Marcin Błaszczyk Biologia I genetyka

1.2.1. Woda 
Podstawowym związkiem nieorganicznym występującym w organizmach 
żywych jest woda. Stanowi ona kilkadziesiąt procent masy tkanek 
człowieka (ok. 65%, od 20% w tkance kostnej do 85% w tkance 
mózgowej), u niektórych organizmów może stanowić powyżej 95% masy 
ciała. Jest niezbędna do zapewnienia środowiska reakcji chemicznych 
zachodzących w komórkach, do transportu substancji, jest też substratem 
i produktem wielu procesów metabolicznych. Większość pierwiastków 
i związków chemicznych w organizmach, dzięki obecności wody, 
występuje w formie jonów, co bardzo silnie wpływa na ich właściwości 
fizyczne i chemiczne.
Woda w warunkach normalnych (ciśnienie 1 atmosfery, temperatura 
0°C) jest cieczą. Jednak układ jej cząsteczek nie jest przypadkowy, 
tworzy się z nich struktura stabilizowana wiązaniami wodorowymi.
Dwa atomy wodoru tworzą z atomem tlenu kąt 104,45°. Ze względu 
na to i na dużo wyższą elektroujemność tlenu niż wodoru, w cząsteczce 
wody tworzą się bieguny obdarzone różnymi ładunkami elektrycznymi 
(w biegunie ujemnym – w okolicy atomu tlenu – statystycznie częściej 
"przebywają" elektrony), zatem cząsteczka wody ma budowę polarną – 
jest dipolem. 
Wiązanie wodorowe powstaje pomiędzy dwiema cząsteczkami 
zbudowanymi z atomów elektroujemnych i wodoru, będących stałymi 
dipolami elektrycznymi. Nie są to wiązania stabilne, wciąż ulegają 
zrywaniu i odtwarzaniu, co ok. 200 fs – femtosekund (10
-15
s), jednak 
wystarczające do stworzenia przestrzennej sieci. Jedna cząsteczka wody 
może utworzyć cztery wiązania wodorowe z innymi cząsteczkami. 

---

11 
Konsekwencje fizyczne istnienia tych wiązań oraz budowy polarnej 
cząsteczki wody są bardzo duże. Dzięki nim wytłumaczyć można 
charakterystyczne właściwości fizyczne wody: jej zdolność do 
rozpuszczania substancji, kohezję, adhezję, kapilarność, napięcie 
powierzchniowe itd. 
Polarna budowa wody powoduje, że wiele substancji łatwo się w niej 
rozpuszcza i/lub ulega dysocjacji elektrolitycznej. Jeśli cząsteczka (lub 
atom) obdarzona jest ładunkiem elektrycznym – jest jonem (kationem 
bądź anionem) – cząsteczki wody gromadzą się wokół niej, zbliżając się 
do niej biegunem o odwrotnej polaryzacji. Na przykład, jeśli w wodzie 
znajdzie się kation sodowy (Na
+
), zostanie otoczony cząsteczkami wody 
skierowanymi atomem tlenu (biegunem ujemnym) w jego stronę. 
Następnie otoczą je kolejne warstwy cząsteczek wody.
Jeśli cząsteczka substancji nie jest jonem, ale ma odpowiednią budowę 
– może zostać otoczona przez cząsteczki wody i rozerwana na kation 
i anion. Jest to zjawisko dysocjacji elektrolitycznej. 
Tendencja do zbliżania się cząsteczek wody do siebie dzięki 
wiązaniom wodorowym nosi nazwę kohezji. Dzięki tej sile występuje 
zjawisko napięcia powierzchniowego. Cząsteczki wody przyciągają się 
nawzajem, rozkład sił w takim układzie jest najbardziej stabilny, jeśli 
woda przyjmuje kształt o najmniejszej powierzchni kontaktu z innym 
ośrodkiem. Tak więc np. spadająca w powietrzu kropla wody przyjmuje 
kształt kuli (inny kształt miałby większą powierzchnię). Jeśli natomiast 
woda znajduje się w naczyniu - jej powierzchnia dąży do tego, aby być 
płaska, przeciwstawia się próbom odkształcenia. Dzięki temu na 
powierzchni wody można położyć drobne, cięższe od wody przedmioty; 
siły wiązań wodorowych nie dopuszczą do "rozstąpienia się" cząsteczek 
wody pod nimi.
Adhezja to zdolność do zwilżania powierzchni, to jest przylegania do 
nich. Dzieje się tak dzięki przyciąganiu cząsteczek, np. wody do 
cząsteczek innych związków chemicznych. Często wspomagane to jest 
przez przyciąganie elektrostatyczne, w przypadku istnienia ładunku 
elektrycznego na powierzchni, z którą woda się kontaktuje. Zjawisko to 
można zaobserwować np. na krawędzi naczynia, w którym jest woda. 
Powstaje tam menisk wklęsły – cząsteczki wody zwilżając ściany 
naczynia "podciągają się" po nich w górę tak wysoko, aż siły adhezji 
zostaną zrównoważone przez siłę grawitacji i kohezji. Jeśli jednak 
naczynie jest wystarczająco wąskie (rurka) i masa wody w rurce będzie 
wystarczająco mała – woda przemieści się w naczyniu wyżej. Jest to 

---

12 
wynikiem dążenia sił kohezji do zminimalizowania pola powierzchni 
przy stałej objętości wody. Wytworzenie menisku w wąskiej rurce 
wyraźnie zwiększa powierzchnię kontaktu z powietrzem (ośrodkiem, 
z którym oddziaływanie wody jest dużo mniejsze niż z innymi 
cząsteczkami wody). Zatem, aby zapewnić korzystniejszy rozkład sił 
wiązań wodorowych nastąpi przemieszczenie wody w górę. Wtedy siły 
adhezji spowodują przyleganie cząsteczek wody do ścian rurki jeszcze 
wyżej. Zjawisko to nosi nazwę kapilarności. Proces ten będzie trwał do 
chwili, kiedy siły adhezji i kohezji zostaną zrównoważone przez siłę 
grawitacji – przyciągania słupa wody przez Ziemię. 
Wiązania wodorowe odpowiedzialne są również za nietypowe 
zachowanie się wody w różnych temperaturach. Większość substancji 
zmniejsza swoją objętość a zwiększa gęstość wraz ze spadkiem 
temperatury. Woda najmniejszą objętość ma w temperaturze 4°C. Dalsze 
ochładzanie powinno prowadzić do dalszego zbliżania się cząsteczek 
wody do siebie – jednak wiązania wodorowe do tego nie dopuszczają, 
utrzymując odległość pomiędzy cząsteczkami. Jest to przyczyną 
paradoksalnego (choć nie zaskakującego, ponieważ jesteśmy do niego 
przyzwyczajeni) zjawiska polegającego na tym, że woda w stanie stałym 
(lód) ma gęstość mniejszą niż w stanie skupienia ciekłym i unosi się na jej 
powierzchni. Zjawisko to ma ogromne konsekwencje biologiczne: gdyby 
lód był cięższy od wody - opadałby na dno i zimą cała objętość jezior czy 
wód przybrzeżnych zamarzałaby aż do dna, poważnie utrudniając lub 
nawet uniemożliwiając istnienie większości organizmów. Natomiast 
unosząc się na powierzchni, lód stanowi warstwę izolacyjną, utrudniającą 
zamarzanie niższych warstw wody. W topniejącym lodzie część wiązań 
wodorowych ulega przerwaniu, cząsteczki mogą zbliżyć się do siebie – 
woda zmniejsza objętość. Po przekroczeniu 4°C z kolei objętość 
stopniowo rośnie, wskutek wzrostu energii kinetycznej cząsteczek, a więc 
również ich ruchliwości. 
Ostatnią właściwością wody, o której wspomnimy w tym miejscu, 
będącą konsekwencją istnienia wiązań wodorowych, jest niezwykle 
wysokie ciepło właściwe wody. Wynosi ono 4,184 J/g/°C (= 4,1899 
J/g/°K). Oznacza to, że aby podgrzać np. kilogram wody o 1°C trzeba 
dostarczyć ok. 2x więcej energii niż do wzrostu temperatury kilograma 
np. glicerolu albo alkoholu etylowego o 1°C, a 33x więcej niż 
w przypadku ołowiu. Wyjątkowo duże ciepło właściwe wody sprawia, że 
stosunkowo trudno jest zakłócić temperaturę żywego organizmu  
złożonego w większej części z wody. Ocieplenie czy ochłodzenie 

---

13 
środowiska musi być stosunkowo duże i musi trwać stosunkowo długo, 
żeby temperatura organizmu uległa zmianie. Ponadto, wysokie ciepło 
właściwe wody jest przyczyną złagodzenia klimatu Ziemi. Latem wielkie 
masy wód – jezior, mórz – nagrzewają się, magazynując ogromne ilości 
energii, zimą – energia ta jest stopniowo oddawana, ogrzewając 
otaczające lądy. 
Wysokie jest także ciepło parowania wody, czyli energia potrzebna do 
przejścia ze stanu skupienia ciekłego w stan gazowy. Dzięki temu, bardzo 
efektywne jest chłodzenie się organizmów przez wydzielanie wody na 
powierzchnię, co prowadzi do jej parowania i dzięki temu – tracenia 
ciepła.