Forme de apă
Apa se găseseşte sub diverse forme în natură: vapori de apă şi nori în atmosfera, valuri şi aisberguri în oceane, gheţari la latitudini mici sau altitudini mari, acvifere sub pământ, râuri sau lacuri. Circuitul apei în natură este fenomenul prin care apa este transferată dintr-o forma într-alta, prin evaporare, precipitaţii şi scurgeri de suprafaţă. Datorită importanţei pe care o are (în agricultură, dar şi pentru omenire în general), apei i s-au dat diverse nume în funcţie de formele pe care le ia. Ploaia e cunoscută în majoritatea ţărilor, pe când alte forme sunt mai puţin întâlnite, şi pot fi surprinzătoare când sunt văzute prima dată. Exemple sunt: grindina, zăpada, ceaţa, roua sau chiciura. Un fenomen conex este curcubeul, întâlnit atunci cand lumina se refractă prin particulele de apă din atmosferă. Apa de la suprafaţa globului joacă roluri importante în evoluţia umană; râurile şi irigaţiile asigură aportul de apă pentru agricultură, sunt suport pentru transportul maritim sau fluvial, fie comercial sau de agrement. O apă cu insuficienţi nutrienţi se numeşte oligotrofă. Scurgerea apei pe suprafaţa terestră este mecanismul prin care eroziunea sculptează mediul natural, duce la crearea văilor şi deltelor cu suprafeţe fertile favorabile dezvoltării de centre umane. De asemenea, apa se infiltrează în sol, ajungând în pânza de apă freatică. Această apă freatică ajunge din nou la suprafaţă sub forma izvoarelor, sau a izvoarelor termale şi gheizerilor. Apa freatică este de asemenea extrasă artificial prin puţuri şi fântâni. Deoarece apa poate conţine numeroase substanţe diferite, poate avea gusturi sau mirosuri foarte diferite. De fapt, oamenii şi alte animale şi-au format simţurile pentru a putea evalua calitatea apei: de obicei, animalele evită apa cu gust sărat (apă de mare) sau putred de mlaştină preferând apa unui izvor montan sau apa freatică.
Apa în biologie şi civilizaţia umană
Din punct de vedere biologic, apa are numeroase proprietăţi indispensabile proliferării vieţii, care o deosebesc de celelalte substanţe. Apa îşi îndeplineşte acest rol, permiţând compuşilor organici să reacţioneze în moduri care să permită în cele din urmă replicarea. Este un bun solvent şi are o tensiune superficială ridicată, permiţând astfel mişcarea compuşilor organici şi a organismelor vii. Apa proaspătă are densitatea maximă la 4°C, această densitate scăzând pe măsură ce apa se răceşte, se încălzeşte sau îngheaţă. Fiind o moleculă polară stabilă dominantă în atmosferă, joacă un rol important în absorbţia radiaţiei infraroşii, crucială în cadrul efectului de seră, fără de care temperatura medie la suprafaţa Terrei ar fi de -18° Celsius. Apa are de asemenea o căldură specifică neobişnuit de mare, care joacă mai multe roluri în reglarea climatului global şi regional, precum Curentul Golfului, permiţând existenţa vieţii. Deoarece absoarbe foarte mult infraroşiile, are o foarte uşoară nuanţă albastră, datorită eliminării unei mici cantităţi de lumină roşie care o traversează. Culoarea albastră poate fi observată numai când apa este în cantitate mare, de exemplu în lacuri, mări sau oceane. Apa este un foarte bun solvent, similar din punct de vedere chimic cu amoniacul, şi dizolvă multe tipuri de substanţe, precum diferite săruri şi zahărul, şi facilitează reacţiile chimice ale acestora, lucru care permite metabolismele complexe. Unele substanţe însă nu se amestecă cu apa, cum e de exemplu petrolul, şi alte substanţe hidrofobe. Membranele celulare, compuse din lipide şi proteine, profită de această proprietate, controlând interacţiunea dintre ele şi mediul extern. Acest lucru este uşurat de tensiunea superficială a apei. Picăturile de apă sunt stabile datorită tensiunii superficiale mari datorată puternicelor forţe intermoleculare numite forţe de coeziune. Acest lucru este evident atunci când mici cantităţi de apă ajung pe o suprafaţă insolubilă, precum polietena: apa rămâne sub formă de picături. Totuşi, pe sticlă extrem de curată apa formează o peliculă subţire deoarece forţele dintre moleculele de apă şi de sticlă (forţele de adeziune) sunt mai mari decât forţele de coeziune. Acest lucru este foarte important în cadrul transpiraţiei plantelor. În celulele şi organismele biologice, apa se află în contact cu suprafeţele membranoase proteice care sunt hidrofile, adică prezintă o puternică atracţie pentru apă. Langmuir a observat o puternică forţă de respingere între suprafeţele hidrofile. Pentru a deshidrata suprafeţele hidrofile este necesar un efort deosebit pentru învingerea acestor forţe, numite forţe de hidraţie. Aceste forţe sunt foarte puternice, dar valoarea lor scade rapid pe distanţe mai mici de un nanometru. Importanţa lor în biologie a fost studiată de Parsegian. Prezintă importanţă în special atunci când celulele sunt deshidratate prin expunerea la atmosferă uscată sau la îngheţ extracelular. O proprietate simplă, dar unică şi extrem de importantă pentru mediu, este că în forma sa solidă, de gheaţă, pluteşte pe lichid. Forma solidă a apei are o densitate mai mică decât a apei lichide, datorită geometriei punţilor de hidrogen care se formează doar la temperaturi mai joase. Pentru aproape toate substanţele şi pentru toate celelalte 11 stări neobişnuite ale apei, cu excepţia gheţii-XI, starea solidă este mai densă decât cea lichidă. Apa proaspătă este cel mai densă la 4 °C, şi se va scufunda prin convecţie pe măsură ce se răceşte la acea temperatură, iar dacă se răceşte în continuare se va ridica. Datorită aceste proprietăţi, apa de adâncime va fi mai caldă decât apa îngheţată, de suprafaţă, astfel încât gheaţa se va forma începând de la suprafaţă şi se va extinde în jos, iar cea mai mare parte a apei de dedesubt va rămâne constantă la 4 °C. Astfel, fundul unui lac, mare sau ocean este practic izolat de frig, permiţând supravieţuirea speciilor de animale. Aproape toate celelalte substanţe chimice sunt mai dense în stare solidă şi îngheaţă de la fund spre suprafaţă. Viaţa pe Pământ a evoluat şi s-a adaptat acestor proprietăţi ale apei. Existenţa formelor solidă, lichidă şi gazoasă ale apei pe Pământ a reprezentat un factor important pentru colonizarea diferitelor medii ale planetei de către forme de viaţă adaptate variatelor, şi adesea extremelor, condiţii de viaţă. În istorie, civilizaţiile s-au dezvoltat cu precădere pe malurile râurilor sau mărilor: Mesopotamia, aşa-numitul leagăn al civilizaţiei este situată între două râuri, Egiptul antic a înflorit pe malurile Nilului, iar marile metropole, precum Londra, Paris, New York şi Tokio îşi datorează succesul în parte accesibilităţii oferite de situarea lângă o apă, şi înflorirea comercială rezultată. Insulele cu porturi sigure, precum Singapore şi Hong Kong, s-au dezvoltat tocmai din acest motiv. În locuri precum Africa de Nord şi Orientul Mijlociu, unde apa nu se găseşte în abundenţă, accesul la apă potabilă a fost şi este o mare problemă în dezvoltarea comunităţilor umane. O greşeală des întâlnită este aceea că apa este un bun conductor de electricitate. Toate proprietăţile electrice ale ape se datorează ionilor sărurilor minerale dizolvate în ea şi dioxidului de carbon dizolvat în ea. Apa prezintă auto-ionizare (două molecule de apă se transformă într-un anion de hidroxid şi un cation de hidroniu) însă doar la un nivel aproape imperceptibil.
