Inhoud
Het watermolecuul is elektrisch neutraal, maar de asymmetrische rangschikking van de waterstofatomen op het zuurstofatoom geeft het een netto positieve lading aan de ene kant en een negatieve lading aan de andere. Een van de belangrijke gevolgen voor levende organismen is het vermogen van water om een verscheidenheid aan stoffen op te lossen, meer dan elke andere vloeistof, en de sterke oppervlaktespanning, waardoor het druppels kan vormen en door kleine wortels, stengels en haarvaten kan reizen. Water is de enige substantie die bestaat als een gas, vloeibaar en vast bij temperaturen op aarde, en vanwege de polariteit van het watermolecuul is de vaste toestand minder dicht dan de vloeibare toestand. Als gevolg hiervan drijft ijs, en dit heeft grote gevolgen voor het leven overal op de planeet.
Waterstofbinding
Een gemakkelijke manier om de polaire aard van een watermolecuul te waarderen, is om het te visualiseren als Mickey Mouses-hoofd. De waterstofatomen zitten bovenop het zuurstofmolecuul op ongeveer dezelfde manier als de oren op Mickeys hoofd zitten. Deze vervormde tetraëdrische opstelling komt tot stand door de manier waarop elektronen worden gedeeld tussen de atomen. De waterstofatomen vormen een hoek van 104,5 graden, waardoor elk molecuul de kenmerken heeft van een elektrische dipool of een magneet.
De positieve (waterstof) kant van elk watermolecuul wordt aangetrokken door de negatieve (zuurstof) kant van omliggende moleculen in een proces dat waterstofbinding wordt genoemd. Elke waterstofbinding duurt slechts een fractie van een seconde en is lang niet sterk genoeg om de covalente bindingen tussen de atomen te verbreken, maar het geeft water een afwijkende aard in vergelijking met andere vloeistoffen, zoals alcohol. Drie anomalieën zijn vooral belangrijk voor levende organismen.
The Solvent of Life
Vanwege zijn polaire aard kan water zoveel stoffen oplossen dat wetenschappers het soms een universeel oplosmiddel noemen. Organismen absorberen veel essentiële voedingsstoffen, waaronder koolstof, stikstof, fosfor, kalium, calcium, magnesium en zwavel uit water. Bovendien, wanneer water een ionische vaste stof oplost, zoals natriumchloride, drijven de ionen vrij in oplossing en veranderen deze in een elektrolyt. Elektrolyten geleiden de elektrische signalen die nodig zijn om neurale signalen uit te zenden, evenals die welke andere biofysische processen reguleren. Water is ook het medium waardoor organismen de afvalstoffen van het metabolisme elimineren.
De bindende kracht van voeding
De elektrostatische aantrekking van watermoleculen voor elkaar creëert het fenomeen oppervlaktespanning, waarbij het oppervlak van vloeibaar water een barrière vormt waarop bepaalde insecten daadwerkelijk kunnen lopen. Door oppervlaktespanning worden waterdruppeltjes tot druppels gevormd en wanneer een druppel de andere nadert, trekken ze elkaar aan om een enkele druppel te vormen.
Vanwege deze attractie kan water als een gestage stroom in kleine haarvaten worden getrokken. Hierdoor kunnen planten vocht uit de grond trekken via hun wortels, en kunnen hoge bomen voeding krijgen door sap door hun poriën te trekken. De aantrekking van watermoleculen voor elkaar helpt ook om vloeistoffen door dierlijke lichamen te laten circuleren.
De anomalie van drijvend ijs
Als het ijs niet zou drijven, zou de wereld een andere plaats zijn en waarschijnlijk niet in staat zijn om het leven te ondersteunen. Oceanen en meren kunnen van onderaf bevriezen en in een vaste massa veranderen wanneer de temperatuur koud wordt. In plaats daarvan vormen waterlichamen in de winter een ijslaag; het oppervlak van het water bevriest wanneer het wordt blootgesteld aan de koudere luchttemperaturen erboven, maar het ijs blijft bovenop de rest van het water omdat ijs minder dicht is dan water. Hierdoor kunnen vissen en andere zeedieren overleven bij koud weer en voedsel bieden aan landdieren.
Met uitzondering van water, wordt elke andere verbinding dichter in de vaste toestand dan in vloeibare toestand. Het unieke gedrag van water is een direct gevolg van de polariteit van het watermolecuul. Terwijl de moleculen in de vaste toestand bezinken, worden ze door waterstofbruggen in een roosterstructuur gedwongen die meer ruimte tussen hen biedt dan in vloeibare toestand.