Memahami Sifat Molekul Air dan Fungsi Air sebagai Pelarut

Klikhijau.com – Air memiliki fungsi paling fundamental dalam kehidupan. Air tidak saja penting bagi manusia dan hewan, tetapi juga untuk tumbuhan. Proses fisiologi yang berlangsung pada tumbuhan banyak berkaitan dengan air atau bahan-bahan (senyawa atau ion) yang terlarut dalam air. Oleh sebab itu, untuk mempelajari fisiologi perlu memahami sifat fisika dan kimia molekul air. Dari buku Dasar-dasar Fisiologi Tumbuhan (Benyamin Lakitan, 2001) disebutkan bahwa air merupakan suatu molekul yang sederhana, terdiri dari 1 aton oksigen (O) dan 2 atom hidrogen (H), sehingga berat molekulnya hanya 18 g/mol. Meski komposisi atom penyusunnya serta ukuran molekulnya yang kecil, karakteristik molekul air tergolong unik. Karakteristik tersebut disebabkan karena rangkaian kedua atom H pada atom O (yang berada di tengah) tidak membentuk garis lurus. Rangkaian ini membentuk sudut 105 derajat. Besarnya sudut ini selalu sama jika air dalam bentuk padat (es), tetapi agak bervariasi jika air dalam bentuk cair. Walaupun rata-rata besar sudutnya tetap 105 derajat. Mari kita lihat karakteristik air dan bagaimana peran air sebagai pelarut! [irp]

Karakteristik molekul air

Air memiliki karakteristik khusus antara lain:

• Berbentuk cair pada suhu ruang

Semakin besar ukuran molekul suatu senyawa, maka pada suhu ruang senyawa tersebut akan cenderung berbentuk cair atau padat. Sebaliknya, jika ukuran molekulnya kecil, maka akan cenderung berbentuk gas atau cair. Hidrokarbon bermolekul kecil (methana, ethana, propana dan butana) semua berbentuk gas pada suhu kamar. Berat molekul dari senyawa-senyawa hidrokarbon ini berturut-turut adalah 16,30, 44 dan 58 g/mol. Karbondioksida dengan berat molekul 44 g/mol juga berbetuk gas pada suhu ruang. Tetapi, air dengan berat molekul hanya 18 g/mol, berbetuk cair pada suhu ruang. Molekul air yang berbentuk cair pada suhu ruang tersebut disebabkan karena adanya ikatan hidrogen antara molekul-molekul air. Hal ini menyebabkan tiap molekul air tidak akan mudah terlepas dan berubah bentuk menjadi gas. [irp]

• Panas spesifik yang tinggi

Panas spesifik molekul air merupakan jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 g air murni setingga 1 derajat C. Besarnya energi tersebut adalah 1 cal (1000 cal=1 kcal=1 Cal). Satuan SI untuk energi panas adalah Joule (J), dimana 1 cal=4, 184 J. Panas spesifik molekul air hanya berbeda sedikit pada kisaran suhu dimana air masih berada dalam bentuk cair (0 – 100 derajat C). Panas spesifikasi air ini lebih tinggi dari semua senyawa lain, kecuali amonia cair. Hal ini disebabkan karena susunan molekul air yang memungkinkan atom-atom O dan H dapat bergetar secara bebas seperti layaknya ion-ion bebas. Dengan demikian, molekul air dapat menyerap sejumlah besar energi dengan tanpa menyebabkan peningkatan suhu. Tumbuhan banyak mengandung air di dalam sel-selnya. Hal inilah yang menyebabkan suhu tumbuhan relatif stabil walaupun menerima atau kehilangan energi. [irp]

• Panas laten vaporisasi dan fusi yang tinggi

Panas laten vaporisasi molekul air merupakan energi yang diperlukan untuk menguapkan  1 gram air pada suhu 20 derajat C. Sedangkan panas laten fusi merupakan energi yang dibutuhkan untuk mencairkan 1 g es pada suhu 0 derajat C. Besarnya energi panas laten vaporisasi air adalah 586 cal dan untuk panas laten fusi adalah 80 cal. Tingginya energi yang dibutuhkan untuk menguapkan air ini sekali lagi disebabkan oleh adanya ikatan hidrogen. Bagi tumbuhan, tingginya panas laten vaporisasi ini penting artinya dalam upaya untuk menjaga stabilitas suhu daun melalui proses transpirasi. Setiap molekul air dalam bentuk padat (es) dikelilingi oleh 4 molekul air lainnya. Membentuk struktur tetrahedral (setiap atom O mengikat 2 atom H tambahan). Struktur tetrahedral ini tertata sedemikian rupa sehingga kristal es berbentuk heksagonal, seperti yang tampak pada butiran salju (snowflake). Selama proses konversi dari bentuk padat ke bentuk cair, molekul-molekul air akan bergerak saling menjauh. Tetapi, anehnya volume total dari air tersebut berkurang selama proses pencairan tersebut. Hal ini terjadi karena molekul-molekul air tersebut tersusun lebih efisien dalam bentuk cair, dibandingkan dalam bentuk padat. Setiap molekul air dalam bentuk cair akan dikelilingi oleh 5 atau lebih molekul air lainnya. Akibatnya, air akan mengembang jika membeku, berarti es mempunyai kerapatan yang lebih rendah dibanding air. Es akan mengapung di permukaan air. [irp]

• Viskositas rendah

Akibat ikatan-ikatan hidrogen harus diputus agar air dapat mengalir, maka ada anggapan bahwa viskositas (hambatan untuk pengaliran) air akan tinggi. Namun, pada kenyataannya tidak demikian. Hal itu karena pada air dalam keadaan cair, setiap ikatan hidrogen dimiliki bersama-sama oleh 2 molekul air lainnya. Air dapat mengalir dengan mudah dalam jaringan tumbuhan. Pada kondisi padat, setiap atom O memiliki lebih sedikit ikatan hidrogen, sehingga masing-masing ikatan akan lebih kuat. Viskositas air akan menurun jika suhunya meningkat.

• Adanya gaya kohesi dan adhesi

Karena bersifat polar, maka akan mudah terjadi tarik-menarik antara molekul air dengan berbagai molekul lainnya. Misalnya dengan protein dan polisakarida penyusun dinding sel. Daya tarik menarik antara molekul yang tak sejenis disebut adhesi. Sedangkan daya tarik menarik antara molekul yang sejenis (misalnya antara sesama molekul air) disebut kohesi. Adanya gaya kohesi ini memungkinkan air diangkut dalam pembuluh xilem dari akar ke daun. Kohesi antara molekul air menyebabkan terjadinya tegangan permukaan. Molekul air yang berada di permukaan akan ditarik oleh molekul-molekul air pada bagian internal. Akibatnya, butiran tetesan air akan tampak seolah-olah dilapisi oleh kulit yang bersifat elastis  dan butiran air cenderung berbentuk bulat. [irp] Tegangan permukaan air lebih tinggi dibandingkan dengan zat cair lainnya. Kecuali hidrazin dan air aksa yang jika dalam bentuk cair akan memiliki tegangan yang lebih tinggi dibanding air.

Fungsi air sebagai pelarut

Air memiliki kemampuan melarutkan banyak jenis bahan kimia bila dibanding dengan zat cair lainnya. Mengapa demikian? Hal itu karena air memiliki konstanta dielektrik yang paling tinggi. Konstanta dielektrik merupakan ukuran dari kemampuan untuk menetralisir daya tarik-menarik antara molekul atau atom yang bermuatan listrik berbeda. Karenanya, air merupakan pelarut yang sangat baik untuk ion-ion bermuatan positif maupun negatif. Jika air mengandung elektrolit (ion) yang terlarut, maka larutan ini akan bermuatan listrik. Dengan begitu, air akan menjadi konduktor yang baik bagi alira arus listrik. Karenanya, dalam keadaan tangan yang basah, akan memicu tegangan listrik. Akan tetapi, air murni merupakan konduktor yang buruk. Hal itu karena ikatan hidrogen antara molekul air terlalu tahan terhadap aliran listrik. Peranan air sebagai pelarut ini sangat penting artinya bagi kehidupan tumbuhan. Selain protein dan asam nukleat, aktivitas senyawa lain di dalam protoplasma juga ditentukan oleh adanya air, kecuali untuk molekul yang berada salam oleosom atau bagian lemak pada membran. Meski demikian, oleosom dan membran secara keseluruhan dipengaruhi oleh air di sekitarnya. Sebagai catatan kunci, air dapat menciptakan lingkungan yang memungkinkan berlangsungnya berbagai reaksi biokimia dalam sel tumbuhan. [irp]