La molecola d'acqua è elettricamente neutra, ma la disposizione asimmetrica degli atomi di idrogeno sull'atomo di ossigeno gli conferisce una carica positiva netta su un lato e una carica negativa sull'altro. Tra le conseguenze importanti per gli organismi viventi vi è la capacità dell'acqua di dissolvere una varietà di sostanze, più di ogni altro liquido, e la sua forte tensione superficiale, che le consente di formare gocce e di viaggiare attraverso minuscole radici, steli e capillari. L'acqua è l'unica sostanza che esiste come gas, liquido e solido alle temperature rilevate sulla Terra e, a causa della polarità della molecola d'acqua, lo stato solido è meno denso dello stato liquido. Di conseguenza, il ghiaccio galleggia, e questo ha profonde implicazioni per la vita in tutto il mondo.

Idrogeno Bonding

Un modo semplice per apprezzare la natura polare di una molecola d'acqua è visualizzarlo come La testa di Topolino. Gli atomi di idrogeno si trovano in cima alla molecola di ossigeno nello stesso modo in cui le orecchie si siedono sulla testa di Mickey. Questo arrangiamento tetraedrico distorto è dovuto al modo in cui gli elettroni sono condivisi tra gli atomi. Gli atomi di idrogeno formano un angolo di 104,5 gradi, conferendo ad ogni molecola le caratteristiche di un dipolo elettrico o di un magnete.

Il lato positivo (idrogeno) di ogni molecola d'acqua viene attratto dal lato negativo (ossigeno) dell'ambiente circostante molecole in un processo chiamato legame all'idrogeno. Ogni legame idrogeno dura solo per una frazione di secondo e non è abbastanza forte da spezzare i legami covalenti tra gli atomi, ma conferisce all'acqua una natura anomala rispetto ad altri liquidi, come l'alcol. Tre anomalie sono particolarmente importanti per gli organismi viventi.

Il solvente della vita

A causa della sua natura polare, l'acqua è in grado di dissolvere così tante sostanze che gli scienziati talvolta definiscono solvente universale. Gli organismi assorbono molti nutrienti essenziali, tra cui carbonio, azoto, fosforo, potassio, calcio, magnesio e zolfo dall'acqua. Inoltre, quando l'acqua dissolve un solido ionico, come il cloruro di sodio, gli ioni galleggiano liberamente in soluzione e lo trasformano in un elettrolita. Gli elettroliti conducono i segnali elettrici necessari per trasmettere i segnali neurali e quelli che regolano altri processi biofisici. L'acqua è anche il mezzo attraverso il quale gli organismi eliminano gli scarti del metabolismo.

La forza legante del nutrimento

L'attrazione elettrostatica delle molecole d'acqua l'una per l'altra crea il fenomeno della tensione superficiale, per cui il la superficie dell'acqua liquida forma una barriera sulla quale alcuni insetti possono effettivamente camminare. La tensione superficiale fa sollevare l'acqua in goccioline e quando una goccia si avvicina a un'altra, si attraggono a formare una singola goccia.

A causa di questa attrazione, l'acqua può essere trascinata in piccoli vasi capillari come un flusso costante. Questo permette alle piante di attirare l'umidità dal terreno attraverso le loro radici e permette agli alberi ad alto fusto di nutrirsi attirando la linfa attraverso i loro pori. L'attrazione delle molecole d'acqua per l'altro aiuta anche a mantenere i fluidi che circolano attraverso i corpi degli animali.

L'anomalia del ghiaccio galleggiante

Se il ghiaccio non galleggiava, il mondo sarebbe un posto diverso e probabilmente non sarebbe in grado di sostenere la vita. Oceani e laghi potrebbero congelarsi dal basso verso l'alto e potrebbero trasformarsi in una massa solida ogni volta che la temperatura diventa fredda. Invece, i corpi d'acqua formano una pelle di ghiaccio durante l'inverno; la superficie dell'acqua si ghiaccia quando esposta alle temperature più fredde sopra di esso, ma il ghiaccio rimane sopra il resto dell'acqua perché il ghiaccio è meno denso dell'acqua. Ciò consente a pesci e altre creature marine di sopravvivere a basse temperature e di fornire cibo per creature che vivono nella terra.

Ad eccezione dell'acqua, ogni altro composto diventa più denso nello stato solido che nello stato liquido. Il comportamento unico dell'acqua è un risultato diretto della polarità della molecola d'acqua. Quando le molecole si depositano nello stato solido, il legame con l'idrogeno le costringe in una struttura reticolare che fornisce più spazio tra loro rispetto a quando erano allo stato liquido.