Proprietăţile apei

Apa este fluidul cel mai remarcabil care există pe Pământ. Fără apă, niciuna dintre reacțiile care ne mențin în viață nu ar mai putea avea loc, așa că merită ceva mai multă atenție.

Deși este cel mai bunden compus chimic de pe Pământ și e esențială pentru viață, proprietățile remarcabile ale apei sunt parcă în contradicție cu structura ei chimică atât de simplă.

După cum știe aproape toată lumea, fiecare moleculă de apă conține un singur atom de oxigen și doi atomi de hidrogen.

Atomii de hidrogen sunt uniți prin câte o legătură covalentă simplă de atomul de oxigen.

Cele două legături formează un unghi de 104,5 grade.

Oxigenul este, după cum am mai discutat, puternic electronegativ, deci atrage cel mai puternic electronii din legăturile covalente,

astfel influențând geometria moleculei și toate celelalte proprietăți ale apei.

Dacă geometria moleculei de apă ar fi fost aceasta, adică ar fi fost o moleculă simetrică,

polaritatea celor două legături s-ar fi anulat reciproc, iar molecula de apă nu ar mai fi fost polară

și, în consecință, nu ar mai fi avut toate proprietățile care fac din apă un fluid esențial vieții.

Apa are proprietăți diferite față de celelalte substanțe cu structuri similare.

Iată un comportament anormal și oarecum ciudat al apei, dar extraordinar de important.

O moleculă de apă are 18 grame pe mol și este doar cu puțin mai grea față de o moleculă de metan care are 16 grame pe mol

sau față de o moleculă de amoniac care are o masă moleculară de 17 grame pe mol.

Și cu toate astea, deși și metanul și amoniacul sunt gaze la temperatura camerei, la aceeași temperatură, apa este în stare lichidă.

De asemenea, apa este aproape unică în ceea ce privește forma ei solidă, adică gheața, care este mai puțin densă decât forma lichidă,

astfel încât gheața aplutește pe apă.

Formele solide ale altor substanțe nu ar pluti în formele lor lichide.

Deci, densitatea gheții, care e egală cu 0,917 grame pe mililitru, este mai mică decât densitatea apei, care este egală cu 1 gram pe mililitru.

Deci, aizbergurile aplutesc pe apă, asta a dus la scufundarea Titanicului. Poate ar fi fost mai bine ca gheața să fie mai grea decât apa.

Sau oare să fi fost mai bine? Această densitate mai mică a gheții este deosebit de importantă.

Sub gheață se găsește un strat de apă care face posibilă viața acvatică.

Acest lucru e foarte important pentru existența ecosistemului în forma în care există azi.

O altă proprietate foarte importantă este aceea că apa e un solvent excelent.

Apa poate dizolva un număr mare de gaze și de solide.

O consecință a faptului că apa e un bun solvent e aceea că apa e un mediu comun pentru reacțiile chimice.

Odată ce substanțele participante la reacția chimică s-au dizolvat în apă, moleculele lor se pot mișca liber și pot întâlni alte substanțe dizolvate cu care pot reacționa.

Oceanele, spre exemplu, sunt niște mari magazii de materie dizolvată, incluzând până și gazele din atmosferă.

Substanțe atât de diferite între ele precum sarea, care e un compus ionic, și zahărul, care e un compus molecular, se dizolvă rapid în apă.

Puterea apei de a dizolva compusi ionici vine tot de la prezența al sarcinilor electrice parțiale atomilor care formează moleculele de apă.

Pe de altă parte, substanțele moleculare precum zahărul se dizolvă atât de ușor în apă deoarece moleculele de zahăr conțin grupe OH care formează legături de hidrogen cu moleculele de apă.

După cum am discutat deja în lecția despre legătura covalentă, una din proprietățile cele mai importante ale moleculei de apă este felul în care sarcinea electrică a moleculei este distribuită.

Deși, per total, molecula de apă este neutră din punct de vedere electric, sarcina electrică nu este distribuită uniform.

Deoarece oxigenul are o electronegativitate mai mare, va atrage mai puternic spre el electronii din legăturile covalente, căpătând astfel o sarcină parțial negativă.

Atomii de hidrogen capătă o sarcină parțial pozitivă, ei fiind atomii care pun câte un electron în comun cu oxigenul, dar totuși lasă atomul de oxigen să se bucure mai mult de electron.

Ca rezultat al acestei atracții dintre sarcinile parțiale de semn contrar, o moleculă de apă se poate lega la alte molecule de apă vecine, care la rândul lor se vor lega de alte molecule de apă și tot așa.

După cum am vorbit lecția trecută, este vorba de forțele de atracție intermoleculare și anume de legăturile de hidrogen care se formează între moleculele vecine de apă.

Această înghesoială de molecule de apă care se mișcă într-una formată prin legături de hidrogen constituie fiului dulut care ne-i atât de familiar, adică apa.

Acest comportament este opus comportamentului pe care îl are metanul.

Molecula de metan are sarcini parțiale mai slabe, adică legături covalente mai puțin polarizate, deoarece nucleul atomului de carbon are o sarcină mai slabă decât nucleul unui atom de oxigen.

Să ne reamintim că sarcina nucleară se notează cu plus Z, deci sarcina carbonului plus 6 este mai mică decât sarcina plus 8 a oxigenului.

În plus, sarcina electrică parțială a atomului de carbon e bine ascunsă în spatele celor patru atom de hidrogen.

În consecință, moleculele de metan se leagă unele de altele, dar foarte, foarte slab, astfel că la temperatura camerei metanul este un gaz format din molecule independente, foarte separate, care se mișcă independent de capul lor.

Haideți să luăm acum mulțimea de molecule care constituie apa în formă lichidă.

Acesta este tipul de aranjament pe care ar trebui să-l avem în minte atunci când ne gândim la lichidul pur.

Această imagine este ca un stop cadru dintr-un film.

Moleculele sunt de fapt într-o mișcare continuă răstogolindu-se și mișcându-se într-una dintr-o parte în alta peste moleculele vecine.

Când apa îngheață, această mișcare se potolește, iar moleculele se așează într-un aranjament foarte ordonat și staționar, ca în această figură.

În această stare solidă de gheață, între moleculele apei se stabilește un număr maxim de legături de hidrogen.

Fiecare moleculă este încă atrasă de moleculele vecine datorită atracției dintre sarcile parțiale opuse,

dar acum ele adoptă o structură deschisă, asemănătoare cu un fagure de miere.

Deci când apa îngheață, moleculele de apă stau liniștite pe loc, fără să mai miște una peste alta, formând un aranjament hexagonal caracteristic și fulgilor de zăpadă.

Această structură foarte organizată a cristalului de gheață, afânată cu mai multe goluri, este motivul densității mai mici a gheții.

Topirea reprezintă prăbușirea acestei structuri.

Mișcarea de dute vinu a moleculelor devine din ce în ce mai energică pe măsură ce temperatura crește,

astfel încât moleculele încep să se miște iarăși dintr-una peste alta, iar structura organizată se prăbușește.

O altă anomalie apei e reprezentată de punctul de fierbere,

care știm cu toții că este 100 de grade.

În acest tabel sunt prezentate valorile punctelor de fierbere pentru hidrurile elementelor din grupa 16.

Comparând datele, ne sare în ochi faptul că punctul de fierbere a apei este anormal de ridicat comparativ cu cel al celorlalte hidruri din serie.

Acest comportament se datorează formării legăturilor de hidrogen între moleculele de apă.

Legăturile de hidrogen fiind cu mult mai puternice decât interacțiile dipol-dipol,

care se exercită între moleculele de hidrogen sulfurat și între moleculele hidrurilor de seleniu și de telur.

Ne-am convins deci în această lecție că apa e un compus chimic extraordinar datorită geometriei moleculei,

a sarcinilor parțiale ale atomilor, sarcine apărute din cauza legăturilor covalente polare dintre atomul de oxigen și cei doi atom de hidrogen,

dar și datorită legăturilor de hidrogen dintre moleculele de apă.

Și cu ocazia asta ne-am mai convins și că e foarte important să înțelegem legăturile din interiorul unei molecule,

dar și legăturile dintre moleculele unei substanțe, pentru că de acolo rezultă proprietățile și comportamentul chimic al acestora.