Fundamentul chimic al vieții (partea a II-a): apa

După cum am aflat din partea I a acestui articol, legăturile covalente se formează între atomi atunci când aceștia își pun în comun electroni pentru a-și completa straturile de valență. În cazul în care electronii sunt puși în comun în mod inegal, fiind mai atrași înspre nucleul unuia dintre atomi, legătura covalentă este polară. Dacă electronii puși în comun sunt distribuiți egal între cei doi atomi, legătura covalentă este nepolară.

Apa (H₂O) este un exemplu de moleculă polară. Deoarece oxigenul este mai electronegativ decât hidrogenul, electronii sunt mai apropiați de atomul de oxigen și mai depărtați de atomii de hidrogen. Drept urmare, atomul de oxigen capătă o sarcină parțial negativă, iar fiecare atom de hidrogen capătă o sarcină parțial pozitivă. Trebuie menționat că electronii sunt puși în comun, însă nu în mod egal.

Polaritatea apei permite formarea legăturilor de hidrogen între moleculele adiacente, ceea ce conferă apei proprietăți unice și esențiale pentru susținerea vieții. De exemplu, apa este un solvent foarte bun, deoarece legăturile de hidrogen permit ionilor și altor molecule să se dizolve în apă. Legăturile de hidrogen din apă contribuie, de asemenea, la capacitatea sa de încălzire ridicată și la căldura de vaporizare ridicată, ceea ce îi conferă o mai mare stabilitate termică.

Formarea legăturilor de hidrogen face ca apa înghețată să fie mai puțin densă decât apa în stare lichidă. Coeziunea și proprietățile adezive ale apei pot fi observate atunci când apa se ridică printr-un tub capilar. Concentrația ionilor de hidrogen dintr-o soluție (pH-ul) este foarte bine controlată pentru ca organismele să-și mențină homeostazia. De exemplu, enzimele care catalizează majoritatea reacțiilor chimice din organism sunt dependente de pH.

Așadar, proprietățile apei sunt legate de procesele fizice și biochimice care se desfășoară în organismele vii. Viața de pe Pământ ar fi total diferită dacă aceste proprietăți ar fi modificate. Apa este cea mai abundentă moleculă din lumea vie. De exemplu, corpul uman conține aproximativ 60-70% apă. În lipsa apei, viața pur și simplu nu ar putea exista.

Polaritatea apei

Una dintre cele mai importante proprietăți ale apei este faptul că este formată din molecule polare: atomii de oxigen și hidrogen din molecula apei (H₂O) formează legături covalente polare. Deși molecula de apă nu prezintă o sarcină electrică netă, polaritatea creează o sarcină parțial pozitivă la nivelul atomilor de hidrogen și parțial negativă la nivelul atomului de oxigen, după cum a fost explicat mai sus.

Datorită polarității, fiecare moleculă de apă atrage alte molecule de apă datorită sarcinilor electrice opuse, formând legături de hidrogen. De asemenea, molecula de apă atrage sau este atrasă de alte molecule polare sau ioni polari. O substanță polară care interacționează ușor sau se dizolvă rapid în apă se numește substanță hidrofilă. Pe de altă parte, moleculele nepolare, cum sunt uleiurile și grăsimile, nu interacționează bine cu apa și se numesc substanțe hidrofobe. Aceste substanțe nu se dizolvă în apă, ci se separă de aceasta, după cum se poate observa din Figura 1.

Figura 1 – Uleiul nu se dizolvă în apă, ci formează picături, datorită faptului că este un compus nepolar. | Sursa: GAUTAM DOGRA

Stările apei: lichid, solid și gaz

Formarea legăturilor de hidrogen este o calitate importantă a apei în stare lichidă și este esențială pentru viața de pe planeta noastră. Pe măsură ce moleculele de apă formează legături de hidrogen între ele, apa dobândește o serie de caracteristici chimice diferite față de alte lichide. Deoarece ființele vii conțin o cantitate însemnată de apă, înțelegerea acestor proprietăți chimice este esențială pentru înțelegerea vieții.

În apa în stare lichidă, legăturile de hidrogen se formează și se rup în mod constant pe măsură ce moleculele de apă trec una pe lângă cealaltă. Ruperea acestor legături este cauzată de mișcarea (energia cinetică) moleculelor de apă datorată căldurii din sistem. Odată ce căldura crește prin încălzirea apei, energia cinetică mai mare a moleculelor de apă duce la ruperea completă a legăturilor de hidrogen și permite moleculelor de apă să scape în aer sub formă de gaz (abur sau vapori de apă). Pe de altă parte, atunci când temperatura se reduce și apa îngheață, moleculele formează o structură cristalină menținută de legăturile de hidrogen (nu există suficientă energie pentru ruperea legăturilor de hidrogen), ceea ce face gheața mai puțin densă decât apa lichidă – un fenomen care nu se observă la solidificarea altor lichide.

Densitatea mai mică a apei în stare solidă se datorează modului în care legăturile de hidrogen se orientează în timpul înghețării: moleculele sunt mai îndepărtate decât în apa în stare lichidă. În cazul altor lichide, solidificarea prin scăderea temperaturii face ca moleculele să se aglomereze mai mult decât în starea lichidă și să formeze un solid că densitate mai mare decât lichidul.

Densitatea mai mică a gheții, ilustrată în Figura 2, face ca gheața să plutească la suprafața apei, cum este cazul unui aisberg sau al cuburilor de gheață dintr-un pahar cu apă. În iazuri și lacuri, gheața se formează la suprafața apei și creează o barieră izolatoare care protejează animalele și plantele față de îngheț.

Figura 2 – Legăturile de hidrogen fac gheață mai ușoară decât apa în stare lichidă. Structura (a) reticulată a gheții o face mai puțin densă decât moleculele de apă lichidă care curg liber, permițându-i (b) să plutească pe apă. | Sursa: JANE WHITNEY (a)/CARLOS PONTE (b)

Efectul advers al înghețării apei dintr-un organism este dat de expansiunea gheții comparativ cu apa în stare lichidă. Cristalele de gheață care se formează rup membranele celulare, afectându-le în mod ireversibil. Celulele pot supraviețui înghețului doar dacă apa din interiorul lor este înlocuită cu un alt lichid, cum este glicerolul.

Capacitatea de încălzire a apei

Capacitatea de încălzire ridicată a apei este o proprietate dată de legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă. Apa prezintă cea mai mare căldură specifică dintre toate lichidele. Căldura specifică este definită drept cantitatea de căldură pe care un gram de substanță trebuie să o absoarbă sau să o piardă pentru a-și modifica temperatura cu un grad Celsius.

În cazul apei, această cantitate de căldură este echivalentă cu o calorie. Apa are nevoie de mult timp pentru a se încălzi sau pentru răci. De fapt, căldura specifică a apei este de circa cinci ori mai mare decât cea a nisipului. Acest lucru explică de ce pământul să răcește mai repede decât oceanul. Datorită căldurii specifice ridicate, apa este folosită de animalele cu sânge cald pentru a-și dispersa mai uniform căldura în corp – într-un mod similar cu sistemul de răcire al unei mașini.

Căldura de vaporizare a apei

Apa prezintă o căldură de vaporizare ridicată – cantitatea de căldură necesară pentru a transforma un gram de substanță lichidă în gaz. Pentru acest lucru este necesară o cantitate considerabilă de căldură: 586 de calorii.

Procesul de vaporizare are loc la suprafața apei. Pe măsură ce apa lichidă se încălzește, legăturile de hidrogen fac dificilă separarea moleculelor de apă lichidă una de cealaltă, fapt necesar pentru trecerea apei în stare gazoasă (abur). Drept rezultat, apa funcționează ca un rezervor de căldură și are nevoie de mult mai multă căldură pentru a fierbe, comparativ cu un lichid precum etanolul, ale cărui legături de hidrogen sunt mai slabe decât cele din apă.

Apa atinge punctul de fierbere la temperatura de 100 de grade Celsius, iar căldura poate rupe legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă. Energia cinetică a moleculelor le permite să scape din lichid sub formă de gaz. Chiar și sub punctul de fierbere, unele molecule de la suprafața apei dobândesc suficientă energie pentru a scăpa din sistem, proces numit evaporare.

Faptul că legăturile de hidrogen trebuie rupte pentru ca apa să se evapore înseamnă că în proces este utilizată o cantitate substanțială de energie. Odată ce apa se evaporă, energia este preluată de proces, răcind astfel mediul în care are loc evaporarea. La numeroase organisme vii, printre care și oamenii, evaporarea transpirației, care conține 90% apă, permite organismului să se răcorească.

Apa ca solvent

Deoarece apa este o moleculă polară, cu sarcini parțial pozitive și parțial negative, ionii și moleculele polare se pot dizolva cu ușurință în ea. Drept urmare, apa este un solvent, adică o substanță capabilă să dizolve alte molecule sau compuși polari. Sarcina electrică asociată cu aceste molecule formează legături de hidrogen cu apa, înconjurând particule cu molecule de apă și formând o așa-numită sferă de hidratare, după cum se poate observa din Figura 3.

Figura 3 – Atunci când sarea de bucătărie (NaCl) este amestecată cu apa, în jurul ionilor de sodiu (Na) și clor (Cl) se formează sfere de hidratare.

Atunci când compușii ionici sunt adăugați în apă, fiecare ion reacționează cu regiunile polare ale moleculei de apă, iar legăturile ionice sunt perturbate printr-un proces denumit disociere. Disocierea are loc atunci când atomii sau grupurile de atomi se desprind din molecule și formează ioni. În cazul sării de bucătărie (clorura de sodiu – NaCl), atunci când cristalele de NaCl sunt adăugate în apă, molecula disociază în ioni de Na⁺ și Cl^–, în jurul cărora se formează sfere de hidratare. Ionul de sodiu parțial pozitiv este înconjurat oxigenul parțial negativ din molecula de apă. Ionul de clor parțial negativ este înconjurat de ionii de hidrogen parțial pozitivi din molecula de apă.

Coeziunea și proprietățile adezive ale apei

Coeziunea face ca moleculele de apă să fie atrase una de cealaltă (datorită legăturilor de hidrogen), ceea ce ține moleculele împreună la interfața lichid-gaz (apă-aer). Pentru a ilustra acest lucru, să ne imaginăm că umplem un pahar cu apă, apoi mai adăugăm încet câteva picături. Înainte de a da pe-afară, apa din pahar capătă o formă de dom deasupra marginii paharului, deci poate rămâne deasupra sticlei datorită coeziunii dintre molecule.

Coeziunea permite formarea tensiunii superficiale – capacitatea unei substanțe de a rezista la rupere atunci când este supusă tensiunii sau stresului. Acesta este și motivul pentru care apa formează picături atunci când este depusă pe o suprafață uscată, în loc de a fi aplatizată de gravitație. Atunci când o bucățică de hârtie este plasată pe o picătură de apă, ea plutește deasupra picăturii, chiar dacă hârtia este mai densă (mai grea) decât apa.

Forțele de coeziune sunt legate de proprietatea apei denumită adeziune, adică atracția dintre moleculele de apă și alte molecule. Uneori, această atracție este mai puternică decât forța de coeziune, mai ales atunci când apa este expusă unor suprafețe încărcate electric, cum sunt cele din interiorul unui tub capilar. Adeziunea se observă atunci când apa „urcă” într-un tub capilar plasat într-un pahar cu apă. Din Figura 4 se observă cum apa apare mai ridicată pe marginile tubului decât în centrul său. Acest lucru se datorează faptului că moleculele de apă sunt atrase de pereții de sticlă încărcați electric mai mult decât sunt atrase între ele, deci aderă la pereții tubului capilar.

Figura 4 – Acțiunea capilară (capilaritatea) unui tub de sticlă se datorează forțelor de adeziune exercitate de suprafața internă a sticlei, care depășesc forțele de coeziune exercitate de moleculele de apă. | Sursa: PEARSON-SCOTT FORESMAN

Forțele de coeziune și adeziune sunt importante pentru transportul apei de la rădăcini la frunzele plantelor. Aceste forțe exercită o „atracție” a coloanei de apă, datorată tendinței moleculelor de apă care se evaporă la suprafața plantei de a rămâne conectate cu cele din imediata lor apropiere,  trăgându-le astfel în sus. În lipsa acestor proprietăți ale apei, plantele nu ar putea primi apa și mineralele de care au nevoie.

pH, soluții tampon, acizi și baze

pH-ul unei soluții indică aciditatea sau alcalinitatea (bazicitatea) sa.

H₂O(l) ↔ H⁺(aq) + OH^–(aq)

Hârtia de turnesol sau de pH este o hârtie de filtru care a fost tratată cu un colorant natural solubil în apă, astfel încât poate fi folosită ca indicator de pH pentru a testa cât de mult acid (aciditate) sau bază (alcalinitate) există într-o soluție. Hârtia de pH măsoară concentrația ionilor de hidrogen din soluția respectivă.

Ionii de hidrogen sunt creați în mod spontan în apa pură prin disocierea (ionizarea) unei mici părți a moleculelor de apă într-un număr egal de ioni de hidrogen (H⁺) și ioni hidroxid (OH^–). În timp ce ionii hidroxid sunt menținuți în soluție prin legăturile de hidrogen formate cu moleculele de apă, ionii de hidrogen (care sunt protoni liberi) sunt imediat atrași de moleculele de apă neionizate, formând ionii hidroniu (H₃0⁺). Totuși, prin convenție, oamenii de referă la ionii de hidrogen și la concentrația lor ca și cum ar fi liberi în apa lichidă.

Concentrația ionilor de hidrogen care disociază din apa pură este de 1 × 10^-7 moli de ioni H⁺ la litrul de apă. Molii reprezintă o modalitate de exprimare a cantității de substanță (atomi, molecule, ioni etc.), un mol fiind echivalentul a 6,02 × 10²³ particule de substanță. Așadar, un mol de apă este egal cu 6,02 × 10²³ molecule de apă. pH-ul este calculat ca negativ al logaritmului în baza 10 al acestei concentrații. Log10 de 1 × 10^-7 este egal cu -7,0, iar negativul acestui număr (indicat prin litera „p” din pH) dă pH-ului valoarea 7,0 (sau pH neutru). De exemplu, pH-ul din interiorul celulelor și sângelui uman este menținut la o volare apropiată de neutru.

pH-ul acid sau bazic rezultă după dizolvarea unui acid sau a unei baze în apă. Concentrațiile ridicate de ioni de hidrogen duc la o valoare mai mică a pH-ului, în timp ce concentrațiile scăzute de ioni de hidrogen duc la o valoare mai mare a pH-ului. Un acid este o substanță care crește concentrația ionilor de hidrogen (H⁺) dintr-o soluție, de obicei prin disocierea unora dintre atomii săi de hidrogen. O bază furnizează ioni hidroxid (OH^–) sau alți ioni încărcați negativ care se combină cu ionii de hidrogen, reducând concentrația acestora din soluție și crescând astfel pH-ul. În cazul în care baza eliberează ioni hidroxid, aceștia se leagă de atomii de hidrogen liberi și creează molecule de apă noi.

Cu cât un acid este mai puternic, cu atât el cedează mai repede H⁺. De exemplu, acidul clorhidric (HCl) disociază complet în ioni de hidrogen și clor (clorură) și este un acid foarte tare, în timp ce acizii din sucul de tomate sau din oțet nu disociază complet și sunt considerați acizi slabi.

În schimb, bazele tari sunt acele substanțe care cedează cu ușurință ioni OH^– sau acceptă ioni de hidrogen. Hidroxidul de sodiu (NaOH) și alte produse de curățare de uz casnic sunt puternic alcaline și cedează rapid OH^– când ajung în apă, crescând astfel pH-ul soluției. Un exemplu de soluție alcalină slabă este apa de mare, care are un pH apropiat de 8,0, apropiat de pH-ul neutru la care s-au adaptat organismele marine.

Scara pH-ului are valori cuprinse între 0 și 14, după cum reiese din Figura 5. Valorile mai mici de 7 (valorile cuprinse între 0 și 6,9) reprezintă un pH acid, iar valorile de peste 7 (valorile situate între 7,1 și 14) reprezintă un pH alcalin (bazic).

Valorile extreme ale pH-ului sunt considerate improprii vieții. pH-ul din interiorul celulelor (6,8) și pH-ul sângelui (7,4) sunt ambele apropiate de valoarea neutră (7,0). Totuși, mediul din stomac este foarte acid, cu valori ale pH-ului între 1 și 2. Așadar, cum reușesc celulele mucoasei stomacale să supraviețuiască în acest mediu acid? Cum își mențin ele un pH neutru în interior? În realitate, aceste celule mor și sunt înlocuite în mod constant. Celule noi sunt produse permanent pentru a le înlocui pe cele moarte, care sunt digerate de acizii din stomac. Se estimează că mucoasa stomacală este înlocuită complet la fiecare 7-10 zile.

Figura 6 – Scara pH-ului măsoară concentrația ionilor de hidrogen dintr-o soluție. | Sursa: EDWARD STEVENS

Așadar, cum este posibil ca un organism al cărui corp necesită un pH apropiat de neutru să ingereze substanțe acide și bazice (de exemplu, un om care bea suc de portocale) fără a păți nimic? Răspunsul la această întrebare este reprezentat de soluțiile tampon. Acestea absorb cu ușurință ionii H⁺ sau OH^– în exces, menținând pH-ul corpului în intervalul îngust necesar pentru supraviețuire.

Menținerea unui pH sanguin constant este esențială pentru sănătate. Soluțiile tampon care mențin pH sanguin în limite normale sunt acidul carbonic (H₂CO₃), ionul bicarbonat (HCO₃^–) și dioxidul de carbon (CO₂). Atunci când ionii de bicarbonat se combină cu ionii de hidrogen liberi și devin acid carbonic, ionii de hidrogen sunt înlăturați, moderând astfel schimbările de pH. În mod similar, după cum este prezentat în Figura 7, excesul de acid carbonic poate fi convertit în dioxid de carbon, care apoi este expirat prin plămâni. Acest lucru previne acumularea prea multor ioni de hidrogen liberi în sânge și scăderea pH-ului acestuia.

Figura 7 – Diagrama arată modul de reglare a pH-ului sanguin. Săgețile albastre arată creșterea pH-ului prin crearea dioxidului de carbon. Săgețile roșii arată procesul invers, prin care bicarbonatul creat reduce pH-ul.

În mod asemănător, dacă prea mulți ioni OH^– sunt introduși în sistem, acidul carbonic se va combina cu aceștia pentru a forma bicarbonat, reducând pH-ul.

Un alt exemplu de soluții tampon îl reprezintă medicamentele antiacide utilizate pentru a combate aciditatea sucului gastric în exces. Multe din aceste medicamente acționează la fel ca soluțiile tampon din sânge, în care cel puțin un ion este capabil să absoarbă ionii de hidrogen și să modereze pH-ul.

Proprietățile unice ale apei, care contribuie la această capacitate de echilibrare a pH-ului, precum și celelalte caracteristici ale apei, sunt esențiale pentru susținerea vieții pe Pământ.