Stare naturala. Apa este una din cele mai raspandite substante in natura, gasindu-se in toate cele trei stari de agregare: solida (gheata, zapada, grindina, chiciura), lichida (apa de ploaie, ape subterane, oceane, mari, fluvii, rauri, lacuri, balti etc.) si gazoasa (vaporii de apa din atmosfera si emanatiile vulcanice).
In natura nu exista apa pura. Apele naturale contin dizolvate cantitati variate de diferite substante.
APA, H2O, masa mol. 18,02, lichid incolor, de culoare albastra-verzuie in straturi groase. Are structura unghiulara (A 104,5°), care in realitate este pseudo-tetraedrica, rezultata prin hibridizare sp3, molecula de apa dispunand de doi orbitali hibrizi ocupati cu cate o pereche de electroni neparticipanti.
Compozitia a fost stabilita in perioada 1871-1905 prin experientele lui Macquer, Cavendish, Lavoisier, Laplace si altii.
Hidrogenul si oxigenul avand mai multi izotopi, apa obisnuita contine in proportie mica si combinatiile reciproce ale aces¬tora : H216O ; H217O ; H218O ; HD16O ; HD17O ; HD18O; D216O ; D217O ; D218O si T2O. Prezinta un pronuntat moment electric de dipol µ 1,84, fiind un bun solvent, capabil sa functioneze ca donor de electroni. Daca in stare de vapori apa este formata din molecule neasociate, in stare lichida si in gheata, ele sunt asociate prin legatura de hidrogen. Gheata cristalina are o structura afinata, cu simetrie hexagonala, analoga cu a β-tridimitului, in care orice molecula de apa este coordinata de alte patru molecule de apa, respectiv fiecare atom de oxigen este inconjurat tetraedric de alti patru atomi de oxigen intocmai ca atomii de carbon in diamant.
Totodata, fiecare atom de oxigen al unei molecule de apa este legat covalent de doi atomi de hidrogen ai moleculei proprii si de alti atomi de hidrogen proveniti din doua molecule diferite, prin legaturi de hidrogen. Apa prezinta o serie de proprietati anormale dato¬rita asocierii moleculelor prin legaturi de hidrogen. Astfel, densitatea apei in loc sa scada continuu cu temperatura, asa cum se intampla la celelalte lichide, are valoarea maxima la 4°C si anume egala cu unu. La 0° C, apa se solidifica marindu-si volumul (d.0,9168) cu 9% fiind mai usoara decat apa lichida, pe care pluteste. Valoarea mica a densitatii ghetii este atri¬buita structurii afinate a retelei cristaline. Drept consecinta, sub 4°C, apa racita ingheata, se ridica la suprafata sub forma unui strat protector fata de temperatura exterioara, facand posibila viata acvatica. Apa trece in stare de vapori la 100°C marindu-si volumul de ~1700 ori. Intervalul de temperatura anormal de mare in care apa se afla in faza lichida (0°C - 100°C) este atribuit, de asemenea, asocierii moleculelor de apa, res¬pectiv legaturilor de hidrogen. Cele doua puncte extreme ale apei, de solidificare, respectiv de fierbere la presiune nor¬mala, constituie temperaturile 0°C si 100°C in scara termometrica in grade Celsius. Caldura specifica mare a apa (4,18 J-g-1) are un rol regulator asupra temperaturii apa, deoarece tem¬peratura lacurilor si marilor se schimba mai lent decat a solu¬lui. Caldura latenta de vaporizare este anormal de mare : 40,7 kj/mol. Apa se dovedeste un lichid putin compresibil, prezentand un minim la presiuni joase. In stare pura, ca ur¬mare a unei ionizari proprii extrem de reduse, apa are o conductibilitate electrica mica :
H20 H+ + OH- ; K = 1,04-10-11 la 25°C
Din aceasta cauza, apa pura este greu de electrolizat in schimb, ea are o constanta dielectrica mare ( ε 81), fapt care-i confera excelente proprietati ionizante si de dizolvant, fiind unul din cei mai importanti dizolvanti pentru electroliti si chiar pentru combinatii nepolare anorganice si organice.
Solubilitatea substantelor in apa se datoreste fie existentei in molecula aces¬tora de grupe OH capabile sa formeze legaturi de hidrogen cu moleculele de apa, fie caracterului polar al unor ioni apti a se inconjura cu molecule de apa prin forte ion-dipolice. Conductibilitatea termica a apei este mica, de cca 100 ori mai mica decat a argintului, apa fiind totusi un conductor termic mai bun decat multe lichide organice. Molecula de apa, dato¬rita caracterului puternic exoterm, este atat de stabila, incat abia se disociaza 10% prin ridicarea temperaturii la 2500°C. Spre deosebire de oxigen, azot, iod, seleniu, telur, arsen si stibiu, care nu reactioneaza cu apa, numeroase elemente ne¬metalice sau metalice descompun apa la diferite temperaturi. Astfel, clorul reactioneaza la intuneric, bromul la lumina, sulful la fierbere, fosforul la 250°C, borul, carbonul si siliciul la rosu. Corespunzator cu pozitia lor in seria tensiunilor electrochimice, metalele reactioneaza foarte diferit cu apa asemanator reactiei acestora cu acizii minerali. Spre deosebire de metalele alcaline care reactioneaza violent cu apa la rece, cu degajare de hidrogen, magneziul reactioneaza numai la 100°C, iar fierul la 800°C. in contact cu oxizii unor nemetale sau cu oxizi ai unor metale plurivalente in stari de oxidare superioare, apa formeaza acizi, iar cu oxizii metalelor alcaline si alcalino-pamantoase (exceptie beriliul), baze. Unele carburi, siliciuri, azoturi, fosfuri, arseniuri, sulfuri, selenuri, telururi reactio¬neaza cu apa cu formare de hidroxizi metalici si degajare de compusi hidrogenati corespunzatori. Sarurile provenite dintr-un acid tare cu o baza slaba hidrolizeaza sub actiunea apei, cu caracter acid, iar cele ale unui acid slab cu o baza tare, cu caracter bazic. Apa are proprietatea de a cataliza numeroase reactii, cum sunt cele ale halogenurilor cu oxigenul, a hidro¬genului sulfurat cu oxizii de azot, a hidrogenului cu clorul la lumina si altele. Substantele capabile sa fixeze un numar de molecule de apa si avand o compozitie chimica definita se numesc hidrati
Apa ca solvent. Apa este cel mai important dintre toti sol¬ventii utilizati in tehnica sau aparand in natura. Apa dizolva electroliti (acizi, baze si saruri), formand solutii in care acesti compusi sunt ionizati. De aseme¬nea apa dizolva numeroase substante, atat anorganice cat si organice, care contin atomi capabili de a forma legaturi de hidrogen cu moleculele H2O.
Numeroase reactii au loc in solutie apoasa. Printre acestea au o deosebita, insemnatate reactiile biochimice din organismele vii, care la un loc constituie viata.
Solvatare. Hidratare. Solubilitatea se datoreste formarii unor legaturi slabe, intre moleculele schitului si ale solventului. Fenomenul se numeste solvatare, iar cand solventul este apa, hidratare. Hidratarea se datoreste fie formarii unor legaturi de hidrogen, in cazul substantelor neionizate, fie unor atractii ion-dipoli; cand solutul este compus din ioni.
In solutiile compusilor ionici, ionii de semn contrar raman, intr-o mare masura, despartiti (nu formeaza perechi sau asociatii de ioni), in primul rand din cauza constantei dielectrice mari a apei. Acesta nu este insa singurul factor care determina solubilitatea mare a electrolitilor in apa. Unele lichide a caror constanta, dielectrica este mai mare decat a apei nu sunt solventi buni pentru electroliti. Solubilitatea in apa a compusilor ionici este determi¬nata de puterea mare a acesteia de a solvata ionii. Fiecare ion se inconjoara de-o atmosfera de molecule de apa. Moleculele apei, datorita momentului lor electric (μ = l,84 D) sunt orientate, in cazul cationilor, cu oxigenul (polul negativ) spre ion, iar in cazul anionilor cu un atom de hidrogen spre ion, in aceste interactiuni solut-solvent, se degaja calduri de hidratare considera¬bile; de acelasi ordin de marime cu energiile de retea .
Un ion se solvateaza cu atat mai puternic (numarul de molecule legate si caldura degajata sunt cu atat mai mari) cu cat volumul ionului este mai mic si sarcina electrica mai mare.
Numarul de molecule de apa, legate de fiecare ion dizolvat, poate fi evaluat cu oarecare aproximatie din experiente de transport al ionilor in electrolize. Urmatoarele date sunt bazate pe masuratori de acest fel:
Ionul: Li+, Na+, K+, NH4+, OH3+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Cl-, Br-, I-
Molecule H2O
legate de un ion: 13 8 4 4 3 14 10 8 4 2 2 3
Hidratii. Apa de cristalizare. Metoda curenta pentru purifi¬carea substantelor solide consta in cristalizarea dintr-un solvent. Din apa substantele se depun fie anhidre, fie sub forma de cristale continand apa de cristalizare. Asemenea substante se numesc hidrati. Din apa cristali¬zeaza anhidre relativ putine substante (de ex. unele halogenuri, ca NaCl, NaBr, KI, CsI, substante organice ca zaharoza etc.). Majoritatea electrolitilor si chiar multe substante neionice, anorganice si organice, formeaza hidrati.
Se disting trei mari categorii de hidrati: hidratii electrolitilor (acizi, baze, saruri); hidratii gazelor (stabili de obicei numai sub presiune; v. mai departe) si hidratii compusilor formati din ioni de dimensiuni foarte mari (anioni sau amfioni macromoleculari). Hidratii din primele doua clase (sin¬gurii de care ne ocupam aici) au compozitie stoechiometrica definita si con¬stanta. Acesti hidrati sunt compusi chimici stabili numai in stare solida. Prin indepartarea apei, reteaua cristalina se prezinta; se formeaza substante anhidre a caror retea nu are nici o legatura cu reteaua cristalina a hidratului.
Moleculele de apa de cristalizare fac parte integranta din retelele crista¬line ale hidratilor. Hidratii compusilor macromoleculari (cum sunt unii silicati si proteinele) includ apa in interstitiile retelei lor, care in unele cazuri se dilata, fara a se modifica esential.
Hidratii ca substante definite, Sulfatul de sodiu cristalizeaza din solutii saturate, la temperaturi mai joase decat 32,383°, cu zece molecule de apa de cristalizare: Na2SO4 . 10 H20. Deasupra acestei temperaturi cristalizeaza Na2S04 anhidru. La temperatura indicata mai sus decahidratul, sulfatul anhidru, solutia saturata si vaporii de apa sunt in echilibru. Solubilitatea sulfatului de sodiu creste cu temperatura, fiind maxima; anume 33,2% (cea. 50g substanta anh. in 100 g H2O) la 32,383°; ea scade apoi incet cat temperatura. Punctul de solubilitate maxima, intr-o diagrama solubilitate-temperatura, reprezinta o discontinuitate ce delimiteaza dome¬niul de stabilitate al decahidratului si cel al sulfatului anhidru.
O comportare similara cu a sulfatului de sodiu prezinta sulfatul feros cu deosebirea ca faza stabila peste punctul de transformare nu este sulfatul anhidru, ci monohidratul, FeSO4 . H2O. Clorura de calciu, CaCl2, formeaza hidrati cu 6, 4, 2 si l molecula H2O, fiecare din ei fiind stabil intr-un anumit domeniu de temperatura.
In natura, atmosfera contine vapori de apa in concen¬tratii ce variaza cu temperatura si presiunea. Acestia provin in majoritate din evaporarea marilor si oceanelor si in mica parte, din evaporarea ghetari¬lor. Vaporii de apa din atmo¬sfera se condenseaza sub forma de nori, ceata, ploaie, grindina sau zapada, cand este atinsa presiunea de saturatie la temperatura respectiva si sub forma de roua, bruma sau chiciura, cand condensarea apei are loc heterogen, pe suprafete reci (apa meteorica).
Hidrosfera. Din suprafata totala (de 5,1 . 108 km2) a globului pamantesc 71% (sau 3,62 . 108 km2) este ocupata de mari si oceane. Din suprafata
uscatului (1,48 . 108 km2), putin mai mult de 10% (1,58 . 107 km2) este acoperita cu ghetari.
Volumul marilor si oceanelor este evaluat la 1,37 . 109 km3.(cca. 1/800 din volumul planetei). Volumul ghetarilor din regiunea arctica si antarctica este apreciat la 2,9 . 107 km3. La polul sud grosimea ghetii este de 2700 m, iar in punctul cel mai adanc al continentului antarctic atinge 4200 m. S-a sapat acolo, intr-un loc, o sonda pana la roca de baza la 2187 m, gasindu-se la fund apa lichida. Daca toti ghetarii s-ar topi, nivelul oceanelor s-ar ridica cu cca. 80 m.
Prin cantitatea mare de apa din straturile sale exterioare pamantul se deosebeste fundamental de celelalte planete, care sunt sarace in apa sau lipsite de apa.
