Свойства на водата като разтворител

Животът давал ли ти е лимони? Ако да, без съмнение ти последва старата поговорка и си направи лимонада – включваща, разбира се, много захар! Ако ти се е случвало да разбъркаш захар в лимонадата (или в чай, или в която и да е друга напитка на водна основа) и да я гледаш как се разтваря, тогава вече познаваш свойствата на водата като разтворител в действие. Разтворител просто е вещество, което може да разтвори други молекули и съединения, които наричаме разтворени вещества. Хомогенна смес от разтворител и разтворено вещество се нарича разтвор и голяма част от химичните процеси в живите организми се осъществяват във водни разтвори или разтвори, в които водата е разтворител.

Поради своята полярност и способност да образува водородни връзки водата е чудесен разтворител, което означава, че може да разтвори много различни видове вещества. Повечето от химичните реакции, важни за живота, се осъществяват във водна среда във вътрешността на клетките и способността на водата да разтваря голямо разнообразие от вещества е ключът, който позволява на тези реакции да протекат.

Заради способността си да разтваря голямо разнообразие от вещества водата понякога се нарича "универсален разтворител." Но това име не е напълно точно, понеже има някои вещества (като маслата), които не се разтварят добре във вода. В общия случай водата е добър разтворител на йони и полярни молекули, но не разтваря добре неполярни молекули. (Полярна молекула е такава, която е неутрална, или незаредена, но има асиметрично вътрешно разпределение на заряда, което води до частично положителни и частично отрицателни области.)

Водата взаимодейства по различен начин със заредени и полярни вещества в сравнение с неполярни вещества поради полярността на собствените ѝ молекули. Водните молекули са полярни, като водородните атоми са с частично положителни заряди, а кислородът е с частично отрицателен заряд и цялостната структура на молекулата е извита. Неравномерното разпределение на заряда в една водна молекула е резултат от по-голямата електроотрицателност, или алчност за електрони, на кислорода в сравнение с водорода: споделените електрони на О-Н връзките прекарват повече време при О атом, отколкото при Н-те атоми. В изображението по-долу частично положителният и частично отрицателният заряд на една водна молекула са представени съответно от символите δ${}^{+}$‍ и δ${}^{-}$‍.

Поради полярността си водата може да участва в електростатични взаимодействия (взаимодействия, основани на привличания) с други полярни молекули и йони. Полярните молекули и йони взаимодействат с частично положителния и частично отрицателния край на водната молекула, като положителните заряди привличат отрицателни заряди (точно както + и - полюсите на магнитите). Когато количеството водни молекули е по-голямо от това на молекулите на разтвореното вещество, както се случва във воден разтвор, тези взаимодействия водят до образуване на триизмерна сфера от водни молекули, или водна обвивка, около молекулите на разтвореното вещество. Водните обвивки позволяват на частиците да бъдат разпределени равномерно във водата.

Как образуването на водна обвивка води до разтварянето на дадено разтворено вещество? Като пример да разгледаме какво се случва с едно йонно съединение като трапезната сол (NaCl), когато е добавено към вода.

Ако разбъркаш трапезна сол във вода, кристалната решетка на NaCl ще започне да се дисоциира на Na${}^{+}$‍ и Cl${}^{-}$‍ йони. (Дисоциация е просто име за процеса, при който едно съединение или молекула се разгражда, за да образува йони.) Водните молекули образуват водни обвивки около йоните: положително заредените Na${}^{+}$‍ йони са оградени от частично отрицателни заряди от кислородните краища на водните молекули, докато отрицателно заредените Cl${}^{-}$‍ йони са оградени от частично положителните заряди от водородните краища. Докато процесът продължава, всички йони в кристалите на трапезната сол се ограждат от водни обвивки и се разпръскват в разтвора.

Неполярните молекули, напр. мазнини и масла, не взаимодействат добре с вода и не формират водни обвивки. Тези молекули нямат области на частично положителен или частично отрицателен заряд, така че не се привличат електростатично от водните молекули. Следователно, вместо да се разтворят, неполярните вещества (като масла) остават отделни и образуват слоеве или капки, когато биват добавени към вода.