In de Studium Generale-lezingencyclus 'Water & Vuur' hield prof. J.B.F.N. Engberts, hoogleraar algemene scheikunde en fysisch organische chemie aan de Rijksuniversiteit van Groningen, vorige week in het Techniek Museum een lezing over de 'Herontdekking van de unieke eigenschappen van water'. Dit is een bewerking van zijn lezing.

Water, daar houden we denk ik allemaal van. We bestaan er voor een groot deel uit, we drinken het, we zwemmen erin, we schaatsen erop. Water is overal. Het zit in de grond, in de zeeën en het valt uit de hemel. Het roept bij iedereen beelden op en we hebben er allemaal een gevoel bij. Het is geweldig groots in de oceaan. In zijn golven is het rusteloos en eeuwig in beweging. Aan de andere kant zit er in stilstaand water een grote rust. In de ijskappen van de polen is het zelfs steriel. Het is ook ontzettend sterk. Hele stukken kust kunnen erdoor worden weggeslagen. En er zijn vele vormen van: damp, mist, wolken, regen, sneeuw, hagel.

H2O is een heel klein en eenvoudig molecuul. Een dreumes vergeleken met andere moleculen waar chemici zich mee bezighouden. Maar de eigenschappen van water zijn zo complex, zo bijzonder en zo essentieel voor levensprocessen dat het niet zomaar een chemisch stofje is. Het is een reactant die reageert met andere stoffen, maar tegelijkertijd is het een oplosmiddel, het medium waarin deze reacties plaatsvinden.

Leven is naar we aannemen in water ontstaan. Er hebben zich twee belangrijke gebeurtenissen in voltrokken, namelijk metabolisme en reproduktie. Beide zijn waarschijnlijk apart geëvolueerd en later bij elkaar gekomen in een organisme. Essentieel is ook dat het leven is begonnen met de cel. Die heeft een membraam en het ontstaan daarvan kunnen we ons alleen voorstellen in de vloeistof water. Daar zal ik straks nog even op terugkomen.

Uniek H2O bestaat uit een negatief geladen zuurstofatoom en twee positief geladen waterstofatomen. Ze vormen een covalente binding die erg sterk is. De belangrijkste eigenschap van water is dat watermoleculen aan elkaar kunnen plakken. Het waterstofatoom wordt aangetrokken door het zuurstofatoom van een ander watermolecuul. Deze interactie wordt een waterstofbrug genoemd.

Een waterstofbrug is zwakker dan de covalente binding in het watermolecuul, maar toch redelijk sterk. Het waterstofatoom is namelijk erg klein, waardoor het het zuurstofatoom heel dicht kan naderen, zodat er een grote interactie ontstaat. Andere stoffen, zoals ethanol, kunnen ook waterstofbruggen met zichzelf vormen. Maar er ontstaat geen groot driedimensionaal netwerk waarin de moleculen fiks met elkaar samenhangen en dat in de loop van de tijd steeds weer wordt verbroken en gevormd. Daarin is water uniek.

Doordat watermoleculen aan elkaar hangen met waterstofbruggen is het niet eenvoudig om ze te verdampen. Water heeft een hoge verdampingswarmte, de hoeveelheid warmte die je moet toevoegen om een vloeistof naar de gasfase te brengen. Gewoonlijk hebben kleine moleculen een lagere verdampingswarmte dan grotere, maar dat gaat voor het kleine watermolecuul niet op. Om dezelfde reden heeft water ook een hoog smeltpunt.

Als je de temperatuur van water verlaagt dan kunnen zich hele mooie structuren vormen. En als je de temperatuur nog verder verlaagt gaat het kristalliseren, zodat er ijs ontstaat. Er is iets geks met ijs, want ijs in water blijft drijven. Als een vloeistof kristalliseert heeft de vaste stof meestal een hoger soortelijk gewicht dan de vloeistof, omdat de moleculen in een vaste stof dichter gepakt zijn. Als water kristalliseert gaan de moleculen niet dichter naar elkaar toe, maar geven ze elkaar handjes in de vorm van waterstofbruggen. De structuur wordt hierdoor maximaal sterk en is toch relatief ijl.

Slaolie
Watermoleculen binden zich graag aan moleculen die ook een gescheiden lading hebben. Dat is de reden dat zout oplost in water. Moleculen die niet bipolair zijn kunnen niet in water oplossen. Deze alkanen, zoals methaan, propaan maar ook slaolie, zijn biochemisch erg belangrijk. Men heeft lang onderzocht waardoor dat komt. Het zijn met name recente computersimulaties geweest die licht hebben gebracht. Daarmee kan worden nagebootst hoe moleculen zich ten opzichte van elkaar bewegen en wat voor structuren ze vormen. Dit soort moleculaire dynamica-studies zijn momenteel erg populair.

Men was erg benieuwd hoe watermoleculen zich oriënteren ten opzichte van een methaanmolecuul (CH4) dat geen interactie met water wil hebben. Gaan ze er een zuurstofatoom heensturen om een waterstofbrug te vormen? Dat bleek niet het geval, want watermoleculen vertonen een sterke voorkeursoriëntatie op zichzelf. Ze vormen hele grote clusters opdat zo weinig mogelijk waterstofbruggen verloren gaan.

Met computersimulaties is ook gekeken naar interacties tussen methaanmoleculen onderling. Als je methaanmoleculen in water stopt blijken ze een sterke neiging te vertonen om aan elkaar te plakken. Dit noemen we een hydrofobe interactie. Dat komt niet omdat deze moleculen zo graag met zichzelf interacteren, maar omdat het water ze op elkaar drukt. Deze hydrofobe interacties kunnen ertoe leiden dat bepaalde moleculen in water spontaan een veel groter geheel opbouwen dan waartoe ze anders geneigd zijn.

Schizofreen
Men vond bovendien dat er een kritische concentratie van die moleculen nodig is om ze door water op elkaar te laten drukken. Ook dat hangt samen met een bijzondere eigenschap van water. Als je een methaanmolecuul in water brengt vormt zich daaromheen een mantel van watermoleculen. Methaanmoleculen klappen op elkaar als er niet genoeg water is om de volledige mantels te vormen. En dat gebeurt pas als je een bepaalde hoeveelheid methaanmoleculen in water plaatst.

Dat heeft belangrijke consequenties. Er zijn namelijkmoleculen die schizofreen zijn. Die bestaan uit een kop en een staart, waarbij de kop geladen is en de staart niet. De kop wil met water interacteren, de staart wil dat niet. U kunt zich voorstellen dat er twee mogelijkheden zijn. De kop wint en het molecuul lost op in water, of de staart wint en het molecuul scheidt zich af. Het grappige is dat geen van beide optreedt. De moleculen gaan namelijk met elkaar aggregeren. Bekende moleculen die dat doen zijn fosfolipiden. Dat zijn tamelijk ingewikkelde organische verbindingen die in water spontaan een bilaag oftewel een membraam vormen. De vorming van deze celmembranen kan alleen plaatsvinden in water.

Maar ook hele eenvoudige moleculen kunnen met elkaar aggregeren. Evenals fosfolipiden lossen ze niet in water op, maar scheiden ze zich evenmin af. Ze gaan een cluster vormen waarbij de koppen aan de buitenkant met het water in contact staan, terwijl de staarten die geen contact met het water willen naar binnen steken. Een voorbeeld daarvan is een micel die voorkomt in wasmiddelen. Vet, dat ook niet graag in water wil, gaat in het binnenste van zo'n micel zitten, waarna het eenvoudig weggespoeld kan worden.

In een laboratorium kun je verschillende soorten moleculen synthetiseren die in essentie hetzelfde zijn als fosfolipiden. Ze kunnen vlak zijn, maar ze kunnen zich ook sluiten tot bolletjes en worden dan 'blaasjes' genoemd. Daar kun je geneesmiddelen inbrengen die vervolgens in levende cellen kunnen worden afgeleverd. Dat heet drugtargetting en is in de geneeskunde van uitzonderlijk belang.

Voorkeur
Het feit dat bepaalde moleculen niet met water willen interacteren heeft ook invloed op de snelheid van chemische reacties. Bij een chemische reactie vormen twee moleculen een binding met elkaar. Als je twee hydrofobe moleculen in water stopt, dan vertonen ze spontaan de neiging om aan elkaar te plakken. Hierdoor wordt de reactiesnelheid aanmerkelijk vergroot. Er is dan ook sprake van een toenemende voorkeur om bepaalde chemische reacties in water te laten afspelen. Je hebt een probleem met oplosbaarheid, maar als je daar een redelijke uitkomst voor kunt vinden, valt er veel voor te zeggen.

Er zijn ook grotere moleculen die zich oprollen in water. Dat is uiterst belangrijk in enzymen. Elk organisme maakt voor zijn chemische reacties gebruik van een katalysator. Er zijn nauwelijks chemische reacties in ons lichaam of in andere levende organismen die niet worden versneld door een bepaalde katalysator. Een katalysator is een deeltje dat de reactie versnelt maar zelf niet wordt omgezet. Enzymen zijn ingewikkelde eiwitmoleculen, enorm grote moleculen, die ook zo'n functie hebben. Die kunnen bepaalde reacties, zoals de vertering van ons voedsel, heel erg versnellen.

Enzymen vormen in water spontaan een zodanige structuur dat ze hun katalytische werking kunnen uitoefenen. Op het molecuul bevinden zich op allerlei plaatsen katalytische groepen. Als je dat molecuul langgerekt zou tekenen, dan zitten die groepen zo ver van elkaar verwijderd dat ze samen geen reactie kunnen versnellen. Door de aanwezigheid van hydrofobe groepen rolt dat enzym zich in water op. Hierdoor komen de groepen bijelkaar zodat ze tezamen worden geactiveerd. Als je zo'n enzym in een ander oplosmiddel brengt dan water en je zou al het water uit het enzym verwijderen, dan is het enzym niet meer actief. Water is dus essentieel voor de katalytische functie van dit soort eiwitmoleculen.

Het is zeker dat er in de komende tien, twintig jaar grote moleculen zullen worden gemaakt die bepaalde dingen voor ons gaan doen. En het is te verwachten dat bij deze nano-technologie gebruik zal worden gemaakt van de specifieke vloeistofeigenschappen van water. Tegelijkertijd zijn er nog steeds heel veel eigenschappen van water die niet goed begrepen zijn. Dus er ligt nog een groot gebied van onderzoek.

De klassieke Chinese filosofen hebben ook aangevoeld dat er iets bijzonders is met water. Ze vonden water interessant omdat het uit zulke kleine, bescheiden moleculen bestaat. Het stroomt altijd naar de laagste plaats en het voelt zacht aan. Deze eigenschappen hebben ze ook aan de wijze mens toegekend: bescheiden, de laagste plaats kiezend maar aan de andere kant de sterkste zijn van allen.

Bewerking: Mannus van der Laan

Bron: Delta.tudelft.nl

Lees ook: Bizarre Hexagon Spotted on Saturn