Proprietățile de solvent ale apei

Ți-a dat viața vreodată lămâi? Dacă da, fară îndoială că ai urmat vechea zicală și ai făcut limonadă - implicând, desigur, mult zahăr! Dacă ai amestecat zahăr în limonadă (sau ceai, sau orice altă băutură pe bază de apă) şi l-ai privit cum se dizolvă, atunci ai văzut deja proprietăţile de solvent ale apei în acţiune. Un solvent este doar o substanță care poate dizolva alte molecule și compuși, cunoscute sub numele de solut. Un amestec omogen de solvent şi solut se numeşte soluţie, iar o mare parte din chimia vieţii are loc în soluţii apoase sau soluţii cu apă ca solvent.

Datorită polarității și capacității sale de a forma legături de hidrogen, apa este un solvent excelent, însemnând că poate dizolva multe tipuri diferite de molecule. Majoritatea reacţiilor chimice importante pentru viaţă au loc într-un mediu apos din interiorul celulelor, iar capacitatea apei de a dizolva o mare varietate de molecule este esenţială pentru a permite aceste reacţii chimice.

Datorită capacităţii sale de a dizolva o gamă largă de substanțe, apa este uneori numită "solventul universal". Totuși, acest nume nu este pe deplin corect, deoarece există unele substanţe (cum ar fi uleiurile) care nu se dizolvă bine în apă. În general, apa este bună la dizolvarea ionilor şi a moleculelor polare, dar slabă la dizolvarea moleculelor nepolare. (O moleculă polară este neutră sau neîncărcată, dar are o distribuție internă asimetrică a sarcinii, ceea ce duce la regiuni parţial pozitive şi parţial negative.)

Apa interacţionează diferit cu substanţele încărcate şi polare în comparaţie cu substanţele nepolare din cauza polarităţii propriilor molecule. Moleculele de apă sunt polare, cu sarcini parţial pozitive pe hidrogeni, o sarcină parţial negativă pe oxigen şi o structură globală curbată. Distribuția inegală a sarcinii într-o moleculă de apă reflectă o mai mare electronegativitate sau lăcomie de electroni a oxigenului în raport cu hidrogenul: electronii comuni ai legăturilor O-H petrec mai mult timp cu atomul de O decât cu atomii de H. În imaginea de mai jos, sarcinile parțial pozitive și parțial negative dintr-o moleculă de apă sunt reprezentate de simbolurile δ$^+$start superscript, plus, end superscript şi respectiv δ$^-$start superscript, minus, end superscript.

Datorită polarităţii sale, apa poate forma interacţiuni electrostatice (atracţii pe bază de sarcină) cu alte molecule polare şi ioni. Moleculele polare şi ionii interacţionează cu capetele parţial pozitive şi parţial negative ale apei, cu sarcini pozitive care atrag sarcini negative (la fel ca și capetele + și – ale magneților). Când există multe molecule de apă în raport cu moleculele dizolvate, ca într-o soluție apoasă, aceste interacțiuni conduc la formarea unei sfere tridimensionale de molecule de apă, sau înveliș de hidratare, în jurul solutului. Învelișul de hidratare permite dispersarea (împrăștierea) uniformă a particulelor în apă.

Cum poate formarea unui înveliș de hidratare să cauzeze dizolvarea unui solut? De exemplu, să luăm în considerare ce se întâmplă cu un compus ionic, cum ar fi sarea de masă (NaCl), atunci când este adăugat în apă.

Dacă amesteci sarea de masă în apă, structura cristalină a NaCI va începe să se disocieze în ioni de Na$^+$start superscript, plus, end superscript şi Cl$^-$start superscript, minus, end superscript. (Disocierea este doar un nume pentru procesul în care un compus sau o moleculă se descompune pentru a forma ioni). Moleculele de apă formează învelișuri de hidratare în jurul ionilor: ionii încărcați pozitiv de Na$^+$start superscript, plus, end superscript sunt înconjurați de sarcini parțial negative de la capetele de oxigen ale moleculelor de apă, în timp ce ionii încărcați negativ de Cl$^-$start superscript, minus, end superscript sunt înconjurați de sarcini parțial pozitive de la capetele de hidrogen. Pe măsură ce procesul continuă, toți ionii din cristalele de sare de masă sunt înconjurați de învelișuri de hidratare şi dispersați în soluţie.

Moleculele nepolare, cum ar fi grăsimile şi uleiurile, nu interacţionează cu apa și nu formează învelișuri de hidratare. Aceste molecule nu au regiuni cu sarcină parțial pozitivă sau parțial negativă, deci nu sunt atrase electrostatic de moleculele de apă. Astfel, în loc să se dizolve, substanţele nepolare (cum ar fi uleiurile) rămân separate şi formează straturi sau picături atunci când sunt adăugate în apă.