάζει μια ιδιαιτερότητα.

4. Έχει μεγάλη διαλυτική ικανότητα.

Μια από τις ανεπιτυχείς προσπάθειες των αλχημιστών του Μεσαίωνα ήταν η ανακάλυψη ενός διαλύτη ικανού να διαλύει όλες τις υπάρχουσες ουσίες. Οι προσπάθειες αυτές ποτέ δε στέφθηκαν με επιτυχία. Έμεινε ωστόσο η γνώση ότι το νερό, αν και δεν είναι ο απόλυτος διαλύτης, μπορεί να διαλύσει ένα πλήθος διαφορετικών ουσιών.

Χημικές ενώσεις του κυττάρου, όπως τα λιπίδια, που δε διαλύονται στο νερό (μη πολικές ενώσεις), επειδή έχουν την τάση να απομακρύνονται από τα μόρια του νερού και να συσσωματώνονται μεταξύ τους, χαρακτηρίζονται ως υδρόφοβες ενώσεις. Όπως θα δούμε αργότερα, η τάση αυτή είναι σημαντική για το σχηματισμό των βιολογικών μεμβρανών.

Το νερό, χάρη στη μεγάλη διαλυτική του ικανότητα, αποτελεί ένα εξαιρετικό μέσο μεταφοράς ουσιών στο κυκλοφορικό και στο απεκκριτικό σύστημα των ζώων και στους αγωγούς ιστούς των φυτών. Παράλληλα όμως διευκολύνει τη διεξαγωγή των χημικών αντιδράσεων, διότι οι ουσίες που βρίσκονται σε διάλυμα κινούνται περισσότερο ελεύθερα απ' όσο σε στερεά κατάσταση. Η κίνηση αυτή εξασφαλίζει μεγαλύτερη χημική δραστικότητα.

5. Διίσταται σε ιόντα.

Ένα ακόμη χαρακτηριστικό του νερού, σημαντικό για τη ζωή, είναι η διάσταση του σε κατιόντα υδρογόνου Η⁺ και σε ανιόντα υδροξυλίου ΟΗ ^-, σύμφωνα με την εξίσωση (Η₂Ο ↔ Η⁺⁺ ΟΗ^-). Επειδή όμως η διάσταση του νερού σε ιόντα γίνεται ταυτόχρονα με την επανένωση των ιόντων σε μόρια νερού, ένας ελάχιστος αριθμός μορίων νερού (1 στα 554 εκατομμύρια μόρια) βρίσκεται πρακτικά σε διάσταση.

ΕΝΕΡΓΟΣ
ΟΞΥΤΗΤΑ (pΗ)

Ο όρος pΗ χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από το Δανό βιοχημικό S.P.L. Sorenson, στο πλαίσιο μιας ερευνάς του για καλύτερες συνθήκες ζύμωσης της μπίρας. Η οξύτητα ενός διαλύματος είναι το αποτέλεσμα των ελεύθερων ιόντων υδρογόνου (Η⁺). Η συγκέντρωση των ιόντων αυτών είναι συχνά πολύ χαμηλή. Το ξίδι, για παράδειγμα, έχει συγκέντρωση των ιόντων υδρογόνου 0.001 mol.dm^-3. Ο Sorenson σκέφτηκε ότι το 0.001 μπορεί να γραφεί ως 10^-3 και το 0.00000000000001 ως 10^-14. Στη συνέχεια, για ευκολία, επειδή οι αριθμοί αυτοί είναι δύσχρηστοι, αγνόησε το 10 και το μείον και κράτησε το 3 και το 14 αντίστοιχα.

ΔΙΑΧΥΣΗ

Αν σε ένα ποτήρι με νερό προστεθεί μια σταγόνα νερομπογιάς, σε λίγο όλη η ποσότητα του νερού θα είναι χρωματισμένη. Τι είναι αλήθεια αυτό που κάνει τα μόρια της νερομπογιάς να διασπείρονται σε όλο το ποτήρι;

Τα μόρια της νερομπογιάς, όπως όλα τα μόρια, βρίσκονται σε μια κατάσταση διαρκούς κίνησης, που είναι γνωστή ως θερμική κίνηση. Η μεμονωμένη κίνηση ενός μορίου νερομπογιάς είναι τυχαία. Το σύνολο όμως των μορίων της νερομπογιάς κατευθύνεται από την περιοχή υψηλής συγκέντρωσης προς την περιοχή όπου η συγκέντρωση

ΩΣΜΩΣΗ

Στο σωλήνα της εικόνας, του οποίου τα δύο μέρη χωρίζονται από μια ημιπερατή μεμβράνη, έχουν τοποθετηθεί, αριστερά, υδατικό διάλυμα σακχάρου και, δεξιά, καθαρό νερό. Η μεμβράνη, ενώ επιτρέπει τη διέλευση των μορίων του νερού, εμποδίζει τη διέλευση των μορίων του σακχάρου. Τα μόρια του νερού διαπερνούν τη μεμβράνη και διαχέονται από το αριστερό διάλυμα (είναι αραιότερο, επομένως αναλογικά περιέχει περισσότερα μόρια

ΑΣΘΕΝΕΙΣ ΕΤΕΡΟΠΟΛΙΚΟΙ ΔΕΣΜΟΙ ΣΤΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ

Δυνάμεις Van der Waals (Βαν ντερ Βαλς).

Γνωρίζουμε ότι τα e^- κινούνται γύρω από τον πυρήνα δημιουργώντας το ηλεκτρονικό νέφος. Σε άτομα ορισμένων στοιχείων, όπως τα αλογόνα, λόγω της κίνησης αυτής παρατηρείται προσωρινή συγκέντρωση τους σε μια περιοχή του ατόμου.

Το φαινόμενο αυτό έχει ως αποτέλεσμα ορισμένα άτομα αυτών των στοιχείων να μετατρέπονται σε παροδικά ηλεκτρικά δίπολα.

Τα δίπολα άτομα επάγουν τη δημιουργία και άλλων τέτοιων δίπολων σε γειτονικά τους άτομα.

Μεταξύ των δίπολων αναπτύσσονται ηλεκτρικές δυνάμεις, ελκτικές ή απωστικές. που ονομάζονται δυνάμεις Van der Waals (Βαν ντερ Βαλς). Τέτοιες δυνάμεις συμμετέχουν στη διαμόρφωση της τριτοταγούς δομής των πρωτεϊνών.