Struktur Air

Air, zat yang terdiri dari unsur-unsur kimia hidrogen dan oksigen dan ada dalam bentuk gas, cair, dan padat. Air adalah salah satu senyawa yang paling berlimpah dan penting. Air merupakan sebuah cairan hambar dan tidak berbau pada suhu kamar, Air memiliki kemampuan penting untuk melarutkan banyak zat lainnya. Memang, fleksibilitas air sebagai pelarut sangat penting untuk organisme hidup. Hidup diyakini berasal dari larutan air dari lautan di dunia, dan organisme hidup tergantung pada air, seperti darah dan pencernaan, untuk proses biologis. Dalam jumlah kecil air tidak berwarna, tapi air sebenarnya memiliki warna biru intrinsik yang disebabkan oleh sedikit penyerapan cahaya pada panjang gelombang merah.

Rumus Kimia Air

H₂O

Meskipun molekul air sederhana dalam struktur (H₂O), sifat fisik dan kimia dari senyawa air sangat rumit, dan air merupakan senyawa yang paling tidak khas yang ditemukan di Bumi. Sebagai contoh, meskipun melihat es batu mengambang di segelas air es adalah hal yang lumrah, perilaku seperti itu tidak biasa untuk jumlah air pada entitas kimia. Untuk hampir setiap senyawa lain, bentuk padat lebih padat daripada keadaan cair; dengan demikian, bentuk senyawa padat akan tenggelam ke dasar cairan. Fakta bahwa es mengapung di atas air adalah sangat penting di alam, karena es yang terbentuk pada kolam dan danau di daerah dingin dunia bertindak sebagai penghalang isolasi yang melindungi kehidupan di bawah air. Jika es lebih padat daripada air cair, es yang terbentuk di kolam akan tenggelam, sehingga mengekspos lebih banyak air dengan suhu dingin. Dengan demikian, kolam akhirnya akan membeku seluruhnya dan membunuh semua bentuk kehidupan.

Iklan oleh Google

Air terjadi sebagai cairan di permukaan bumi dalam kondisi normal, yang membuatnya berharga untuk transportasi, rekreasi, dan sebagai habitat untuk berbagai tanaman dan hewan. Fakta bahwa air mudah berubah menjadi uap (gas) memungkinkan untuk air diangkut melalui atmosfer dari lautan ke daerah pedalaman di mana ia mengembun dan, sebagai hujan, memelihara kehidupan tumbuhan dan hewan. (Lihat hidrosfer: Siklus hidrologi untuk penjelasan dari siklus dimana air ditransfer melalui bumi.)

Karena keunggulan tersebut, air telah lama memainkan peran agama dan filsafat penting dalam sejarah manusia. Pada abad ke-6 SM, Thales dari Miletus, kadang-kadang dikreditkan untuk memulai filsafat Yunani, air dianggap sebagai satu-satunya blok bangunan dasar materi:

Ini adalah air yang, dalam mengambil bentuk yang berbeda, merupakan bumi, atmosfer, langit, gunung, dewa dan manusia, binatang dan burung, rumput dan pohon-pohon, dan hewan ke cacing, lalat dan semut. Semua ini adalah bentuk yang berbeda dari air. Renungkan air!

Dua ratus tahun kemudian, Aristoteles menganggap air menjadi salah satu dari empat elemen dasar, selain tanah, udara, dan api. Keyakinan bahwa air adalah zat dasar berlangsung selama lebih dari 2.000 tahun sampai percobaan di paruh kedua abad ke-18 menunjukkan bahwa air adalah senyawa yang terdiri dari unsur-unsur hidrogen dan oksigen.

Air di permukaan bumi ditemukan terutama di samudera (97,25 persen) dan es dan gletser di kutub (2,05 persen), dan sisanya adalah dalam danau air tawar, sungai, dan air tanah. Seiring pertumbuhan penduduk bumi, permintaanair bersih meningkat, pemurnian air dan daur ulang air menjadi semakin penting. Menariknya, persyaratan kemurnian air untuk keperluan industri sering melebihi kemurnian untuk konsumsi manusia. Misalnya, air yang digunakan dalam boiler tekanan tinggi harus minimal 99.999998 persen murni. Karena air laut mengandung sejumlah besar garam terlarut, harus desalinated untuk sebagian besar menggunakan, termasuk konsumsi manusia.

Air Cair

Molekul air terdiri dari dua atom hidrogen, masing-masing dihubungkan oleh ikatan kimia tunggal untuk atom oksigen. Sebagian besar atom hidrogen memiliki inti yang terdiri semata-mata dari proton. Dua bentuk isotop, deuterium dan tritium, di mana inti atom juga mengandung satu dan dua neutron, masing-masing, ditemukan tingkat kecil di dalam air. Deuterium oksida (D₂O), yang disebut air berat, Air merupakan senyawa penting dalam penelitian kimia dan juga digunakan sebagai moderator neutron dalam beberapa reaktor nuklir.

Meskipun rumusnya (H₂O) tampak sederhana, air mengandung sifat kimia dan fisik yang sangat kompleks. Misalnya, titik leleh, 0 ° C (32 ° F), dan titik didih, 100 ° C (212 ° F), jauh lebih tinggi dari yang diharapkan dibandingkan dengan senyawa analog, seperti hidrogen sulfida dan amonia. Dalam bentuk padat, es, air kurang padat daripada saat cair, ini merupakan properti yang tidak biasa lainnya. Akar anomali ini terletak pada struktur elektronik dari molekul air.

Molekul air tidak linear tetapi membungkuk dengan cara yang khusus. Dua atom hidrogen terikat pada atom oksigen pada sudut 104.5 °.

Jarak O-H (panjang ikatan) adalah 95,7 picometres (9.57 × 10^-11 meter, atau 3.77 × 10^-9 inci). Karena atom oksigen memiliki elektronegativitas lebih besar dari atom hidrogen, obligasi O-H dalam molekul air polar, dengan oksigen bantalan muatan parsial negatif (δ-) dan hidrogen memiliki muatan positif parsial (δ +).

Atom hidrogen dalam molekul air tertarik ke daerah kerapatan elektron yang tinggi dan dapat membentuk hubungan yang lemah, yang disebut ikatan hidrogen, dengan daerah tersebut. Ini berarti bahwa atom hidrogen dalam satu molekul air tertarik ke pasangan elektron nonbonding dari atom oksigen pada molekul air yang berdekatan. Struktur air cair diyakini terdiri dari agregat molekul air yang membentuk dan terbentuk kembali terus menerus. Jarak pendek ini, seperti yang disebut, menyumbang sifat yang tidak biasa lainnya dari air, seperti viskositas tinggi dan tegangan permukaan.

Atom oksigen memiliki enam elektron pada bagian luar (valensi) cangkangnya, yang dapat menampung total delapan elektron. Ketika sebuah atom oksigen membentuk ikatan kimia tunggal, dia membagi salah satu elektron sendiri dengan inti atom lain dan menerima imbalan bagian dari sebuah elektron dari atom itu. Ketika terikat pada dua atom hidrogen, kulit elektron terluar dari atom oksigen diisi.

Susunan elektron dalam molekul air dapat direpresentasikan sebagai berikut.

Setiap pasang titik mewakili sepasang elektron unshared (yaitu, elektron berada pada hanya atom oksigen). Situasi ini juga dapat digambarkan dengan menempatkan molekul air dalam kubus.

Setiap simbol ↑ ↓ mewakili sepasang elektron unshared. Struktur elektronik ini menyebabkan ikatan hidrogen.

Struktur Es (Padat)

Dalam keadaan padat (es), interaksi antarmolekul menyebabkan sangat teratur tapi longgar struktur di mana setiap atom oksigen dikelilingi oleh empat atom hidrogen; dua atom hidrogen berikatan secara kovalen dengan atom oksigen, dan dua lainnya (pada jarak lebih) adalah hidrogen terikat pasangan elektron unshared atom oksigen ini.

Struktur es yang terbuka ini menyebabkan kepadatan menjadi kurang dari keadaan cair, di mana struktur mengalami kerusakan sementara. Molekul air (rata-rata) lebih dekat bersama-sama. Ketika air membeku, berbagai struktur yang mungkin tergantung pada kondisi. Sembilan bentuk es diketahui dan dapat dipertukarkan dengan memvariasikan tekanan eksternal dan suhu.

Pentingnya struktur air cair

Keadaan cair air memiliki struktur yang sangat kompleks, yang tidak diragukan lagi melibatkan asosiasi besar dari molekul. Ikatan hidrogen yang luas di antara molekul-molekul dalam air cair menghasilkan nilai yang lebih besar untuk sifat seperti viskositas, tegangan permukaan, dan titik didih daripada yang diharapkan untuk cairan yang khas mengandung molekul kecil. Misalnya, berdasarkan ukuran molekul, air akan diharapkan untuk memiliki titik didih hampir 200 ° C (360 ° F) akan tetapi titik didih air lebih rendah daripada yang telah diamati. Berbeda dengan bentuk kental (padat dan cair) dari air, yang menunjukkan hubungan luas di antara molekul air, fase gas (uap) mengandung molekul air relatif independen pada jarak jauh dari satu sama lain.

Polaritas molekul air memainkan peranan utama dalam pembubaran senyawa ion selama pembentukan larutan berair. Lautan di bumi mengandung sejumlah besar garam terlarut, yang menyediakan sumber daya alam yang besar. Selain itu, ratusan reaksi kimia yang terjadi secara instan menjaga organisme hidup. semua terjadi dalam cairan berair. Juga, kemampuan makanan untuk dibumbui seperti yang dimasak dimungkinkan oleh kelarutan dalam air dari zat-zat seperti gula dan garam. Meskipun kelarutan zat dalam air merupakan proses yang sangat kompleks, interaksi antara molekul air polar dan zat terlarut (yaitu, substansi yang terlarut) memainkan peran utama. Ketika larut padat ion dalam air, ujung positif dari molekul air tertarik ke anion, sedangkan ujung negatif mereka tertarik dengan kation. Proses ini disebut hidrasi. Hidrasi ion yang cenderung menyebabkan garam untuk pecah (larut) dalam air. Dalam proses pelarutan kekuatan yang kuat hadir antara ion positif dan negatif dari padat diganti dengan interaksi air-ion yang kuat.

Ketika zat ionik larut dalam air, mereka pecah menjadi kation individu dan anion. Misalnya, ketika natrium klorida (NaCl) larut dalam air, larutan yang dihasilkan mengandung dipisahkan Na + dan Cl ion.

 

 Dalam persamaan ini (s) merupakan solid state, dan (aq), yang merupakan singkatan dari air, menunjukkan bahwa ion terhidrasi-yaitu, mereka memiliki sejumlah molekul air yang melekat pada mereka. Sebagai natrium klorida larut, empat molekul air erat diasosiasikan dengan ion natrium. (Jumlah hidrasi dari Na + adalah empat.) Di luar hidrasi ini bola bagian dalam adalah daerah di mana molekul air sebagian diperintahkan oleh kehadiran [Na (H₂O) ₄] + ion terhidrasi. Wilayah ini sebagian memerintahkan menyatu menjadi "biasa" (bulk) air cair.

Secara umum, semakin besar densitas muatan (rasio biaya untuk luas permukaan) dari ion, semakin besar jumlah hidrasi akan. Sebagai aturan, ion negatif memiliki nomor hidrasi lebih kecil dari ion positif karena crowding besar yang terjadi ketika atom hidrogen dari molekul air yang berorientasi anion.

Banyak senyawa nonionik juga larut dalam air. Misalnya, etanol (C₂H₅OH), komponen beralkohol dari anggur, bir, dan roh suling, sangat larut dalam air. Minuman ini mengandung berbagai persentase etanol dalam larutan berair dengan zat lain. Etanol begitu larut dalam air karena struktur molekul alkohol. Molekul berisi kutub O-H obligasi seperti di air, yang memungkinkan untuk berinteraksi secara efektif dengan air.

Ada banyak zat yang tidak larut dalam air. Lemak hewani, misalnya, tidak larut dalam air murni karena sifat nonpolar dari molekul lemak membuat mereka tidak kompatibel dengan molekul air polar. Secara umum, zat polar dan ionik yang larut dalam air. Aturan praktis yang berguna untuk menentukan apakah dua zat cenderung larut (yaitu, akan bercampur untuk membentuk solusi) adalah “like dissolves like.” Artinya, dua zat polar cenderung untuk mencampur untuk membentuk solusi, seperti dua zat nonpolar.

Air Pada Suhu Tinggi Dan Tekanan

Kemampuan karakteristik air untuk berperilaku sebagai (media yang melarutkan) pelarut polar berubah ketika air terkena suhu tinggi dan tekanan. Ketika air menjadi panas, molekul tampaknya jauh lebih mungkin untuk berinteraksi dengan molekul nonpolar. Sebagai contoh, pada 300 ° C (572 ° F) dan tekanan tinggi, air telah melarutkan sifat yang sangat mirip dengan aseton (CH₃COCH₃), pelarut organik umum.

Perilaku air sangat tidak biasa di luar suhu dan tekanan kritis (374 ° C [705,2 ° F], 218 atmosfer). Di atas suhu kritis, perbedaan antara  bentuk cairan dan gas menghilang-itu menjadi fluida superkritis, kepadatan yang dapat bervariasi dari liquidlike untuk gaslike dengan memvariasikan suhu dan tekanan. Jika densitas air superkritis cukup tinggi, zat terlarut ionik yang mudah larut, seperti halnya untuk air "normal"; tapi, anehnya, fluida superkritis ini juga mudah larut dalam suatu zat nonpolar ketika air biasa tidak bisa lakukan. Karena kemampuannya untuk melarutkan zat nonpolar, air superkritis dapat digunakan sebagai media pembakaran untuk menghancurkan limbah beracun. Misalnya, limbah organik dapat dicampur dengan oksigen dalam air superkritis cukup padat dan dibakar dalam cairan; api benar-benar membakar "di bawah air." Oksidasi dalam air superkritis dapat digunakan untuk menghancurkan berbagai bahan organik berbahaya dengan keuntungan bahwa reaktor superkritis air adalah sistem tertutup, sehingga tidak ada emisi yang dilepaskan ke atmosfer.

Sifat Fisik

Air memiliki beberapa sifat fisik penting. Meskipun sifat ini sudah familiar karena kemahahadiran air, sebagian besar sifat fisik air yang cukup atipikal. Mengingat massa molar rendah molekul penyusunnya, air memiliki nilai-nilai  viskositasluar biasa besar, tegangan permukaan, panas penguapan, dan entropi penguapan, yang semuanya dapat berasal interaksi ikatan hidrogen yang luas hadir dalam air cair. Struktur terbuka dari es yang memungkinkan untuk ikatan hidrogen maksimum menjelaskan mengapa air padat kurang padat daripada air-situasi yang sangat tidak biasa di antara cairan zat umum.

Sifat fisik air
massa molar	18,0151 gram per mol
titik leleh	0.00 ° C
titik didih	100.00 ° C
kepadatan maksimum (pada 3.98 ° C)	1.0000 gram per sentimeter kubik
density (25 ° C)	0,99701 gram per sentimeter kubik
tekanan uap (25 ° C)	23.75 torr
panas fusi (0 ° C)	6,010 kilojoule per mol
panas penguapan (100 ° C)	40.65 kilojoule per mol
panas pembentukan (25 ° C)	-285,85 Kilojoule per mol
entropi penguapan (25 ° C)	118.8 joule per ° C mol
viskositas	0,8903 sentipoise
tegangan permukaan (25 ° C)	71,97 dyne per sentimeter

REAKSI ASAM-BASA

Air mengalami berbagai jenis reaksi kimia. Salah satu sifat kimia yang paling penting dari air adalah kemampuannya untuk berperilaku baik sebagai asam (donor proton) dan basa (akseptor proton), properti karakteristik zat amfoter. Perilaku ini paling jelas terlihat dalam autoionization air:

H₂O (l) + H₂O (l) H₃O + ⇌ (aq) + OH (aq),

dimana (l) merupakan keadaan cair, (aq) menunjukkan bahwa spesies dilarutkan dalam air, dan panah ganda menunjukkan bahwa reaksi dapat terjadi di kedua arah dan kondisi ekuilibrium ada. Pada 25 ° C (77 ° F) konsentrasi terhidrasi H + (yaitu, H₃O +, dikenal sebagai ion hidronium) dalam air adalah 1,0 × 10-7 M, dimana M merupakan mol per liter. Karena salah OH ion diproduksi untuk setiap H₃O + ion, konsentrasi OH pada 25 ° C juga 1,0 × 10-7 M. Dalam air pada 25 ° C H₃O + konsentrasi dan konsentrasi OH harus selalu 1,0 × 10 -14:

[H +] [OH-] = 1,0 × 10-14,

di mana [H +] merupakan konsentrasi H + ion terhidrasi dalam mol per liter dan [OH-] merupakan konsentrasi ion OH dalam mol per liter.

Ketika asam (zat yang dapat menghasilkan ion H +) dilarutkan dalam air, baik asam dan air berkontribusi ion H + ke solusi. Hal ini menyebabkan situasi di mana H + konsentrasi lebih besar dari 1,0 × 10-7 M. Sejak itu harus selalu benar bahwa [H +] [OH-] = 1,0 × 10-14 pada 25 ° C, [OH] harus diturunkan untuk beberapa nilai di bawah 1,0 × 10-7. Mekanisme untuk mengurangi konsentrasi OH melibatkan reaksi

H + + OH → H₂O,

yang terjadi sejauh yang diperlukan untuk mengembalikan produk [H +] dan [OH-] untuk 1,0 × 10-14 M. Jadi, ketika asam ditambahkan ke dalam air, larutan yang dihasilkan mengandung lebih H + dari OH; yaitu, [H +]> [OH-]. Seperti solusi (di mana [H +]> [OH-]) dikatakan asam.

Metode yang paling umum untuk menentukan keasaman larutan adalah pH, yang didefinisikan dalam hal konsentrasi ion hidrogen:

pH = -log [H +],

dimana log simbol singkatan basis-10 logaritma. Dalam air murni, di mana [H +] = 1,0 × 10-7 M, pH = 7.0. Untuk larutan asam, pH kurang dari 7 Ketika basis (zat yang berperilaku sebagai akseptor proton) dilarutkan dalam air, H + konsentrasi menurun sehingga [OH-]> [H +]. Sebuah solusi dasar ditandai dengan memiliki pH> 7 Singkatnya, dalam larutan air pada 25 ° C:

larutan netral [H +] = [OH] pH = 7

larutan asam [H +]> [OH-] pH <7

solusi dasar [OH-]> [H +] pH> 7

REAKSI OKSIDASI-REDUKSI

Ketika logam aktif seperti natrium ditempatkan dalam kontak dengan air cair, eksotermis (panas memproduksi) reaksi kekerasan terjadi yang rilis menyala gas hidrogen.

2Na (s) + 2H₂O (l) → 2Na + (aq) + 2OH- (aq) + H₂ (g)

Ini adalah contoh dari reaksi oksidasi-reduksi, yang merupakan reaksi di mana elektron ditransfer dari satu atom ke yang lain. Dalam hal ini, elektron ditransfer dari atom natrium (Na + membentuk ion) ke molekul air untuk menghasilkan gas hidrogen dan ion OH. Logam alkali lainnya memberikan reaksi yang sama dengan air. Logam yang tidak aktif bereaksi lambat dengan air. Misalnya, besi bereaksi pada tingkat yang dapat diabaikan dengan air cair tetapi bereaksi jauh lebih cepat dengan superheated steam untuk membentuk besi oksida dan gas hidrogen.

Logam mulia, seperti emas dan perak, tidak bereaksi dengan air sama sekali.

Pages: 1 2 3 4 5