Air (molekul)

Artikel ini berkaitan dengan air dari segi perspektif kimia dan teknikal. Untuk melihat gambaran umum tetang air, sila lihat Air.

Air mempunyai formula kimia H2O, bermakna bahawa satu molekul air terbina daripada  dua atom hidrogen  dan satu atom oksigen. Ia boleh digambarkan secara ionik sebagai HOH, dengan satu ion Hidrogen  (H+) yang terikat kepada  ion Hidroksida (OH-).  Ia berada didalam keseimbangan dinamik di antara cecair dan wap yang berada pada suhu dan tekanan piawai. Pada suhu bilik, ia adalah cecair yang sangat jernih, tawar, dan tak berbau. Air juga dirujuk di dalam sains sebagai pelarut universal dan hanyalah satu bahan yang dijumpai tulen secara semulajadi dalam ketiga-tiga keadaan jirim.

Bentuk-bentuk air
Sila lihat :Kategori:Bentuk-bentuk air
Air boleh menjadi banyak bentuk. Keadaan pepejal bagi air biasanya dikenali sebagai ais (walaupun banyak bentuk yang wujud, sila lihat  pepejal air amorfous); keadaan gas dikenali sebagai wap air (or stim), dan fasa cecair biasanya disebut hanya sebagai air.  Air adalah asas molekul bagi pelarut berakues.

Berada di atas suhu kritikal tertentu dan tekanan (647 K dan 22.064 MPa), molekul air menjadi keadaan  superkritikal, dalam mana cecair berkelompok timbul di dalam fasa wap.

Air berat adalah air di mana atom hidrogen digantikan dengan isotopnya yang lebih berat, deuterium. Secara kimia, ia adalah serupa dengan air biasa.  Air berat ini digunakan di dalam industri nuklear  untuk memperlahankan neutron-nuetron.

Ciri-ciri molekul 

Molekul air mempunyai struktur yang mudah. Namun begitu, struktur ini dapat menghasilkan tindak balas yang kompleks. Air terdiri daripada satu atom oksigen dan dua atom hidrogen.

Setiap atom hidrogen mempunyai satu proton di dalam nukleus dan satu elektron mengorbit nukleus. Nukleus atom oksigen pula terdiri daripada lapan proton. Mengorbit nukleus atom oksigen ialah lapan elektron yang bercas negatif. Dua elektron mengorbit petala yang berhampiran dengan nukleus, manakala enam elektron lagi di petala luar. Petala luar ini masih tidak lengkap dan memerlukan dua elektron lagi untuk menstabilkan aras tenaga. Elektron-elektron tambahan ini disumbangkan oleh hidrogen memandangkan atom hidrogen mempunyai ruang untuk satu lagi elektron.

Disebabkan ini, dua atom hidrogen dan satu atom oksigen boleh bergabung dl1n membentuk H2O, formula kimia yang kita semua kenali. Disebabkan daya penolakan dua atom hidrogen antara satu dengan lain, maka kedua-dua atom hidrogen terpisah pada sudut 104.45 .Konfigurasi ini menghasilkan molekul air yang asimetri.

Ikatan atom yang membentuk molekul air merupakan ikatan kovalen yang berasaskan perkongsian elektron. Walau bagaimanapun, disebabkan bilangan proton di dalam atom oksigen lebih besar daripada atom hidrogen, pasangan elektron yang dikongsi lebih hampir dengan atom oksigen. Ini bermakna perkongsian elektron adalah tidak sama. 

Atom oksigen mempunyai tarikan yang lebih terhadap elektron yang dikongsi. Oleh itu, oksigen lebih elektronegatif kerana seolah-olah mempunyai sedikit cas negatif. Disebabkan oleh kehilangan sebahagian daripada komplemennya, atom hidrogen pula bertindak seolah- olah membawa sedikit cas positif. Disebabkan taburan cas yang tidak sama, molekul air dikenali sebagai molekul dwikutub. Molekul air bertindak sama seperti magnet, satu hujungnya bercas positif dan satu hujung lagi pula bercas negatif.

Sifat dwikutub ini penting kerana membenarkan molekul air membentuk ikatan dengan molekul air yang berdekatan. Ikatan ini dikenali sebagai ikatan hidrogen. Atom hidrogen yang mempunyai cas positif yang sedikit boleh ditarik secara lemah oleh satu lagi atom oksigen daripada molekul air lain yang mungkin wujud berdekatan memandangkan oksigen ini bercas sedikit negatif. Dengan kata lain, hujung positif (hidrogen) satu molekul air akan tertarik kepada hujung negatif (oksigen) molekul air yang lain.

Bentuk-bentuk air

Air mengambil banyak bentuk di bumi: Wap air dan awan di langit, aisberg di laut, glasier di pergunungan, akuifer di dalam perut bumi, adalah sebahagian daripada nama air. Menerusi penyejatan, kerpasan, dan pengaliran, air mengalir tanpa henti daripada sau bentuj kepada bentuk yang lain, apa yang dipanggil sebagai kitaran air.

Ciri-ciri fizikal dan kimia air

Tindakan melarut

Berbanding dengan sebarang cecair lain yang terbentuk secara semula jadi, air boleh melarut lebih banyak bahan. Bahan ini pula mampu dilarutkan dalam kuantiti yang besar. Disebabkan oleh keupayaan ini, air dikenali sebagai pelarut semesta. Keupayaan ini membolehkan tindakan kimia berlaku sama ada di persekitaran akuatik itu sendiri atau lebih penting lagi di persekitaran dalaman, iaitu persekitaran dalam sel tempat sel-sel tumbuhan dan haiwan menjalankan fungsi fisiologi dan pembiakan.

Untuk menjelaskan bagaimana sesuatu bahan itu boleh larut dalam air, kita gunakan NaCl sebagai contoh. Garam biasa (NaCl) apabila dilarutkan dalam air akan terpisah kepada ion Na+ dan ion Cl- .Molekul air cenderung berkumpul di sekeliling setiap ion bercas positif, dengan hujung negatif mengarah kepada ion tersebut.

Dengan cara yang sama, molekul air cuba berkumpul mengelilingi setiap ion bercas negatif dengan hujung positif air mengarah kepada ion tersebut. Keadaan ini dikenali sebagai sfera terhidrat dan bertanggungjawab melindungi dan seterusnya menghalang ion-ion daripada bersaling tindak antara satu dengan lain. Keadaan ini juga memaksa ion-ion kekal berselerak di dalam air dan tidak bergabung antara satu dengan lain. 

Apabila sfera terhidrat ini terbentuk di sekeliling bahan bercas, bahan itu dianggap telah larut di dalam air. Jadi, air bertindak sebagai pelarut (cecair yang boleh melarutkan satu atau lebih bahan), manakala bahan yang larut dikenali sebagai bahan larut. Kebanyakan molekul yang mempunyai ikatan ion berkemampuan untuk larut di dalam air.

Kebanyakan bahan yang larut di dalam air tidak mengalami perubahan kerana air bersifat agak lengai dan tidak mengubah bahan larutan secara kimia. Sifat ini mempunyai implikasi yang besar terhadap proses fisiologi organisma hidup. Ini bermakna molekul yang diperlukan untuk kehidupan boleh diangkut di dalam darah atau sap dan molekul ini seterusnya boleh disimpan di dalam bentuk larutan, tanpa berubah kepada bahan yang tidak perlu atau toksik.

Ciri terma

Takat suhu beku air adalah pada 0°C dan takat suhu didih air adalah pada 100°C. Jika dibandingkan dengan sebatian yang serupa dengan susunan air (contohnya H2S, H2Se dan H2Te), nilai takat suhu didih dan beku air begitu tinggi. Sebatian lain wujud secara semula jadi hanya sebagai gas, manakala air boleh wujud dalam tiga bentuk (gas, cecair dan pepejal) dalam julat keadaan atmosfera yang sempit.

Untuk menjelaskan keganjilan ini, kita perlu melihat dengan lebih dekat daya antara molekul yang perlu diatasi semasa perubahan daripada satu bentuk kepada bentuk yang lain. Bagi sebarang sebatian, wujud satu tarikan elektrostatik yang lemah antara molekul.

Bahagian nukleus satu molekul akan menarik elektron molekul yang lain. Terdapat juga daya tolakan antara molekul, tetapi daya ini agak lemah dan kurang penting jika dibandingkan dengan daya tarikan. Daya tarikan antara molekul, yang dikenali sebagai daya Van der Waals, menunjukkan kesan yang ketara hanya apabila kedudukan molekul sangat berdekatan antara satu dengan lain seperti keadaan yang wujud dalam pepejal dan cecair.

Secara amnya, lebih berat molekul tersebut, maka semakin besar tarikan Van der Waals antara setiap molekul sebatian tersebut. Maka, dengan bertambahnya berat molekul, lebih banyak tenaga diperlukan untuk mengatasi tarikan ini sebelum pertukaran bentuk boleh berlaku. Takat suhu didih dan takat suhu beku sebatian secara amnya meningkat dengan meningkatnya berat molekul.
Sebatian H2S, H2Se dan H2Te mempunyai komposisi molekul yang sama dengan air kerana sebatian-sebatian ini mengandungi dua atom hidrogen dan satu atom unsur yang lain. Berat molekul untuk H2S ialah 34, manakala berat molekul H2Se dan H2Te masing-masing ialah 80 dan 129. 

Seperti yang diramalkan oleh daya Van der Waals takat beku dan takat didih meningkat dengan meningkatnya berat molekul.Walau bagaimanapun, satu keganjilan dapat dilihat bagi molekul air. Air yang mempunyai berat molekul 18 diramalkan mempunyai takat beku pada -90°C dan takat didih pada- 68°C. Namun begitu, kita dapati bahawa air membeku pada 0°C dan mendidih pada 100°C.

Penyimpangan takat beku dan takat didih air ini daripada suhu yang dijangka boleh dijelaskan oleh ciri kutub molekul air dan ikatan hidrogen yang terbentuk. Seperti yang telah dibincangkan, selain daripada ikatan Van der Waals terdapat satu lagi ikatan tambahan, iaitu ikatan hidrogen antara molekul air. Untuk memecahkan ikatan ini, tenaga tambahan diperlukan dan ini menyebabkan takat didih dan beku air melebihi daripada takat-takat yang diramalkan.

Haba Tentu

Air mempunyai haba tentu yang tinggi. Berdasarkan sifat ini, hanya ammonia, hidrogen cecair dan litium mempunyai keupayaan yang mengatasi keupayaan molekul air. Haba tentu yang tinggi yang dimiliki oleh molekul air boleh dikaitkan dengan ikatan hidrogen yang terbentuk antara molekul. Haba tentu boleh ditakrifkan sebagai jumlah haba yang diperlukan untuk meningkatkan satu gram air kepada satu darjah Celsius.Bagi molekul air, haba tentu mengambil nilai 1. Haba tentu bagi sebatian lain diukur sebagai nisbah muatan haba sebatian itu dan muatan haba air.

Suhu merupakan ukuran untuk kadar pergerakan molekul. Setiap bahan menunjukkan perbezaan dari segi pengambilan tenaga untuk mencapai tahap pergerakan molekul yang setara. Bagi air bentuk cecair, ikatan hidrogen antara individu molekul mesti dipecahkan terlebih dahulu dan dihalang daripada dibentuk semula. 

Selepas proses pemecahan ini barulah molekul boleh bergerak dengan lebih bebas dan seterusnya memperlihatkan peningkatan suhu. Ini dapat menjelaskan mengapa air boleh menyerap haba yang agak banyak tanpa pertambahan suhu yang ketara.

Disebabkan begitu banyak haba perlu diserap sebelum suhu air dapat ditingkatkan sebanyak satu Celcius, proses pemanasan jasad air berlaku dengan perlahan. Proses ini bertanggungjawab menjadikan habitat akuatik lebih stabil dari segi turun naik suhu. Haba tentu air yang tinggi ini juga bermakna bahawa organisma akuatik terdedah kepada julat suhu yang lebih sempit daripada organisma-organisma di ekosistem daratan. Suhu kawasan daratan mungkin mencapai 38 0C atau lebih, tetapi suhu air jarang-jarang melebihi 27°C.

Disebabkan oleh hukum keabadian tenaga, jumlah tenaga di dalam sistem akuatik kekal malar. Jumlah haba yang dibebaskan semasa proses pembekuan adalah sama dengan jumlah yang diserap semasa proses pencairan. Keadaan yang sama juga berlaku semasa proses pengewapan dan pemeluwapan kerana jumlah haba yang diserap dan dibebaskan adalah sama. Kualiti yang ditunjukkan ini akan menjadikan satu jasad air yang besar boleh mengubah iklim kawasan-kawasan daratan yang berhampiran.

Tegangan permukaan

Selain daripada raksa, air mempunyai tegangan permukaan yang paling tinggi di kalangan cecair yang wujud. Kita boleh perhatikan fenomenon tegangan permukaan apabila kita mengisi satu gelas dengan air hingga ke bingkai. Air boleh melebihi bingkai gelas tersebut tanpa melimpah dengan membentuk permukaan cembung. Bentuk sfera titisan air di atas kaca juga menunjukkan tegangan air. 

Fenomenon ini menggambarkan kecenderungan molekul untuk menarik satu dengan lain atau melekat pada permukaan. Disebabkan daya lekatan ml, objek yang lebih berat daripada air boleh terapung di permukaan. Banyakserangga berkebolehan untuk menggunakanpermukaan air untuk sokongan, seolah-olah permukaan air adalah padu. Tegangan permukaan boleh wujud disebabkan oleh ikatan hidrogen. Molekul air di permukaan ditarik kuat oleh molekul air di lapisan bawah.

Satu fenomenon menarik yang ditunjukkan oleh air ialah pembasahan. Air mampu berpaut atau melekat di permukaan seperti kaca, bahan organik atau tak organik. Apabila air dicurahkan ke dalam bekas yang dibuat daripada bahan-bahan ini, daya tarikan antara molekul air dengan molekul bahan yang lain (daya lekitan) akan menyebabkan lapisan tegangan permukaan mengambil bentuk cengkung. Sekiranya bekas itu terdiri daripada kaca, bahagian molekul air yang bercas positif akan ditarik oleh atom oksigen kaca tersebut. 

Disebabkan tarikan atom-atom oksigen ini yang kuat, molekul air mampu memanjat naik bahagian tepi bekas. Namun begitu, molekul air ini ditahan daripada terus memanjat oleh tarikan ikatan hidrogen antara individu molekul air di lapisan bawah. Sebenarnya, sekiranya diameter bekas dikurangkan menjadi sangat kecil, daya lekitan antara molekul air dengan bekas kaca akan menarik terus air ke satu ketinggian tertentu. Fenomenon ini dikenali sebagai tindakan kapilari.

Kelikatan

Kelikatan bermaksud sebarang rintangan dalaman terhadap pengaliran dan merupakan ciri yang dipunyai oleh semua cecair. Jika dibandingkan dengan kebanyakan cecair, air menunjukkan rintangan yang tinggi terhadap pengaliran. Rintangan ini disebabkan oleh jumlah tenaga yang besar yang terkandung dalam ikatan hidrogen molekul air. Kelikatan yang tinggi ini mempunyai kesan positif dan juga kesan negatif kepada biota dengan mempengaruhi kelakuan, morfologi dan penggunaan tenaga oleh organisma akuatik.

Disebabkan kelikatan air, keupayaan ikan untuk bergerak kehadapan dan pantas dibatasi. Setiap pergerakan kehadapan bermakna ikan terpaksa berhadapan dengan kepayahan yang terbentuk basil daripada pergeseran nekton ini dengan air. Salah satu cara untuk mengatasinya adalah dengan menghasilkan pergerakan lalu arus. Bentuk fusiform ikan menggambarkan penyesuaian untuk mencapai maksud lalu arus yang membolehkan organisma bergerak dengan pantas.

Kualiti ketumpatan

Ketumpatan ditakrifkan sebagai berat per unit isipadu dan selalunya diungkapkan sebagai gram sentimeter padu (g/cm3).Kebanyakan cecair mengecut dan menjadi lebih berat semasa disejukkan kerana jumlah molekul yang sama menduduki ruang yang lebih kecil. Bentuk pepejal bahan ini menjadi lebih berat daripada bentuk cecair. Air bertindak agak berbeza. Semasa suhu air berkurangan, ketumpatan air meningkat. Ini berlaku hanya apabila suhu turun sehingga mencapai 3.98 °C, iaitu suhu apabila ketumpatan adalah pada peringkat maksimum. Semasa suhu air dikurangkan daripada 3.98 °c kepada 0 °C, ketumpatan mulai menurun.

Kualiti ketumpatan air ini boleh diterangkan oleh struktur molekul air dan ikatan hidrogen. Semasa suhu diturunkan daripada 20 °C, molekul air yang tidak terikat menduduki isipadu yang lebih kecil, iaitu ciri yang sama yang ditunjukkan oleh cecair lain. Walau bagaimanapun, semasa suhu menghampiri takat beku di bawah 3.98 °C, pengurangan isipadu diganggu oleh satu lagi fenomena lain. Hablur ais yang mempunyai struktur segi enam yang terbuka wujud dengan banyak. Kadar pertambahan hablur ais yang tinggi semasa suhu menghampiri takat beku menerangkan pengurangan ketumpatan air di bawah 3.98 °C.

Ais yang terbentuk adalah 8% lebih ringan daripada air dalam bentuk cecair. Walaupun perkara ini aneh, tetapi ia mempunyai fungsi bagi organisma akuatik. Tanpa hubungan suhu ketumpatan yang unik ini, ais akan tenggelam apabila terbentuk dan keseluruhan jasad air akan membeku dari permukaan hingga ke dasar. Jika keadaan ini berlaku, habitat akuatik tidak dapat menampung sebarang kehidupan pada musim sejuk. Tetapi disebabkan ais lebih ringan daripada air cecair, maka ais hanya wujud dan terapung di permukaan tasik dan organisma lain dapat meneruskan kehidupan di bawah lapisan ais ini.

Selain daripada suhu, ketumpatan air juga dipengaruhi oleh garam terlarut. Kewujudan garam terlarut meningkatkan ketumpatan air. Ketumpatan air tulen ialah 1.000 dan air laut biasa (35 ppm) ialah 1.02822.

Bentuk air
Air
Kimia