Air adalah senyawa yang penting bagi semua bentuk kehidupan yang diketahui sampai saat ini di Bumi, tetapi tidak di planet lain. Air menutupi hampir 71% permukaan Bumi. Terdapat 1,4 triliun
kilometer kubik (330 juta mil³) tersedia di Bumi. Air sebagian besar terdapat di
laut (
air asin) dan pada lapisan-lapisan es (di kutub dan puncak-puncak gunung), akan tetapi juga dapat hadir sebagai
awan,
hujan,
sungai,
muka air tawar,
danau,
uap air, dan
lautan es. Air dalam obyek-obyek tersebut bergerak mengikuti suatu
siklus air, yaitu: melalui
penguapan,
hujan, dan aliran air di atas permukaan tanah (
runoff, meliputi
mata air,
sungai,
muara) menuju
laut. Air bersih penting bagi kehidupan
manusia.
Di banyak tempat di dunia terjadi kekurangan persediaan air. Selain di
Bumi, sejumlah besar air juga diperkirakan terdapat pada
kutub utara dan selatan planet
Mars, serta pada bulan-bulan
Europa dan
Enceladus. Air dapat berwujud
padatan (es),
cairan (air) dan
gas (uap air). Air merupakan satu-satunya zat yang secara alami terdapat di permukaan Bumi dalam ketiga wujudnya tersebut.
Pengelolaan sumber daya air yang kurang baik dapat menyebakan
kekurangan air, monopolisasi serta privatisasi dan bahkan menyulut
konflik.
Indonesia telah memiliki undang-undang yang mengatur sumber daya air
sejak tahun 2004, yakni Undang Undang nomor 7 tahun 2004 tentang Sumber
Daya Air
Sifat-sifat kimia dan fisika
Air adalah substansi kimia dengan
rumus kimia H2O: satu
molekul air tersusun atas dua
atom hidrogen yang
terikat secara kovalen pada satu atom
oksigen. Air bersifat tidak
berwarna, tidak
berasa dan tidak
berbau pada kondisi standar, yaitu pada
tekanan 100 kPa (1 bar) and
temperatur 273,15 K (0 °C). Zat kimia ini merupakan suatu
pelarut yang penting, yang memiliki kemampuan untuk melarutkan banyak zat kimia lainnya, seperti
garam-garam,
gula,
asam, beberapa jenis
gas dan banyak macam
molekul organik.
Keadaan air yang berbentuk cair merupakan suatu keadaan yang tidak
umum dalam kondisi normal, terlebih lagi dengan memperhatikan hubungan
antara hidrida-hidrida lain yang mirip dalam kolom oksigen pada
tabel periodik, yang mengisyaratkan bahwa air seharusnya berbentuk gas, sebagaimana
hidrogen sulfida. Dengan memperhatikan
tabel periodik, terlihat bahwa
unsur-unsur yang mengelilingi oksigen adalah
nitrogen,
flor, dan
fosfor,
sulfur dan
klor.
Semua elemen-elemen ini apabila berikatan dengan hidrogen akan
menghasilkan gas pada temperatur dan tekanan normal. Alasan mengapa
hidrogen berikatan dengan oksigen membentuk fase berkeadaan cair, adalah
karena oksigen lebih bersifat elektronegatif ketimbang elemen-elemen
lain tersebut (kecuali flor). Tarikan atom oksigen pada
elektron-elektron ikatan jauh lebih kuat dari pada yang dilakukan oleh
atom hidrogen, meninggalkan jumlah muatan positif pada kedua atom
hidrogen, dan jumlah muatan negatif pada atom oksigen. Adanya muatan
pada tiap-tiap atom tersebut membuat molekul air memiliki sejumlah
momen dipol.
Gaya tarik-menarik listrik antar molekul-molekul air akibat adanya
dipol ini membuat masing-masing molekul saling berdekatan, membuatnya
sulit untuk dipisahkan dan yang pada akhirnya menaikkan titik didih air.
Gaya tarik-menarik ini disebut sebagai
ikatan hidrogen.
Air sering disebut sebagai
pelarut universal karena air melarutkan banyak zat kimia. Air berada dalam kesetimbangan dinamis antara fase
cair dan
padat di bawah tekanan dan temperatur standar. Dalam bentuk ion, air dapat dideskripsikan sebagai sebuah ion hidrogen (
H+) yang berasosiasi (berikatan) dengan sebuah ion hidroksida (
OH-).
Elektrolisis air
Molekul air dapat diuraikan menjadi unsur-unsur asalnya dengan mengalirinya arus
listrik. Proses ini disebut elektrolisis air. Pada katode, dua molekul air bereaksi dengan menangkap dua
elektron, tereduksi menjadi gas H
2 dan ion hidrokida (OH
-). Sementara itu pada anode, dua molekul air lain terurai menjadi gas
oksigen (O
2), melepaskan 4 ion H
+ serta mengalirkan elektron ke katode. Ion H
+ dan OH
-
mengalami netralisasi sehingga terbentuk kembali beberapa molekul air.
Reaksi keseluruhan yang setara dari elektrolisis air dapat dituliskan
sebagai berikut.
-
Gas hidrogen dan oksigen yang dihasilkan dari reaksi ini membentuk gelembung pada
elektrode dan dapat dikumpulkan. Prinsip ini kemudian dimanfaatkan untuk menghasilkan hidrogen dan hidrogen peroksida (H
2O
2) yang dapat digunakan sebagai bahan bakar kendaraan hidrogen.
Kelarutan (solvasi)
Air adalah
pelarut yang kuat, melarutkan banyak jenis
zat kimia. Zat-zat yang bercampur dan larut dengan baik dalam air (misalnya
garam-garam) disebut sebagai zat-zat "
hidrofilik" (pencinta air), dan zat-zat yang tidak mudah tercampur dengan air (misalnya
lemak dan
minyak), disebut sebagai zat-zat "
hidrofobik"
(takut-air). Kelarutan suatu zat dalam air ditentukan oleh dapat
tidaknya zat tersebut menandingi kekuatan gaya tarik-menarik listrik
(gaya intermolekul dipol-dipol) antara molekul-molekul air. Jika suatu
zat tidak mampu menandingi gaya tarik-menarik antar molekul air,
molekul-molekul zat tersebut tidak larut dan akan
mengendap dalam air.
Kohesi dan adhesi
Air menempel pada sesamanya (
kohesi) karena air bersifat polar. Air memiliki sejumlah
muatan parsial negatif (σ-) dekat
atom oksigen
akibat pasangan elektron yang (hampir) tidak digunakan bersama, dan
sejumlah muatan parsial positif (σ+) dekat atom oksigen. Dalam air hal
ini terjadi karena atom oksigen bersifat lebih
elektronegatif dibandingkan atom hidrogen—yang berarti, ia (atom oksigen) memiliki lebih "
kekuatan tarik" pada
elektron-elektron
yang dimiliki bersama dalam molekul, menarik elektron-elektron lebih
dekat ke arahnya (juga berarti menarik muatan negatif elektron-elektron
tersebut) dan membuat daerah di sekitar atom oksigen bermuatan lebih
negatif ketimbang daerah-daerah di sekitar kedua atom hidrogen.
Air memiliki pula sifat
adhesi yang tinggi disebabkan oleh sifat alami ke-polar-annya.
Tegangan permukaan
Bunga daisy
ini berada di bawah permukaan air, akan tetapi dapat mekar dengan tanpa
terganggu. Tegangan permukaan mencegah air untuk menenggelamkan bunga
tersebut.
Air memiliki
tegangan permukaan
yang besar yang disebabkan oleh kuatnya sifat kohesi antar
molekul-molekul air. Hal ini dapat diamati saat sejumlah kecil air
ditempatkan dalam sebuah permukaan yang tak dapat terbasahi atau
terlarutkan (
non-soluble); air tersebut akan berkumpul sebagai
sebuah tetesan. Di atas sebuah permukaan gelas yang amat bersih atau
bepermukaan amat halus air dapat membentuk suatu
lapisan tipis (
thin film) karena gaya tarik molekular antara gelas dan molekul air (gaya adhesi) lebih kuat ketimbang gaya kohesi antar molekul air.
Dalam sel-sel biologi dan organel-organel, air bersentuhan dengan
membran dan permukaan protein yang bersifat hidrofilik; yaitu,
permukaan-permukaan yang memiliki ketertarikan kuat terhadap air.
Irvin Langmuir
mengamati suatu gaya tolak yang kuat antar permukaan-permukaan
hidrofilik. Untuk melakukan dehidrasi suatu permukaan hidrofilik — dalam
arti melepaskan lapisan yang terikat dengan kuat dari hidrasi air —
perlu dilakukan kerja sungguh-sungguh melawan gaya-gaya ini, yang
disebut gaya-gaya hidrasi. Gaya-gaya tersebut amat besar nilainya akan
tetapi meluruh dengan cepat dalam rentang nanometer atau lebih kecil.
Pentingnya gaya-gaya ini dalam biologi telah dipelajari secara ekstensif
oleh
V. Adrian Parsegian dari
National Institute of Health.Gaya-gaya ini penting terutama saat sel-sel terdehidrasi saat
bersentuhan langsung dengan ruang luar yang kering atau pendinginan di
luar sel (
extracellular freezing).
Air dalam kehidupan
Dari sudut pandang
biologi, air memiliki sifat-sifat yang penting untuk adanya kehidupan. Air dapat memunculkan reaksi yang dapat membuat
senyawa organic untuk melakukan
replikasi. Semua makhluk hidup yang diketahui memiliki ketergantungan terhadap air. Air merupakan zat
pelarut yang penting untuk makhluk hidup dan adalah bagian penting dalam proses
metabolisme. Air juga dibutuhkan dalam
fotosintesis dan
respirasi.
Fotosintesis menggunakan cahaya matahari untuk memisahkan atom hidroden
dengan oksigen. Hidrogen akan digunakan untuk membentuk
glukosa dan oksigen akan dilepas ke
udara.
Makhluk air
Perairan Bumi dipenuhi dengan berbagai macam kehidupan. Semua makhluk
hidup pertama di Bumi ini berasal dari perairan. Hampir semua
ikan hidup di dalam air, selain itu,
mamalia seperi
lumba-lumba dan
ikan paus juga hidup di dalam air. Hewan-hewan seperti
amfibi menghabiskan sebagian hidupnya di dalam air. Bahkan, beberapa
reptil seperti
ular dan
buaya hidup di perairan dangkal dan lautan. Tumbuhan laut seperti
alga dan
rumput laut menjadi sumber makanan ekosistem perairan. Di samudera,
plankton menjadi sumber makanan utama para ikan.
Air dan manusia
Peradaban manusia berjaya mengikuti sumber air.
Mesopotamia yang disebut sebagai awal peradaban berada di antara sungai
Tigris dan
Euphrates. Peradaban Mesir Kuno bergantung pada
sungai Nil. Pusat-pusat manusia yang besar seperti
Rotterdam,
London,
Montreal,
Paris,
New York City,
Shanghai,
Tokyo,
Chicago, dan
Hong Kong mendapatkan kejayaannya sebagian dikarenakan adanya kemudahan akses melalui perairan.
Air minum
Air yang diminum dari botol.
Tubuh
manusia terdiri dari 55% sampai 78% air, tergantung dari ukuran badan. Agar dapat berfungsi dengan baik, tubuh manusia membutuhkan antara satu sampai tujuh
liter air setiap hari untuk menghindari
dehidrasi; jumlah pastinya bergantung pada tingkat aktivitas,
suhu,
kelembaban,
dan beberapa faktor lainnya. Selain dari air minum, manusia mendapatkan
cairan dari makanan dan minuman lain selain air. Sebagian besar orang
percaya bahwa manusia membutuhkan 8–10 gelas (sekitar dua liter) per
hari, namun hasil penelitian yang diterbitkan
Universitas Pennsylvania pada tahun
2008 menunjukkan bahwa konsumsi sejumlah 8 gelas tersebut tidak terbukti banyak membantu dalam menyehatkan tubuh.
Malah kadang-kadang untuk beberapa orang, jika meminum air lebih banyak
atau berlebihan dari yang dianjurkan dapat menyebabkan ketergantungan.
Literatur medis lainnya menyarankan konsumsi satu liter air per hari,
dengan tambahan bila berolahraga atau pada
cuaca yang panas.
Pelarut
Pelarut digunakan sehari-hari untuk
mencuci, contohnya mencuci tubuh manusia,
pakaian, lantai,
mobil, makanan, dan hewan. Selain itu,
limbah rumah tangga juga dibawa oleh air melalui saluran pembuangan. Pada negara-negara industri, sebagian besar air terpakai sebagai pelarut.
Air dapat memfasilitasi proses biologi yang melarutkan
limbah.
Mikroorganisme yang ada di dalam air dapat membantu memecah limbah menjadi zat-zat dengan tingkat
polusi yang lebih rendah.
Zona biologis
Air merupakan cairan singular, oleh karena kapasitasnya untuk membentuk jaringan molekul 3 dimensi dengan
ikatan hidrogen yang mutual. Hal ini disebabkan karena setiap molekul air mempunyai 4 muatan fraksional dengan arah
tetrahedron, 2 muatan positif dari kedua atom hidrogen dan dua muatan negatif dari atom oksigen.
Akibatnya, setiap molekul air dapat membentuk 4 ikatan hidrogen dengan
molekul disekitarnya. Sebagai contoh, sebuah atom hidrogen yang terletak
di antara dua atom oksigen, akan membentuk satu
ikatan kovalen dengan satu atom oksigen dan satu ikatan hidrogen dengan atom oksigen lainnya, seperti yang terjadi pada
es.
Perubahan densitas molekul air akan berpengaruh pada kemampuannya untuk
melarutkan partikel. Oleh karena sifat muatan fraksional molekul, pada
umumnya, air merupakan zat pelarut yang baik untuk partikel bermuatan
atau ion, namun tidak bagi
senyawa hidrokarbon.
Konsep tentang
sel sebagai
larutan yang terbalut
membran, pertama kali dipelajari oleh
ilmuwan Rusia bernama
Troschin pada tahun 1956. Pada
monografnya,
Problems of Cell Permeability,
tesis
Troschin mengatakan bahwa partisi larutan yang terjadi antara
lingkungan intraselular dan ekstraselular tidak hanya ditentukan oleh
permeabilitas membran, namun terjadi akumulasi larutan tertentu di dalam protoplasma, sehingga membentuk larutan gel yang berbeda dengan
air murni.
Pada tahun 1962,
Ling melalui monografnya,
A physical theory of the living state, mengutarakan bahwa air yang terkandung di dalam sel mengalami
polarisasi menjadi lapisan-lapisan yang menyelimuti permukaan
protein dan merupakan pelarut yang buruk bagi
ion. Ion K
+ diserap oleh sel normal, sebab
gugus karboksil dari protein cenderung untuk menarik K
+ daripada ion
Na+. Teori ini, dikenal sebagai
hipotesis induksi-asosiasi juga mengutarakan tidak adanya pompa
kation,
ATPase,
yang terikat pada membran sel, dan distribusi semua larutan ditentukan
oleh kombinasi dari gaya tarik menarik antara masing-masing protein
dengan modifikasi sifat larutan air dalam sel. Hasil dari pengukuran
NMR memang menunjukkan penurunan
mobilitas air di dalam sel namun dengan cepat ter
difusi dengan
molekul air normal. Hal ini kemudian dikenal sebagai model
two-fraction, fast-exchange.
Keberadaan pompa kation yang digerakkan oleh
ATP
pada membran sel, terus menjadi bahan perdebatan, sejalan dengan
perdebatan tentang karakteristik cairan di dalam sitoplasma dan air
normal pada umumnya. Argumentasi terkuat yang menentang teori mengenai
jenis air yang khusus di dalam sel, berasal dari kalangan ahli kimiawan
fisis. Mereka berpendapat bahwa air di dalam sel tidak mungkin berbeda
dengan air normal, sehingga perubahan struktur dan karakter air
intraselular juga akan dialami dengan air ekstraselular. Pendapat ini
didasarkan pada pemikiran bahwa, meskipun jika pompa kation benar ada
terikat pada membran sel, pompa tersebut hanya menciptakan kesetimbangan
osmotik selular yang memisahkan satu larutan dari larutan lain, namun
tidak bagi air. Air dikatakan memiliki kesetimbangan sendiri yang tidak
dapat dibatasi oleh membran sel.
Para ahli lain yang berpendapat bahwa air di dalam sel sangat berbeda
dengan air pada umumnya. Air yang menjadi tidak bebas bergerak oleh
karena pengaruh permukaan ionik, disebut sebagai air berikat (
bahasa Inggris:
bound water), sedangkan air diluar jangkauan pengaruh ion tersebut disebut air bebas (
bahasa Inggris:
bulk water).
Air berikat dapat segera melarutkan ion, oleh karena tiap jenis ion
akan segera tertarik oleh masing-masing muatan fraksional molekul air,
sehingga kation dan anion dapat berada berdekatan tanpa harus membentuk
garam. Ion lebih mudah ter
hidrasi
oleh air yang reaktif, padat dengan ikatan lemah, daripada air inert
tidak padat dengan daya ikat kuat. Hal ini menciptakan zona air, sebagai
contoh, kation kecil yang sangat terhidrasi akan cenderung terakumulasi
pada fase air yang lebih padat, sedangkan kation yang lebih besar akan
cenderung terakumulasi pada fase air yang lebih renggang, dan
menciptakan partisi ion seperti serial Hofmeister sebagai berikut:
- Mg2+ > Ca2+ > H+ >> Na+
- NH+ > Cs+ > Rb+ > K+
- ATP3- >> ATP2- = ADP2- = HPO42-
- I- > Br- > Cl- > H2PO4-
catatan
- densitas air berikat semakin tinggi ke arah kanan.
Interaksi antara
molekul air berikat dan
gugus ionik diasumsikan terjadi pada rentang jarak yang pendek, sehingga
atom hidrogen terorientasi ke arah
anion
dan menghambat interaksi antara populasi air berikat dengan air bebas.
Orientasi molekul air berikat semakin terbatas permukaan molekul
polielektrolit bermuatan negatif antara lain
DNA,
RNA,
asam hialorunat,
kondroitin sulfat, dan jenis biopolimer bermuatan lain.
Energi elektrostatik antara molekul biopolimer bermuatan sama yang berdesakan akan menciptakan gaya
hidrasi yang mendorong molekul air bebas keluar dari dalam sitoplasma.
Pada umumnya, konsenstrasi larutan polielektrolit yang cukup tinggi akan membentuk
gel. Misalnya gel
agarose
atau gel dari asam hialuronat yang mengandung 99,9% air dari total
berat gel. Tertahannya molekul air di dalam struktur kristal gel
merupakan salah satu contoh kecenderungan alami setiap komponen dari
suatu sistem untuk bercampur dengan merata. Molekul air dapat terlepas
dari gel sebagai respon dari
tekanan udara, peningkatan suhu atau melalui mekanisme
penguapan,
namun dengan turunnya rasio kandungan air, daya ikat ionik yang terjadi
antara molekul zat terlarut yang menahan molekul air akan semakin kuat.
Meskipun demikian, pendekatan ionik seperti ini masih belum dapat menjelaskan beberapa fenomena anomali larutan seperti,
Fenomena anomali larutan ini dianggap terjadi pada rentang jarak jauh yang berada di luar domain pendekatan ionik.
Energi pada molekul air menjadi tinggi ketika ikatan hidrogen yang
dimiliki menjadi tidak maksimal, seperti saat molekul air berada dekat
dengan permukaan atau gugus hidrokarbon. Senyawa hidrokarbon kemudian
disebut bersifat
hidrofobik
sebab tidak membentuk ikatan hidrogen dengan molekul air. Daya ikat
hidrogen pada kondisi ini akan menembus beberapa zona air dan partisi
ion, sehingga dikatakan bahwa sebagai karakter air pada rentang jarak
jauh. Pada rentang ini, molekul
garam seperti
Na2SO4,
sodium asetat dan
sodium fosfat akan memiliki kecenderungan untuk terurai menjadi kation Na
+ dan anionnya.
Air dalam kesenian
"Ombak Besar Lepas Pantai Kanagawa." oleh
Katsushika Hokusai, lukisan yang sering digunakan sebagai pelukisan sebuah
tsunami.
Dalam
seni
air dipelajari dengan cara yang berbeda, ia disajikan sebagai suatu
elemen langsung, tidak langsung ataupun hanya sebagai simbol. Dengan
didukung kemajuan teknologi fungsi dan pemanfaatan air dalam seni mulai
berubah, dari tadinya pelengkap ia mulai merambat menjadi obyek utama.
Contoh seni yang terakhir ini, misalnya seni aliran atau tetesan (
sculpture liquid atau
droplet art).
Seni lukis
Pada zaman
Renaisans
dan sesudahnya air direpresentasikan lebih realistis. Banyak artis
menggambarkan air dalam bentuk pergerakan - sebuah aliran air atau
sungai, sebuah
lautan yang
turbulensi, atau bahkan
air terjun
- akan tetapi banyak juga dari mereka yang senang dengan obyek-obyek
air yang tenang, diam - danau, sungai yang hampir tak mengalir, dan
permukaan laut yang tak berombak. Dalam setiap kasus ini, air menentukan
suasana (
mood) keseluruhan dari karya seni tersebut, seperti misalnya dalam
Birth of Venus (
1486) karya
Botticelli dan
The Water Lilies (
1897) karya
Monet
Rivermasterz, memanfaatkan air sebagai elemen dalam
foto.
Fotografi
Sejalan dengan kemajuan
teknologi dalam
seni, air mulai mengambil tempat dalam bidang seni lain, misalnya dalam
fotografi.
walaupun ada air tidak memiliki arti khusus di sini dan hanya berperan
sebagai elemen pelengkap, akan tetapi ia dapat digunakan dalam hampir
semua cabang fotografi: mulai dari
fasion sampai
landsekap. Memotret air sebagai elemen dalam obyek membutuhkan penanganan khusus, mulai dari filter
circular polarizer yang berguna menghilangkan
refleksi, sampai pemanfaatan teknik
long exposure, suatu teknik fotografi yang mengandalkan bukaan rana lambat untuk menciptakan efek lembut (
soft) pada permukaan air.
Seni tetesan air
Keindahan tetesan air yang memecah permukaan air yang berada di
bawahnya diabadikan dengan berbagai sentuhan teknik dan rasa
menjadikannya suatu karya seni yang indah, seperti yang disajikan oleh
Martin Waugh dalam karyanya
Liquid Sculpture, suatu antologi yang telah mendunia.
Seni tetesan air tidak berhenti sampai di sini, dengan pemanfaatan
teknik pengaturan terhadap jatuhnya tetesan air yang malar, mereka dapat
diubah sedemikian rupa sehingga tetesan-tetesan tersebut sebagai satu
kesatuan berfungsi sebagai suatu penampil (
viewer) seperti halnya
tampilan komputer.
Dengan mengatur-atur ukuran dan jumlah tetesan yang akan dilewatkan,
dapat sebuah gambar ditampilkan oleh tetesan-tetesan air yang jatuh.
Sayangnya gambar ini hanya bersifat sementara, sampai titik yang
dimaksud jatuh mencapai bagian bawah penampil. Komersialisasi karya jenis ini pun dalam bentuk resolusi yang lebih kasar telah banyak dilakukan.