Nước, cũng giống như các vật chất khác, có thể tồn tại ở 3 thể: rắn, lỏng, khí. Nước ở thể lỏng là môi trường bắt nguồn sự sống trên trái đất, và trong nước thì sự sống đã phát triển
nên từ những tỉ năm đầu tiên. Trong đoạn này, chúng ta sẽ tìm hiểu tại sao cấu trúc và tương tác giữa các phân tử nước lạI làm nước trở thành nhân tố chính của cuộc sống.
Nước có cấu trúc và tính chất đặc biệt duy nhất
Phân tử nước H2O, có một nét đặc trưng duy nhất. Như chúng ta đã đề câp ở đoạn trước thì nước là một phân tử phân cực do các liên kết hydrogen. Thêm nữa, hình dạng của phân tử nước là tứ diện. Bốn cặp điện tử nằm ngoài lớp vỏ liên kết với một điện tử của phân tử nước khác, và tạo nên cấu trúc tứ diện .
Nét đặc trưng hoá học đó giải thích một vài tính chất đặc biệt của nước, như khả năng của nước đã nổi trên mặt nước, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đóng băng của nước , khả năng của nước bảo quản nóng và khả năng nhỏ giọt của nước. Các tính chất này được nói đên chi tiết ngay sau đây.
2.16 Hydrogen Bonds Hold Water Molecules Together Hydrogen bonding exists between the molecules of water in both its liquid and solid states.
• Băng trôi: Ở trạng thái rắn, phân tử nước riêng biệt được giử tạI các vị trí do các liên kết hydrogen, tạo ra cấu trúc rắn và tinh thể trong đó một phân tử nước liên kết vớI 4 phân tử nước khác ( hình 2.16a). Mặc dù các phân tử được giữ vững chắc tạI chỗ, nhưng nó vẫn không nhồI nhét một cách chặt chẽ như ở trạng thái lỏng ( hình 2.16b). Nói cách khác, nước đá không nặng bằng nước ở thể lỏng, vì thế đá có thể nổi trên nước.
Nếu đá được tạo thành trong nước, gíống như tất cả các phân tử rắn khác khi biến thành thể lỏng, các biển và hồ nước có thể đóng băng từ phia trên, trở thành khối nước rắn trong mùa đông và tiêu diệt tất cả vi sinh vật sống trong đó. Khi mà toàn bộ mặt biển bị đóng băng, nhiệt độ của nó có thể giảm xuông dưới nhiệt độ điểm đóng băng. Tuy nhiên, bởi vì đá thì nổi trên nước nên hình dạng của nó có một lớp bảo vệ trên bề mặt biển, giảm nhiệt độ nước chảy vào không khí lạnh ở phía trên. Vì vây, các loài cá, thực vật và các cơ thể sống khác trong biển không bị ảnh hưởng bởI nhiệt độ thấp hơn 0°C, nhiệt độ đóng
băng của nước. Phát hiện gần đây về nước lỏng ở phái dưới băng cực trên sao Hoả cho phép suy đoán là cuộc sống có thể tồn tạI trong môi trường đó.
• Sự nóng chảy và đóng băng:Nước là máy điều tiết khi nhiệt độ thay đổi. So sánh giữa các thể khác nhau có cùng thể tích, thì phần tử nước đá cần có một năng lượng lớn để có thể tan chảy. Để tan chảy 1mol (6,02x1023 nguyên tử, số lượng chuẩn, xem trang 28) nước cần cung cấp một năng lượng 5,9 kj. Giá trị này khá cao vì cần cắt đứt liên kết hydrogen để nước chuyển từ thể rắn sang lỏng. Quá trình ngược lại là đóng băng, một phần lớn năng lượng bị mất đi khi mà nước chuyển từ thể lỏng sang rắn.
• Sự lưu kho nóng: nước góp phần cho sự ổn đinh nhiệt một cách đáng kinh ngạc ở trong các đại dưong và các hồ nước lớn trong nhiều năm trời. Sự thay đổi nhiệt độ ở các vùng ven biển cũng được điều hoà bởi một lượng lớn nước. Thực ra nước giúp cho việc thay đổi ít nhất nhiệt độ khí quyển trên trái đất.
• Sự điều hoà này là do nước có nhiệt dung lớn. Tỉ nhiệt của một chất được tính bằng năng lượng nhiệt cần thiết để làm 1g chất đó tăng thêm 1°C. Sự tăng nhiệt độ của nước lỏng cần một lượng nhiệt lớn để phá vỡ liên kết hydrogen. So sánh với các phân tử nhỏ chất lỏng khác thì nước có tỉ nhiệt lớn nhất.
• Sự bay hơi và làm mát: Nước có nhiệt hóa hơi cao, có nghĩa là cần lượng nhiệt lớn để nước có thể chuyển nước từ trạng thái lỏng sang khí (qúa trình bay hơi).
Một lần nữa, phần lớn năng lượng là để cắt liên kết hydrogen của nước. Lượng nhiệt này cần được hấp thu từ môi trường tiếp xúc với nước. Như vậy thì sự bay hơi có tác dụng làm mát môi trường như lá cây, rừng, hay toàn bộ các vùng đất rộng lớn. Hiệu ứng này giải thích tại sao mà con người lại đổ mồ hôi ra ngoài da, nó diễn ra khi nhiệt độ cơ thể tăng cao.
• Sự dính kết và sức căng bề mặt: Trong nước ở thể lỏng, mỗI phân tử nước đơn có khả năng tự do dao động. Các liên kết hydrogen giữa các phân tử liên tục được hình thành và phá vỡ. Nói cách khác, nước lỏng có một cấu trúc năng động. Kết quả là mỗI một phân tử nước hình thành nên 3,4 liên kết hydrogen với các phân tử khác. Số lượng đó thường là không nhiều ở nước đá, nhưng nó cũng khá cao. Liên kết hydrogen giải thích sự dính kết cao của nước lỏng. Cường độ dính kết cho phép một cách giới hạn sự căng ra của cột nước từ gốc cây đến lá có khi đến hàng trăm mét.
Khi nước bay hơi từ lá cây. Toàn bộ cột nước di chuyển lên trên để đẩy các phân tử lên cao.
Nước cũng có sức căng bề mặt lớn, điều đó có nghĩa là bề mặt của nước lỏng tiếp xúc với không khí thì khó đâm thủng được màng nước. Các phân tử nước ở lớp bề măt này liên kết với các phân tử ở lớp dưới nhờ liên kết hydrogen. Sức căng bề mặt của nước cho phép dụng cụ chứa nước có thể chứa nước ở một mức nhất định phiá trên mặt dụng cụ mà không bị tràn ra, và điều đó cho phép các động vật nhỏ đi trên mặt nước (hình 2.17)
2.17 Surface Tension Water striders “skate” along, supported by the surface tension of the water that is their home.
Nước - Dung môi của cuộc sống
Cơ thể sinh vật có tới 70% là nước., Ngoại trừ các vật liệu như là xương có chứa rất it nước, thì các bộ phận khác trong cơ thể đều chứa rất nhiều nước. Nhiều phản ứng phân giải cơ chất trong cơ thể phải được thực hiện trong môi trường nước. Một quá trình hoà tan khi một chất(chất tan) vào một chất lỏng (dung môi) như là nước thì tạo thành một dung dịch. Nhiêu phân tử quan trọng trong hệ thống sinh học là có cực,như các phân tử protein, đường vv...nên chúng cũng có thể hoà tan trong nước. Phân tích phẩn ứng trong dung dịch nước có thể được chia làm hai hướng:
-phân tích định tính giúp ta xác định được thành phần các cháttan trong dung môi và những chất do phản ứng hoá học trong dung môi tạo ra. Phân tích định tính là một vấn đề đuợc đề cập nhiều trong vài chương tới.
-Phân tích định lượng đo nồng độ, hoặc là khôi lượng của một chất trong khối lượng của dung dịch. Theo những thông tin mà ta đo được có thể định luợng được chất hoá học chúng ta cần kiểm tra.
Quy tắc để định lượng trong sinh học cũng như trong hoá học là nộng độ phân tử gam, một phân tử gam là khối lượng của một ion hay hợp chất ( tính bằng gram) khối lượng phân tử đánh giá mức độ của phân tử. Ví dụ một phân tử đường có công thức là (C12 H22 O11 ) thì có khối lượng là 342 gram.
Mục đích khác của phân tích khối lựợng đó là nghiên cứu con số chính xác của các phân tử trong dung dịch. Nhưng nó không thể xác định khối lượng của các phân tử một các trức tiếp, Thay vào đó, hoá học sử dụng hằng số trung gian để tính khối lượng của của các chất từ số phân tử chứa trong chất đó. Hằng số này gọi là hằng số Avogadro bằng 6.02. 1023 là số phân tử chứa một phân tử gam chất. Một phân tử có giá tị được chấp nhận là 12 gram, ta có thể hiểu theo cách này thì khi một bác sĩ tiêm một nồng độ phân tử gam xác định vào máu của bệnh nhân, thì bằng phương pháp tính toán thô, có thể tính
toán được số phân tử thuốc mà chúng sẽ tương tác với những tế bào của bệnh nhân. Cũng theo cách này, chất hoá học có thể hoà tan một phân tử gam của đừơng trong dung dịch nước làm thành một lit dung dịch,một mol chất có 6.02.10 23 phân tử do đó trong một lit nước cũng có số phân tử là 6.02.10 23 .Người ta gọi dung dịch của một mol của chất tan trong một lit dung môi nước được gọi là 1 nồng độ molit (1M).Tuy nhiên trong các mô sống nồng độ của các chất tan là rất nhỏ có thể không đến một molar vì thế chúng được tớnh ở những đơn cị nhỏ hơn như mM và àM . một Mm bằng 1/1000 M và àM bằng 1/1000mM