L'eau joue un rôle crucial dans les systèmes biologiques, étant une molécule clé dans les systèmes vivants. Elle est l'élément le plus abondant dans la matière vivante, représentant environ 65% du poids corporel humain. Son rôle est multiple : elle agit comme un liquide essentiel et un milieu aqueux indispensable à l'organisation biologique, elle est le milieu de dispersion principal pour les macromolécules dans le cytosol ou les liquides biologiques, fonctionne comme un solvant pour les molécules polaires, et stabilise les molécules et macromolécules grâce aux liaisons hydrogène.

La structure de la molécule d'eau est coudée avec un angle de liaison de 104,5°. L'hybridation est de type sp3 (AX2E2). Dans la molécule d'eau, l'oxygène est plus électronégatif que l'hydrogène, ce qui lui permet d'attirer les électrons partagés avec l'hydrogène, formant ainsi une molécule polaire. L'oxygène, étant électronégatif, attire les hydrogènes électropositifs formant des liaisons hydrogène, avec chaque molécule d'eau pouvant se connecter à environ 4 molécules d'eau voisines.

L'eau peut exister sous trois états physiques : solide, liquide et gazeux. >L’état solide: Dans l'état solide, les molécules d'eau sont disposées de manière ordonnée avec une distance moyenne constante et faible, sous une forme cristalline. Les solides ont une forme propre, avec des molécules occupant des positions ordonnées dans une structure compacte et régulière. Ils possèdent aussi un volume propre et sont incompressibles. >L’état liquide: Dans l'état liquide, les molécules sont proches mais pas liées, ce qui leur permet de glisser les unes par rapport aux autres dans un état désorganisé et aléatoire. Le mouvement est constant et certaines liaisons hydrogène sont présentes, mais les distances entre molécules sont plus grandes qu'à l'état solide. Un liquide n’a pas de forme propre, il prend donc celle du récipient qui le contient. En repos, sa surface est plane et horizontale, il a un volume propre et est peu compressible. >L’état gazeux: Dans l'état gazeux, les molécules sont très peu liées entre elles et bougent de manière désordonnée et constante. La vapeur d'eau occupe tout l'espace disponible. Elle n'a pas de forme propre et tend à occuper tout l'espace disponible.

L'eau a la capacité d'ioniser les molécules en polarisant les liaisons et en faisant apparaître des charges grâce à son fort moment dipolaire. Ce moment favorise la formation et le maintien des charges. Par exemple, lorsqu’un sel comme NaCl est dissout dans l'eau, il se sépare en ions sodium et chlorure grâce au pouvoir ionisant de l'eau, rendant impossible leur réassociation dans une solution aqueuse. Toutes les molécules vivantes sont hydratées et ionisées.

Lors de la dissolution d'une espèce chimique dans un volume d'eau, on obtient une solution où le soluté peut être solide, liquide ou gazeux, présent en moindre quantité par rapport au solvant. Dans une solution aqueuse, si le soluté a une forte affinité pour l'eau, elle est dite hydrophile, sinon hydrophobe. L'eau est une molécule stable avec une capacité de ionisation permettant d'échanger des protons entre deux molécules. Cela crée des ions hydroxyde (OH) et hydronium (H3O+), introduisant la notion d'acide et de base en solution.

Un acide est une espèce chimique capable de céder un ou plusieurs protons H+, alors qu'une base peut les capter. Quand un acide (AH) est mis en solution dans l'eau, il se dissocie en ion A- et H3O+. Cet ion hydronium (H3O+) est une forme solvatée de H+. La paire acide et sa base conjuguée forment un couple acido-basique (AH/A-). Les espèces pouvant céder plusieurs protons sont appelées polyacides, comme l'acide phosphorique (H3PO4). Une réaction acide-base se produit par transfert de protons entre un acide et une base.

La constante d'acidité (Ka) caractérise la réaction de dissociation d’un acide en solution, servant d'indicateur de la force d'un acide ou d'une base faible. Plus la valeur de Ka est grande, plus l'acide est fort et dissocié, tendant vers un acide fort. Par exemple, l'acide éthanoïque a une constante Ka de 1,8 × 10^-5 mol/L, avec un pKa de 4,8 indiquant sa force relative dans l’échelle des pKa, qui classe les acides et bases faibles.

Les solutions tampons sont des solutions qui maintiennent un pH stable malgré l’ajout d’un acide ou d’une base, obtenues en mélangeant un acide faible et sa base conjuguée. Elles sont essentielles pour réaliser des solutions à pH constant, utiles pour préparer des solutions étalons pour les instruments de mesure de pH. Le pH efficace d’une solution tampon est généralement dans une zone proche du pKa de l’acide faible. Dans les systèmes biologiques, de telles solutions tampon agissent pour maintenir le pH physiologique, essentiel pour le fonctionnement cellulaire et de l’organisme.

Les organismes régulent l'équilibre acido-basique grâce à plusieurs systèmes, incluant les poumons et les reins. Les poumons contrôlent le CO2 dans le sang, modulant l’acidité via la respiration. Les reins ajustent la concentration des ions H+ et la réabsorption de HCO3- dans le sang pour maintenir cet équilibre. Ils jouent un rôle crucial dans le maintien d'un pH sanguin compatible avec la vie, aidant à compenser les changements acido-basiques corporels importants, un processus complété par les systèmes tampons.