APA ÎN NATURĂ

Apa - cea mai importantă bio-moleculă de pe Pământ datorită proprietăţilor sale speciale. (Care?)Cele două elemente care compun apa, O2 şi H2, au izotopi a căror concentrație variază semnificativ în apelenaturale.În stare naturală apa este formată din 18 specii de molecule de apă ca urmare a raporturilor de combinarediferite ale izotopilor O2 şi H2.În cazul H2 :► 1

1H-hidrogen uşor sau protiu, masa atomică=1;► 2

1H-hidrogen greu sau deuteriu (D), masa atomică=2;►31H-hidrogen supergreu sau tritiu (T), masa atomică=3, izotop radioactiv cu perioadă de înjumătăţirede 12,32 ani.În cazul O2:► 14

8O, izotop radioactiv cu perioadă de înjumătăţire de câteva secunde;► 15

8O, izotop radioactiv cu perioadă de înjumătăţire de câteva secunde;► 16

8O, ► 178O, ► 18

8O► 19

8O, izotop radioactiv cu perioadă de înjumătăţire de câteva secunde;► 20

8O, izotop radioactiv cu perioadă de înjumătăţire de câteva secunde.

Element Z(numărul

de e)

N(numărul

de neutroni)

A(masa

atomică)

Abundenţă(%)

Simbol

Hidrogen1 0 1 99,985 1

1H

1 1 2 0,0155 D (12H)

Oxigen

8 8 16 99,759 816O

8 9 17 0,037 817O

8 10 18 0,204 818O

Izotopii radioactivi ai O2 au o existenţă prea scurtă pentru a fi utili în studiul ciclului hidrologic.În apa naturală specia predominantă este H2O a cărei compoziţie masică este 1:8 (11,1% H şi 88,9%O). În apa naturală există şi speciile D2O şi HDO.

În natură apa este într-un circuit continuu.

Apa de suprafaţă provenită din râuri, fluvii, lacuri, mări şi oceane trece, în urma evaporării, în atmosferăreprezentând aşa numita apă atmosferică. Purtată de curenţii de aer această apă poate ajunge în condiţii în care să fiefavorizată condensarea sub formă de precipitaţii.

CIRCUITUL APEI ÎN NATURĂ

Unicitatea apei - singura substanţă naturală care poate exista simultan în toate cele trei stări deagregare, lichidă, solidă şi gazoasă.

Molecula de apă are particularităţi structurale care îi conferă proprietăţi unice faţă de alţisolvenţi.

În molecula de apă cei doi atomi de hidrogen sunt legaţi covalent de atomul de oxigen. Datorităcaracterului electronegativ al oxigenului şi electropozitiv al hidrogenului, în legăturacovalentă care se stabileşte între aceste două elemente, electronii sunt atraşi de oxigen,determinând o distribuire inegală a lor. Drept rezultatmolecula de apă este un dipol electric.

Prezenţa a două perechi de electroni neparticipanţi la atomul de oxigen conferă apei capacitateade a se uni prin legături de hidrogen. Deşi relativ slabă comparativ cu alte tipuri de legături,legătura de hidrogen este destul de puternică pentru a-i conferi apei multe proprietăți unice.

În stare lichidă moleculele de apă nu sunt independente. Fiecare moleculă de apă este capabilă săse asocieze prin legături de hidrogen cu alte patru molecule de apă vecine fapt ce explicămarea coeziune a apei lichide. Starea lichidă a apei se menţine pe un interval mare detemperatură, 0oC - 100oC.

OH

H104o5'

În această structură, oxigenul are numărul de coordinaţie 4, iar hidrogenul numărul de coordinaţie 2.Continuată, structura aceasta duce la o reţea hexagonală confirmată şi prin difracţie cu neutroni.

La topirea gheţii legăturile de hidrogen ale reţelei nu se rup în totalitate şi ca urmare apa în stare lichidă conţinefragmente cu structură tetraedrică şi asociaţii cu structuri mai compacte care explică creşterea densităţii înintervalul de temperatură de 0 - 4°C.

Asociaţiile moleculare de apă se desfac şi refac necontenit, în aşa fel încât la o anumită temperatură numărul total demolecule asociate, dintr-o anumită cantitate de apă, să rămână constant.

Se apreciază că:► la topire, se rup brusc 15% din legăturile dehidrogen din cristalul de gheaţă;► la temperatura de 40° C sunt desfăcuteaproximativ jumătate din legături;► în stare de vapori sunt desfăcute toate legăturilede hidrogen.

În stare gazoasă, apa este compusă din moleculeneasociate prin legături de hidrogen. Latemperaturi mai mici de 100°C mai pot existaasociaţii moleculare între moleculele de apă înstare de vapori.

Gheaţă – legăturilede H sunt stabile șiau dispozițiehexagonală

Apa lichidă –legăturile de H sunt instabile

Legătura de H

Prin difracţie cu raze X s-a stabilit structura moleculei de apă în staresolidă. În reţeaua cristalină a gheţii fiecare moleculă de apă esteînconjurată de alte patru molecule ai căror atomi de oxigenformează o structură tetraedrică. Fiecare atom de hidrogen almoleculei centrale formează o legătură de hidrogen cu câte unelectron dintr-o pereche de electroni neparticipanţi ai altor douămolecule de apă şi fiecare pereche de electroni neparticipanţi aimoleculei centrale formează două legătură de hidrogen cu câte unatom de hidrogen al moleculelor de apă vecine.

Proprietăţi chimice ale apei1. Stabilitatea termicăExperimental, s-a demonstrat că apa este o combinaţie chimică foarte stabile. Ea poate

fi descompusă la temperaturi de peste 100oC sau cu ajutorul curentului electriccând disociază în H2 şi O2:

2H2O = 2H2 + O2Stabilitatea deosebită a apei se explică prin aceea că procesul său de formare este

exoterm:H2(g) + O2(g) H2O (vapori)

2. IonizareaMolecula de apă prezintă caracter amfoter comportându-se:

► ca un acid faţă de bazele mai puternice decât eaH2O + NH3 NH4+ + HO-

► ca o bază faţă de acizii mai puternici decât eaH2O +HCl H3O+ + Cl-

3. Caracterul oxido-reducătorÎn funcţie de natura substanţelor cu care reacţionează apa se poate comporta atât ca

oxidant cât şi ca reducător.În reacţie cu substanţe care au afinitate faţă de oxigen apa se comportă ca oxidant:

În reacţie cu substanţe care au afinitate faţă de hidrogen apa se comportă ca reducător:2H2O + 2e- 2HO- + H2

2H2O - 2e- 1/2O2 + 2H+

4. Reacţia cu metalele

Din punct de vedere chimic, apa este foarte reactivă şi participă la multe reacţii chimiceAstfel, apa reacţionează cu metalele, elemente care au afinitate pentru oxigen, încondiţii diferite, dependente de natura metalului.

Reacţia cu metalele alcaline este puternic exotermă şi se desfăşoară la temperaturăobişnuită:

2H2O + 2Na = 2NaOH + H2Reacţia cu metalele alcalino-pământoase are loc la temperaturi în jur de 100oC:

2H2O + Mg = Mg(OH)2 + H2Apa reacţionează cu Al după îndepărtarea stratului de oxid de pe suprafaţa sa:

6H2O + 2Al = 2Al(OH)3 + 3H2Apa în stare de vapori reacţionează cu Fe încălzit puternic (900oC), conducând la

obţinerea oxidului feroferic:4H2O + 3Fe = Fe3O4 + 4H2

Pb, Cu, Hg, Au, Ag nu reacţionează cu apa. În prezenţa apei, unele metale secorodează procesul fiind accelerat de prezenţa O2 şi a CO2.

5. Reactia cu nemetaleleApa reacţionează cu unele nemetale, elemente care au afinitate pentru hidrogen, cum ar

fi de exemplu Cl şi C, la temperaturi foarte ridicate, conducând la obţinerea apei declor şi, respectiv, a gazului de apă.

H2O + Cl2 = HCl + HClOHClO → HCl + [O]H2O + C = CO + H2

6. Reactia cu oxizii metalelorApa reacţionează cu oxizii multor metale, rezultând hidroxizi bazici:

H2O + CaO = Ca(OH)2H2O + Na2O = 2NaOH

7. Reactia cu oxizii nemetalelorDin această reacţie rezultă oxoacizi:

H2O + SO2 = H2SO3H2O + SO3 = H2SO4

8. Reacţii de hidrolizăReacţiile de hidroliză sunt reacţiile care au loc între ionii unei sări şi ionii apei.

La aceste reacţii participă:a) săruri provenite dintr-un acid slab şi o bază tare

Aceste reacţii sunt reacţii reversibile şi au loc numai în condiţiile în care dinreacţie rezultă o substanţă slab disociată, greu solubilă sau volatilă.b) săruri provenite dintr-un acid tare şi o bază slabă care în urma reacţieicu apa conduc la obţinerea de hidroxizi

c) săruri provenite dintr-un acid slab şi o bază slabă care în urma reacţieicu apa conduc la obţinerea de acizi

FeCl3 + 3H2O Fe(OH)3 + 3HCl

CH3COONH4 + H2O CH3COOH +NH4OH

Na2CO3 + H2O NaOH + CO2 + H2O

9. Apa ca şi catalizatorApa are rol catalitic în special în cazul reacţiilor care au loc în fază gazoasă. În prezenţavaporilor de apă au loc reacţiile dintre hidrogenul sulfurat şi oxizii de azot saudioxidul de sulf, reacţia de fotoliză a hidracizilor, reacţia halogenilor cu oxigenul etc.

10. Apa ca solvent

Există multe alte substanţe, cum ar fi alcooli, acizi carboxilici, anumiţi carbohidraţi, pentru care apaeste un bun solvent, deoarece moleculele acestora conţin hidrogen şi oxigen care pot formalegături de hidrogen cu moleculele apei.

Capacitatea apei de a dizolva mai multe substanţe decât oricare alt solvent, proprietate care i-a conferit şi numele de solvent universal, este de foarte mare importanţă biologică.

Anumite molecule mari, cu forţe intramoleculare puternice, nu se dizolvă în apă. Unele dintreacestea, şi anume cele care au zone încărcate electric, manifestă forţe de atracţie asupramoleculelor de apă, conducând la formarea unui strat de apă pe suprafaţa lor, care ledetermină sa fie dispersate, adică să existe în stare de suspensie coloidală.

Proprietatea de dipol îi conferă moleculei de apăposibilitatea de a funcţiona ca un excelent solventatât faţă de compuşii ionici, cât şi faţă de compuşiicovalenţi cu masă moleculară mică ce disociază înapă. Astfel, NaCl substanţă ionică alcătuită din ioniîncărcaţi pozitiv (Na+), care alternează cu ioniîncărcaţi negativ (Cl-), disociază la introducerea înapă, datorită faptului că forţele de atracţie dintresarcinile pozitive ale dipolului apă şi ionul de clor, pede o parte, şi sarcina negativă a dipolului apă şi ionulde sodiu, pe de altă parte, sunt mai puternice decâtforţele de atracţie dintre ionii de sodiu şi clor dinmolecula de NaCl . Ca urmare ionii individuali Na+ şiCl- vor fi înconjuraţi de molecule de apă, adică vor fihidrataţi.