Właściwości wody jako rozpuszczalnika

Czy życie podarowało Ci kiedyś cytryny? Jeśli tak, to bez wątpienia poszedłeś za starym przysłowiem i zrobiłeś lemoniadę - oczywiście z dużą ilością cukru! Jeśli zmieszałeś cukier z lemoniadą (lub herbatą lub innym napojem na bazie wody) i obserwowałeś, jak się rozpuszcza, to już widziałeś właściwości wody jako rozpuszczalnika w akcji. Rozpuszczalnik to po prostu substancja, w której mogą rozpuszczać się inne cząsteczki i związki, które są znane jako substancje rozpuszczone. Jednorodna mieszanina rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej nazywa się roztworem, a większość chemii życia ma miejsce w roztworach wodnych lub roztworach z wodą jako rozpuszczalnikiem.

Ze względu na polarność i zdolność do tworzenia wiązań wodorowych, woda jest doskonałym rozpuszczalnikiem, co oznacza, że mogą się w niej rozpuszczać różne rodzaje cząsteczek. Większość ważnych dla życia reakcji chemicznych zachodzi w środowisku wodnym wewnątrz komórek, a zdolność wody do rozpuszczania wielu różnych cząsteczek ma kluczowe znaczenie dla umożliwienia zachodzenia tych reakcji chemicznych.

Dzięki zdolności do rozpuszczania szerokiej gamy substancji, woda jest czasami nazywana „uniwersalnym rozpuszczalnikiem”. Jednak ta nazwa nie jest do końca odpowiednia, ponieważ niektóre substancje (takie jak oleje) nie rozpuszczają się dobrze w wodzie. Ogólnie rzecz biorąc, w wodzie dobrze rozpuszczają się jony i cząsteczki polarne, ale słabo rozpuszczają się cząsteczki niepolarne. (Cząsteczka polarna to taka, która jest neutralna lub nie posiada ładunku, ale ma asymetryczny wewnętrzny rozkład ładunku, co prowadzi do regionów cząstkowo dodatnich i cząstkowo ujemnych.)

Ze względu na polarność własnych cząsteczek, woda inaczej oddziałuje z substancjami posiadającymi ładunek i polarnymi niż z substancjami niepolarnymi. Cząsteczki wody są polarne, z cząstkowymi ładunkami dodatnimi na wodorze i cząstkowymi ładunkami ujemnymi na tlenie, mają zgiętą ogólną strukturę. Nierównomierny rozkład ładunku w cząsteczce wody odzwierciedla większą elektroujemność tlenu w stosunku do wodoru: wspólne elektrony wiązań O-H spędzają więcej czasu z atomem O niż z atomami H. Na poniższym schemacie cząstkowe dodatnie i cząstkowe ujemne ładunki cząsteczki wody są oznaczone odpowiednio przez symbole δ${}^{+}$‍ and δ${}^{-}$‍.

Dzięki temu, że woda jest polarna, może brać udział w oddziaływaniach elektrostatycznych (przyciąganie zależne od ładunku) z innymi cząsteczkami polarnymi i jonami. Cząsteczki polarne i jony oddziałują z cząstkowo dodatnimi i cząstkowo ujemnymi końcami wody, przy czym ładunki dodatnie przyciągają ładunki ujemne (podobnie jak końce + i - magnesów). W sytuacji, gdy jest wiele cząsteczek wody w stosunku do cząsteczek substancji rozpuszczonej, jak w roztworze wodnym, interakcje te prowadzą do utworzenia trójwymiarowej kuli z cząsteczek wody zwanej powłoką hydratacyjną wokół substancji rozpuszczonej. Powłoki hydratacyjne umożliwiają równomierne rozproszenie (rozłożenie) cząstek w wodzie.

W jaki sposób tworzenie się powłoki hydratacyjnej powoduje rozpuszczenie substancji rozpuszczonej? Jako przykład rozważmy, co dzieje się ze związkiem jonowym, takim jak sól kuchenna (NaCl), gdy jest dodawany do wody.

Jeśli zmieszasz sól kuchenną z wodą, kryształki NaCl zaczną dysocjować do jonów Na${}^{+}$‍ i Cl${}^{-}$‍. (Dysocjacja to nazwa procesu, w którym związek lub cząsteczka rozpada się tworząc jony.) Cząsteczki wody tworzą powłoki hydratacyjne wokół jonów: dodatnio naładowane jony Na${}^{+}$‍ są otoczone cząstkowymi ładunkami ujemnymi z końca z tlenem z cząsteczek wody, podczas gdy ujemnie naładowane jony Cl${}^{-}$‍ są otoczone cząstkowymi ładunkami dodatnimi z końców z wodorami. W trakcie procesu wszystkie jony z kryształków soli kuchennej są otoczone powłokami hydratacyjnymi i rozproszone w roztworze.

Cząsteczki niepolarne, takie jak tłuszcze i oleje, nie wchodzą w interakcje z wodą, nie tworzą się też wokół nich powłoki hydratacyjne. Cząsteczki te nie mają obszarów cząstkowo dodatniego lub cząstkowo ujemnego ładunku, więc nie są przyciągane elektrostatycznie do cząsteczek wody. Zatem zamiast się rozpuszczać po dodaniu do wody, substancje niepolarne (takie jak oleje) pozostają osobno i tworzą warstwy lub kropelki.