Secret of water

Air? Satu kata menyimpan sejuta rahasia.  Air itu vital! Tak satu pun makhluk hidup dapat melangsungkan kehidupannya di bumi tanpa air.  Bahkan setetes air pun akan mengundang tumbuhnya berjuta bakteri.  Tubuh kita terdiri dari 80% air.  Planet bumi pun mengandung 70% air.  Ada apa dengan air hingga begitu vital bagi kehidupan ditinjau secara kimiawi?

Bagaimanakah struktur air? Suatu pertanyaan yang dilontarkan oleh Richard Saykally dari University of California, Berkeley.  Molekul tunggal air terlihat seperti huruf V (bent) dengan satu atom oksigen di titik bawah dan dua atom hidrogen di atas.  Atom-atom ini saling berbagi elektron bermuatan negatif dan membentuk hubungan kuat yang disebut ikatan kovalen. Atom oksigen mendapat lebih banyak elektron yang membuatnya sedikit lebih negatif. Sementara ujung hidrogen menjadi sedikit positif. Pergeseran kecil ini bertanggung jawab menarik molekul air satu sama lain. Saykally menjelaskan, tiap molekul air memiliki kaki dan tangan. Tangannya merupakan atom hidrogen bermuatan positif, sedangkan kaki menjuntai dari sisi negatif oksigen. “Tangan tak bisa memegang tangan dan kaki tak bisa memegang kaki,” kata Saykally. Namun, tangan bisa memegang kaki dalam apa yang disebut ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen 10 kali lebih lemah dari ikatan kovalen namun ikatan ini merupakan kunci misteri air!  Ingat bahwa ikatan dalam molekul air sendiri adalah kovalen polar namun ikatan antar molekul air merupakan gaya interaksi molekul yang disebut ikatan hidrogen.  Sungguh luar biasa.

Fakta membuktikan bahwa bentuk padat air yaitu es mengapung bukan tenggelam dalam air.  Ternyata air juga mampu menyimpan panas dengan sangat baik. Tingginya tegangan permukaan air menunjukkan betapa molekul air ‘benci’ berpisah. Memahami keanehan air memerlukan studi merinci mengenai interaksi molekul. “Kami kira kami memahami segala sesuatu ada mengenai molekul tunggal air. Apa yang tak kami ketahui dengan baik adalah, cara air berinteraksi satu sama lain,” ujar Saykally.

Dalam es, tiap molekul memegang kaki dan tangan dari empat tetangga terdekatnya. Penempatan tetangga ini membentuk tetrahedron, atau piramida tiga-sisi. Saat es mencair, pertanyaan besarnya adalah, apa yang terjadi pada bentuk ini. Pada gambar tradisional, air terus terlihat seperti es dengan empat ikatan hidrogen di sekitar tiap molekul. Perbedaan dalam bentuk cair adalah, pada waktu tertentu, sekitar 10% ikatan hidrogen rusak. Itulah sebabnya es cenderung mengapung dalam air karena densitinya yang lebih kecil dibanding air sendiri.  Akibat gaya interaksi berupa ikatan hidrogen ini menyebabkan air memiliki struktur berongga sehingga volumenya membesar.  Jika demikian bagaimanakah titik didih air sendiri akibat adanya gaya ini? Coba diskusikan bersama teman Anda.

Pikirkan fakta berikut.  Tuhan Maha Adil.  Orang Eskimo penghuni kutub utara di Samudera Arktik di bumi ini gemar mengkonsumsi ikan sebagai makanan pokok.  Dilihat dari kondisi geografisnya, Kutub utara bumi ini bersuhu minus 43^o C.  Hanya hewan kutub yang mampu hidup di daerah seperti ini.  Hampir sepanjang tahun salju turun menutupi daerah ini.  Dingin dan gelap.  Mengapa banyak ikan yang mampu hidup di daerah bersalju ini?

Air memiliki sifat yang unik dibandingkan dengan zat lain, umumnya benda lain memiliki masa jenis (ρ) yang besar dalam bentuk padat, tapi tidak dengan air.  Pada suhu 4 °C air memiliki masa jenis TERBESAR, pada bentuk cair. Bila suhu diturunkan masa jenisnya kembali mengecil,
Fenomena ini dikenal dengan sifat anomalie air!  Air akan mulai membeku jika molekulnya tidak memiliki lagi cukup energi untuk melepaskan diri dari ikatan atom hidrogen (H). Pada 0°C mulailah terbentuk ikatan-ikatan yang kuat, dimana setiap atom Oksigen (O) secara tetraedris dikelilingi oleh 4 atom Hidrogen (H).  Yang pada mulanya ikatan molekul air tidak erat, akhirnya menjadi suatu kristal yang bolong-bolong (cluster).  Akibatnya air dalam fase padat (es) ini mengambil bentuk volume yang besar. Pertambahan volumenya hingga mencapai 10 %, masa jenisnya juga berkurang 10% (menjadi lebih ringan).

Bagaimana perbedaan struktur air dan es?  Setiap molekul air terhubung ke 4 molekul yang lain melalui ikatan hidrogen. Setiap molekul es terhubung ke 4 molekul yang lain melalui ikatan hidrogen juga.  Struktur es memiliki tingkat kepadatan/masa jenis (density) yang lebih rendah.  Itulah kenapa es (padat) dapat mengapung pada permukaan air.  Karena siklus perputaran air yang dimotori oleh masa jenisnya, menyebabkan suhu di dalamnya tidak kurang dari 4°C akibatnya air di dasar laut tidak akan pernah membeku!.  Hal ini menyebabkan kenapa ikan masih dapat hidup dalam suhu air, walaupun permukaanya telah membeku. Di samping itu ikan juga melakukan adaptasi fisiolgis terhadap lingkungannya.  Tubuh ikan di daerah ini memiliki protein antibeku.  Protein ini mampu mencegah kristalisasi air. Molekul-molekul air akan bergerak secara teratur dan tidak membeku dengan adanya protein ini.

Alasan lainnya yaitu ikan ini memiliki glikoprotein pada dinding pembuluh darahnya yang memungkinkan untuk bertahan di pembekuan air es. Dengan demikian ikan ini memiliki laju metabolisme yang juga lambat, jantungnya berdetak setiap 6 detik sekali. Amazing GOD !