Apa este o substanţă compusă cu formula moleculară H₂O.

Molecula apei este formată din doi atomi de hidrogen şi un atom de oxigen. Conţinutul procentual de hidrogen respectiv de oxigen din apă este:

    a = 11,11% H şi b = 88,89% O               (4.1)

Între atomul de oxigen şi fiecare atom de hidrogen se stabileşte câte o legătură covalentă polară iar unghiul dintre acestea este de 104,5^o.

4.1 Stare naturală

Apa se găseşte în natură atât în stare lichidă cât şi în stare solidă şi gazoasă. Din suprafaţa totală de 5,1^.10⁸ km² a globului pământesc, 71% respectiv 3,62^.10⁸ km² este acoperită de mări şi oceane. Suprafaţa uscatului acoperită de gheţari reprezintă 10,67% din totalul uscatului, adică 1,58^.10⁷km². Dacă toţi gheţarii s-ar topi, nivelul oceanelor ar creşte cu cca. 80 m.

Apa naturală nu este pură. În ea sunt dizolvate o serie de substanţe care provin din straturile permeabile (humus, nisip) străbătute de apă sau sunt dizolvate gazele existente în aer: dioxid de carbon, oxigen, poluanţi gazoşi. Cel mai scăzut conţinut în substanţe dizolvate îl are apa izvoarelor de munte. În apa naturală se mai găsesc şi diferite impurităţi mecanice (suspensii).

4.2 Proprietăţi fizice

La temperatura obişnuită apa curată este un lichid fără gust (insipid) şi fără miros (inodor), incolor în strat subţire şi colorat în verde – albăstrui în strat gros.

Unele proprietăţi ale apei servesc pentru definirea unităţilor de măsură a unor mărimi fizice (mai ales în sistemul de unităţi tolerate, CGS).

Temperatura de fierbere şi temperatura de topire a apei la presiunea de 1 atmosferă definesc unitatea de temperatură în scara Celsius.

Vâscozitatea apei este le 20^oC de 1cP.

Unitatea de măsură pentru căldură, caloria, este egală cu căldura specifică a apei la 15^oC. Pentru încălzirea apei se consumă o cantitate mare de căldură care este cedată la răcirea sa. Pe această proprietate se bazează utilizarea ei ca agent termic. Apa are datorită acestei proprietăţi şi un rol important în regularizarea climei: suprafeţele uscate vecine cu întinderile mari de apă sunt “încălzite” iarna de curenţii calzi care vin dinspre apă şi “răcite” vara de “briză” – curenţii mai reci.

Unitatea de masă, kilogramul, este egal cu masa unui dm³ de apă pură la 4^oC.

Densitatea apei se modifică cu creşterea temperaturii, între 0^oC şi 4^oC creşte cu temperatura, apoi scade astfel încât densitatea maximă a apei este, la 4^oC, de 1g/cm³. Apa îşi măreşte volumul la solidificare, gheaţa are densitate mai mică decât densitatea apei la 0^oC după cum rezultă şi din Fig. 4.1. Aceste proprietăţi au o importanţă deosebită în natură. Când timpul se răceşte, apele lacurilor, râurilor etc. se răcesc la suprafaţă până la 4^oC. Cum apa la această temperatură are densitatea maximă se lasă la fund iar la suprafaţă ajunge apă cu temperatură mai mare. După ce toată masa de apă a ajuns la 4^oC stratul de la suprafaţă se răceşte şi la 0^oC îngheaţă. Gheaţa fiind mai uşoară decât apa lichidă rămâne la suprafaţă. Stratul de apă de pe fundul lacului sau râului va rămâne lichid şi la o temperatură în jur de 4^oC, permiţând existenţa vieţii subacvatice.

În reţeaua cristalină a gheţii fiecare moleculă de apă este înconjurată tetraedric de alte patru molecule, Fig. 4.2. Fiecare atom de hidrogen al moleculei centrale stabileşte o legătură de hidrogen cu câte o pereche de electroni neparticipanţi ai atomilor de oxigen ai altor două molecule de apă şi fiecare pereche de electroni neparticipanţi ai oxigenului din aceste molecule stabileşte câte o legătură de hidrogen cu atomii de hidrogen din alte două molecule de apă. Multiplicând la infinit această structură se obţine o reţea hexagonală afânată, imprimând apei solide o densitate mai mică decât a apei lichide.

Când gheaţa se topeşte se desfac, brusc aproximativ 15% din legăturile din cristalele de gheaţă, la 40^oC sunt desfăcute circa jumătate din aceste legături iar în stare de vapori asociaţiile dispar în întregime.

Moleculele apei sunt polare, cu momentul de dipol m = 1,84 Debye, motiv pentru care apa se utilizează ca solvent al electroliţilor. Constanta dielectrică a apei este de 78,5 la 298K fapt ce îi conferă un caracter de bun solvent chiar şi pentru anumite combinaţii organice mic moleculare polare.

În Tabelul 4.1sunt sintetizate principalele proprietăţi fizice ale apei iar in Fig.4.3 este prezentată diagrama de faze a apei. Pe diagramă se pot identifica:

-           punctul triplu, O, în care coexistă cele trei stări de agregare: solidă (gheaţă), lichidă şi vapori;

-           punctul critic, C, peste care vaporii de apă nu mai pot fi condensaţi şi se transformă în gaze;

-           temperatura normală de topire şi temperatura normală de vaporizare, numită şi temperatură de fierbere, determinate prin intersectarea izobarei de 1 atm cu diagrama de faze.

Tabel 4.1  Principalele proprietăţi fizice ale apei