How big is Cząsteczka wody?

Cząsteczka wody to najmniejsza jednostka wody: jeden atom tlenu połączony z dwoma atomami wodoru, co zapisuje się H₂O. Ma około 0,28 nanometra (280 pikometrów) szerokości. Szerokość ta oznacza miejsce, jakie jedna cząsteczka zajmuje wśród sąsiednich cząsteczek. Nanometr to miliardowa część metra, a pikometr to tysięczna część nanometra.

Rozmiar

Cząsteczka nie ma twardej powierzchni zewnętrznej. Jej elektrony tworzą chmurę, która stopniowo rzednie, więc rozmiar zależy od sposobu pomiaru.

Środki trzech atomów cząsteczki leżą blisko siebie. Każdy atom wodoru znajduje się około 0,096 nanometra od atomu tlenu, a oba wiązania tworzą kąt około 104,5 stopnia. Ten kąt nadaje cząsteczce kształt kątowy, a oba atomy wodoru dzieli około 0,15 nanometra.

Chmura elektronowa sięga poza środki atomów, więc każda cząsteczka zajmuje więcej miejsca. Naukowcy często szacują rozmiar cząsteczki wody na podstawie tego, jak ciasno cząsteczki wody układają się obok siebie. W ciekłej wodzie pomiary z użyciem promieni rentgenowskich wskazują, że środki sąsiednich cząsteczek dzieli 0,280 nanometra. Podręcznikowe oszacowanie, oparte na liczbie cząsteczek mieszczących się w litrze wody, daje w przybliżeniu 0,3 nanometra.

Porównania rozmiarów

Około 290 000–360 000 cząsteczek wody ułożonych obok siebie zmieściłoby się na szerokości ludzkiego włosa, który ma 0,08–0,1 milimetra szerokości.
Gdyby cząsteczkę wody powiększyć do rozmiarów piłki tenisowej, ludzki włos o szerokości 0,1 milimetra miałby szerokość około 24 kilometrów.
Atom cezu, jeden z największych atomów, ma około 0,5 nanometra średnicy, czyli nieco mniej niż dwukrotność szerokości cząsteczki wody.

Dlaczego cząsteczki wody trzymają się razem

Tlen silniej przyciąga wspólne elektrony niż wodór. Dlatego elektrony w cząsteczce wody spędzają więcej czasu blisko atomu tlenu. Daje to końcowi z tlenem niewielki ładunek ujemny, a końcom z wodorem niewielki ładunek dodatni. Cząsteczkę z tak rozdzielonymi ładunkami nazywa się polarną.

Ładunki przeciwne przyciągają się, więc każda cząsteczka wody przyciąga sąsiednie. Te oddziaływania nazywa się wiązaniami wodorowymi. Utrzymują one cząsteczki wody razem na powierzchni cieczy, co nadaje wodzie napięcie powierzchniowe. To dlatego woda na suchej powierzchni tworzy krople, zamiast rozlewać się płasko.

Jak woda dostaje się do komórek

Woda szybko przechodzi przez błony otaczające wiele komórek dzięki kanałom białkowym zwanym akwaporynami. Peter Agre wraz ze współpracownikami zidentyfikował pierwszą z nich w błonach ludzkich czerwonych krwinek, a każda czerwona krwinka ma ich około 200 000. Agre otrzymał część Nagrody Nobla w dziedzinie chemii z 2003 roku za odkrycie kanałów wodnych.

W najwęższym miejscu kanał ma 0,28 nanometra szerokości, czyli mniej więcej tyle, ile pojedyncza cząsteczka wody. Dlatego cząsteczki wody przechodzą przez niego pojedynczo, jedna za drugą, około 3 miliardów co sekundę przez każdy kanał. Wąski otwór i ładunek elektryczny wewnątrz kanału zawracają protony, czyli naładowane cząstki, które sprawiają, że ciecz jest kwaśna. W nerkach akwaporyny pomagają odzyskać 99% wody odfiltrowanej z krwi.