Câte ceva despre anomaliile apei

“Trăim prin harul apei” (“ We live by the grace of water”’)– National Geographic special edition, noiembrie, 1993.

Deşi apa este cea mai studiată substanţă de pe Pământ este şi cea mai puţin înţeleasă. Dimensiunile mici moleculare contrazic uluitoarea complexitate a reacţiilor la care participă asemeni unui cameleon pentru susţinerea vieţii. Apa reprezintă circa 94% din greutatea unui făt la naştere şi 59% din cea a unui adult aflat la apogeul vieţii. În interiorul organismului apa se deplasează intra şi extracelular prin canalele de intrare a apei în celulă descoperite de Pof Dr Gheorghe Benga de la Cluj (aquaporine) printr-un mecanism osmotic (prin diferenţă de presiune osmotică). Timpul de înjumătăţire al apei din corpul nostru este de zece zile (după 19 zile întreaga cantitate de apă este înlocuită). Copii au nevoie de mai multă apă deoarece rinichii lor nu pot concentra urina şi reţine apa la fel de mult ca un adult. În mod obişnuit apa este considerată un lichid tipic şi anonim. Nimic nu este însă mai atipic şi mai neobişnuit decât banala apă iar aceste “capricii”sunt cele care fac posibilă existenţa vieţii pe Pământ. Mai întâi deşi suntem învăţaţi că la robinet sau în sticlele de la market se află “apă de băut”, în realitate este vorba de soluţii apoase care conţin sute şi mii de substanţe dizolvate sau aflate în stare de suspensie şi pe care le introducem în organism când ne este sete. Nu numai în România, ci şi în alte ţări mai “pretenţioase”, apa îmbuteliată are ca sursă tot reţeaua publică (peste 70% din sortimentele îmbuteliate) şi deci poate fi considerată tot menajeră. Apa este cel mai mare solvent de pe Pământ, ea fiind atât de generoasă încât poate “lua la ocazie” prin dizolvare peste douăsute de mii de substanţe chimice diferite, din care peste zece mii nu îi modifică gustul, culoarea, mirosul (rămâne inertă) aşa încât noi nu vom ştii că ele există în ea. Întrucât toate fiinţele vii conţin apă lichidă, putem afirma că noi înşine suntem nişte soluţii apoase (această substanţă miraculoasă nu-şi modifică structura ca solvent şi astfel, organismele vii o pot strecura şi recila ori de câte ori este nevoie în procesele metabolice). Punctul de “topire” al apei solide (gheaţa) este cu 100K mai mare decât la alte hidruri cunoscute (mai mare cu 54K decât al O şi cu 4K decât al H). Punctul de fierbere al apei este cu 150K mai mare decât la alte hidruri asemănătoare (cu 90K mai mare decât a O şi cu 20K faţă de H). Apa fierbinte îngheaţă mai repede decât apa rece. Fenomenul a fost observat de Aristotel în sec IV î.Ch dar a fost adus în lumina atenţiei comunităţii ştiinţifice şi a publicului de un student sărac dar perseverent din Tanzania – Erasto Mpemba iar azi această ciudăţenie a apei îi poartă numele (efectul Mpemba). Dacă ar fi să ţinem seama de categoria de substanţe chimice din care face parte, apa ar trebui să se găsească pe Pământ doar sub formă de vapori. Căldura specifică a apei este de zece ori mai mare decât a fierului şi se încălzeşte de cinci ori mai încet decât cuarţul (dar şi procesul de răcire este tot lent). Capacitatea calorică specifică reprezintă cantitatea de căldură, în calorii, absorbită de 1 gram dintr-o substanţă, când se ridică temperatura cu 1°C. Unitatea de măsură pentru căldură, caloria, este egală cu capacitatea calorică a unui gram de apă (la 15°C). Întrucât absoarbe foarte repede şi foarte mult căldură, pe care o eliberează încet, vietăţile din mări şi oceane nu sunt ameninţate de răcirea bruscă sau de supraîncălzire. Pentru a evapora apa dintr-un ceainic de cafea ne este necesară de 5,5 ori mai multă căldură decât pentru a o face să fiarbă. Fără această “meteahnă” a apei, lacurile ar seca foarte repede iar viaţa din ele ar pieri. Când îngheaţă, apa se dilată (celelalte hidruri se contractă) devenind astfel mai uşoară (îi creşte volumul cu 9%) decât în stare lichidă (ea se contractă de fapt dar până la 4 grade , temperatură de la care inexplicabil începe să se dilate). Pentru că se ridică şi rămâne la suprafaţă şi pentru că este un bun izolator, niciodată apa nu va îngheţa până la fundul vasului. Din acest motiv, chiar atunci când iernile sunt foarte aspre în Antarctica, animalele marine nu sunt prea afectate de frig. Capilaritatea este proprietatea lichidelor de a se abate de la principiul vaselor comunicante în spaţiile capilare (foarte mici). Ea este o consecinţă a tensiunii superficiale şi a adeziunii.

Dacă forţele de adeziune dintre moleculele lichidului şi cele ale solidului sunt mai mari decât forţele de atracţie moleculară dintre moleculele lichidului, se formează un menisc concav spre exterior şi spunem că lichidul udă suprafaţa solidă. Dacă raportul între forţele de mai sus este invers, se formează un menisc convex şi spunem că lichidul nu udă suprafaţa solidă. Udarea sau nu a unei suprafeţe solide, depinde de natura celor două elemente care vin în contact.

Apa udă sticla curată şi fibrele de bumbac, dar nu udă sticla acoperită cu un strat subţire de grăsime, nici parafina şi nici masele plastice. Apa are cea mai mare tensiune superficială (cu excepţia mercurului). De aceea picătura de apă tinde să se facă ghem. Picătura de apă este strânsă ca într-un ambalaj în pelicula sa superficială. Aşadar, suprafata apei este întotdeauna acoperită cu o peliculă foarte subţire alcătuită din molecule. Pentru a o rupe este necesară aplicarea de forţă şi încă una destul de mare. Cele mai multe din aceste anomalii au fost explicate prin “apetitul” apei pure de a forma structuri hexagonale.

Astfel, fiecare atom de hidrogen al moleculei centrale formează o legatură de hidrogen cu câte o pereche de electroni neparticipanţi ai altor două molecule de apă şi fiecare pereche de electroni neparticipanţi ai moleculei centrale formează o legatură de hidrogen cu un atom de hidrogen al unei molecule de apă vecine. În această structură, oxigenul are numărul de coordinaţie 4, iar hidrogenul numărul de coordinaţie 2. Continuată la infinit, structura aceasta duce la o reţea hexagonală, similară cu a β-tridimitei. Unghiurile de valenţă sunt lărgite la 109,5°, covalenţele H-O sunt lungite la 0,99Å, iar distanţele O….O sunt de 2,76 Å. Această structură, confirmată şi prin difracţia cu neutroni, explică momentul electric al moleculei H2O, mai mare în gheaţă (2,5 D) decât în apa în stare de vapori (1,84 D). Anomaliile proprietăţilor fizice ale apei se explică prin faptul că apa lichidă nu este formată din molecule H2O independente, ci din molecule asociate prin legături de hidrogen. Deşi nu domneşte încă unanimitate de păreri asupra structurilor asociate ale apei, este sigur că la topirea gheţii nu se rup toate legăturile de hidrogen ale reţelei, ci numai o parte din ele. Apa lichidă este deci compusă din fragmente cu structură tetraedrică/hexagonală, dar şi din asociaţii cu structuri mai compacte, care, în echilibru cu structura mai afânată de tridimită, explică creşterea abruptă a densităţii la topire, la 0°C, urmată de o creştere mai lentă a densităţii până la 4°C, când este atins un maxim. Peste această temperatură, densitatea scade monoton. Deşi ruperea asociaţiilor de molecule de apă, în fragmente mai mici şi în molecule simple de H2O, continuă, are loc şi o dilataţie normală ca în orice lichid, datorită creşterii energiei cinetice a moleculelor cu temperatura. Sub 4°C domină primul, iar peste 4°C al doilea dintre aceste efecte antagoniste.

Nu există polimeri definiţi ai apei, ci fiecare moleculă de apă tinde să se înconjoare tetraedric cu alte molecule. În apa lichidă se formează asociaţii de două până la şase molecule de apă, care însă există, individual, numai un timp foarte scurt. Asociaţiile de molecule de apă se desfac şi se refac necontenit, în aşa mod încât numărul total, statistic, de molecule asociate, dintr-o cantitate dată de apă, să rămână constant, la aceeaşi temperatură.

Se apreciază că, la topire, se rup brusc 15% din legăturile de hidrogen din cristalul de gheaţă, la 40° sunt desfăcute aproximativ jumătate din legături, iar în stare de vapori sunt desfăcute toate legăturile de hidrogen.

“Apa este formată din hidrohen şi oxigen. Mai există însă un al treile lucru pe care îl conţine apa şi pe care nimeni nu-l ştie”). H.D.Lawrence.

You must be logged in to post a comment.

5 vizitatori online acum
1 vizitatori, 4 roboti, 0 membri
Numar maxim de vizitatori astazi: 7 la 10:16 am UTC
Aceasta luna: 581 la 10-01-2019 04:35 am UTC
Acest an: 581 la 10-01-2019 04:35 am UTC
Din toate timpurile: 678 la 10-21-2017 04:44 am UTC