How big is Молекула води?

Молекула води — це найменша одиниця води: один атом кисню, сполучений із двома атомами водню; формула молекули — H₂O. Вона має в поперечнику близько 0,28 нанометра (280 пікометрів), якщо вимірювати як місце, яке одна молекула займає серед сусідніх. Нанометр — це мільярдна частка метра, а пікометр — тисячна частка нанометра.

Розмір

Молекула не має твердої зовнішньої поверхні. Її електрони утворюють хмару, яка поступово розріджується, тому розмір молекули залежить від способу вимірювання.

Центри трьох атомів молекули розташовані близько один до одного. Кожен атом водню міститься на відстані приблизно 0,096 нанометра від атома кисню, а два зв’язки сходяться під кутом близько 104,5 градуса. Через цей кут молекула має зігнуту форму, а два атоми водню розташовані приблизно на відстані 0,15 нанометра один від одного.

Електронна хмара сягає за межі центрів атомів, тож кожна молекула займає більше місця, ніж ці відстані між центрами. Науковці часто оцінюють розмір молекули за тим, наскільки щільно упаковані молекули води. У рідкій воді рентгенівські вимірювання дають відстань 0,280 нанометра між центрами сусідніх молекул. Підручникова оцінка, заснована на тому, скільки молекул міститься в літрі води, дає приблизно 0,3 нанометра.

Порівняння розмірів

Близько 290 000–360 000 молекул води, розташованих бік о бік, перекрили б ширину людської волосини, яка завширшки 0,08–0,1 міліметра.
Якби молекулу води збільшили до розміру тенісного м’яча, людська волосина завширшки 0,1 міліметра мала б у поперечнику близько 24 кілометрів.
Атом цезію, один із найбільших атомів, має в поперечнику близько 0,5 нанометра, тобто він трохи менш ніж удвічі ширший за молекулу води.

Чому молекули води тримаються разом

Кисень притягує спільні електрони сильніше, ніж водень. Тому електрони в молекулі води проводять більше часу біля атома кисню. Через це кисневий кінець молекули набуває невеликого негативного заряду, а водневі кінці — невеликого позитивного. Молекулу з таким розділенням зарядів називають полярною.

Протилежні заряди притягуються, тому кожна молекула води притягує сусідні. Це притягання називають водневими зв’язками. Вони утримують молекули води разом на поверхні рідини, і саме це створює поверхневий натяг води. Тому вода утворює краплі на сухій поверхні, а не розтікається рівним шаром.

Як вода потрапляє в клітини

Вода швидко проходить крізь мембрани багатьох клітин білковими каналами, які називають аквапоринами. Пітер Агре та його колеги ідентифікували перший аквапорин у мембранах еритроцитів людини, і кожен еритроцит має близько 200 000 аквапоринів. Агре був співлауреатом Нобелівської премії з хімії 2003 року за відкриття водних каналів.

У найвужчому місці канал має ширину 0,28 нанометра, приблизно як одна молекула води. Тому молекули води проходять крізь нього по одній, приблизно 3 мільярди щосекунди через кожен канал. Вузький отвір і електричний заряд усередині нього не пропускають протони — заряджені частинки, через які рідина стає кислою. У нирках аквапорини допомагають повертати 99 відсотків води, відфільтрованої з крові.