Apă

O moleculă îndoită

Apa înseamnă doi atomi de hidrogen legați de un atom de oxigen. Pe hârtie, cei trei ar putea sta în linie; în realitate formează un V, cu unghiul H–O–H de aproximativ 104,5° și fiecare legătură O–H lungă de circa 96 pm. Oxigenul ține patru perechi de electroni — două puse în comun cu hidrogenii, două păstrate pentru sine —, iar cele patru perechi se răsfiră spre colțurile unui tetraedru. Cele două perechi neparticipante ocupă ceva mai mult loc și strâng legăturile una spre alta, de la cele 109,5° ale tetraedrului la 104,5°.

Îndoitura explică felul în care se poartă apa. Oxigenul trage spre el electronii puși în comun, așa că vârful cu oxigen al moleculei e ușor negativ, iar capetele cu hidrogen ușor pozitive; fiindcă molecula e îndoită, sarcinile nu se anulează, iar apa e puternic polară. Fiecare moleculă se poate lega slab de până la patru vecine, prin hidrogenii și prin perechile ei neparticipante — legătura de hidrogen. Hidrogenul sulfurat, cea mai apropiată rudă chimică a apei, e un gaz care fierbe la −60 °C; apa, ținută laolaltă de legături de hidrogen, rămâne lichidă până la 100 °C. Aceleași legături fac din apă un solvent neobișnuit de bun, îi dau o căldură specifică mare și o lasă să urce prin interiorul unui tub îngust.

De ce plutește gheața

Singurul solid obișnuit mai ușor decât propriul lichid, și de ce lacurile îngheață de sus

Aproape orice substanță e mai densă ca solid decât ca lichid. Apa este celebra excepție. Când îngheață, fiecare moleculă se fixează prin legături de hidrogen de exact patru vecine, într-o rețea hexagonală deschisă, cu mai mult spațiu gol decât avea lichidul înghesuit. Gheața la 0 °C are o densitate de aproximativ 0,917 g/cm³, cu vreo 8 % mai mică decât a apei pe care plutește — ocupă cu circa 9 % mai mult loc —, de aceea o sticlă uitată în congelator crapă, iar un aisberg își arată cam a zecea parte deasupra suprafeței.

Efectul începe dinainte de îngheț. Răcită de la temperatura camerei, apa se contractă, cum e de așteptat, până pe la 4 °C, apoi se dilată ușor, pe măsură ce structura deschisă, asemănătoare gheții, începe să se formeze. Astfel, apa cea mai densă dintr-un lac iarna este cea de 4 °C, și ea se lasă la fund; apa mai rece se ridică și îngheață la suprafață. Capacul de gheață izolează ce se află dedesubt, iar peștii, plantele și viețuitoarele din mâl petrec iarna în apă lichidă, la 4 °C. Dacă gheața s-ar scufunda, lacurile și mările puțin adânci ar îngheța de la fund în sus, și mare parte din ele nu s-ar mai dezgheța niciodată.

Apa pe Pământ și în ființele vii

Apa acoperă circa 71 % din suprafața Pământului, și aproape toată e sărată. Dintr-un total estimat la 1,4 miliarde de kilometri cubi, vreo 97,5 % se află în oceane și în alte ape sărate; din cele 2,5 % de apă dulce, mai mult de două treimi stau încuiate în calotele glaciare și în ghețari, iar cea mai mare parte a restului zace sub pământ. Râurile și lacurile din care beau oamenii țin cu mult sub un procent din apa dulce — cam o sutime de procent din întreg.

Ființele vii sunt mai ales apă: un om adult, cam 60 % din masă; o meduză, cam 95 %. Aproape orice reacție a vieții se petrece în ea. Apa dizolvă săruri, zaharuri și gaze și le poartă prin celule și prin sânge; ia parte direct la reacții, desfăcând proteine și amidon și fiind ea însăși desfăcută în fotosinteză; iar căldura ei specifică mare ține temperatura unui corp constantă. Viața, așa cum o știm, are nevoie de apă lichidă — de aceea căutarea vieții în altă parte este, înainte de toate, o căutare a apei.

Nu e un element, până la urmă

Cavendish arde două aeruri, Lavoisier dă nume la ce iese

Vreme de peste două mii de ani, apa a fost un element. Thales din Milet a făcut din ea originea tuturor lucrurilor; Empedocle și Aristotel au așezat-o alături de pământ, aer și foc, ca una dintre cele patru rădăcini ale materiei, și acolo a rămas de-a lungul Evului Mediu și până în epoca chimiștilor.

În 1781, Henry Cavendish, un experimentator londonez bogat și retras, a aprins cu o scânteie, într-un vas de sticlă închis, un amestec de „aer inflamabil” — hidrogenul, pe care îl izolase în 1766 — cu aer obișnuit și a găsit pereții umeziți de o rouă care era apă pură. Arderea aerului inflamabil cu „aerul deflogisticat” al lui Priestley dădea același lucru. A publicat lucrarea în 1784, explicând-o încă în limbajul flogistonului.

Antoine Lavoisier a aflat de experiment în iunie 1783, l-a repetat în fața unor martori, la Paris, împreună cu Laplace, și a tras concluzia pe care Cavendish n-o trăsese: apa nu e simplă, ci un compus din două gaze. Împreună cu Meusnier a făcut apoi reacția și în sens invers, trecând abur printr-o țeavă de tun din fier, înroșită în foc, și adunând gazul inflamabil care se degaja, în timp ce fierul se îngreuna cu greutatea oxigenului pe care îl luase. În 1787, el și colegii săi au dat gazului numele de hidrogen, „născătorul de apă”, iar în Traité élémentaire de chimie din 1789 apa apare nu printre elemente, ci printre lucrurile făcute din ele. James Watt ajunsese la o idee asemănătoare în aceiași ani, iar prietenii celor trei s-au certat decenii întregi pe întâietate. Oricum ar fi, cele patru elemente se sfârșiseră.

Chimiștii îi spun rareori altfel decât apă. Numele sistematic, oxidan, admis de IUPAC, e folosit doar pentru a-i denumi derivații.