Door Chris Deziel Bijgewerkt op 24 maart 2022

thomasmales/iStock/GettyImages

Het watermolecuul is elektrisch neutraal, maar de asymmetrische opstelling van de waterstofatomen op het zuurstofatoom geeft het een netto positieve lading aan de ene kant en een negatieve lading aan de andere kant. Tot de belangrijke gevolgen voor levende organismen behoren het vermogen van water om een ​​verscheidenheid aan stoffen op te lossen, meer dan welke andere vloeistof dan ook, en de sterke oppervlaktespanning ervan, waardoor het druppels kan vormen en door kleine wortels, stengels en haarvaten kan reizen. Water is de enige substantie die bestaat als gas, vloeistof en vaste stof bij temperaturen die op aarde voorkomen, 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 diepgaande gevolgen voor het leven overal op de planeet.

Waterstofbinding

Waterstofbinding

Een gemakkelijke manier om de polaire aard van een watermolecuul te waarderen, is door het te visualiseren als het hoofd van Mickey Mouse. De waterstofatomen zitten bovenop het zuurstofmolecuul, op vrijwel dezelfde manier als de oren op Mickey's hoofd. Deze vervormde tetraëdrische opstelling komt tot stand vanwege de manier waarop elektronen tussen de atomen worden gedeeld. 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 omringende moleculen in een proces dat waterstofbinding wordt genoemd. Elke waterstofbrug 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 abnormaal karakter in vergelijking met andere vloeistoffen, zoals alcohol. Drie afwijkingen zijn vooral belangrijk voor levende organismen.

Het oplosmiddel van het leven

Het oplosmiddel van het leven

Vanwege zijn polaire aard kan water zoveel stoffen oplossen dat wetenschappers het soms een universeel oplosmiddel noemen. Organismen nemen veel essentiële voedingsstoffen op, waaronder koolstof, stikstof, fosfor, kalium, calcium, magnesium en zwavel uit water. Bovendien, wanneer water een ionische vaste stof, zoals natriumchloride, oplost, drijven de ionen vrij in de oplossing en veranderen deze in een elektrolyt. Elektrolyten geleiden de elektrische signalen die nodig zijn om neurale signalen over te brengen, evenals signalen die andere biofysische processen reguleren. Water is ook het medium waarmee organismen de afvalproducten van de stofwisseling elimineren.

De bindende kracht van voeding

De bindende kracht van voeding

Door de elektrostatische aantrekking van watermoleculen tot elkaar ontstaat het fenomeen oppervlaktespanning, waarbij het oppervlak van vloeibaar water een barrière vormt waarop bepaalde insecten daadwerkelijk kunnen lopen. De oppervlaktespanning zorgt ervoor dat water zich tot druppeltjes vormt, en wanneer de ene druppel de andere nadert, trekken ze elkaar aan en vormen ze één druppel.

Vanwege deze aantrekkingskracht kan water als een gestage stroom in kleine haarvaten worden gezogen. Hierdoor kunnen planten via hun wortels vocht uit de grond halen, en kunnen hoge bomen voeding krijgen door sap door hun poriën te zuigen. De aantrekking van watermoleculen tot elkaar zorgt er ook voor dat vloeistoffen door de lichamen van dieren blijven circuleren.

De anomalie van drijvend ijs

De anomalie van drijvend ijs

Als het ijs niet zou drijven, zou de wereld er anders uitzien en waarschijnlijk geen leven kunnen ondersteunen. Oceanen en meren kunnen van onderaf bevriezen en in een vaste massa veranderen zodra de temperatuur koud wordt. In plaats daarvan vormen waterlichamen in de winter een ijslaag; het wateroppervlak 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 leveren aan landdieren.

Met uitzondering van water wordt elke andere verbinding in vaste toestand dichter dan in vloeibare toestand. Het unieke gedrag van water is een direct gevolg van de polariteit van het watermolecuul. Terwijl de moleculen zich in de vaste toestand nestelen, worden ze door waterstofbruggen in een roosterstructuur gedwongen die meer ruimte tussen hen biedt dan in de vloeibare toestand.